净水工艺的合理选择

陆坤明 张金松
(深圳市自来水(集团)有限公司，深圳518031)

　　摘　要；本文针对深圳水库水源的微污染水质特性，根据深圳市自来水(集团)有限公司2010年水质规划目标，在总结常规处理工艺净化受污染原水的局限的基础上，综合比较了常规工艺强化、预处理和深度处理对深圳特定原水的适用性，通过包含这些流程的工艺技术集成中试，最终确定常规处理+臭氧化生物活性炭深度净化，是在深圳原水条件下净水工艺的合理选择，是实现深圳城市供水水质与国际接轨的可靠保证。
　　关键词：水源微污染：常规工艺强化；预处理：深度处理：臭氧化生物活性炭

Practical Determination of Water Treatment Process Alternatives
LU Kun-ming, ZHANG Jin-song
(Shenzhen Water Supply (Group) Co. Ltd., Shenzhen 518031, China)

　　Abstract: On base of understanding of the polluted source water quality characteristics from ShenzhenReservoir, the defects of conventional treatment process were discassed according to the water quality goals in Shenzhen Water Supply Group' s 2010 Planning. A comprehensive comparison was made between conventional treatment enhancement, pre treatment and advanced treatment for their applicability to speci fic raw water in Shenzhen The resul ts from tile pilot-scale experiment comprising of these processes showed that advanced purification by ozone/BAC after conventional treatment was the practical alternative under the raw water in Shenzhen, which could guarantee thc supplied water quality attaining to the quality standard in those developed countries.
　　Keywords: source water polluted; conventional treatment enhancement; pre-treatment: advanced treatment;ozone/BAC

　　深圳经济特区成立二十年来，社会经济和城市建设飞速发展，人口急剧增加，已由一个边陲自然小镇建设成为初具规模的现代化城市。深圳市自来水(集团)公司现有五座水厂，总供水能力为167万m³／日，比特区初期增长334倍［1]，2000年最高日供水量达138万m³，满足了城市经济和居民生活的需要。
　　由东江补给的深圳水库是深圳特区的主要水源。在八十年代初中期，深圳水库水质稳定良好，浊度低，不受污染。当时中国的生活饮用水卫生标准正值提高发展阶段，由七十年代中的水质标准23项提高到八十年代中的35项。深圳特区初期水厂建设均采用了微絮凝直接过滤工艺，满足了当时的水质要求和城市发展的需求。九十年代初期，中国特别是广东珠江三角洲经济的高速发展，城市化进程加快，水环境日趋污染，供香港和深圳原水的深圳水库水质污染日益加重，低浊、高藻富营养化和有机污染，已成为深圳水库的特征。九十年代开始，深圳特区水厂改造和新建，采用了混凝沉淀、过滤和消毒的常规工艺，在改进技术和严格管理之下，自来水水质不仅完全达到中国饮用水标准，而且达到了建设部对一类水司88项水质的要求。
　　进入新世纪，深圳特区将在“十五”期间率先建成现代化示范市，人均GDP将由目前4300美元提高到2005年7600美元，深圳将建成现代化国际城市。城市自来水水质将按国际城市水质标准为目标，将大力改善和提高目前水质。

1 深圳水源水质和净水工艺现状

1.1 水源水质
　　然而，具有微污染水源特征的原水是我们进一步提高水质的严重障碍，也对常规净水工艺构成了严峻挑战。
　　以深圳水库为主的深圳供水水源中，于90年代中期，由GC／Ms检测出有机物总数达20-30种，其中邻苯二甲酸二异辛脂、二十一烷、十二烷、1—氯基十八烷、萘、磷酸三丁脂等等为有毒有害物质[2]。分析表明，污染仍在发展。根据公司化验中心的最新检验结果，有机物的总数已达80余种， 其中对二氯苯等有毒有害物质的数量也明显增多。1996年至1999年连续4年对深圳、铁岗和西丽水库藻类定性检测，发现藻类有5—7个门，共计90个属，162—206个种；深圳水库中藻细胞密度常年维持在10⁶-10⁷个／升，最高达10⁹个／升，并发现微囊藻、鱼腥藻和颤藻等有毒藻种。通过酶联免疫法和高压液相色谱法的检测，均检出藻毒素，其中微囊藻毒素在10^-2～10^-1μg/L范围内。
　　为改善水源水质，粤港供水公司(原东深供水局)在深圳水库入库端兴建了原水生物硝化工程，1999年工程投产使用。1999年原水水质与1998、1997年进行对比(见表1)、总磷、BOD5、凯氏氮等指标都有所降低，尤其氨氮指标降低接近70%。但是，尽管原水水质有所改善，而许多指标值仍处于较高水平，如总磷1999年全年平均为0.068mg/L，较地面水环境质量标准(GB3838—88)Ⅱ类水标准值0.025mg/L高出很多；氨氮也高出近50％；藻类不但没有下降、反而上升：氨氮下降的同时带来亚硝酸盐氮的急剧上升，升幅超过200％。2000年东深供水系统上游来水水质继续下降，进入东深生物硝化工程的原水氨氮最高达5.53mg/L，平均为4.75mg/L。进入深圳水库氨氮最高达4.34mg/L，平均为0.55mg/L。总之，深圳水库水仍经常出现臭和味、氨氮、亚硝酸盐氮偏高，藻类含量处于较高水平，Ames试验呈阳性，水质具有生物不稳定性。

