微污染水源净水厂臭氧生物活性炭工艺设计

 杨清，颜炳魁，张莹

 (天津市市政工程设计研究院，天津300051)

摘要：随着我国水环境污染的日趋严重，饮用水源受到污染的情况呈上升趋势。如何对微污染水源进行处理成为当前给水处理中新的发展方向。总结西北某微污染水源净水厂的工艺设计，重点介绍臭氧生物活性炭]：艺的选型和相关参数，并对其投资和运行费用进行核算，总结臭氧生物活性炭工艺设计时的注意事项。

关键词：微污染水；饮用水工艺；臭氧生物活性炭；投资；运行费用

中图分类号：x505 文章编号：1004-4655( 2016) 02-0040-03

 随着给水厂水源水质污染的日益加剧以及人们对饮用水水质的健康和安全提出更高要求，2006年12月29日由国家标准委和卫生部联合发布了新的GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》，水质指标由原来的35项增加至106项。因此，获得更加安全的高标准饮用水成为当前给水处理中新的发展方向。以往常用的混凝、沉淀、过滤技术已经不能满足现状水源水处理要求，强化预处理工艺、强化常规处理工艺和深度处理工艺是今后给水设计中的主要发展方向。其中臭氧一生物活性炭技术是深度处理工艺中非常有效的处理手段，已逐渐在新建、改建水厂中广泛应用。

1工程概况

 净水厂远期规模10万m3/d，一期按照5万m3/d进行设计。供水水源为水库水，非汛期时水库水质标准基本满足GB 3838-2002《地表水环境质量标准》中的Ⅲ类标志，仅有卫生学指标、石油类、浊度指标不满足要求；而雨季和汛期时总氮、总磷也不满足要求，属于微污染水源。雨季时水库水质部分检测指标如表1所示。

 根据现状水质检测结果和周边地表水水质统计情况，本工程横泉水库水源的水质存在有机物污染，其他指标基本满足地表水III类标准，可作为集中供水水源。为保证出厂水水质的全面达标，结合本工程实际情况和国内外设计经验，供水处理工艺采用“预氧化（高锰酸钾）+混凝沉淀+滤池+臭氧接触池+活性炭滤池+消毒工艺”。水处理工艺流程框图如图1所示。

2常规处理工艺存在问题

 水库来水经过常规处理工艺：格栅除渣+混凝沉淀+砂虑+消毒。源水中的总磷、部分COD、

石油类以及大部分悬浮颗粒、卫生学指标都得到有效去除，基本能达到饮用水水质标准。当水库来水存在微污染（藻类繁殖、总氮、COD大幅提高等），常规处理工艺的去除效果有限、无法保证出水水质达标时，在常规处理工艺中增加强化预处理措施和增设深度处理工艺。

 强化预处理措施主要包括：在进水井增设高锰酸钾投加系统，对藻类和微量有机物进行氧化去除；在机械混合池增设粉末活性炭投加点，在应急情况下投加，吸附有机污染物；增设臭氧-生物活性炭工艺，确保出水水质满足饮用水水质标准。

3臭氧-生物活性碳工艺设计

 微污染水源经过常规处理后，部分有机物和大部分悬浮物已被去除，但是部分溶解性有机物还不能完全达到出水水质要求，因此本工程增设臭氧一生物活性碳工艺保障出水水质达标。

3.1工艺原理

 臭氧-生物活性炭技术一方面利用活性炭吸附去除经臭氧氧化生成的低分子有机物，将O3还原为O2，减少臭氧释出并增加供氧量；另一方面利用臭氧的供氧作用，在炭床中生长繁殖大量好氧菌，被吸附的溶解性有机物作为微生物生命活动的营养源，通过生物降解得到去除。使活性炭对水中有机物的累积吸附大大超过等温线所预计的吸附负荷，从而延长活性炭的工作周期，减小运行费用。

3.2臭氧间设计

  土建规模：10万m3/d，设备规模：5万m3/d。采用空气源臭氧发生器。车间尺寸为L×B×H=11.3 m×10.4 m×5.4 m。主要设备包括气源装置、臭氧发生装置、臭氧气体输送管道、冷却系统等装置。最大臭氧投加量3 mg/L。一期设置臭氧发生器2台（1用1备），远期增加1台，单台臭氧发生器的容量为7.5 kg／h。臭氧浓度≥25 g/m3。同时采用防爆型用电设备，臭氧间空气换气次数12次／h。

