自来水厂臭氧-上向流活性炭深度处理工艺运行优化

自来水厂臭氧-上向流活性炭深度处理工艺运行优化

许钊

深圳市深水龙华水务有限公司 广东深圳 518000

摘要：本文主要介绍了臭氧-上向流活性炭深度处理工艺用于南方地区某水厂的实际案例应用情况。笔者结合该厂运行实际，总结了臭氧-上向流活性炭深度处理工艺投入运行后的处理效果，并从工艺及设备两方面对该工艺及附属设备设施的运行风险进行分析并提出优化建议。

关键词：自来水厂；臭氧-上向流活性炭；深度处理；工艺应用

1.概述

自来水厂常规处理以去除水中悬浮物、胶体和灭活致病微生物为目标，其主要水质指标包括浊度、色度等感官指标和细菌学指标。但是对有机污染物、消毒副产物前体物、异嗅类物质等去除效果并不理想。为推动供水水质由达到安全、健康的基本要求向优质、可直接饮用的高品质转变，南方地区某水厂新建深度处理工程，采用了“预臭氧处理-上向流臭氧活性炭”深度处理工艺，其工艺流程如图1所示。

图1 某水厂工艺流程图

为充分发挥深度处理工艺效能，实现出厂水稳定达标，本文从工艺和设备运行两方面对该厂臭氧-上向流活性炭深度处理运行风险和控制措施进行总结，以供参考和借鉴。

2. 工艺运行优化
   1. 运行风险分析

(1)生物安全性

生物活性炭技术是利用 GAC 作为滤料，强化微生物在活性炭上的生长，通过吸附和生物降解相结合作用去除水中有机污染物的处理工艺。当活性炭吸附饱和后，可以看到其多孔表面生长的生物膜，这层自然形成的生物膜可以去除活性炭表面和孔中吸附的有机物、矿物质等，这可以减少炭池的反冲洗频率，有效的延长了炭池使用寿命，减少氯消毒的使用量和消毒副产物，降低管网中微生物再生的风险。但也有研究发现，当进水细菌数几乎为零时，经过下向流活性炭滤池后，出现了细菌数增加的现象，在南方部分地区，臭氧-生物活性炭工艺运行过程中，出水出现了浮游动物过度孳生的问题。因此，在深度处理工艺运行过程中，对水厂工艺段的浮游动物进行跟踪监测并采取适宜的控制措施，对于保障水质十分重要。

(2)炭后出水pH异常

受活性炭滤料制作工艺的影响，活性炭池在投入运行的初期，pH偏高。随着运行时间的延长，炭池出水pH出现大幅下降。

在运行过程中，由于TOC被完全氧化、细菌的内源呼吸、活性炭被臭氧氧化、活性炭吸附的有机物等过程产生的和空气中的二氧化碳溶解于水中，导致水的酸度增加。另外，由于南方地区水体中溶解氧充足、温度及pH均较为适宜，炭池中的硝化过程十分活跃，由此产生大量氢离子使水的酸度增加。经过臭氧活性炭工艺处理后，醛 类、过氧化物、邻苯二甲酸及其衍生物、炔酸类以及部分醇类等有机物占的比例较大，这些组分都会使水中酸度增加。同时，活性炭自身也具有在水体中产生酸度的特性，由此导致了经过臭氧-活性炭工艺处理后的水体pH出现了大幅下降。

pH的大幅变化可能引起输水管道腐蚀，导致管网水的浊度、色度、细菌种类和数量、有毒重金属含量等水质指标恶化，也可能引起管壁变薄及穿孔漏水，缩短管道使用寿命，降低管道输水能力和增加输水能耗，进而导致管网水质出现二次污染。

(3)炭池进水负荷波动

由于该水厂采用的是前置上向流生物活性炭处理工艺，炭池位于沉淀池出水之后，相较于传统的后置下向流活性炭池，炭池进水浊度相对较高。有研究表明，当炭池进水浊度过高时，容易在炭吸附池底部及活性炭层局部粘结成块，缩短吸附周期，也不利于炭层生物膜的生长及有机物去除。另外，进水浊度过高也可能导致上向流活性炭池布气布水管堵塞，而上向流活性炭池进水端位于炭池的下部，一旦发生布气布水管头阻塞，难以清理，造成布水布气的不均匀，影响微膨胀上向流生物活性炭池的处理以及反冲洗效果。

另外，由于其进水采用上向流形式，不同于常规滤池，在一定的上升流速作用下，活性炭层处于膨胀流化状态。炭池进水量过高时，膨胀率过高，容易出现炭层流失的现象，且可能影响到后续砂滤池的运行。

2.2运行优化措施

结合运行经验，本文总结了该水厂在前置上向流活性炭处理工艺投产后的工艺优化措施：

（1）内控指标控制优化

前置上向流活性炭处理工艺投产后，沉淀池出水浊度应尽量控制在1.0NTU以内，特殊情况下不超过2.5NTU;