表1 深圳水库水源水质变化 原水 浊度（NTU） PH值 氨氮（mg/L） 亚硝酸盐氮（mg/L) 溶解氧（mg/L） 97 7.96 6.9 1.37 0.26 6.46 98 10.0 7.1 2.24 0.194 6.44 99 10.0 6.89 0.78 0.581 6.87 原水 总磷（mg/L) BOD₅(mg/L) 矿物油（mg/L） 凯氏氮（mg/L) CODMn（mg/L) 藻类（个/L） 97 0.0321 3.802 0.109 1.309 3.51 2.01×10⁷ 98 0.098 6.04 0.131 2.108 2.108 2.27×10⁷ 99 0.063 4.2 0.11 0.59 3.45 2.63×10⁷

1.2 现有常规净水工艺的局限
　　深水集团五座水厂的常规工艺面临上述水源水质，制水生产遇到难以克服的困难，常规工艺的不足主要表现在以下几方面：
　　●氨氮、亚硝酸盐氮的去除率低。净水工艺过程和供水系统中，氨氮硝化过程复杂；硝化不彻底，原水氨氮在水厂和供水系统中的硝化反应和转化过程难以形成最终产物硝酸盐，使得供水水体中氢氮、亚硝酸盐氮含量时有偏高。例如，2000年元月氨氮最高值达到4.3mg/L，2000年3月亚硝酸盐氮最高值达到2.81ug/L。
　　 ● 色、嗅、味偶有异常。春夏之季，由于气候急变和水源变更等原因，原水中微生物和藻类繁殖，水体溶解氧波动，因常规净水工艺除藻、除溶解性有机物能力有限，致使供水水质偶有异昧，口感欠佳。
　　● Ames试验呈阳性。1996年公司即开展对水的Ames试验研究，经研究发现，原水Ames试验呈阳性多。受污染的深圳水库原水，通过“预氯化一传统处理”工艺，不但不能有效降低水的致突变活性，反而由于氯化工艺产生的消毒副产物，使其致突变活性增强，使水厂出厂水的Ames试验呈阳性。
　　● 88项水质检测结果表明，尽管(出厂水)符合合格率要求，但氨氮、个别农药、矿物油等在原水含量偏高时，出厂水将超标，应该看到水质具有潜在的不安全因素。
　　● 常规干艺后的出厂‘水中生物可同化有机炭(AOC)含量高，具有生物不稳定性。

2　 水质目标和净水工艺选择

2.1　新的水质目标
　　根据建设部《城市供水行业2000年技术进步发展规划》要求，参照《美国饮用水水质标准》及《世界卫生组织饮用水水质准则》依据深圳特区社会发展和城市建设的需要，制订了深水集团企业供水水质规划目标：到2010年实现深圳城市供水水质与国际接轨，各项水质达到世界发达国家的水质标准，提出了以提高净水工艺为主的改善和提高水质的策略，将使自来水达到直接饮用。
　　对水质的基本要求是：
　　1)不得含有病原微生物，严格控制微生物，确保应用水的卫生和安全性；
　　2)水中有毒有害物严格控制其阈值，不得对人体健康产生危害；
　　3)水的感官性状良好。
　　为达到以上要求，至2010年前供水水质检测各类物质共100项^[3]，其中比较关键的指标见表2：除上述项目外，对评价水质具有参考意义的项目，如Ames试验、254nm紫外吸收、DOC、AOC、BDOC等也列为定期检测项目。
2.2 净水工艺的选择
　　● 原水预处理与常规工艺强化
　　为进一步改善饮用水水质，各种饮用水处理技术得到日益广泛的研究和应用。国内外处理微污染水源水的方法一般采用：常规工艺强化、预处理、深度处理等几大类。
　　常规工艺强化即通过净水构筑物结构形式改造、运行参数调整及混凝剂、助凝剂等的优化等措施强化常规挣水处理微污染原水的能力。美国“强化混凝”的作法是，通过降低原水pH值和增大混凝剂投量方式，提高混凝除浊除有机物能力^[4]，但该方法有其弱点[5]：1、对溶解性有机物、CODMn去除能力提高有限，对氨氮、矿物油等的去除没有促进作用；2、降低原水pH值，造成出厂水pH值过低，需要投加碱性调节剂保证供水管道不受腐蚀；3、更重要的是，针对美国的原水特性提出的降低反应体系pH值和增大混凝剂投量的方式，并不一定对所有原水水质都奏效。可见，常规工艺强化处理微污染原水改善效果有限，不是彻底解决常规挣水工艺处理微污染原水面临问题的最终途径。

