MIEX工艺对原水中CODMn去除的效果

贺 威，费相琴，罗仕阳

(淮安自来水有限公司，江苏淮安 223001)

淮安自来水公司目前下辖的3个水厂，北京路水厂、城南水厂和经济开发区水厂，水源水均来自洪泽湖。其中，建造最早的北京路水厂，始建于1977年，设计日供水量为9.0万m3，整个水厂分三期建成，每期规模分别为2.5万、2.5万m3/d和4.0万m3/d，设计初期水处理工艺均采用常规处理技术。在20世纪80年代，洪泽湖水质属于国家地表水标准Ⅰ～Ⅱ类，良好的原水水质加上混凝沉淀砂滤消毒的常规处理工艺，足以满足供水需要和水质要求，但随着时代的发展，越来越多的污染源出现在水源地上游或其附近，水源水的水质不断恶化。至今，北京路水厂原水水质已经降至国家地表水标准中的Ⅲ类，甚至有时某些个别指标达到Ⅳ类或Ⅴ类。藻类、色度、臭和味长期偶发性异常，水源水的有机污染和水体富营养化已经超出了常规工艺的处理能力[1]，常规水处理工艺已无法保证百分之百的优质供水。

我国于2007年7月正式颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[2]中，饮用水水质指标由原标准的35项增至106项。其中，消毒剂指标由1项增至4项，毒理学指标中的有机物指标由5项增至53项；同时，许多指标在限值标准上也有大幅度的提高。标准提高后，北京路水厂的饮用水处理工艺出水难以达到新标准要求，故对旧工艺进行升级是必要的。

基于以上两种原因，淮安自来水有限公司决定对北京路水厂进行升级改造。结合坐落于市区的北京路水厂自身厂区占地面积小的情况，通过对各种深度处理工艺的试验和研究，于2011年2月确定选择占地面积小、出水水质优、操作维护方便的磁性离子交换树脂(MIEX)技术应用于该水厂的深度处理工艺。水厂从2011年8月开始进行深度处理工程改造，并于2012年6月调试通水成功。

MIEX技术引自澳大利亚，是一种以聚丙烯为骨架和带电荷季胺官能团的大孔强碱性阴子树脂。树脂颗粒尺寸约为180 μm，是普通树脂颗粒的1/5～1/2，以更小的树脂颗粒提供了高比表面积，从而迅速捕获溶解性有机碳(以下简称DOC)。每个树脂珠结构内在制备时加入了γ-Fe2O3等磁性物质，因而树脂具有磁性，捕获了有机物的树脂快速聚合沉降且易于分离，再通过氯离子与DOC的交换，实现对溶解性有机物的去除，并做到树脂的再生。据国内外研究发现，MIEX树脂对原水中DOC的去除率为54%～74%[3-5]，比任何形式单体工艺的去除效果都要好。

本研究以淮安自来水有限公司北京路水厂MIEX系统为研究对象。淮安自来水有限公司北京路水厂作为目前国内首座大规模使用MIEX工艺作为深度处理技术的净水厂，从2012年6月25日MIEX系统调试通水成功并运行至今，其系统的处理效果，亟待持续跟踪。本文以已确定的最佳工艺

参数，用CODMn作为评价指标，判断该MIEX系统的处理效果，为MIEX树脂在净水厂中的应用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验进行时间为2019年3月19日—2019年8月11日。整个试验分为2个阶段，第一阶段为3月19日—7月2日和7月22日—8月11日，采样点选择北京路水厂MIEX进水、北京路水厂MIEX出水、北京路水厂原水和北京路水厂出厂水，共4个取样点，每天上下午各取样1次，取日平均值统计分析；第二阶段为7月3日—7月21日共计19 d。试验期间，通过进水分配渠将原水分成两路，一路直接引入水厂一期，另一路引入MIEX系统再进入水厂二、三期；实现水厂一期常规工艺单独运行，二、三期常规工艺与MIEX工艺联合运行。如图1所示，试验设计4个采样点，分别为原水(MIEX进水)、MIEX出水、二、三期常规工艺出水和一期常规工艺出水，各点每天上下午各取样检测1次，取日平均值统计分析。此外，整个试验期间，为达到2种深度处理工艺对比的目的，增加城南水厂臭氧活性炭工艺进水和城南水厂臭氧活性炭工艺出水2个采样点，每天上下午各取样1次，取日平均值统计分析。

图1 北京路水厂试验第二阶段设计方案Fig.1 Design Scheme of the 2nd Testing Phase of Beijinglu WTP

通过连续5个月对CODMn、藻类、浑浊度的检测，判断MIEX工艺去除效果的稳定性以及MIEX工艺出水结果是否符合国家饮用水标准要求；通过与城南水厂臭氧活性炭工艺对CODMn去除效果的对比，判断MIEX工艺是否具有深度处理效果。

