劉　爽,金　磊,張平允,周維奇,葉　輝

(上海城市水資源開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上?！?00082)

供水被譽(yù)為城市的生命線工程之一，而近年自然災(zāi)害頻發(fā)、突發(fā)環(huán)境污染事故增多，對(duì)城市供水環(huán)節(jié)造成一定程度的破壞，其中地震、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生速度極快、破壞力極強(qiáng)，水源呈現(xiàn)高渾濁度，同時(shí)影響氨氮、CODMn，災(zāi)區(qū)供水困難重重。2007年11月2日重慶市梁沱自來(lái)水廠變電站突發(fā)故障，造成泥沙污染飲用水源，水廠停運(yùn)，約10萬(wàn)居民用水中斷，當(dāng)?shù)刈詠?lái)水公司啟動(dòng)緊急預(yù)案，緊急搶修，從主城區(qū)其他水廠調(diào)水，26 h后恢復(fù)用水[1]；2008年汶川地震引起凈水廠的構(gòu)筑物、城市管網(wǎng)大范圍震裂，造成災(zāi)區(qū)大面積停水，同時(shí)多次余震及頻繁泥石流事故，沖毀和淤埋了已修復(fù)的供水設(shè)施，造成供水設(shè)施無(wú)法運(yùn)行，緊急調(diào)集大量礦泉水、瓶裝水、桶裝水到災(zāi)區(qū)，或用送水車(chē)、消防車(chē)等一切可用的送水工具向?yàn)?zāi)區(qū)臨時(shí)供水[2]；2010年8月8日甘肅省甘南州舟曲縣發(fā)生特大泥石流自然災(zāi)害，破壞了縣城供水設(shè)施，暴雨使供水水源白龍江江水渾濁度上升，最高達(dá)到20 000 NTU，有機(jī)腐殖質(zhì)膠體含量高沉降性差，常規(guī)供水設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行[3]。因此開(kāi)展應(yīng)對(duì)飲用水應(yīng)急處理的設(shè)備可解決突發(fā)事件導(dǎo)致的城市供水燃眉之急。

目前對(duì)突發(fā)水污染的應(yīng)急處理工藝較多，主要有應(yīng)對(duì)高渾濁度的預(yù)沉和氣浮工藝，應(yīng)對(duì)可吸附有機(jī)污染物的臭氧+活性炭吸附技術(shù)，應(yīng)對(duì)還原性污染物的化學(xué)氧化技術(shù)，應(yīng)對(duì)微生物污染的強(qiáng)化消毒技術(shù)[4]，但進(jìn)行技術(shù)集成，通過(guò)工藝選擇而針對(duì)性地進(jìn)行飲用水應(yīng)急處理設(shè)備的開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)較少[5-6]，因此開(kāi)展集成式可處理高渾濁度、高有機(jī)污染、重金屬污染于一體的飲用水供水設(shè)備更具有實(shí)用價(jià)值。

1　試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1　設(shè)備簡(jiǎn)介

依托十二五水專(zhuān)項(xiàng)課題，上海城市水資源開(kāi)發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司針對(duì)高渾濁度、高有機(jī)污染、重金屬污染原水的應(yīng)急供水處理研發(fā)了一套集成式飲用水應(yīng)急處理設(shè)備。該設(shè)備的整體工藝流程如圖1所示。

圖1　集成式飲用水應(yīng)急處理設(shè)備整體工藝

本套設(shè)備創(chuàng)新性地使用電絮凝-聚浮分離工藝單元。整個(gè)應(yīng)急處理裝備包括預(yù)沉池、偶感式電凝聚反應(yīng)器、聚浮分離器、中間水池1、超濾膜組件、中間水池2、活性炭吸附、反滲透膜組件、紫外消毒裝置、終端水池。單元工藝模塊化集成于一體，根據(jù)待處理的地表水水質(zhì)，部分工藝處理單元可進(jìn)行超越(圖中虛線表示)，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)水專(zhuān)用。

