臭氧在自来水厂深度处理工程中的应用
自来水厂深度处理工程介绍
水厂供水水源为大运河支流，全长约10km，河宽41m，最大水深2.72m，平均流速达0.025m/s，近年来受有机污染的程度逐年加大，水中的氨氮、色度、亚硝酸盐、耗氧量及铁、锰的含量偏高，原水浊度25～272.6NTU，色度6～40，铁0.23～2.80mg/L，氨氮0.5～5.0，CODMn3.28～8.90。按地面水环境质量标准（GB3838--2002）评价属Ⅳ～Ⅴ类，为微污染原水。
为了降低出厂水色度、氨氮及有机污染物的含量，水厂投入了大量资金及人力进行技改，增加生产及管理的技术含量，克服种种不利因素，基本保证了供水水质综合合格率达标，但随着在常规处理工艺中氯的大量投加，增加了出厂水中三氯甲烷等卤化烃和致癌变物质等的含量。水中的异味严重，色、嗅、味不能满足要求。
随着人们生活水平的提高，市民对饮用水质量的要求相应提高。国家已颁布新的《生活饮用水卫生规范》，因此针对日益恶化的原水水质，采用新颖的预处理工艺、臭氧活性炭深度处理工艺，是改善出厂水水质的必要手段。
水厂深度处理工程设计规模为15×104m3/d，结合原有8万吨常规处理，二期扩建7万吨包括常规处理，处理对象为微污染原水，主要水质指标是色度、耗氧量、氨氮及锰。
水厂目前设计供水能力8万立方米/日，远期规模达到15万立方米/日。水厂有常规处理2.5万立方米网格反应平流沉淀池两座，5万立方米四阀滤池1座，3万立方米网格反应平流沉淀池、四阀滤池各1座。深度处理工程，即在原有常规处理工艺基础上，增加预处理和臭氧活性炭深度处理工艺。现将该工程设计和建设特点介绍如下：
1 设计介绍
水厂深度处理工程建设规模为15万立方米/日，分两期建设。一期工程8万立方米/日，2002年7月正式动工，2003年5月投入运行。二期工程7万立方米深度处理包括常规处理，将在2003年8月正式动工。
通过技术经济比较，生物接触氧化工艺比较适合源水的水质特点，生物接触氧化池容易与水厂现有构筑物连接，且投资和运行费用较省。该工艺具有去除氨氮和有机物效果好、容积负荷高、耐冲击负荷、出水水质好且稳定、动力消耗相对较低等优点。同时此工艺在应用实践中，对停留时间曝气方式、填料品种、排泥和操作技术等工艺要素已有了大量的试验研究和较多的工程实例，取得了比较成熟的经验。因此，本工程采用生物接触氧化法作为预处理工艺。
原水经过生物预处理和常规处理后，水中有机污染物有了明显的去除。但由于水源水质较差，源水有机污染物含量较高，此时出水中有机物浓度还比符合《生活饮用水卫生规范》的要求，需后续补充深度处理工艺才能较大幅度去除。
饮用水深度处理的方法有高级氧化、活性炭吸附和膜法水处理工艺等，综合考虑经济和技术因素，在水厂中生产性运用较多的是臭氧--活性炭联用技术。本工程采用臭氧-活性炭法作为深度处理工艺。
臭氧-活性炭工艺主要涉及到臭氧的制造生产、投加及活性炭过滤等。臭氧的生产原料分为空气、纯氧和液氧三种，对三种臭氧生产方案、经济、技术性能进行综合比较，结合水厂现状，进期考虑以纯氧为臭氧生产原料，远期如条件成熟，可考虑制氧。
1.1工艺流程
水厂工艺流程如下图：
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1.2工艺设计
1.2.1预处理工艺参数和特点
本设计在生物接触氧化池中一定间距交替布置上通和下通垂直挡板，使水流形成上下转弯，与填料充分接触，并且避免短流，提高容积利用率。8万吨/日规模一组，分两格，水力停留为1.5h（有效水深4.5m，其中弹性立体填料高度为3.5m，直径173毫米，长度3.5米，共33000余根，上下采用紧绷索固定。预处理池下部排泥层高度为1.6m，池总高6.8m，预处理池平面尺寸67.98×21.05m，填料比表面积大于3m2/m3，穿孔管曝气气水比（0.6～1.5）：1。排泥采用穿孔排泥管。
1.2.2运行控制
