采用金泽原水的水厂工艺集成优化关键技术研究成果

刘 爽，王 铮，*，武珉辉，沈 雪，于建伟，陈洪斌

(1.上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082；2.中国科学院生态研究中心，北京 100085；3.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092)

在金泽水库通水之前，上海市西南五区各水厂各自就近在黄浦江干、支流水域取水，原水常年处于中污染状况，切换金泽水库后，原水水质有较为明显的改善，但仍存在耗氧量偏高、季节性藻类暴发，以及复合嗅味、抗生素、农药等微量污染物均有检出等风险。西南五区12座水厂原有工艺运行出水尽管能满足国标106项要求，但耗氧量、三卤甲烷总量存在超上海地标风险，部分水厂出厂水浑浊度、嗅味物质等偏高。因此，亟需根据新水源的水质特征对水厂工艺进行优化，形成水厂工艺适应性技术方案，保障出厂水水质稳定达标，为上海市金泽水源供水系统水质安全提供有效技术支撑。

1 研究目标与背景

金泽原水水厂工艺集成优化关键技术研究属于国家科技重大专项“太浦河金泽水源地水质安全保障综合示范”(2017ZX07207)课题“金泽水库原水水处理工艺优化与安全输配技术研究与应用”(2017ZX07207004)的重要研究任务之一，由上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司、中国科学院生态研究中心、同济大学共同承担完成。

金泽水源主要服务闵行、松江、青浦、奉贤和金山五区共计12座水厂，合计制水能力为292万m3/d，均采用臭氧-生物活性炭深度处理工艺。上海市实行地标《生活饮用水标准》(DB31/T 1091—2018)后，对水厂运行管理提出了新的挑战。为更严格地执行地标要求，提升饮用水水质，针对金泽水源运行水厂存在的耗氧量、三卤甲烷总量存在超上海地标风险，浑浊度、嗅味物质等偏高[1]，出厂水有抗生素检出的问题，以臭氧-生物活性炭为关键工艺进行优化研究，解决水质问题，保障供水安全。

2 研究成果

2.1 耗氧量强化去除工艺

2.1.1 臭氧优化效果分析

根据水厂臭氧投加实际情况，以金泽水库原水为试验对象，设定预臭氧投加量为0.5、1.0、1.4 mg/L，后臭氧投加量为0.8、1.5、2.0 mg/L。预臭氧单元对CODMn的平均去除率随着预臭氧投加量的增加呈现先升高后降低的趋势，在投加量为1 mg/L时，CODMn的去除率最高。后臭氧单元对CODMn的去除率随着臭氧投加量的上升呈现先增加后减少的趋势，当后臭氧投加量为1.5 mg/L 时，CODMn的去除率达到最大，为12.7%；而BAC单元对CODMn的去除效果优于臭氧单元，对CODMn的去除变化规律类似于臭氧单元，随着臭氧投加量的上升呈现先增加后减少的趋势，当后臭氧投加量为 1.5 mg/L 时，去除率达到最大，为25.7%。将上述结果进行响应面分析，模型预测出适用于金泽水库原水耗氧量强化去除的臭氧投加最优组合：预臭氧投加量为1.02 mg/L，后臭氧投加量为1.36 mg/L，至活性炭滤池出水，CODMn可达最优去除率(65.4%)。以此投加量在金泽水源供水某水厂进行生产投加，固定后臭氧投加量为1.0 mg/L，改变预臭氧投加量，结果如图1所示。对预臭氧+混凝沉淀整体的CODMn的去除率而言，随着预臭氧投加量的增加，整体CODMn的去除率呈现先增加后减少趋势，在预臭氧投加量为0.8～1.0 mg/L时，整体CODMn的去除率最大，为43.5%，与试验及模拟结果吻合。

