白洋東淀微污染鹽堿地區(qū)優(yōu)質(zhì)供水工程示范

張 玥，尹文超，李建業(yè)，張 超，薛曉寧

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

白洋淀是華北平原唯一的天然湖泊，有“華北之腎”之稱(chēng)[1]。白洋淀及周邊區(qū)域，位于引黃入冀補(bǔ)淀受水區(qū)，該地區(qū)苦咸水廣泛分布，屬于典型的微污染鹽堿地區(qū)。地區(qū)地表水資源匱乏，地下水超采嚴(yán)重，同時(shí)，地勢(shì)低洼導(dǎo)致鹽堿地質(zhì)。地區(qū)水質(zhì)表現(xiàn)為淺層地下水主要存在有機(jī)物和大腸菌群超標(biāo)問(wèn)題，深層地下水主要存在氟離子、大腸菌群和鉛等重金屬超標(biāo)問(wèn)題，這些污染物的存在導(dǎo)致地區(qū)水質(zhì)安全存在較大風(fēng)險(xiǎn)，且飲用水口感非常差。

飲水安全是人民群眾最關(guān)心，也是最迫切需要解決的問(wèn)題。長(zhǎng)期飲用受地質(zhì)條件影響和工業(yè)污染的飲用水，已成為影響人群健康、可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素。并且，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于生活品質(zhì)的追求也在不斷提高?！丁敖】抵袊?guó)2030”規(guī)劃綱要》中明確指出，推進(jìn)飲用水水源地達(dá)標(biāo)建設(shè)，強(qiáng)化地下水管理和保護(hù)，為飲用水安全保障戰(zhàn)略奠定了重要基礎(chǔ)[2]。項(xiàng)目區(qū)康養(yǎng)、文旅、居住等高端業(yè)態(tài)對(duì)區(qū)域安全供水、健康供水需求較高，安全供給優(yōu)質(zhì)飲用水是關(guān)系周邊人口健康的大問(wèn)題，也是亟須解決的問(wèn)題。優(yōu)質(zhì)飲用水目前國(guó)際健康標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾個(gè)方面[3]：1)不含危害人體健康的物理性、化學(xué)性和生物性污染；2)含有適量有益的礦物質(zhì)(如鉀、鈣、鎂等)；3)含有適量溶解氧(6 mg/L左右)與碳酸根離子；4)水pH呈弱堿性；5)硬度適宜(50～200 mg/L)；6)水分子團(tuán)集團(tuán)小，易于人體細(xì)胞吸收、利用；7)水的滲透力、溶解力、代謝力、乳化力等生理功能強(qiáng)。

在此背景下，如何針對(duì)微污染鹽堿地區(qū)水質(zhì)污染特點(diǎn)，為該地區(qū)人民提供優(yōu)質(zhì)飲用水是亟待解決的重要命題。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目區(qū)位于淀區(qū)東側(cè)，屬海河流域，為河流堆積地貌，處于華北平原相對(duì)低下部位，平坦開(kāi)闊。項(xiàng)目規(guī)劃占地面積約為6.33 km2，建設(shè)用地面積約為2.38 km2，分為旅游接待區(qū)、五星酒店區(qū)、葡萄酒莊區(qū)、生態(tài)農(nóng)莊區(qū)、森林度假區(qū)、田園度假區(qū)、鄉(xiāng)村運(yùn)動(dòng)區(qū)及水系觀光區(qū)八大功能板塊。建成后的項(xiàng)目區(qū)為一座集休閑度假、觀光、商務(wù)活動(dòng)、生態(tài)養(yǎng)生等功能于一體，以休閑文化、生態(tài)文化、田園文化為特色的高端度假區(qū)。