預(yù)沉池為小型豎流式沉淀池，處理高渾濁度原水能力為3.5～4.0 m3/h；電絮凝反應(yīng)器處理流量約為4.0 m3/h，停留時(shí)間為13～15 min，設(shè)計(jì)直流電壓為0～200 V，設(shè)計(jì)直流電流為0～30 A；聚浮分離器底部設(shè)置無(wú)煙煤分離層，用于截留水體中較重的固體組分，同時(shí)增設(shè)微氣泡發(fā)生裝置，通過(guò)產(chǎn)生豐富的微氣泡提高聚浮分離效果；超濾膜水力停留時(shí)間為9.5～10.9 min；超濾膜采用內(nèi)壓式中空纖維組件，正常工作膜通量為70～120 L/(m2·h)；活性炭為椰殼顆粒炭，粒徑為0.4～3 mm，活性炭吸附柱為壓力式，總高度為2.05 m，吸附濾柱直徑為800 mm，活性炭裝填高度為1.0 m，裝填容積為0.5 m3，設(shè)計(jì)進(jìn)出水量為2.7～3.0 m3/h，吸附濾速為5.4～6.0 m/h，空床停留時(shí)間為7.7～10.0 min；反滲透膜為卷式組件，設(shè)計(jì)進(jìn)水量為2.7～3.0 m3/h，設(shè)計(jì)出水量為2.1～2.3 m3/h，操作壓力為1.2 MPa，設(shè)計(jì)水回收率為70%～80%。

1.2　處理高渾濁度水源的工藝流程及其運(yùn)行參數(shù)

“高渾濁度水”通常是指江河水渾濁度高或含沙量大的水源。國(guó)家原建設(shè)部1991年發(fā)布的《高濁度水給水設(shè)計(jì)規(guī)范》中的定義是：高渾濁度水系指渾濁度較高，有清晰的界面分選沉降的含沙水體，其含沙量為10 100 kg/m3，按此含沙量的高渾濁度水渾濁度一般大于3 000 NTU[7]。因此針對(duì)高渾濁度原水處理的工藝是在設(shè)備整體工藝的基礎(chǔ)上(圖1)，將反滲透裝置超越，即原水→PAM+預(yù)沉處理→電絮凝-聚浮處理→超濾→活性炭吸附→消毒→出水，具體如圖2所示。

高渾濁度原水處理中預(yù)沉是關(guān)鍵工藝，為保證后續(xù)工藝中電絮凝-聚浮工藝和超濾膜正常工作，應(yīng)使電絮凝裝置進(jìn)水渾濁度<100 NTU，因此預(yù)沉工藝采用“聚丙烯酰胺(PAM) +預(yù)沉淀”。中試選用了陰離子型PAM和陽(yáng)離子型PAM配合預(yù)沉處理高渾濁度原水。結(jié)果表明，針對(duì)原水渾濁度達(dá)到6 000～10 000 NTU，SS達(dá)到10 000～18 000 mg/L的高渾濁度原水，使用陰離子型PAM時(shí)，預(yù)沉池出水渾濁度在300～400 NTU，不能達(dá)到后續(xù)工藝對(duì)原水渾濁度的要求；而采用陽(yáng)離子型PAM時(shí)，出水渾濁度可以比較穩(wěn)定地達(dá)到60～80 NTU，滿足后續(xù)工藝對(duì)原水渾濁度達(dá)到100 NTU以下的要求。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)處理高渾濁度原水時(shí)，在中試研究的基礎(chǔ)上，選用陽(yáng)離子型PAM白色固體顆粒，含量達(dá)90%以上，分子量為800～1 000萬(wàn)，陽(yáng)離子度為50%。由于黃河水硬度較高，鈣鎂離子含量相比于其他原水高，所以在試驗(yàn)過(guò)程中鈣鎂離子可起導(dǎo)電作用，使得運(yùn)行時(shí)電流達(dá)4～8 A。運(yùn)行期間，超濾膜采用正反洗間隔進(jìn)行的方式進(jìn)行物理清洗，其中正反洗的時(shí)間間隔為15 min，每次正反洗的時(shí)間均為15～20 s。運(yùn)用移動(dòng)應(yīng)急供水設(shè)備處理高渾濁度水試驗(yàn)中，使用次氯酸鈉進(jìn)行消毒，含10%有效氯濃度，為保障出水生物安全及余氯濃度，確定加氯量為2 mg/L。

圖2　高渾濁度水源應(yīng)急處理工藝

1.3　高渾濁度原水水質(zhì)

黃河是我國(guó)泥沙最大河流，也是世界上罕見(jiàn)的多沙河流，年輸沙量和年平均含沙量均居世界大江河的首位，被認(rèn)為是典型的高渾濁度水系，黃河流域某些河段的實(shí)測(cè)最大含沙量高達(dá)1600 kg/m3[8]。另一方面黃河為濟(jì)南飲用水源，將集成式移動(dòng)飲用水應(yīng)急處理設(shè)備運(yùn)至山東濟(jì)南黃河邊進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)更具實(shí)用意義。