图1 预臭氧投加量对CODMn去除的影响Fig.1 Effect of Pre-Ozone Dosage on CODMn Removal

2.1.2 活性炭滤池优化效果分析

活性炭的比表面积和孔容随着运行时间的延长而不断衰减，在运行4～5个月时，下降约50%～60%；运行至7年时，微孔孔容基本耗竭，比表面积大大减小。而中孔和大孔仍保留了较多的孔容，意味着活性炭的解吸附与置换吸附是可能发生的。分析活性炭的生物活性可以部分反映生物活性炭滤池中生物降解作用的强度。结果显示，柱状炭生物活性总体在破碎炭水平的50%左右，破碎炭生物作用显著高于柱状炭滤池，新炭池运行2～5个月，随着运行时间的增长，生物活性不断增强。老炭池的生物活性整体低于稳定运行的新炭池。活性炭微孔孔容、比表面积等性能明显降低时，同样伴随着活性炭滤池对水中CODMn去除率降低的现象，此时水厂应及时更换活性炭滤池滤料。金泽水源某水厂经评估可知：活性炭性能明显下降，臭氧活性炭单元对CODMn的去除率呈现逐月下降趋势，平均从27.2%降低至11.5%，出厂水总CODMn的去除率平均从56%降低至48%左右；换炭结束，臭氧活性炭单元对CODMn的去除率升高25%左右，最高达29%，出厂水总CODMn去除率上升至53%(图2)。

图2 金泽水源某水厂活性炭工艺优化前后 CODMn去除率变化Fig.2 Removal Variation of CODMn before and after Optimization of Activated Carbon Process in a WTP with Jinze Raw Water

2.2 嗅味风险控制工艺优化

金泽原水具有复合性嗅味风险，其中，2-MIB为主要风险致嗅物质，其在7月—8月达到峰值，最高为476.6 ng/L，明显超出嗅阈值。通过对水厂的致嗅物质去除效能评估可知，水厂的工艺对2-MIB及土臭素均能有效去除，且臭氧-活性炭工艺为主要去除工艺段[2]。通过中试及生产试验进行臭氧-活性炭工艺的优化研究，试验过程中其他工艺参数不变，只调整臭氧投加量。

图3 预臭氧投加量对2-MIB去除效率影响Fig.3 Effect of Dosage of Pre-Ozonation on Removal Rate of 2-MIB

图4 后臭氧投加量对2-MIB去除效率影响Fig.4 Effect of Dosage of Post-Ozonation on Removal Rate of 2-MIB

试验期间，原水土臭素检出浓度为7 ng/L，经沉淀即可完全去除。因此，试验分析以2-MIB的去除效果为主，试验期间2-MIB浓度最高为15 ng/L，结果如图3、图4所示。随着预臭氧投加量的增加，在1 mg/L左右对2-MIB的去除效率有明显增加，继续增加预臭氧投加量对2-MIB的去除率提升不明显。综合实际生产运行中臭氧投加能力和范围，以及前后臭氧对嗅味的去除，建议：针对嗅味的去除，前臭氧投加量为0.65～1 mg/L，后臭氧为0.5～1 mg/L。当前臭氧投加量为0.65 mg/L时，后臭氧需达到1 mg/L以上才能有明显的2-MIB去除率提升；当前臭氧投加量为1 mg/L时，后臭氧为0.5 mg/L左右即可达到较高的去除率。

图5 磺胺甲恶唑在不同前后臭氧投加量的去除率Fig.5 Removal Rate of Sulfamethoxazole in Different Dosages of Pre-Ozonation and Post-Ozonation

2.3 抗生素去除工艺优化

臭氧生物活性炭工艺的优化，基于原水中磺胺类抗生素的浓度水平，调整不同前后臭氧投加比例，跟踪磺胺类抗生素在不同工艺参数下的去除效率。金泽水源水厂检出频率及浓度较高的磺胺抗生素为磺胺甲恶唑。由图5可知，当预臭氧投加量为0.65 mg/L时，后臭氧投加量需达到1.5 mg/L，磺胺甲恶唑的去除率才能高于60%，达到88.59%。若预臭氧采用1 mg/L，后臭氧投加量需达到1 mg/L以上，磺胺甲恶唑的去除率才能达到60%以上，去除效率分别为74.58%(后臭氧投加量为1 mg/L)和75.67%(后臭氧投加量为1.5 mg/L)。当预臭氧的投加量增加至1.5 mg/L时，后臭氧无论采用0.5 mg/L还是1 mg/L，磺胺甲恶唑的去除率均高于60%，分别达到71.32%和68.04%。由生产性试验结果可知，综合抗生素去除率、投加量经济性，最优的前后臭氧投加量为：预臭氧投加量取0.65 mg/L时，后臭氧取1.5 mg/L；或者，预臭氧投加量取1 mg/L时，后臭氧取1 mg/L。