園區(qū)所在地可利用水源有地表水、淺層地下水、深層地下水3種水源。其中地表水資源量很少，由于上游的攔截及多年的干旱和地下水的超采，處于常年的干涸狀態(tài)，水量十分緊張。且地表水質(zhì)為IV類(lèi)水。從數(shù)量和質(zhì)量上講，地表水資源不能作為建設(shè)項(xiàng)目的可靠水源；淺層地下水處于淺部發(fā)育淡水的咸水區(qū)，水質(zhì)較差，也不能作為生活用水；根據(jù)項(xiàng)目區(qū)附近一眼淺層監(jiān)測(cè)井水質(zhì)資料分析，淺層地下水pH值為7.7，總硬度為766 mg/L，溶解性總固體為1 960 mg/L。水化學(xué)類(lèi)型為重碳酸鈣鎂鈉型水。溶解性總固體、總硬度等多項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的水質(zhì)要求，不能滿(mǎn)足項(xiàng)目用水要求；深層地下水水量較豐富，項(xiàng)目所在地區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)及生活用水井主要利用此層水。深層地下水化學(xué)類(lèi)型為重碳酸鹽鈣鎂鈉型水，礦化度均小于1 g/L。

根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)強(qiáng)度與分期建設(shè)需求，優(yōu)質(zhì)飲用水供給在開(kāi)發(fā)初期主要供水范圍為酒店島區(qū)域與酒堡區(qū)域(圖1)。其中，酒店島供水系統(tǒng)服務(wù)5處區(qū)域與建筑，酒堡供水系統(tǒng)服務(wù)8處區(qū)域與建筑。

圖1 酒店島與酒堡位置圖Fig.1 Location of Hotel Island and Chateau

2 現(xiàn)狀水質(zhì)分析

深層地下水是當(dāng)?shù)鼐用裎ㄒ豢蛇x擇的飲用水水源，但深層地下水普遍是高氟水，給當(dāng)?shù)鼐用耧嬎踩珟?lái)威脅，且口感差，無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目區(qū)高端業(yè)態(tài)的需求。依據(jù)2016年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，該地區(qū)99%的深層地下水(220～500 m)氟化物含量大于1.0 mg/L，其中60%的深層地下水氟化物含量為1.0～2.0 mg/L。高氟地下水的關(guān)鍵水化學(xué)特征:pH值為7.7～8.7、總堿度高于211 mg/L。高氟水嚴(yán)重影響了居民的身體健康，致使居民患氟斑牙、佝僂病等病癥。對(duì)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)自備井水進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其中近期取水?dāng)M利用現(xiàn)有深層井位，井位分布如圖2所示。

圖2 近期取水?dāng)M利用井位分布圖Fig.2 Distribution of Well Locations for Recent Available Water Intakes

對(duì)項(xiàng)目區(qū)部分自備井水進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，超標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)如表1所示，可見(jiàn)主要超標(biāo)項(xiàng)目為鉛、氟化物、鐵、銅綠假單胞菌及糞鏈球菌。

表1 項(xiàng)目區(qū)自備井水水質(zhì)超標(biāo)指標(biāo)Tab.1 Water Quality Index of Exceeding Standards for Self-Provided Wells in the Project Area

飲用水口感是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，受水中多項(xiàng)指標(biāo)的綜合影響，主要包括以下幾種指標(biāo)：pH、總硬度、溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽等。低pH會(huì)有苦金屬味，而高pH會(huì)有濕滑口感[4]；硬度較高會(huì)產(chǎn)生苦澀味[5]；溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽較高均會(huì)產(chǎn)生咸味；適量碳酸根的存在，會(huì)具有清爽可口的味道。

項(xiàng)目區(qū)自備井水口感相關(guān)性指標(biāo)如表2所示?？梢?jiàn)項(xiàng)目區(qū)自備井水pH值均在7.5以上，其中3個(gè)測(cè)試樣品pH值在8.3以上，偏堿性。對(duì)于硬度指標(biāo)，部分井水硬度在100 mg/L以上，其中井3水質(zhì)硬度較高，為321 mg/L，溶解性總固體為398～741 mg/L，5組樣品高于500 mg/L。氯化物指標(biāo)，4個(gè)樣品為100 mg/L以上，其中兩個(gè)樣品指標(biāo)較高，分別為189 mg/L和192 mg/L。硫酸鹽和碳酸鹽指標(biāo)總體處于較低水平。重碳酸鹽為258～326 mg/L。