試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)黃河原水濟(jì)南段進(jìn)行29項(xiàng)原水分析，以了解黃河原水的水質(zhì)大致情況，從而制定高濁度原水凈化的試驗(yàn)方案，主要指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1　黃河原水水質(zhì)分析

黃河原水總氮、總磷超出Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)限值(GB 3838規(guī)定Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)中總磷≤0.2 mg/L，總氮≤1.0 mg/L)，這與黃河流域經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，黃河流域受生活污水污染及農(nóng)業(yè)化肥(硝態(tài)氮肥)持續(xù)污染[9]。因檢測(cè)時(shí)間為2016年10月下旬，正值黃河汛期結(jié)束，渾濁度降低，未滿足高渾濁度(>3 000 NTU)原水的要求，因此采用黃河底泥人工配泥形成高渾濁度原水，利用移動(dòng)應(yīng)急供水設(shè)備處理黃河原水及高渾濁度黃河水兩類(lèi)水。

1.4　移動(dòng)應(yīng)急供水設(shè)備處理高濁水驗(yàn)方案

(1)配泥高渾濁度黃河水驗(yàn)方案

取黃河底泥為配泥原料，以20 kg干泥/m3水的比例向黃河原水中投加，測(cè)得進(jìn)水渾濁度達(dá)到6 000 NTU。本試驗(yàn)使用潛水泵將黃河原水注滿三只2 000 L 水箱，每只水箱中加入40 kg黃河底泥，通過(guò)水箱上方攪拌機(jī)帶動(dòng)攪拌槳將配泥水混合均勻，保持處理高渾濁度水試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)不間斷攪拌。單只水箱用完后立即切換水箱，用完的水箱及時(shí)注滿黃河水并加泥，保證進(jìn)水不間斷混勻的高渾濁度原水通過(guò)原水泵以4 m3/h的流量進(jìn)入設(shè)備預(yù)沉池。配制濃度為2‰PAM溶液，加注流量約為250 mL/min，在高濁水進(jìn)入預(yù)沉池前與其混合。原水混凝沉淀反應(yīng)后，隨即進(jìn)入電絮凝-聚浮反應(yīng)器(保持電流在4～8 A為宜)、超濾、活性炭三個(gè)單元的處理，最后向活性炭出水投加食品級(jí)次氯酸鈉(NaClO)消毒劑，加氯量為2 mg/L，保證出水安全。

(2)黃河原水實(shí)施方案

處理黃河原水時(shí)，無(wú)需用外加水箱配水，直接利用潛水泵將黃河原水以4 m3/h的流量注入預(yù)沉池，加藥泵以125 mL/min的流量向預(yù)沉池中注入2‰PAM，隨后的處理方案與處理配泥高渾濁度黃河水一致，先后進(jìn)行電絮凝-聚浮分離反應(yīng)，超濾膜處理和活性炭處理，向清水池投加消毒劑NaClO。正式試驗(yàn)開(kāi)展時(shí)間已到12月，29項(xiàng)原水?dāng)?shù)據(jù)與正式試驗(yàn)檢測(cè)有些許出入，對(duì)設(shè)備的凈水能力評(píng)價(jià)以試驗(yàn)過(guò)程中每天對(duì)原水、預(yù)沉出水、電絮凝-聚浮出水、超濾出水及消毒出水進(jìn)行的水質(zhì)檢測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2　結(jié)果與討論

2.1　渾濁度的去除

黃河原水進(jìn)水平均渾濁度為564 NTU，配泥高濁水進(jìn)水平均渾濁度為5 332 NTU，經(jīng)過(guò)PAM-預(yù)沉處理后，兩類(lèi)水體渾濁度顯著降低(圖3)。預(yù)沉出水平均渾濁度均在50～60 NTU。電絮凝-聚浮進(jìn)一步降低渾濁度，黃河原水及配泥高濁水出水渾濁度分別為40、50 NTU。

圖3　集成式應(yīng)急供水設(shè)備處理高濁水各工藝單元出水中的渾濁度變化

由圖3可知，通過(guò)超濾工藝處理后，渾濁度更進(jìn)一步去除90%，兩類(lèi)水的超濾出水渾濁度均下降至0.191 NTU左右，已低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)規(guī)定的<1 NTU的限值。隨后經(jīng)過(guò)活性炭吸附工藝及消毒工藝，出水渾濁度穩(wěn)定保持在0.18～0.2 NTU。經(jīng)過(guò)整體工藝運(yùn)行處理后，渾濁度去除率達(dá)到99.9%。

