集成式饮用水应急处理设备对高浊水净化的应用

刘　爽,金　磊,张平允,周维奇,叶　辉

(上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海　200082)

供水被誉为城市的生命线工程之一，而近年自然灾害频发、突发环境污染事故增多，对城市供水环节造成一定程度的破坏，其中地震、泥石流等自然灾害发生速度极快、破坏力极强，水源呈现高浑浊度，同时影响氨氮、CODMn，灾区供水困难重重。2007年11月2日重庆市梁沱自来水厂变电站突发故障，造成泥沙污染饮用水源，水厂停运，约10万居民用水中断，当地自来水公司启动紧急预案，紧急抢修，从主城区其他水厂调水，26 h后恢复用水[1]；2008年汶川地震引起净水厂的构筑物、城市管网大范围震裂，造成灾区大面积停水，同时多次余震及频繁泥石流事故，冲毁和淤埋了已修复的供水设施，造成供水设施无法运行，紧急调集大量矿泉水、瓶装水、桶装水到灾区，或用送水车、消防车等一切可用的送水工具向灾区临时供水[2]；2010年8月8日甘肃省甘南州舟曲县发生特大泥石流自然灾害，破坏了县城供水设施，暴雨使供水水源白龙江江水浑浊度上升，最高达到20 000 NTU，有机腐殖质胶体含量高沉降性差，常规供水设备无法正常运行[3]。因此开展应对饮用水应急处理的设备可解决突发事件导致的城市供水燃眉之急。

目前对突发水污染的应急处理工艺较多，主要有应对高浑浊度的预沉和气浮工艺，应对可吸附有机污染物的臭氧+活性炭吸附技术，应对还原性污染物的化学氧化技术，应对微生物污染的强化消毒技术[4]，但进行技术集成，通过工艺选择而针对性地进行饮用水应急处理设备的开发在国内较少[5-6]，因此开展集成式可处理高浑浊度、高有机污染、重金属污染于一体的饮用水供水设备更具有实用价值。

1　试验设备与方法

1.1　设备简介

依托十二五水专项课题，上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司针对高浑浊度、高有机污染、重金属污染原水的应急供水处理研发了一套集成式饮用水应急处理设备。该设备的整体工艺流程如图1所示。

图1　集成式饮用水应急处理设备整体工艺

本套设备创新性地使用电絮凝-聚浮分离工艺单元。整个应急处理装备包括预沉池、偶感式电凝聚反应器、聚浮分离器、中间水池1、超滤膜组件、中间水池2、活性炭吸附、反渗透膜组件、紫外消毒装置、终端水池。单元工艺模块化集成于一体，根据待处理的地表水水质，部分工艺处理单元可进行超越(图中虚线表示)，实现专水专用。

预沉池为小型竖流式沉淀池，处理高浑浊度原水能力为3.5～4.0 m3/h；电絮凝反应器处理流量约为4.0 m3/h，停留时间为13～15 min，设计直流电压为0～200 V，设计直流电流为0～30 A；聚浮分离器底部设置无烟煤分离层，用于截留水体中较重的固体组分，同时增设微气泡发生装置，通过产生丰富的微气泡提高聚浮分离效果；超滤膜水力停留时间为9.5～10.9 min；超滤膜采用内压式中空纤维组件，正常工作膜通量为70～120 L/(m2·h)；活性炭为椰壳颗粒炭，粒径为0.4～3 mm，活性炭吸附柱为压力式，总高度为2.05 m，吸附滤柱直径为800 mm，活性炭装填高度为1.0 m，装填容积为0.5 m3，设计进出水量为2.7～3.0 m3/h，吸附滤速为5.4～6.0 m/h，空床停留时间为7.7～10.0 min；反渗透膜为卷式组件，设计进水量为2.7～3.0 m3/h，设计出水量为2.1～2.3 m3/h，操作压力为1.2 MPa，设计水回收率为70%～80%。