表2 項(xiàng)目區(qū)自備井水口感相關(guān)性指標(biāo)Tab.2 Related Indexes of Water Taste of Self-Provided Wells in the Project Area

3 現(xiàn)狀供水系統(tǒng)

現(xiàn)狀取水方式為地下水直供使用，通過(guò)水泵直接泵取地下水至原水箱，無(wú)過(guò)濾沉淀裝置直接供至終端。而供水管道、水箱選材均為不銹鋼材質(zhì)，且缺乏除砂裝置，導(dǎo)致不銹鋼管內(nèi)泥沙沖刷嚴(yán)重，大大加速了不銹鋼材質(zhì)的腐蝕速率?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)管道、水箱壁已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕情況，銹渣、泥沙等沉積在水箱中，肉眼可見(jiàn)水箱大半水質(zhì)為紅褐色。銹蝕物中通常含有大量的鐵、鉛、鋅和各種細(xì)菌及藻類(lèi)，當(dāng)管道內(nèi)水流速度、方向或水壓發(fā)生突變時(shí)，就會(huì)造成短時(shí)間的水質(zhì)惡化，出現(xiàn)鐵、錳、色度、渾濁度和細(xì)菌等指標(biāo)值的大幅度上升。且地下水原水中氟化物、糞鏈球菌等超標(biāo)，未經(jīng)處理后直供，不利于用戶(hù)用水安全健康。

此外，現(xiàn)狀水處理機(jī)房預(yù)留空間不足，亟需高效集成設(shè)備組合。項(xiàng)目?jī)羲O(shè)備機(jī)房選址為原有建筑機(jī)房，由于前期設(shè)計(jì)局限，該機(jī)房預(yù)留空間有限，酒店凈水機(jī)房可用高度不足3.1 m，酒堡凈水機(jī)房可用高度不足3 m。而所需供水范圍較大，常規(guī)凈水工藝設(shè)備選型遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)在如此狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部?jī)艋鞒?。迫切需要根?jù)現(xiàn)場(chǎng)條件研究、設(shè)計(jì)高效的凈水組合流程和集成設(shè)備，在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效安全供水。

4 水處理工藝分析

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于微咸水利用的研究，多集中于淡化后應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，而針對(duì)凈化后用于飲用的研究相對(duì)較少，未普遍推廣。目前微咸水淡化常用技術(shù)主要包括蒸餾法、電滲析法、反滲透法、冷凍法、超濾、納濾等[6]，單項(xiàng)技術(shù)均有不同程度的應(yīng)用局限。蒸餾法操作簡(jiǎn)便，但能耗高，易形成垢物；電滲析法工藝簡(jiǎn)單，但對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求高，出水口感差；反滲透與納濾凈化效果好，但濃水難處理，膜壽命低;冷凍法冰水混合物處理困難?？傮w來(lái)看，在當(dāng)前主流的單項(xiàng)處理工藝條件下，處理后的水質(zhì)無(wú)法達(dá)到優(yōu)質(zhì)飲用水的要求。因此，亟須探索研究高效組合工藝針對(duì)性解決水質(zhì)問(wèn)題。

根據(jù)水源井水質(zhì)污染情況及優(yōu)質(zhì)飲用水的供水需求，提出如下工藝組合。

工藝組合一：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過(guò)濾器→活性炭過(guò)濾→中間水箱→RO給水泵→RO保安過(guò)濾器→RO高壓泵→RO裝置→RO產(chǎn)水箱→消毒→恒壓變頻供水。

工藝組合二：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過(guò)濾器→除氟過(guò)濾器→活性炭過(guò)濾→軟化→保安過(guò)濾器→超濾→產(chǎn)水箱→消毒→恒壓變頻供水。

對(duì)兩組水處理工藝組合在技術(shù)、占地、投資等方面進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 供水組合工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.3 Comparison of Advantages and Disadvantages of Combined Processes of Water Supply