2.2　CODMn的去除

CODMn可直接反映水體的有機(jī)污染程度，從而反映水質(zhì)狀況，通過(guò)將黃河原水及配泥高濁水的各工藝處理出水后每日CODMn的檢測(cè)數(shù)據(jù)平均值作圖，得圖4。

由圖4可知，集成式應(yīng)急供水設(shè)備處理黃河原水時(shí)，進(jìn)水CODMn平均濃度約為4.13 mg/L，經(jīng)過(guò)PAM-預(yù)沉工藝處理后，出水CODMn顯著降低，為2.45 mg/L，隨后經(jīng)過(guò)電絮凝-聚浮工藝、超濾處理工藝、活性炭及消毒處理工藝，CODMn逐級(jí)下降，分別為2.31、1.93、1.48 mg/L，CODMn總降低率達(dá)64.8%，出水CODMn濃度低于GB 5749—2006規(guī)定限值。另一方面，處理配泥高濁水時(shí)，因進(jìn)水渾濁度超高，CODMn濃度達(dá)17.23 mg/L，經(jīng)過(guò)設(shè)備整體工藝處理后，出水CODMn濃度降為1.56 mg/L，低于2 mg/L，符合GB 5749—2006規(guī)定。

圖4　集成式應(yīng)急供水設(shè)備處理高濁水各工藝單元出水中的CODMn變化

2.3　氨氮的去除

集成式應(yīng)急供水設(shè)備處理高渾濁度水運(yùn)行過(guò)程中，各工藝階段出水氨氮平均濃度變化如圖5所示。

由圖5可知，黃河原水及配泥高濁水的進(jìn)水氨氮濃度均在0.21 mg/L，進(jìn)水濃度已低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，經(jīng)過(guò)PAM-預(yù)沉處理后，兩類(lèi)水的氨氮去除50%，為0.1 mg/L，繼續(xù)通過(guò)電絮凝-聚浮工藝處理后，黃河原水及配泥高濁水的氨氮濃度均有輕微上升，分別為0.12 mg/L和0.13 mg/L，可能原因是電絮凝將進(jìn)水中的有機(jī)氮通過(guò)電解作用轉(zhuǎn)化為氨氮。隨后經(jīng)過(guò)超濾處理工藝、活性炭吸附及消毒工藝，氨氮濃度進(jìn)一步降低，最后出水氨氮濃度為0.02～0.03 mg/L，總?cè)コ蔬_(dá)到90%，遠(yuǎn)低于GB 5749—2006規(guī)定的0.5 mg/L。

圖5　集成式應(yīng)急供水設(shè)備處理高濁水各工藝單元出水中的氨氮變化

2.4　鐵的去除

處理黃河原水時(shí)，進(jìn)水鐵濃度為1.05 mg/L，處理配泥高渾濁度水時(shí)，進(jìn)水鐵濃度為2.21 mg/L，兩者均超過(guò)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)里規(guī)定的0.3 mg/L的限值。

圖6　集成式應(yīng)急供水設(shè)備處理高濁水各工藝單元出水中的鐵變化

經(jīng)過(guò)PAM-預(yù)沉處理后，鐵濃度顯著下降，黃河原水及配泥高濁水處理后對(duì)應(yīng)的鐵濃度為0.2 mg/L和0.3 mg/L，已基本符合GB 5749—2006的標(biāo)準(zhǔn)。隨后經(jīng)過(guò)電絮凝-聚浮處理后，兩類(lèi)水的出水鐵濃度有增加，但經(jīng)過(guò)超濾處理、活性炭吸附及消毒工藝處理后，出水鐵濃度均<0.1 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.5　余氯及消毒副產(chǎn)物

活性炭吸附出水后，加入次氯酸鈉進(jìn)行消毒處理，通過(guò)對(duì)余氯的監(jiān)控，如圖7所示余氯保持在1 mg/L左右，同時(shí)對(duì)消毒副產(chǎn)物檢測(cè)，結(jié)果顯示處理配泥高濁水和黃河原水時(shí)，消毒出水中的三鹵甲烷平均值在0.07～0.09 mg/L，最高為0.17 mg/L，遠(yuǎn)于GB 5749—2006中規(guī)定的1 mg/L的限值；一氯二溴甲烷濃度檢測(cè)基本為0.002 mg/L，甚至更小，低于國(guó)標(biāo)0.1 mg/L的限值；二氯一溴甲烷的檢出濃度最高為0.0017 mg/L，三氯甲烷的檢出濃度均小于0.004 mg/L，兩者均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)標(biāo)要求0.06 mg/L的限值；三溴甲烷檢出的濃度均小于0.0014 mg/L，小于國(guó)標(biāo)規(guī)定限值0.1 mg/L。說(shuō)明移動(dòng)應(yīng)急供水設(shè)備處理高渾濁度水沒(méi)有消毒副產(chǎn)物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。由此可知，出水無(wú)消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7　消毒出水中的余氯濃度