将生产性试验结果推广到2座水厂，同时考虑前后臭氧单元进水中抗生素浓度对去除率的影响，计算采用最优前后臭氧投加量时，单位抗生素总量所需臭氧量(每ng抗生素所需mg臭氧量)，即：就预臭氧单元而言，计算最佳预臭氧投加量与相应原水中磺胺类抗生素总量的比值；就后臭氧单元而言，计算最佳后臭氧投加量与相应主臭氧单元进水中磺胺类抗生素总量的比值，结果如表1所示。

表1 前后臭氧单位抗生素总量所消耗的臭氧量Tab.1 Amount of Unit Ozone Consumed of Total Antibiotics in Pre-Ozonation and Post-Ozonation

水厂原水中的抗生素浓度为15～30 ng/L，均值为23.5 ng/L，前臭氧处理单元中，采用的最优单位抗生素总量所需臭氧量为0.028～0.038 mg O3/(ng抗生素)，推荐的最优预臭氧投加量为0.65～0.9 mg/L。后臭氧处理工艺进水中的抗生素浓度为0～23 ng/L，均值为12 ng/L；后臭氧处理单元中，采用的最优单位抗生素总量所需臭氧量为0.05～0.08 mg O3/(ng抗生素)，根据后臭氧进水抗生素均值，推荐的最优后臭氧投加量为0.60～0.95 mg/L。

2.4 三卤甲烷控制优化

2.4.1 臭氧氧化DBPs前体物效果分析

在饮用水处理过程中，受水质条件和操作参数的影响，臭氧及其相关高级氧化工艺对DBPs生成的影响不尽相同。NOM作为DBPs的前驱物，臭氧氧化可改变其组分，从而影响DBPs的生成。比较不同投加量情况下对前驱物的去除率，结果如图6所示。随着臭氧投加量的增加，消毒副产物前体物的去除率在后臭氧及臭氧-生物活性炭出水呈现先增加后减少的趋势。当预臭氧增加到1 mg/L以上、后臭氧浓度为0.8 mg/L时，前驱物的去除率出现负增长的趋势，证明上述研究中臭氧投加量对消毒副产物前驱物的控制并不是通过去除NOM来控制DBPs的生成，而是通过改变NOM的组分来影响DBPs的生成，且有最佳臭氧投加点。结果显示，当预臭氧浓度为0.5～1 mg/L、后臭氧浓度为0.8～1.5 mg/L时，均能较好地去除前驱物。进一步开展了主臭氧投加变化的消毒副产物生产势生产性试验，改变后臭氧投加量为1.2 mg/L及1.5 mg/L，分析使用5 mg/L氯24 h的消毒副产物生成势。结果表明，臭氧投加量为1.2 mg/L时，出厂水中消毒副产物总量相比原水降低33%；而当臭氧投加量为1.5 mg/L时，出厂水中消毒副产物总量相比原水只降低3.3%，说明随着臭氧投加量的升高，不能一味地通过去除消毒副产物前驱物来控制消毒副产物。

图6 不同后臭氧投加量对前驱物去除的影响Fig.6 Effect of Different Dosages in Post-Ozonation on Precursors Removal

2.4.2 消毒方式和消毒剂剂量对DBPs生成的影响

上海目前对于已经采用臭氧-生物活性炭深度处理工艺的金泽水源水厂，推荐使用游离氯消毒化合氯出厂的消毒副产物控制方式，即在深度处理活性炭池后设消毒接触池，有30 min的接触时间，采用游离氯消毒，浓度为0.5 mg/L，满足CT值≥15，然后再加氨0.2～0.3 mg/L，氯氨重量比在4∶1左右，达到1 mg/L左右化合氯出厂，可使出厂消毒副产物得到控制，且后续管网中亚硝酸盐产生的可能性较小[3]。

针对采用自由氯消毒的水厂，通过采用分段投加自由氯的方法控制出厂水中三卤甲烷的总量不高于0.5。就三卤甲烷而言，在不同次氯酸钠投加总量、采用分段加氯时，其产生量较稳定，而未采用分段加氯、三卤甲烷总量最高时,是采用分段加氯时的3倍有余。如采用分段加氯，三氯甲烷浓度在0.36～0.48 μg/L；不采用分段加氯，则在0.36～0.66 μg/L。可以看出，分段加氯是一种很有效的控制三卤甲烷的消毒方法。研究表明，在次氯酸钠总投加量为1.5 mg/L时，可以减少67%的三卤甲烷产生量和30%的三氯甲烷产生量，如图7所示。

图7 分段加氯和非分段加氯所产生的三卤甲烷和三氯甲烷浓度Fig.7 Concentrations of Ttrihalomethane and Trichloromethane Produced by Staged and Non-Staged Chlorination