针对污染源水的特点，采用穿孔管曝气，分阶段控制曝气；为防止池内积泥，在布气管下设有集泥槽和穿孔排泥管，预处理池前三分之一排泥周期三天，排泥历时60s，后三分之二排泥周期六天，排泥历时30s，排泥使用快开排泥阀，由PLC进行控制；生物膜脱膜和填料上积泥采用气冲洗，加大气量轮换冲洗，冲洗强度是在正常运行的2-3倍，冲洗周期15天，冲洗历时30min，由人工操作。
1.2.3鼓风机房及配电间
鼓风机房平面尺寸19.5×8.0米，面积284.5m2，土建按15万立方米/日一次建成。设BE200罗茨鼓风机（风量45m3/min、压力0.6kgf/cm2、功率75kw）两台，其中一台变频器，扩建工程预留两台。设BE150罗茨鼓风机（风量22.4m3/min、压力0.6kfg/cm2、功率37kw）两台。
1.2.4提升泵房及吸水井
提升泵房为原5万立方米送水泵房改造而来。平面尺寸23.7×7.0米，设计规模15万立方米/日，设备按一期8万立方米/日安装，配立式离心泵（Q=2075.5m3/h，h=12.1m，η=85%，n=740rpm，N=110kw）两台；（Q=1037.7m3/h，H=12.1m，η=82%，n=980rpm，N=55kw）两台。
另设SZ-2，75kw真空泵两台（一用一备），常保持真空系统。
吸水井平面尺寸17.7×4.6×6.0米一座，与原有吸水井（17.7×3.6×6.0米）连通，可取水量550m3，为一台大泵15分钟取水量。
1.2.5臭氧发生室
平面尺寸21.6×12.0米，分两间，一间制臭氧室，水厂深度处理工程一期以液态氧为气源，选择了臭氧产量10kg/h的臭氧发生器（臭氧浓度6%，冷却器水温25℃）两台，一是考虑运行成本，节约液氧用量，臭氧产量宜控制在6kg/h，两台共12kg/h，满足生产需要；二是考虑在一台臭氧发生器检修时，另一台臭氧发生器降低臭氧浓度，臭氧产量10kg/h，能基本满足生产需要。另购一台15kg/h（臭氧浓度7%，冷却水温25℃）臭氧发生器满足远期15万立方米/日使用。二期预留位置考虑有条件时上变压吸附现场制氧。设计臭氧的平均投加量为2.0mg/L，最大为3.0～5.0mg/L，加臭氧量可根据实际水质情况进行调配。
臭氧发生器的运行控制： 在臭氧发生器运行前，对臭氧发生器必须吹扫，流量至少为额定气量的20%，第一次开机用干燥空气吹扫至少24小时，以后操作时吹扫时间视停机时间长短而定（每停机一天吹扫一小时）。 尾气破坏装置、氮气添加系统、冷却水压力、进气露点工作正常后可开机。
系统操作由主控制柜MCC上触摸屏完成，分单步、一步化、全自动运行三种操作方式，可进行臭氧浓度、臭氧投加量、放电电流等运行参数的设定、修改，并可观察实际运行的测定参数，主控制MCC柜与全厂DCS系统连接，可由中控制进行操作。全自动运行根据接触池进水流量前馈控制投加，出口水中臭氧浓度仪、尾气臭氧浓度反馈控制，根据水质化验参数进行修正。
臭氧产量按下列公式计算：
m=c×v
m--臭氧产量（kg/h）
c--臭氧浓度（%）
v--气体流量（kg/h）
影响臭氧产量参数有：冷却水温度、冷却水流量、进气流量、进气压力（操作压力）、进气纯度、进气温度、环境温度、待产出的臭氧浓度。
1.2.6臭氧接触池
平面尺寸17.7×10.3米，水深6米。分两组，每组4万立方米，采用两级布气，布气采用盘式布气帽，布气盘数量80只，前级气量60%，后级40%，接触混合时间15分钟，前级5分钟，后级5分钟，缓冲部分5分钟。
尾气破坏装置采用加热催化酶方式，单台处理量73Nm3/h，共两台，正常工作情况下一用一备。
1.2.7活性炭滤池
一期8万立方米/日一座，分为10格，单池面积48m2，滤速7.5m/h，水头损失0.6m，经常冲洗时强度8.0L/s.m2，定期冲洗时强度12.0L/s.m2。
滤池采用原有水塔（砂滤水）进行重力反冲洗，冲洗强度由阀门调节，恒水位过滤。
滤料组成：承托层由卵石8-16、4-8、2-4、4-8、8-16各50mm组成。活性炭采用1.5mm柱状炭，柱长（2.5～1.25mm）＞83%，厚度1800mm。
