华东河网地区县镇饮用水安全保障技术研究与示范

给水排水　Ｖｏｌ．３９　Ｎｏ．１２　２０１３

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华东河网地区县镇饮用水安全保障技术研究与示范邓慧萍１　金国水２　陆志波１　倪　炯２　蔡　磊１　高颖鸿１

（１同济大学环境科学与工程学院，上海　２０００９２；２上虞市水务集团，上虞　３１２３００） 摘要　针对华东河网地区县镇水源水普遍存在的氨氮和有机物超标等问题，开展了微污染水体修复和水源保护技术、生化集成除污染技术和膜组合工艺关键技术、安全输配和消毒技术等方面的研究，开发了曝气生物沸石滤池—颗粒活性炭滤池组合工艺和生物粉末活性炭—超滤膜组合工艺两套实用的处理县镇微污染原水集成技术。建成了两套中试装置和一个以超滤膜为核心的示范工程，示范工程出水水质满足《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ　５７４９—２００６），

为县镇水厂新建或者老水厂升级

改造提供了技术支持。关键词　微污染水源　氨氮　有机物　曝气生物沸石滤池　生物粉末活性炭　超滤膜　水专项

１　拟解决的关键技术华东河网地区是典型的平原水网，区域内河道纵横交错，湖泊星罗棋布，污染物易积留在河道中难以排除。但是随着江浙地区城市化进程的加速和经济的高速发展，流域水污染也日趋严重，供水长期面临着水质型缺水的困扰，而且由于乡镇企业的迅速发展，流域水体污染范围已从原来的中心城镇及其附近河流扩展到几乎整个流域河网。华东一带县镇的饮用水大多就近取自当地的天然水体（地表水或地下水），由于县镇饮用水基础设施匮乏，饮用水处理水平落后，缺乏足够的备用水源，对于受污染的水源水，大多数县镇的饮用水处理工艺均难以满足《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ　５７４９—２００６）的出水要求。浙江省上虞市地处长江三角洲的南部，位于宁绍平原中部，曹娥江下游，地表水分属曹娥江、姚江两大水系，境内湖泊分布较广。目前上虞城区的主要供水水源为汤浦水库，但汤浦水库可供上虞中心城区的水量仅为４０万ｍ３／ｄ，根据上虞水域供水工程专项规划（２００８）的用水量预测，２０２０年上虞市生活饮用水水量将超过５０万ｍ３／ｄ，因此城市供水水源水量不足的矛盾将会非常突出。上源闸总干渠作为上虞市的备用水源，由于受上游新昌县、嵊州市污水的影响，水域为《地表水环境质量标准》（ＧＢ　３８３８—２００２）的Ⅲ类水体，水质微污染，其中ＣＯＤＭｎ平均值国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００８ＺＸ０７４２５－００７）。６．４２ｍｇ／Ｌ，氨氮在０．８５～２．１９ｍｇ／Ｌ变化，水体中铁、锰含量严重超标，属于华东河网地区较典型的微污染水源水质。由于微污染水源水的先进处理技术往往设备价格或制水成本高，一般县镇级的水厂难以承受，从而限制了其适用范围。因此，研究我国不同地区县镇在不同水源、规模和管理条件下饮用水安全保障技术，开发出适合于华东地区县镇规模的针对微污染水源水的经济实用、易于推广的饮用水安全保障技术，对于解决我国华东地区县镇微污染原水净化与饮用水安全保障具有重要意义。针对华东河网地区县镇微污染水源水质的特点以及二次供水中出现的问题，本课题开展了微污染水体修复和水源保护技术、生化集成除污染技术和膜组合工艺关键技术、安全输配和消毒技术等方面的研究。在相关的集成技术中，选择最佳组合工艺在浙江省上虞市建成给水综合示范工程，使出水水质中常规水质指标和特征污染物指标满足《生活饮用水卫生标准》，并且制水成本与相同规模的常规处理工艺相比运行成本提高不超过０．３元／ｍ３，