1.2 主要分析方法和试剂

CODMn采用酸性高锰酸钾滴定法；草酸钠为中国计量科学研究院提供的基准试剂；高锰酸钾、硫酸为国药生产的优级纯；滴定管等玻璃仪器购买自天津玻璃仪器厂；恒温水浴锅 DK-S26，精宏试验设备公司；超纯水机 Milli-Q Element，密理博上海有限公司。浑浊度的检测方法为《生活饮用水标准检验方法 感官性状和物理指标》(GB/T 5750.4—2006)，仪器为TL2300型浊度仪。藻类的检测方法为国家环保总局(2002)《水和废水监测分析方法》第4版第五篇第一章(一)浮游生物的测定(B)，仪器为YS100型生物显微镜。

1.3 原水水质

原水取自北京路水厂取水口。试验期间，常规水质指标如表 1所示。

表 1 试验期间原水水质Tab.1 Raw Water Quality during the Experiment

1.4 北厂水处理工艺流程及MIEX工艺参数

升级改造后的北京路水厂工艺流程如图2所示。

MIEX工艺主要技术参数：通水倍数为800 BVTR；盐消耗量为45 kg/(1 000 m3)；再生树脂量为65～75 m3/d；日再生次数为15～18次/d；反应池搅拌机速度为10～12 r/min。

图2 北京路水厂改造后的工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart of Beijinglu WTP after Renovation

2 结果与讨论

2.1 “MIEX+常规处理”工艺连续运行下的出水CODMn

试验期间，随机选取北京路水厂出厂水在2019年6月8日—2019年8月11日共计65 d(组)的数据进行统计分析，如图3所示。由图3可知：在MIEX工艺联合常规水处理工艺运行期间，出厂水耗氧量平均值为1.24 mg/L，浓度为0.88～1.96 mg/L，远低于国家标准限值(3.0 mg/L)；65 d的数据中绝大多数出厂水耗氧量浓度低于1.5 mg/L，只有7 d出厂水的耗氧量超过了1.5 mg/L但不超过2.0 mg/L，占比为11%。结果表明，“MIEX+常规水处理”工艺能长期稳定地保证出厂水中CODMn的含量低于国家饮用水标准限值。

图3 北京路水厂出厂水CODMn含量Fig.3 CODMn Content of Finished Water in Beijinglu WTP

图4 一期与二、三期出厂水CODMn含量对比Fig.4 Comparison of CODMn in Finished Water among 1st, 2nd and 3rd Phases of the Project

图5 MIEX工艺、常规处理工艺和“MIEX+常规处理”工艺对CODMn去除率的对比Fig.5 Comparison of CODMn Removal Rate among MIEX, Conventional Treatment and “MIEX+ Conventional Treatment” Processes

2.2 MIEX、常规处理和“MIEX+常规处理”3种工艺对CODMn的去除

以试验第二阶段数据为样本，比较水厂一期与二、三期出水中CODMn含量的差异，以及对 MIEX、常规处理和“MIEX+常规处理”3种工艺对CODMn的去除，如图4～图5所示。

由图4可知，一期出水中CODMn含量明显高于二、三期出水中CODMn的含量。一期出水，CODMn的含量绝大多数为1.5～2.0 mg/L，最低为1.4 mg/L，最高为2.4 mg/L，均值为1.8 mg/L；二、三期出水，CODMn的含量绝大多数为1.0～1.5 mg/L，最低为0.88 mg/L，最高为1.6 mg/L，均值为1.1 mg/L。数据显示，MIEX与常规工艺联合运行，出水CODMn含量比单独的常规工艺出水CODMn含量下降了31%， MIEX工艺对原水中的有机物表现出较高的处理能力，这与卢宁等[6]在中试中提到的MIEX树脂对CODMn的去除率达到32%的研究结果一致。

由图5可知，MIEX工艺对原水CODMn的平均去除率为27%，常规工艺对CODMn的平均去除率为58%，联合运行下的平均去除率达到69%，这与孙瑞林等[1]的研究结果一致。以上表明，MIEX与常规工艺联合运行明显提高了常规工艺对原水中有机物的处理能力，使北京路水厂出厂水CODMn能够稳定达到或优于国家标准的要求。

2.3 MIEX去除率与城南水厂臭氧活性炭去除率对比

为了探讨MIEX工艺与臭氧活性炭工艺之间是否存在差距，判断MIEX工艺是否能够达到臭氧活性炭深度处理工艺的处理效果，本文选取淮河水系洪泽湖下游淮安市境内二河供水的北京路水厂和城南水厂的工艺过程水，检测各进出水中CODMn的含量，计算试验期间各深度处理工艺对CODMn的去除率，如图6所示。其中，4月2日，MIEX系统因过水停止运行数据异常；4月19日—4月25日，MIEX系统因故障再次停止运行数据未统计。

图6 2种深度处理工艺去除率对比Fig.6 Comparison of Removal Rate of CODMn between MIEX and Advanced BAC Process