工程实施中采用两种煤质炭，7格使用1.5mm柱状炭，3格使用8×30破碎炭。活性炭主要参数见下表：
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活性炭滤池滤速8m/h，接触时间13.5min，采用砂滤水进行冲洗，由于利用原冲洗水塔进行反冲，需通过调节阀门开度控制冲洗强度，根据实际情况，反冲洗周期暂定为48小时，1#炭冲洗强度10.51/m2·s，冲洗时间6min，膨胀率17.8%，2#炭冲洗强度161/m2·s，冲洗时间6min，膨胀率17.6%。
1.3供电及自控系统
供电采用两路10kv电源。原有2台10kv/380v、500KVA变压器并用（二期考虑更换变压器，采用2台1250KVA干式变），更换原有低压配电屏，采用MS抽屉式低压配电屏。
自控结合水厂原有DSC系统，分3个主站，光纤环网实现冗余和可靠性、安全性通讯。完善摄像系统，采用电源避雷、网络避雷，保证自控系统正常进行。
2 运行效果
预处理池于2003年4月19日通水，4月21日正式曝气，6月18日开始满负荷运行，最大进水量4600m3/h，一星期后氨氮去除率达70%以上，满负荷运行后，氨氮去除率平均在91%，浊度去除率平均27%，CODMn去除率10%，铁去除率22%，锰去除率56%；预处理运行后，常规处理效果得以提高，在同样加矾量情况下，浊度去除率达99.9%，沉淀水出口浊度从3～4NTU到小于2NTU，CODMn平均去除率从30%提高到44%，砂滤后水CODMn平均小于3mg/l，锰去除率从20%提高到75%。
深度处理臭氧活性炭5月投入运行，5月17日开始投加臭氧，6月18日开始满负荷运行，运行一周后，剩余氨氮去除率达70%左右，生物膜基本形成，CODMn一个月内去除率在70%以上，一个月以后逐渐下降稳定在40%左右，说明初期主要靠活性炭吸附作用，后期生物作用占主导地位，从两种炭处理效果看破碎炭略好于柱状炭，基本接近。
水质测定结果见下表：
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测定结果表明，生物接触氧化预处理加臭氧—活性炭深度处理工艺比常规处理工艺去除有机物的效果明显优越，可以降低耗氧量CODMn到2mg/l以下，降低色度到5度以下，降低氨氮到0.5mg/l以下，并大幅度降低了水中的三致物质，增加了水中的溶解氧、活性氧，改善了嗅味和口感。
3 工程造价
水厂深度处理工程一期8万立方米/日（部分建筑物以及很大部分总平工艺管道按15万立方米/日一次建成），工程总投资3989万元，其中财政拨款1903万元，银行贷款2086万元，平均每m3水造价为498.7元（包括二期扩建工程土地征用在内）。
其中预处理部分工程造价240万元，单位造价90元/m3水，单位工程如下：
预处理池工程造价480万元（含土建、安装、设备和材料费，下同），单位造价60元/m3水；
鼓风机房工程造价240万元，单位造价30元/m3水；
深度处理部分工程造价1800万元，单位造价225元/m3水，单位工程如下：
活性炭滤池工程造价1000万元，单位造价125元/m3水；
臭氧发生器室及臭氧接触池工程造价600万元，单位造价75元/m3水；
提升泵房及吸水井工程造价200万元，单位造价25元/m3水。
4 生产成本分析
预处理动力费用由两部分组成，一部分是因在常规处理工艺前增加预处理工艺，需要取水泵房提升1.5m水头增加的动力费用；另一部分是鼓风曝气的动力费用气水比按1.5：1计算），合计单位成本约0.044元/吨。
深度处理部分包含：臭氧接触池进水提升电费及臭氧发生电费（0.09元/吨），液氧费用（含气站租赁费，0.049元/吨），活性炭（按使用寿命1.5年计算，单位成本0.046元/吨），合计单位成本约0.185元/吨。
运行成本总和0.229元/吨，加折旧0.076元/吨，预处理加深度处理的制水成本为0.305元/吨。
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