1.2　处理高浑浊度水源的工艺流程及其运行参数

“高浑浊度水”通常是指江河水浑浊度高或含沙量大的水源。国家原建设部1991年发布的《高浊度水给水设计规范》中的定义是：高浑浊度水系指浑浊度较高，有清晰的界面分选沉降的含沙水体，其含沙量为10 100 kg/m3，按此含沙量的高浑浊度水浑浊度一般大于3 000 NTU[7]。因此针对高浑浊度原水处理的工艺是在设备整体工艺的基础上(图1)，将反渗透装置超越，即原水→PAM+预沉处理→电絮凝-聚浮处理→超滤→活性炭吸附→消毒→出水，具体如图2所示。

高浑浊度原水处理中预沉是关键工艺，为保证后续工艺中电絮凝-聚浮工艺和超滤膜正常工作，应使电絮凝装置进水浑浊度<100 NTU，因此预沉工艺采用“聚丙烯酰胺(PAM) +预沉淀”。中试选用了阴离子型PAM和阳离子型PAM配合预沉处理高浑浊度原水。结果表明，针对原水浑浊度达到6 000～10 000 NTU，SS达到10 000～18 000 mg/L的高浑浊度原水，使用阴离子型PAM时，预沉池出水浑浊度在300～400 NTU，不能达到后续工艺对原水浑浊度的要求；而采用阳离子型PAM时，出水浑浊度可以比较稳定地达到60～80 NTU，满足后续工艺对原水浑浊度达到100 NTU以下的要求。现场试验处理高浑浊度原水时，在中试研究的基础上，选用阳离子型PAM白色固体颗粒，含量达90%以上，分子量为800～1 000万，阳离子度为50%。由于黄河水硬度较高，钙镁离子含量相比于其他原水高，所以在试验过程中钙镁离子可起导电作用，使得运行时电流达4～8 A。运行期间，超滤膜采用正反洗间隔进行的方式进行物理清洗，其中正反洗的时间间隔为15 min，每次正反洗的时间均为15～20 s。运用移动应急供水设备处理高浑浊度水试验中，使用次氯酸钠进行消毒，含10%有效氯浓度，为保障出水生物安全及余氯浓度，确定加氯量为2 mg/L。

图2　高浑浊度水源应急处理工艺

1.3　高浑浊度原水水质

黄河是我国泥沙最大河流，也是世界上罕见的多沙河流，年输沙量和年平均含沙量均居世界大江河的首位，被认为是典型的高浑浊度水系，黄河流域某些河段的实测最大含沙量高达1600 kg/m3[8]。另一方面黄河为济南饮用水源，将集成式移动饮用水应急处理设备运至山东济南黄河边进行运行试验更具实用意义。

试验开始前对黄河原水济南段进行29项原水分析，以了解黄河原水的水质大致情况，从而制定高浊度原水净化的试验方案，主要指标检测结果如表1所示。

表1　黄河原水水质分析

黄河原水总氮、总磷超出Ⅲ类水水质限值(GB 3838规定Ⅲ类水水质中总磷≤0.2 mg/L，总氮≤1.0 mg/L)，这与黄河流域经济农业结构有关，黄河流域受生活污水污染及农业化肥(硝态氮肥)持续污染[9]。因检测时间为2016年10月下旬，正值黄河汛期结束，浑浊度降低，未满足高浑浊度(>3 000 NTU)原水的要求，因此采用黄河底泥人工配泥形成高浑浊度原水，利用移动应急供水设备处理黄河原水及高浑浊度黄河水两类水。

1.4　移动应急供水设备处理高浊水验方案

(1)配泥高浑浊度黄河水验方案

取黄河底泥为配泥原料，以20 kg干泥/m3水的比例向黄河原水中投加，测得进水浑浊度达到6 000 NTU。本试验使用潜水泵将黄河原水注满三只2 000 L 水箱，每只水箱中加入40 kg黄河底泥，通过水箱上方搅拌机带动搅拌桨将配泥水混合均匀，保持处理高浑浊度水试验运行时不间断搅拌。单只水箱用完后立即切换水箱，用完的水箱及时注满黄河水并加泥，保证进水不间断混匀的高浑浊度原水通过原水泵以4 m3/h的流量进入设备预沉池。配制浓度为2‰PAM溶液，加注流量约为250 mL/min，在高浊水进入预沉池前与其混合。原水混凝沉淀反应后，随即进入电絮凝-聚浮反应器(保持电流在4～8 A为宜)、超滤、活性炭三个单元的处理，最后向活性炭出水投加食品级次氯酸钠(NaClO)消毒剂，加氯量为2 mg/L，保证出水安全。