上向流生物活性炭工艺稳定运行后，出水pH大幅下降，且趋于稳定，反应池进水pH控制范围以混凝剂最适范围为准，炭后pH控制以能稳定达到出厂水pH控制范围为准。

（2）药剂投加优化

在浮游动物易于滋生的季节，可前移主加氯投加点至砂滤池前，或采取滤前加氯、主加氯同时投加的方式；

炭池出水pH稳定下降后，可对前加石灰乳进行优化，保障反应池进水pH处于混凝剂最适范围即可，通过石灰上清液投加使出厂水稳定达标；

炭池出水浊度出现波动时，应留意砂滤池出水浊度，及时开启二次加矾，单耗为0.2mg/L，在炭池出水浊度稳定后即停止投加，防止投加过量影响砂滤池运行。

（3）排泥优化

判断反应沉淀池排泥是否适宜，除出水浊度、排泥水含水率外，还应结合浮游动物等的监测情况，防止其在底泥中繁殖。

（4）其他辅助措施

对提升泵恒水位控制逻辑进行优化，减少水量变化时提升泵会出现频繁开停机的现象，减少炭池进水负荷波动；

在沉淀池出水指型槽处加装50目拦截网，在异常情况下，可降低炭池进水负荷；

在砂滤后出水槽处增加200目拦截网，可在浮游动物滋生的季节与滤前加氯连用有效保障出水安全。

3. 设备运行优化

3.1石灰系统运行优化

配合深度处理运行，新建石灰一体化投加装置，系统包含石灰存储罐、石灰乳制备及投加系统、饱和石灰水制备及投加系统。在预臭氧出水投加石灰乳，调节反应池进水pH，起到助凝的作用。在炭池出水投加石灰水，调节炭池出水pH，使出厂水能够稳定达标。该套系统较为复杂，整体自动化程度较高。

在深度处理投入运行后，水厂发现石灰水投加系统提升pH效果较难达到预期。经排查发现，该石灰水投加泵选用的是多级离心泵，泵内叶轮布置较密，内部元件配合间隙更小，而其投加的石灰乳/石灰水存石灰杂质，经一段时间运行会附着在叶轮及其旋转部件上，导致过流面积减小，投加流量减少甚至导致转子卡死，轴承损坏；此外，石灰水制备饱和器管道安装也存在一定问题，为使石灰乳及稀释水混合均匀，石灰乳及稀释水管均应投加在混合桶中，但实际安装过程中，稀释水进口安装至饱和器外缘，并未与石灰乳充分混合，导致石灰水浓度与设定值不符。随后，水厂将石灰水投加泵更换为单级杂质离心泵，并将稀释水进口迁移至混合桶中央，使其与石灰乳充分混合。改进后，投加石灰水炭后pH有了明显提升。

3.2提升泵房自控程序优化

受高程影响，该水厂在沉淀池出水后，水流需经过提升泵房提升进入后续深度处理工艺。由于提升泵房位于工艺流程中间，且上向流活性炭池对于进水负荷波动较为敏感，如何合理平衡前后工艺段的水量成为了重中之重。

该厂提升泵房采用恒液位控制，原程序中当提升泵房液位上涨超过加泵液位差（0.35m）,若第一台变频提升泵频率达到49.5HZ，并且保持10s以上，则增加一台提升泵。此时前一台保持工频运行，后面新增泵组保持变频运行。当液位继续上涨时，则通过调节频率使水位控制到恒水位区间。若水量仍继续上涨，则以此类推启动第三台提升泵，始终将水位控制在恒水位区间，反之亦然。当按照原程序运行时，在水厂进水量发生变化时，提升泵容易出现频繁启停的现象，导致炭池出水水质波动，水厂随后对提升泵房自控程序进行了优化调整，调整后的程序中提升泵房液位上涨超过加泵液位差（0.35m），若第一台提升泵变频频率达到49.5HZ，并且保持10s以上时，增加一台提升泵，此时两台变频器均变频运行，使液位控制到恒水位区间；若液位继续上涨，则启动第三台提升泵，此时第一台进入队列提升泵处于工频状态，剩余两台保持变频运行，使液位控制在恒水位区间。当提升泵房液位下降超过减泵液位差（0.25m）时,若两台及以上提升泵变频频率下降至35HZ，并且保持10s以上时，则减少一台工频提升泵，变频提升泵继续保持运行；若此时水量仍继续下降，将继续减少一台变频提升泵，始终将液位控制在恒水位区间。

此外，原程序中提升泵房与炭池为单独控制，但当炭池出现异常状态时，提升泵仍按照液位提升水量，易出现炭池溢流现象。优化后，当水厂超负荷运行时：当检测到沉淀池进水流量超过炭滤池生产能力时，在保证炭滤池正常满负荷生产前提下，自动调节超越阀开度，将超出部分水量通过超越管直接引入滤池，减少人工干预。当炭滤池检修或出现故障过多时：当炭滤池检修或者炭滤池出现多个故障，此时需要降低炭滤池生产能力，可以减少提升泵量，多余水量通过控制调节阀开度进行超越。当炭滤池停用时：超越调节阀完全打开，沉后水直接进滤池。

4. 总结与展望

臭氧活性炭技术在饮用水处理过程中体现出针对性强、出水水质稳定、应用范围广等特点，对水质的提升效果显著，工艺优势突出。深度处理工艺运行期间，该水厂出厂水水质指标优于国家标准《生活饮用水水质标准》（GB5749-2022）要求，其中有机物去除率明显提高，CODMn平均去除率由42%提高至71%，出厂水TOC、消毒副产物、甲醛远低于国标限值，且抗原水水质波动能力明显增强，在去除氨氮、2-MIB等指标上均表现优异。但从成本角度考虑，深度处理的投产运行虽大幅提高了出厂水的安全保障性，但水厂制水成本也随之大幅升高，如何在保障深度处理处理效果的前提下，实现经济效益和社会效益双统筹将是下一阶段的研究重点。

参考文献：

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