表2 深水集团水质规划目标主要项目和指标值 项目 指标值 色
浊度
嗅和味
CODMn
氯仿
总三卤甲烷
溴酸盐
农药（总）
总磷
藻毒素
细菌总数（℃）
总大肠杆菌群
贾第氏虫
隐孢子虫
病原（肠道致病性病毒） 10度
＜0.5NTU
不得有异臭、异味
3mg/L
50μg/L
80μg/L
25μg/L
5μg/L
0.025μg/L
1μg/L
50CFU/mL
0 CFU/33mL
不得检出
不得检出
不得检出

　　原水预处理主要有生物预处理、高锰酸钾预氧化、粉末活性炭吸附、微滤机除藻等技术。生物预处理主要解决原水过高氨氮，可减轻后续常规净水工艺有机物负荷，使出水Ames试验阳性减弱^[5]，但也存在构筑物占地太大、亚硝酸盐升高等问题；对于粉末活性炭吸附、高锰酸钾预氧化虽能减轻常规工艺净水的有机物负荷、改善混凝效果，但各地的研究结果和实践经验表明，这些措施并不能从根本上保证常规净水处理微污染原水水质有彻底的改善，而新兴微滤机除藻技术亦仅减轻原水的藻含量，对去除大量溶解性有机物无能为力^[6]。
● 深度处理
　　针对微污染原水，目前的趋势是在常规工艺强化基础上，增加深度处理，从根本上提高净水水质。目前国际上进行饮用水深度处理的形式常见的有：颗粒活性炭吸附、臭氧一生物活性炭(O₃--BAC)、膜过滤、活性炭-硅藻土过滤、深度氧化技术(AOP)等等。其中，活性炭-硅藻土过滤、深度氧化技术如O₃／UV、O₃／H₂O₂、H₂O₂／uv等仅处于试验阶段^[7]。应用较为普遍的为颗粒活性炭吸附、臭氧-生物活性炭技术，膜过滤法处理饮用水也渐兴起。 膜过滤按膜孔眼大小分为微滤、超滤、纳滤、反渗透四种类型，其最大优点是处理的水质不再依据原水水质，而是依据选用截面膜微孔的尺寸。目前国内尚无利用膜技术制备饮用水的城市水厂，国外则已有上百座，最大规模达34万吨／日^[8]。然而，膜污染是膜应用中的主要制约因素，它既能引起膜通量下降，也能影响处理效果。由于膜污染是一个物理、化学、生物因素交互作用的复杂过程，极难控制^[9]。此外，膜与污染物本身的相互作用、膜刘特定化合物的去除，以及膜残留物的毒性还有待进一步研究⁹。这些使我们不得不对采用膜处理技术持谨慎态度。
　　活性炭与臭氧接触氧化相结合的方式，即“预O₃+常规工艺+O₃——BAC(生物活性炭)”工艺，不仅可以利用臭氧预先氧化有机污染物，促进絮凝反应和活性炭吸附，而且利用活性炭上微生物降解有机物，大大降低了残余有机物，减少了消毒副产物产生的机率。通过主臭氧，将经混凝沉淀、砂滤后仍存在于水中的部分有机物氧化，生成可被微生物吸收利用的物质，并且臭氧生成氧气增加水中溶解氧，促进了活性炭上的微生物生物活性，加快了对有机物的吸收分解速率。国外目前使用该方法进行饮用水深度处理较为普遍，国内也进行了较多研究，是理论和经验都较成熟、较为适宜的深度处理工艺形式^[11]。