(2)黄河原水实施方案

处理黄河原水时，无需用外加水箱配水，直接利用潜水泵将黄河原水以4 m3/h的流量注入预沉池，加药泵以125 mL/min的流量向预沉池中注入2‰PAM，随后的处理方案与处理配泥高浑浊度黄河水一致，先后进行电絮凝-聚浮分离反应，超滤膜处理和活性炭处理，向清水池投加消毒剂NaClO。正式试验开展时间已到12月，29项原水数据与正式试验检测有些许出入，对设备的净水能力评价以试验过程中每天对原水、预沉出水、电絮凝-聚浮出水、超滤出水及消毒出水进行的水质检测监控数据为准。

2　结果与讨论

2.1　浑浊度的去除

黄河原水进水平均浑浊度为564 NTU，配泥高浊水进水平均浑浊度为5 332 NTU，经过PAM-预沉处理后，两类水体浑浊度显著降低(图3)。预沉出水平均浑浊度均在50～60 NTU。电絮凝-聚浮进一步降低浑浊度，黄河原水及配泥高浊水出水浑浊度分别为40、50 NTU。

图3　集成式应急供水设备处理高浊水各工艺单元出水中的浑浊度变化

由图3可知，通过超滤工艺处理后，浑浊度更进一步去除90%，两类水的超滤出水浑浊度均下降至0.191 NTU左右，已低于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)规定的<1 NTU的限值。随后经过活性炭吸附工艺及消毒工艺，出水浑浊度稳定保持在0.18～0.2 NTU。经过整体工艺运行处理后，浑浊度去除率达到99.9%。

2.2　CODMn的去除

CODMn可直接反映水体的有机污染程度，从而反映水质状况，通过将黄河原水及配泥高浊水的各工艺处理出水后每日CODMn的检测数据平均值作图，得图4。

由图4可知，集成式应急供水设备处理黄河原水时，进水CODMn平均浓度约为4.13 mg/L，经过PAM-预沉工艺处理后，出水CODMn显著降低，为2.45 mg/L，随后经过电絮凝-聚浮工艺、超滤处理工艺、活性炭及消毒处理工艺，CODMn逐级下降，分别为2.31、1.93、1.48 mg/L，CODMn总降低率达64.8%，出水CODMn浓度低于GB 5749—2006规定限值。另一方面，处理配泥高浊水时，因进水浑浊度超高，CODMn浓度达17.23 mg/L，经过设备整体工艺处理后，出水CODMn浓度降为1.56 mg/L，低于2 mg/L，符合GB 5749—2006规定。

图4　集成式应急供水设备处理高浊水各工艺单元出水中的CODMn变化

2.3　氨氮的去除

集成式应急供水设备处理高浑浊度水运行过程中，各工艺阶段出水氨氮平均浓度变化如图5所示。

由图5可知，黄河原水及配泥高浊水的进水氨氮浓度均在0.21 mg/L，进水浓度已低于《生活饮用水卫生标准》，经过PAM-预沉处理后，两类水的氨氮去除50%，为0.1 mg/L，继续通过电絮凝-聚浮工艺处理后，黄河原水及配泥高浊水的氨氮浓度均有轻微上升，分别为0.12 mg/L和0.13 mg/L，可能原因是电絮凝将进水中的有机氮通过电解作用转化为氨氮。随后经过超滤处理工艺、活性炭吸附及消毒工艺，氨氮浓度进一步降低，最后出水氨氮浓度为0.02～0.03 mg/L，总去除率达到90%，远低于GB 5749—2006规定的0.5 mg/L。

图5　集成式应急供水设备处理高浊水各工艺单元出水中的氨氮变化

2.4　铁的去除

处理黄河原水时，进水铁浓度为1.05 mg/L，处理配泥高浑浊度水时，进水铁浓度为2.21 mg/L，两者均超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)里规定的0.3 mg/L的限值。

