我国水源水质情况与净水厂改造的适用工艺

我国水源水质情况与净水厂改造的适用工艺清华大学王占生刘文君2011.10无锡报告提纲一、我国的水源水质情况二、我国自来水厂现有工艺的欠缺三、水厂工艺改造的技术四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用报告提纲一、我国的水源水质情况二、我国自来水厂现有工艺的欠缺三、水厂工艺改造的技术四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用一、我国的水源水质情况我国第一次污染源普查结果显示，2007年我国水污染情况如下：废水排放总量2092.81亿吨（比2008年公报值571.7亿吨多1500亿吨）；废水中化学需氧量3028.96万吨，含农业源1324.09万吨（比2008年公报值1320.7万吨多出一倍多）；氨氮172.91万吨；重金属（镉、铬、砷、汞、铅）0.09万吨；总磷42.323万吨。一、我国的水源水质情况工业污染农业污染城市生活污染可持续污染物（POPs）内分泌干扰物（EDCs）药品与个人防护用品（PPCPs）耗氧量（CODMn)氨氮臭味来源污染物水质指标一、我国的水源水质情况水中臭味的来源自然界中藻类代谢物质工业废水中的致臭物质城市污水中的致臭物质水中的氨氮净水厂投加的氯报告提纲一、我国的水源水质情况二、我国自来水厂现有工艺的欠缺三、水厂工艺改造的技术四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用二、我国自来水厂现有工艺的欠缺1.95%以上还是常规工艺：混凝沉淀-过滤-消毒，不能有效去除溶解性有机物、氨氮、臭味物质。2.水源水CODMn可达5~6mg/L，新标准规定CODMn应小于3mg/L，常规处理只能去除30%左右，无法达标。3.常规工艺的不足：缺乏去除有机物的氧化与吸附技术。报告提纲一、我国的水源水质情况二、我国自来水厂现有工艺的欠缺三、水厂工艺改造的技术四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用三、水厂工艺改造的技术在水源水质不断恶化的条件下，要使自来水达到新的水质标准要求，必须将常规工艺改造成深度处理工艺，主要是增加去除溶解性有机污染、臭味与氨氮的能力。深度处理首先应是强化常规处理，不用增加构筑物，然后就是增设活性炭吸附、生物预处理等构筑物。三、水厂工艺改造的技术1、投加氧化剂加氯或投加高锰酸钾、臭氧、过氧化氢、二氧化氯等氧化剂取代氯，使氯的消毒副产物减少，可以改善水的混凝条件，将粘附在胶体表面的有机物氧化，使胶体容易凝聚下沉。三、水厂工艺改造的技术2、活性炭吸附有机物或臭味偶然超标时，用粉末炭。不能再生，成本高，加10mg/L需0.05元/m3水。采用炭砂滤池解决有机物超标现象（炭易吸附饱和）。有机物较少，但CODMn略高时设置炭吸附池（炭易饱和）。原水有机物含量多，增设臭氧-生物炭技术（可连续使用3年以上）。三、水厂工艺改造的技术3、生物预处理（氨氮高时）水中氨氮可在混凝沉淀过程中去除20%左右，在砂滤池中去除30~50%（不预加氯时），在生物炭池中去除30~50%，最后加氯过程还可部分去除。一般情况下，如有臭氧－生物炭技术，当氨氮小于3mg/L时，可不设生物预处理。三、水厂工艺改造的技术4、膜技术1）微滤（孔径约0.1µm）和超滤（孔径约0.01µm，可截留约10万分子量）在给水厂可取代砂滤，超滤可去除细菌、病毒等颗粒污染物，但对溶解性小分子有机污染物和臭味物质不能去除，可去除CODMn约10%（主要去除1万以上分子量）。三、水厂工艺改造的技术表1水源水中不同分子量有机物占总DOC的百分比（%）水源＜500Da500～1000Da1000～3000Da3000～10000Da＞10000DaDOC/mg/L淮河水（蚌埠段）18.3024.7816.8612.6925.598.35绍兴青甸湖30.0015.6026.0012.4016.005.57北京密云水库40.0945.6913.681.891.412.12三、水厂工艺改造的技术从表１可见，河水受污染较多，分子量大于1万的有机物占26%，湖泊、水库水则绝大多数有机物分子量小于1万。超滤膜截留10万分子量，去除的有机物量是有限的，大多数小分子有机物不能去除。三、水厂工艺改造的技术近年来日本由于扩大供水量，用于取代滤池，超滤的应用发展较快。我国海南立昇公司采用自主产权的聚氯乙烯制成的超滤膜，通量大，价格便宜，已经用于东营自来水厂和将用于北京水源九厂反冲洗水的净化。膜技术的造价约为300元/m3/d左右。膜的价格有望进一步降低以适应水厂改造。三、水厂工艺改造的技术4、膜技术2）纳滤（能截留300分子量）和反渗透（截留200分子量）能去除溶解性小分子有机污染物，并能去除硬度、盐和重金属离子等，是今后水厂进一步提高水质有希望用的技术，但目前还存在经济、技术等问题有待解决。三、水厂工艺改造的技术表2净水技术对水源中PPCPs的去除效果净水技术对PPCPs的去除效果常规处理（混凝沉淀-过滤）通常不能有效去除Cl2和ClO2能部分去除，但Cl2效果不稳定粉末炭只能部分去除粒状活性炭和生物处理工艺能有效去除臭氧等高级氧化工艺能高效去除微滤与超滤效率不高纳滤与反渗透能高效去除臭氧除个别物质（ANTN去除率小于50%）外，均有较好分解效果，去除率大于70%。对EDCs具有较好分解能力，去除率大于80%。