图8 不同前后段加氯比下的三卤甲烷总量和三氯甲烷生成量比较Fig.8 Comparison of Ttrihalomethane and Trichloromethane Producation under Different Chlorination Ratios

(1)分段加氯比例

为优化分段加氯时的前后段次氯酸钠投加比例，在不同前加氯投加量下(即：0.4、0.5 mg/L和0.6 mg/L)，比较采用不同前后加氯比所产生的三卤甲烷总量和三氯甲烷浓度。加氯比包括1∶1、1∶2、1∶2.5和1∶3。由图8可知：当前段加氯投加量在0.4 mg/L时，前后段次氯酸钠投加比例采用1∶1、1∶2和1∶2.5所产生的三卤甲烷和三氯甲烷量差异不大，三卤甲烷总量为0.020～0.023 ，三氯甲烷生成量为0.37～0.44 μg/L；当采用1∶3的前后加氯比时，三卤甲烷和三氯甲烷生成量明显升高，分别为0.031 μg/L和0.63 μg/L，比其他前后加氯比时增加了29%和37%。因此，最优投加比例为1∶1、1∶2和1∶2.5。

(2)次氯酸钠总投加量

在确定了最优前后段加氯比之后，进一步优化次氯酸钠总投加量范围，因为即使采用最佳前后段加氯比，如果次氯酸钠总投加量过高也难以达到控制消毒副产物生成的目的。为了优化次氯酸钠总投加量，试验在不同投加总量下，检测三卤甲烷总量和三氯甲烷的生成量，结果如图9所示。由图9可知：生成三卤甲烷最低的次氯酸钠总投加量在1.2～1.75 mg/L；三氯甲烷生成量的趋势与三卤甲烷相同，生成量最少时的总投加量为1.2～1.75 mg/L。因此，采用前后分段加氯消毒时，推荐次氯酸钠投加总量应保持在1.2～1.75 mg/L。

图9 不同次氯酸钠投加总量下生成的三卤甲烷总量和三氯甲烷的浓度Fig.9 Total Amount of Trihalomethane and Concentration of Trichlormethane Produced under Different Total Dosages of Sodium Hypochlorite

总而言之，分段加氯更能有效控制消毒过程中消毒副产物的产生。在采用分段加氯时，前后段次氯酸钠投加比例应控制在1∶2～1∶2.5，次氯酸钠总投加量应控制在1.2～1.75 mg/L。

2.5 超滤膜对微生物安全控制效果

砂滤池/活性炭滤池出水有微生物泄露风险，为研究膜过滤对无脊椎动物的拦截规律，开展了管式超滤膜和纳滤膜对生物活性炭滤池出水的无脊椎动物虫体及可孵化体的拦截生产性试验。超滤膜对无脊椎动物的拦截效率为98.52%±1.17%，出水生物种类主要为轮虫和线虫，未发现体积较大的虫体，对虫卵及可繁殖体的拦截效率为89.44%±17.97%，主要为轮虫卵，偶尔出现线虫卵。随着跨膜压差的增大，超滤对虫体、虫卵及可繁殖体的拦截效率降低。当跨膜压差大于0.04 MPa时，出水开始出现少量轮虫，随着跨膜压差的进一步增大(至0.08 MPa)，处理效率出现大幅度下降。

2.6 浑浊度控制优化效果

混凝沉淀是目前水厂处理中对浑浊度去除效率最高的工艺环节，因此，以混凝剂投加量的优化研究，确定金泽水库供水水厂适宜的最佳混凝剂投加量，为实现出厂水浑浊度小于0.15 NTU，至少需将沉后水浑浊度控制在1 NTU。研究显示：在不同混凝剂中，聚合氯化铝在投加量为6～10 mg/L(按Al2O3计)时，可将沉后水浑浊度降至1 NTU以下；硫酸铝在投加量为2～4 mg/L(按Al2O3计)时，即可将原水20 NTU左右的浑浊度降到1 NTU以下，去除率达到90%以上。

3 应用前景

本研究以上海西南五区水厂现行的“臭氧-生物活性炭”工艺为主要优化工艺，进行臭氧投加量优化、活性炭滤池运行优化、消毒方式及投加量优化研究，提出以有机物和浑浊度达标、嗅味去除、消毒副产物控制、新型污染物去除为目标的对应工艺参数，为上海市金泽水源供水系统水质安全提供有效技术支撑。