根據(jù)水源特點(diǎn)，本著技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、減少占地面積、減少?gòu)U水量、節(jié)約投資成本的理念，選用工藝組合二，工藝流程如圖3所示。工藝組合二各處理單元作用如下。

圖3 工藝組合二Fig.3 Combined Process II

(1)旋流除砂器：項(xiàng)目水源為井水，可能會(huì)存在少量的泥沙，設(shè)置旋流除砂器分離大部分泥沙，在水處理機(jī)房?jī)?nèi)井水入管后設(shè)置旋流除砂器，經(jīng)旋流除砂器分離的清水再入原水箱，分離出的砂積存在沙坑內(nèi)，定期清理，既可降低水中的懸浮物，也可保護(hù)后續(xù)設(shè)備的正常工作。

(2)原水箱、原水泵：原水箱用于協(xié)調(diào)供水與水處理系統(tǒng)用水的平衡，配有水位控制裝置；同時(shí)原水箱可作為初級(jí)預(yù)沉池，沉淀水中的大顆粒泥沙。原水泵為后續(xù)設(shè)備工作提供動(dòng)力。

(3)接觸雙濾料過(guò)濾器：由于原水泥沙較多，初濾裝置可以選擇接觸雙濾料過(guò)濾器(適用于渾濁度<50 NTU)，可以在保障水質(zhì)的條件下減少工藝流程。濾料采用無(wú)煙煤、石英砂，可有效地去除水中的泥沙。

(4)除氟過(guò)濾器：采用專(zhuān)用除氟過(guò)濾器進(jìn)行處理，內(nèi)置除氟濾料，吸附水中的氟離子，經(jīng)處理后的水氟離子含量<1 mg/L。除氟過(guò)濾器需要定期用酸堿進(jìn)行再生，且再生時(shí)間較長(zhǎng)，再生酸堿廢液不易處理。

(5)活性炭吸附器：內(nèi)裝活性炭，用來(lái)吸附水中的有機(jī)物、鉛、鐵等重金屬，同時(shí)改善水質(zhì)口感。

(6)軟化器：內(nèi)裝陽(yáng)離子軟化樹(shù)脂，用來(lái)交換水中的鈣鎂離子，降低原水硬度。

(7)保安過(guò)濾器：利用其中安裝的微濾膜進(jìn)一步去除水中的微粒、活性炭粉末、殘余的微細(xì)顆粒，使不利于超濾的因素降到最低。

(8)超濾：將顆粒物、膠體、大分子與小分子物質(zhì)分離，還可以過(guò)濾去除大部分細(xì)菌和各種病毒。糞鏈球菌在0.5 μm以上，可以采用超濾(過(guò)濾精度為0.02 μm)去除，經(jīng)超濾過(guò)濾后，可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(9)消毒：采用余氯消毒(成品次氯酸鈉)和紫外消毒(AOT設(shè)備)并行方式，滅菌效率高，運(yùn)行效果穩(wěn)定，運(yùn)行能耗低，安裝維護(hù)簡(jiǎn)便，消毒后復(fù)活可能性低。次氯酸鈉投加點(diǎn)為原水箱進(jìn)水端、超濾裝置進(jìn)水端、生活供水泵的后端管路。投加藥量按《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)規(guī)定的管網(wǎng)末梢余氯≥0.05 mg/L，且出廠水中限值為4 mg/L。AOT設(shè)備分別在生活供水泵、中水供水泵、灌溉供水泵的后端管路。

設(shè)計(jì)出水水質(zhì)口感相關(guān)指標(biāo)(pH、總硬度、溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽)滿(mǎn)足《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 94—2005)，其余指標(biāo)滿(mǎn)足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。

5 設(shè)計(jì)規(guī)模與實(shí)施

5.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

對(duì)于酒店島區(qū)域，最高用水量為1 005 m3/d，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為1 206 m3/d，設(shè)計(jì)工作時(shí)間為20 h，60 m3/h。供水壓力為0.55 MPa。