2.6　色度及pH變化

黃河原水及配泥高濁水的進(jìn)水色度約為6～8度，經(jīng)過(guò)PAM-預(yù)沉處理后，基本能將色度降到5度以下，隨后的電絮凝-聚浮工藝、超濾處理、活性炭吸附和消毒處理工藝，色度保持5度以下，出水透明無(wú)色，低于國(guó)標(biāo)要求的15的色度限值；另一方面，兩類(lèi)水的pH經(jīng)過(guò)整體工藝后變化不大，由進(jìn)水pH值為8.0～8.3，最后出水pH值為7.8～8.0，滿足國(guó)標(biāo)要求的出水pH值在6.5～8.5。

2.7　產(chǎn)水量

應(yīng)用集成式應(yīng)急供水設(shè)備處理高濁水時(shí)，平均產(chǎn)水率為2.175 m3/h，最高可達(dá)2.89 m3/h，滿足50 m3/d的要求。按平均每人飲用水量5 L/d計(jì)算，可滿足10 000人應(yīng)急條件下的飲用水需求。產(chǎn)水量的波動(dòng)主要與超濾膜運(yùn)行時(shí)膜的污染物堆積情況和沖洗有關(guān)。

集成式飲用水應(yīng)急處理設(shè)備處理高濁水時(shí)，在30 d應(yīng)用期間，水質(zhì)穩(wěn)定運(yùn)行，隨機(jī)取樣進(jìn)行出水水質(zhì)飲用水106項(xiàng)檢測(cè)分析，結(jié)果顯示106項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)此工藝處理后，出水安全無(wú)害，可用于生活應(yīng)用。

3　集成式飲用水應(yīng)急處理設(shè)備對(duì)其他污染水源的凈化研究

通過(guò)工藝模塊組合，可采用原水→電絮凝-聚浮分離→超濾→活性炭→消毒→出水的工藝流程處理有機(jī)污染原水。由試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果可知，原水最大CODMn超過(guò)6 mg/L，平均濃度約為5 mg/L，最后出水CODMn的平均濃度為1.57 mg/L，去除率約68.8%，出水水質(zhì)經(jīng)過(guò)飲用水106項(xiàng)檢測(cè)，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限值要求。

采用原水→預(yù)沉→電絮凝-聚浮分離→超濾→反滲透→消毒→出水的工藝流程可處理含重金屬的原水。由試運(yùn)行結(jié)果可知，原水重金屬(汞、銅、鉻、鉛)濃度超出飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值10倍，通過(guò)設(shè)備處理后，重金屬去除率均在90%以上，出水經(jīng)106項(xiàng)飲用水水質(zhì)檢測(cè)，符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限值要求。

4　結(jié)論

自然災(zāi)害如地震、泥石流、洪澇等頻發(fā)，導(dǎo)致水源渾濁度升高，同時(shí)破壞當(dāng)?shù)毓┧到y(tǒng)，因此研究開(kāi)發(fā)對(duì)高濁水應(yīng)急處理的設(shè)備具有很高的實(shí)用價(jià)值。該公司研發(fā)的集成式飲用水應(yīng)急處理設(shè)備，具有工藝模塊化功能，可根據(jù)處理水源水質(zhì)不同，采用不同模塊組合形成對(duì)應(yīng)工藝，其中對(duì)高濁水的處理效果顯著，原水渾濁度最高可達(dá)8 000 NTU，平均渾濁度約5 332 NTU，經(jīng)過(guò)設(shè)備工藝處理后，出水平均渾濁度可降為約0.19 NTU，出水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，出水水量可滿足10 000人/d的供應(yīng)量。將設(shè)備進(jìn)行不同工藝模塊組合，對(duì)處理含重金屬、有機(jī)污染的水源同樣顯示有效，出水水質(zhì)均能達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，因此將工藝進(jìn)一步完善，把此設(shè)備投入實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)用于災(zāi)難事故現(xiàn)場(chǎng)切實(shí)可行。

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