从表2可以看出，除了纳滤与反渗透外，臭氧氧化与活性炭能有效去除PPCPs与EDCs。报告提纲一、我国的水源水质情况二、我国自来水厂现有工艺的欠缺三、水厂工艺改造的技术四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附我国水源水中分子量3000Da的有机物占40~50%。活性炭可以吸附3000~500分子量的有机物，因而可去除60~10%的有机物（随使用时间逐渐降低）。臭氧-生物炭由于臭氧的氧化作用，可将大分子有机物降解为较小分子，便于活性炭的吸附，同时可将难降解有机物氧化成易降解有机物，使生物炭上微生物能发挥生物降解能力，这样臭氧-生物炭组合技术就能有效去除溶解性有机物和臭味。四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附浙江嘉兴地区已有10多家水厂采用这种工艺，实践证明可以长期有效去除CODMn20~25%，有的水厂活性炭已用了3~5年尚未再生，仍可正常使用。上向流炭池采用30×60目（约0.3~0.6mm）炭粒，可以减少水头损失（约0.30m水头损失），膨胀床膨胀率约25~30%，由于粒径小，吸附的表面积大，又因上升水流环绕充分，比下向流炭池CODMn多去除5~10%。报告提纲一、我国的水源水质情况二、我国自来水厂现有工艺的欠缺三、水厂工艺改造的技术四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法1．原水中Br-浓度过高（100µg/L）时，投加臭氧会引起出水中溴酸盐超标（10µg/L）。控制溴酸盐超标的有效方法：1）少投加O3，并使O3池出水中剩余O3浓度控制在0.1mg/L。溴酸盐产生量与水中剩余O3浓度有关。2)先投加H2O2，使O3与H2O2反应生成OH自由基，OH自由基与有机物反应无选择性，可以控制溴酸盐浓度在限值之内。高级氧化能比单独O3氧化多去除CODMn5%左右。五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法黄河下游济南原水Br-100µg/L，投加H2O2后BrO3-可控制在限值以下。济南市供排水监测中心与清华大学通过试验研究发现H2O2:O3摩尔比为1.5~1较佳，H2O2约1万元/t，投加3mg/L，约0.03元/m3。郑州市自来水总公司的实验结果与济南市相同。上海黄浦江水中Br-浓度达300~400µg/L，投加O3后检测不到BrO3-，原因应该是臭氧优先与水中的有机物发生反应，不能将Br-氧化为BrO3-。五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法2．生物炭池出水泄漏微生物，增加消毒难度。可采用如下办法：滤池、炭池加盖，防止摇蚊下卵，防止日光照射、水蚤生长。生物炭池出水处设不锈钢网（200目）截留微生物。消毒改成紫外线与氯联用，紫外线能有效杀灭两虫与细菌、病毒，氯可维持管网的消毒剂余量。将滤池置于炭池后，炭池出水可加助溶剂、消毒剂，滤池滤料采用细滤料（d=0.5~0.8mm）截留微生物。五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法嘉兴南郊贯泾港水厂最后滤池出水浊度0.02~0.09NTU，粒径2~8um的颗粒数在0~30个/mL，一般10个/mL，达到美国水厂建议标准50个/mL要求，有效避免微生物泄漏风险。综上所述，臭氧-生物炭存在的问题是可以解决的。报告提纲一、我国的水源水质情况二、我国自来水厂现有工艺的欠缺三、水厂改造可选工艺四、当前净水厂的核心技术应是活性炭吸附五、臭氧-生物炭工艺存在的问题与解决办法六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用臭氧-生物炭超滤膜粉末炭+超滤膜使用条件原水CODMn在6mg/L左右，或大于6mg/L（可去除CODMn20%-25%）有臭味氨氮高原水CODMn在5mg/L左右（可去除CODMn10%）出水浊度不易达标替换滤池，增加水量原水CODMn在6mg/L左右，或大于6mg/L有臭味氨氮高出水质量能达标可去除小分子有机物AOC减少，有利管网水的生物稳定性能达标出水浊度小于0.1NTU小分子有机物去除少细菌病毒大量减少，去除两虫有保障小分子有机物去除较少其它同左基建造价（元/m3/d)300左右300-330（PVC膜）同左根据近年来这两个技术的应用，可概括总结于下表。六、臭氧-生物炭与超滤膜的使用条件与基建、运转费用臭氧-生物炭超滤膜粉末炭+超滤膜运转费用（元/m3)臭氧（3mg/L）0.051（以液氧1000元/t，10kgO2产1kgO3、臭氧电耗10kwh/kgO3计）活性炭（用4年）0.042（以炭价1.1万元/t计，每年补炭10%）膜折旧（用5年）0.044（以膜价80元/m3/d计）电耗（0.05kwh/m3）0.035粉末炭投每mg/L0.0055（每t以5500元计）其它同左主要问题与优点原水溴离子高时，溴酸盐易超标微生物泄露冬天生物炭去除污染效果较差工程有成功经验（已运行6-7年）膜丝折断膜污染的有效清洗冬天膜通量减少节省占地面积，施工期短便于自动控制工程经验尚待总结同左结语针对我国水源水微污染水质，无论是作为把关技术去除溶解性大分子有机污染物与臭味，还是从经济适用观点出发，臭氧-生物炭技术目前仍然是经济有效的深度处理技术。