由图6可知：开始阶段，MIEX工艺对CODMn的去除率明显低于同期的臭氧活性炭工艺；随着工艺的调整和技术参数的改进，从5月11日开始，MIEX工艺对CODMn的去除率稳步上升，并逐渐处于较稳定的状态，对CODMn的去除率也越来越接近臭氧活性炭的去除率甚至不相上下；直至7月5日，MIEX工艺对CODMn的去除率开始反超臭氧活性炭的去除率，并表现出持续反超且稳定的趋势。近5个月的试验期间，MIEX工艺对CODMn的平均去除率达到了21%，臭氧活性炭工艺对CODMn的平均去除率达到了22%，这同孙瑞林等[1]的研究一致。若考虑前期工艺参数调整和初期运行未得到最佳参数的情况，MIEX工艺对CODMn的去除率均值能达到29%，明显优于臭氧活性炭工艺。图3、图6的结果表明，占地面积小的MIEX深度处理工艺用于北京路水厂的可行性高，处理效果明显，效果稳定性优异，在去除CODMn的效果上略高于臭氧活性炭工艺，达到了深度处理的效果。

此外，在近几年的实际生产运行期间，北京路水厂MIEX系统作为预处理工艺置于常规工艺前端，经常会遇到腐烂树叶、垃圾、贝壳等异物堵塞系统的情况，迫使系统故障停运。目前，在MIEX系统前端加装格栅以解决异物堵塞系统的问题。MIEX技术引自澳大利亚，澳大利亚水源地绝大部分属于湖库水和地下水，其原水水质相对较好。考虑到澳大利亚与洪泽湖水体的差异，建议在今后的项目中把MIEX系统置于沉淀出水之后，以避免原水中杂物对系统的影响，保证系统安全运行，提高处理效率。

2.4 MIEX工艺对其他指标的去除率

由图7可知：试验期间，MIEX工艺对原水浑浊度的去除率在11%～42%，平均为22%；经“MIEX+常规处理”工艺处理后的出厂水浑浊度均在0.5 NTU以下，绝大部分日期数值在0.4 NTU以下。由此可见，“MIEX+常规处理”工艺可以满足国家标准对出厂水中浑浊度的限值要求(1 NTU)，并满足中国水务投资有限公司(母公司)标准化建设中二级水和江苏省住建厅优质水内控指标的要求(0.5 NTU)。

图7 MIEX工艺对浑浊度的处理效果Fig.7 Treatment Effect of MIEX Process on Turbidity Removal

由图8可知,试验期间，MIEX工艺对原水中藻类的平均去除率在17%～61%，平均值在33%，表现出良好的去除效果。

图8 MIEX工艺对原水藻类的去除率Fig.8 Removal Rate of Raw Water Algae by MIEX Process

2.5 成本分析

MIEX工艺运行成本主要由直接运行成本和间接运行成本两部分构成。根据目前的数据分析，MIEX工艺的处理成本合计约0.242元/m3。

2.5.1 直接运行成本

MIEX系统直接运行成本主要包括树脂损耗费用、盐耗费用、电耗费用、人工费用等。

树脂单价按80元/L计，稳定运行后，树脂平均流失率约1.5 L/km3，盐耗约为50 kg/km3，单价按750元/t计算，电耗约为16 kW·h/km3，电费单价按0.73元/(kW·h)，年人工费按5人×8万元/人=40万元，每年处理水量按3 000万m3计算。

表 2 直接运行成本估算Tab.2 Estimation of Direct Operation Cost

2.5.2 间接运行成本

间接运行成本主要包括设备维修维护费用、固定资产折旧费用。本工程设备费用为1 900万元，初期投加树脂费用为1 050万元，土建费用为378万元，总计3 328万元。设备维修维护费用按工程设备费用的1%计，设备维修维护费用约为19万/a。合每立方米水成本为0.006元；固定资产折旧费用按设备总造价的5%计，折旧费用为166.4万/a，合每立方米水成本为0.055元。综上，间接运行成本合计约0.061元/m3。

3 结论和展望

本研究以淮安自来水有限公司北京路水厂MIEX系统为研究对象，以CODMn为评价指标，判断该MIEX系统的处理效果，为MIEX技术在净水厂中的应用提供技术参考，通过试验研究和分析得到如下的结论。

在MIEX工艺主要技术参数通水倍数为800 BVTR、反应池搅拌机速度为10～12 r/min等的情况下，MIEX工艺表现出对原水中CODMn、浑浊度、藻类具有良好的去除能力，平均去除率分别为33%、22%和29%；联合运行下，对CODMn的去除率均值达到了69%。

MIEX工艺对CODMn的去除率略高于臭氧活性炭工艺的22%，具有深度处理效果，表现出对原水中的有机物具有较高的处理能力；联合处理工艺能长期稳定地保证出厂水中CODMn等指标符合国家饮用水卫生标准要求。

MIEX技术占地面积小、工艺设计灵活、设备安装简洁、系统运行维护方便、投资成本和运行成本可控并具有一定的成本优势，可作为深度处理技术在自来水厂新建和改造中应用。

目前，MIEX技术在我国水厂中的应用还处于起步阶段，应用性研究还很少。北京路水厂作为国内首家引进MIEX系统的水厂，应发挥好自身优势，通过不断试验，研究不同原水水质的最佳工艺参数；研究MIEX技术对其他种类有机物、消毒副产物等的去除效果；同时，从效能和经济效益等角度综合考虑 MIEX技术对我国水体的适用性，为MIEX技术在净水厂中的应用提供技术参考。