酒堡區(qū)域服務(wù)8個(gè)片區(qū)建筑生活飲用水，由于分期建設(shè)，近期給水處理系統(tǒng)服務(wù)建筑1～7，總設(shè)計(jì)需水量為555.6 m3/d，處理設(shè)計(jì)工作時(shí)間為20 h，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為28 m3/h。遠(yuǎn)期建設(shè)的建筑8安裝獨(dú)立給水處理設(shè)備，總設(shè)計(jì)蓄水量按300 m3/d計(jì)算，處理設(shè)計(jì)工作時(shí)間為20 h，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為15 m3/h。

5.2 工藝設(shè)計(jì)實(shí)施

生活水箱至中液位，啟動(dòng)原水泵，開(kāi)始制水，同時(shí)啟動(dòng)pH調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵(至pH探頭檢測(cè)值為5.5～6時(shí)停止)，原水依次流經(jīng)雙濾料過(guò)濾器、除氟過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、軟化器、保安過(guò)濾器、UF單元，產(chǎn)水入生活水箱，啟動(dòng)加氯消毒蠕動(dòng)泵；生活水箱高液位或原水箱低液位，停原水泵，停止制水，停加氯消毒蠕動(dòng)泵；加氯消毒發(fā)生器設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，以藥箱液位控制自動(dòng)啟停。用水點(diǎn)用水需求，啟動(dòng)供水泵組，進(jìn)行變頻供水；生活水箱低液位，停止供水。

(1)恒壓恒流

處理后水通過(guò)變頻恒壓供水系統(tǒng)輸送至使用點(diǎn)，由于酒店用水存在周期性、使用時(shí)間不集中、使用量不穩(wěn)定，設(shè)置緩沖罐，供水泵采用變頻控制，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)恒壓、恒流。

(2)水箱分格

容積較大水箱均分格處理，分隔成容積相等，能獨(dú)立運(yùn)行的2格或2座(獨(dú)立的進(jìn)出水、溢流并做連通管)。避免水箱清洗時(shí)對(duì)使用造成影響，同時(shí)集約體積。

(3)管材選用

與自備給水井連接的給水管采用UPVC塑料管。經(jīng)機(jī)房二次加壓供水管道采用UPVC塑料管。超濾單元內(nèi)部工藝管路采用316L不銹鋼管材，其他部分工藝管路均采用UPVC塑料管。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)微污染鹽堿地區(qū)飲用水水源特點(diǎn)，以實(shí)際工程為例，進(jìn)行水處理工藝組合的優(yōu)選。項(xiàng)目區(qū)主要以深層地下水為飲用水原水，而通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，深層地下水存在氟化物、鉛、鐵、銅綠假單胞菌及糞鏈球菌超標(biāo)等問(wèn)題，氯化物、溶解性總固體、硬度值雖未超過(guò)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，但相對(duì)于《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 94—2005)來(lái)說(shuō)，存在超標(biāo)情況，而這3種物質(zhì)均會(huì)對(duì)飲用水口感造成影響。在水量方面，由于供水服務(wù)區(qū)域?yàn)榫频?、酒堡等，用水存在明顯周期性，對(duì)工藝組合的選擇提出了更高的要求。同時(shí)，項(xiàng)目?jī)羲畽C(jī)房存在空間局促，高度不足的情況，如何組合工藝，優(yōu)選設(shè)備也提出了考驗(yàn)。通過(guò)水質(zhì)、水量、空間上的問(wèn)題識(shí)別，提出了旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過(guò)濾器→除氟過(guò)濾器→活性炭過(guò)濾→軟化→保安過(guò)濾器→超濾→產(chǎn)水箱→消毒→恒壓變頻供水的組合工藝。該工藝不僅可以有效去除超標(biāo)污染物，而且產(chǎn)水回收率高、投資少、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地面積集約、自動(dòng)化程度高。該項(xiàng)目的研究分析可為類(lèi)似微污染鹽堿地區(qū)優(yōu)質(zhì)飲用水供給提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。