图6　集成式应急供水设备处理高浊水各工艺单元出水中的铁变化

经过PAM-预沉处理后，铁浓度显著下降，黄河原水及配泥高浊水处理后对应的铁浓度为0.2 mg/L和0.3 mg/L，已基本符合GB 5749—2006的标准。随后经过电絮凝-聚浮处理后，两类水的出水铁浓度有增加，但经过超滤处理、活性炭吸附及消毒工艺处理后，出水铁浓度均<0.1 mg/L，稳定达到标准限值。

2.5　余氯及消毒副产物

活性炭吸附出水后，加入次氯酸钠进行消毒处理，通过对余氯的监控，如图7所示余氯保持在1 mg/L左右，同时对消毒副产物检测，结果显示处理配泥高浊水和黄河原水时，消毒出水中的三卤甲烷平均值在0.07～0.09 mg/L，最高为0.17 mg/L，远于GB 5749—2006中规定的1 mg/L的限值；一氯二溴甲烷浓度检测基本为0.002 mg/L，甚至更小，低于国标0.1 mg/L的限值；二氯一溴甲烷的检出浓度最高为0.0017 mg/L，三氯甲烷的检出浓度均小于0.004 mg/L，两者均远远小于国标要求0.06 mg/L的限值；三溴甲烷检出的浓度均小于0.0014 mg/L，小于国标规定限值0.1 mg/L。说明移动应急供水设备处理高浑浊度水没有消毒副产物超标的风险。由此可知，出水无消毒副产物的风险。

图7　消毒出水中的余氯浓度

2.6　色度及pH变化

黄河原水及配泥高浊水的进水色度约为6～8度，经过PAM-预沉处理后，基本能将色度降到5度以下，随后的电絮凝-聚浮工艺、超滤处理、活性炭吸附和消毒处理工艺，色度保持5度以下，出水透明无色，低于国标要求的15的色度限值；另一方面，两类水的pH经过整体工艺后变化不大，由进水pH值为8.0～8.3，最后出水pH值为7.8～8.0，满足国标要求的出水pH值在6.5～8.5。

2.7　产水量

应用集成式应急供水设备处理高浊水时，平均产水率为2.175 m3/h，最高可达2.89 m3/h，满足50 m3/d的要求。按平均每人饮用水量5 L/d计算，可满足10 000人应急条件下的饮用水需求。产水量的波动主要与超滤膜运行时膜的污染物堆积情况和冲洗有关。

集成式饮用水应急处理设备处理高浊水时，在30 d应用期间，水质稳定运行，随机取样进行出水水质饮用水106项检测分析，结果显示106项水质指标全部达标，说明经过此工艺处理后，出水安全无害，可用于生活应用。

3　集成式饮用水应急处理设备对其他污染水源的净化研究

通过工艺模块组合，可采用原水→电絮凝-聚浮分离→超滤→活性炭→消毒→出水的工艺流程处理有机污染原水。由试验运行结果可知，原水最大CODMn超过6 mg/L，平均浓度约为5 mg/L，最后出水CODMn的平均浓度为1.57 mg/L，去除率约68.8%，出水水质经过饮用水106项检测，符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限值要求。

采用原水→预沉→电絮凝-聚浮分离→超滤→反渗透→消毒→出水的工艺流程可处理含重金属的原水。由试运行结果可知，原水重金属(汞、铜、铬、铅)浓度超出饮用水卫生标准限值10倍，通过设备处理后，重金属去除率均在90%以上，出水经106项饮用水水质检测，符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限值要求。

4　结论

自然灾害如地震、泥石流、洪涝等频发，导致水源浑浊度升高，同时破坏当地供水系统，因此研究开发对高浊水应急处理的设备具有很高的实用价值。该公司研发的集成式饮用水应急处理设备，具有工艺模块化功能，可根据处理水源水质不同，采用不同模块组合形成对应工艺，其中对高浊水的处理效果显著，原水浑浊度最高可达8 000 NTU，平均浑浊度约5 332 NTU，经过设备工艺处理后，出水平均浑浊度可降为约0.19 NTU，出水水质满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，出水水量可满足10 000人/d的供应量。将设备进行不同工艺模块组合，对处理含重金属、有机污染的水源同样显示有效，出水水质均能达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，因此将工艺进一步完善，把此设备投入实际生产中，应用于灾难事故现场切实可行。

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