3 净水工艺选择的依据

　　原水通过整套水处理过程，达到按2.1拟订的水质目标，这是净水工艺的根本目的。为寻求合理经济和有效的净水工艺，多年来做了很多具有创新和探索的工作。
3.1　以水质检测为主的试验研究
　　a.藻类和微囊藻毒素的检测和研究；
　　b.Ames试验研究；
　　c.通过GC／MS测定和超滤膜水质分子量划分，对水质初步从宏观(综合性指标)认识转向微观认识；
　　d.对隐性孢子虫(Cryptosporidiun)和贾第氏虫(Giardia)的检测试验。
3.2　以工艺为主的技术试验研究
　　a.受污染水库水净水技术工艺集成技术研究；
　　b.生物活性炭滤池的工艺特征试验研究
　　 上述一系列的检测和试验研究，前后共花费5年时间，积累和综合了大量基础资料，主要结果结论：
　　(1)原水呈现富营养化，常年多藻，偶发高藻，己检出到藻毒素存在，主要为微囊藻毒素；
　　(2)Ames试验呈阳性率高，AOC值偏高，具有生物不稳定性；
　　(３)GC/MC测试和分子量划分表明，有机物定性分析有数量卜升趋势，品种逐年增多，其中有毒有害的有机物分子量以500以下小分子为主；
　　(4)以生物预处理、常规工艺和臭氧一活性炭滤池为基础，进行8种组合集成的工艺研究。(见图1)

　　研究发现，浊度的去除主要是依靠常规处理工艺：氨氮的硝化需要依靠生物的降解作用；含有GAC(颗粒活性炭)和BAC滤池的工艺流程对嗅、味和有机物的去除效果要明显优于其它工艺；含有深度处理、生物预处理及臭氧预氧化的工艺对色度去除效果比较令人满意；常规处理工艺出水的致突变活性最强，含有GAC和O₃——BAC滤池工艺出水的致突变活性最低。就八纽集成试验结果表明，在出水浊度、氨氮、亚硝酸盐、高锰酸盐指数、TON、锰、色度和藻类等指标中，生物预处理+常规工艺+O₃——BAC组合对-上述水质指标综合效果最好，出水没有超标项目^[12]。
　　根据以上研究成果，对于具备一定经济承受能力的深圳，而且，在深圳水库进库原水已有400万m³／日生物预处理工程的条件下为实现2010年的水质目标，大幅度提高供水水质，"常规处理十深度处理"下艺是今后水处理技术的首选工艺。今后各水厂在改扩建的同时要全面增加深度处理工艺，即在现有常规工艺基础-亡，增加"预臭氧化"和"臭氧一生物活性炭"，新建水厂则要求常规处理工艺与深度处理工艺一次到位。
　　生物活性炭滤池的工艺特征试验研究，探讨和分析了炭床高度和空床接触时间对生物活性炭滤池净水效果的关系，提出了生物活性炭滤池的相关工艺参数。在深圳现有水源的条件下，若出水水质的COD达到1mg／L，试验建议生物活性炭池的炭床高度为2.0米，空床接触时间不宜低于12分钟^[12]：空床接触时间是滤池效果的决定性因素^[13]。
　　净水技术已具有100多年的历史，近20年随着水质检测能力和技术的提高，促进了净水技术的发展和提高。上述一系列水质检测和试验研究结果与已有的科研成果和技术原则基本是一致的，达到了技术验证和提供工艺决策的目的。在2.1水质目标微生物项目中，对病毒、隐性孢子虫和贾第氏虫的要求，根据现有的技术成果和水厂实例，唯有采用投加臭氧，在保证一定的CT值之下，才能有效灭活。综合以卜试验成果和分析，提出达到2.1水质日标的净水工艺如图2所示。

　　3由于深圳水库进库存原水已经经过生物预处理（400万吨/日），而且发挥了效能，结合试验研究，通过技术论证，经济测算和投入效益分析，深水集团在改善和提高自来水水质的规划和实施中，将在近年内多个水厂扩建和新建中采用臭氧技术和活性炭过滤工艺。其中60万m³／日的梅林水厂已完成并审查通过了预臭氧化和O₃+BAC工艺的初步设计。其投资概算折合为220元／m³，经营成本为0.17元／m³。

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　　 作者简介：陆坤明(1938—)，男，江苏苏州人，深圳市自来水(集团)有限公司副总经理、总工程师，高级工程师。现任中国土木工程学会水工业分会理事，中国城镇供水协会科技委员会副主任，深圳市规划委员会委员，主要从事供水工程技术与科研管理。