  综合考虑臭氧投加量、厂址所在地纯氧运输和存储的难易程度等因素。同时，注意臭氧间的防爆和通风设置。臭氧乍间平面图如图2所示。

3.3臭氧接触池设计

  土建和设备安装规模均为5万m3/d，数量1座，分2个系列。单个系列接触池Lx B x H=14.5 m×3.4 m×6.4 m，有效水深5.7 m，布气区长深比>4。臭氧最大投加量3 mg/L、接触时间14.5 min。臭氧气体通过3个布气区微孔曝气盘进行扩散。每个曝气区气量比例：50%、25%、25%。臭氧接触池全密闭，池内水面与池内顶保持0.5 m距离。三段接触室串联组成，出水端设置余臭氧监测仪、尾气破坏器和自动气压安全阀。臭氧尾气消除采用催化剂接触催化破坏装置。

 臭氧投加量通常为1.5~3.0 mg/L（水中余臭氧为0.2~0.4 mg/L），反应时间一般≥10 min。为了保证对隐孢子虫和贾第虫的杀灭效果，CT值一般>4（CT值为一定的微生物杀灭率条件下，消毒剂的浓度C和接触时间T的乘积CT值等于常数）。臭氧接触池为全封闭，方便检修维护。所有与臭氧气体或溶解水相接触的管道均采用316L不锈钢材质。臭氧接触池平面图如图3所示，剖面图如图4所示。

3.4活性炭滤池设计

 1)池型选择。本单体是整个处理工艺的最终过滤工艺，采用下向流滤池。综合考虑处理规模、土建精度要求、自动化程度、运行管理难易程度等因素，活性炭滤池采用“普通快滤池+气水联合反冲洗”型式。滤板采用“整浇滤板+长柄滤头”型式。

 2庄要设计参数。土建和设备规模均为5万m3/d。总体尺寸为L×B×H= 53.05 m x 20.10m×7.5 m。共分4格，单排布置，单格过滤面积63 m3。活性炭滤池剖面图如图5、图6所示。 

 活性炭滤池进水浊度<1 NTU，采用总渠道配水，通过单格进水电动闸门控制。矩形指型槽配水，出水汇入出水总渠道，作为反冲洗水水源。设计炭床厚度2m，空床流速9.2 m/h，炭床接触时间13.3 min。设计冲洗周期4d，先气冲洗后水冲洗。气冲洗强度采用15L/(m2.s)，历时3min，水冲洗强度采用11L/(m2.s)，历时10 min，初滤水排放时间20 min。活性炭滤料采用煤质柱状碳，直径1.5 mm，不均匀系数≤1.4，水浸湿颗粒密度≤1.5g/cm3。底部承托层采用砾石分层级配，滤料高度0.1 m（粒径3~6 mm）；其上设石英砂层滤料，高度0.3 m(d10= 0.6~ 0.7 mm)。

4投资与运行费用

4.1工程总投资

 净水厂总投资20 638.82万元，其中一类费15 393.66万元，其他费用3 609.88万元，预备费1520.28万元，铺底流动资金1 15万元。单位成本费用2.10元／t；单位经营成本1.61元／t。

4.2臭氧活性炭工艺投资

投资概算汇总表如表2所示。

 经计算得土建投资：2 082.11/5=416元／t。

4.3直接运行费用

 主要设备及电耗如表3所示。

 可得直接运行成本：0.69元(kW．h)×5 538.4/50 000=0.076元／(t. d)。另外考虑炭损

耗因素（按每年补充10%活性炭考虑），每年补充量为50.4 m3（5 000元/m3），则更换活性炭成本：50.4×5 000/365/50 000=0.014元/(t . d)。可见臭氧生物活性炭工艺运行成本为0.09元／(t. d)。

5结语

 对于水源存在有机物污染风险的水厂，应在常规处理工艺基础上增加深度处理设施。在认真分析水源污染物特性后，甄别出典型污染物，并确定处理工艺中的去除地点和方法，同时制订好应急处理措施，确保水质时时达标。

 通过对本工程的总结分析，臭氧-生物活性炭工艺在常规处理工艺基础上增加的投资（416元／t）和运行成本（0.09元／t）均较低，同时工艺稳定性和可靠性较高。因此对于存在有机物污染风险的水厂，臭氧-生物活性炭工艺是较好的选择，本工程设计参数可供相关设计人员参考。