从而

为华东地区县镇饮用水安全保障提供技术支撑。２　

课题研究集成技术路线

课题以华东河网地区县镇安全饮用水保障为研究对象，结合县镇水厂的规模、管理条件和经济水平，依照水的输送流程，以组织建设示范工程为主线。在前期小试研究的基础上，分别进行了生物沸石—颗粒活性炭以及粉末活性炭—超滤膜两套组合１８　

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工艺的中试研究。课题主要研究内容包括微污染水体的水源水质特征污染物调查、水源保护及人工原位修复技术、基于生化作用的生物沸石—活性炭除污染组合工艺关键技术研究和以膜技术为主体的膜组合工艺关键技术、适合小流量停留时间长的供水系统的安全输配技术和二次供水安全技术等。并根据水源水质和当地条件，建成处理规模为３万ｍ３／ｄ的集絮凝—沉淀—吸附—氧化—膜分离为一体的给水示范工程，具体技术路线如图１所示。图１　技术路线３　关键性技术成果３．１　微污染水体的水源保护及人工原位修复关键技术研究了农村生活污水处理的方法，采用厌氧水解—高负荷生物滤池和蚯蚓生物滤池三级串联形式的生物生态处理工艺，考察了低成本的蚯蚓生物滤池同步工艺对农村生活污水的处理效果。系统脱氮阶段对ＣＯＤ的去除率保持在８０％～９０％，对氨氮的去除率随季节的变化温度逐渐上升而明显提高，在夏季高温阶段达到了９９．７％的去除率。试验在回流比Ｒ＝２的工况条件下，所取得的总氮去除率为７２．８％，达到了国家总氮排放标准，出水低于２０ｍｇ／Ｌ，同时系统处于稳定运行状态，能保证长期稳定的脱氮效果。由于系统不向外界排放污泥，整个系统对磷的去除效果不理想，需要在蚯蚓生物滤池出水之后进行化学除磷。采用土地强化处理工艺对微污染水体进行人工原位修复，对微污染河道水体感官指标的处理效果较好。系统的水力负荷低于１．５ｍ３／（ｍ２·ｄ）时，对浊度去除率一般可达到８０％～９０％

，出水浊度基本

稳定在１ＮＴＵ以下；对浊度和藻类的去除效率较高，因此对色度的去除效果很明显，去除率一般可达到６０％～９０％，出水色度基本稳定在１０度以下。当进水中ＣＯＤ、ＢＯＤ

５

、氨氮、总磷为《地表水环境质

量标准》中的Ⅴ类标准时，经过此系统后，各自出水水质指标能达到Ⅳ类标准；出水ＴＮ浓度为Ⅳ类标准的达标率约为４０％

，因此，此工艺对ＴＮ的去除

有一定的局限性。当水力负荷≤１．０ｍ３／（ｍ２·ｄ

）时，

系统对叶绿素ａ的去除率可达８６％～９８％

，出水叶绿

素ａ浓度为０．２１～４．４９ｍｇ

／ｍ３，低于经济合作与发展

组织（ＯＥＣＤ）所提出的湖泊发生富营养化的最低标准。

３．２　

县镇微污染原水实用处理技术研究

３．２．１　

混凝沉淀—曝气生物沸石滤池—颗粒活性

炭滤池组合工艺针对上源闸总干渠微污染原水浊度偏高、氨氮浓度波动范围大和有机物超标的水质特点，采取混凝沉淀—曝气生物沸石滤池—颗粒活性炭滤池的组合工艺进行中试研究，其中曝气生物沸石滤池中的沸石既作为离子交换剂吸附水中的氨氮，同时又作为硝化菌生物膜载体，为微生物提供生长介质，活性炭作为常见的水处理吸附剂，可以弥补生物沸石滤池对有机物去除作用有限的缺点。生物沸石在水温２５℃左右、气水比１∶２、滤速２．５ｍ／ｈ下运行２０ｄ即挂膜成功，氨氮的硝酸盐转化率稳定在６０％左右，挂膜后出水亚硝酸盐和氨氮浓度均较低。启动运行２０ｄ后，组合工艺在５ｍ／ｈ的滤速下对浊度、氨氮、ＵＶ２５４、ＣＯＤＭｎ、锰的去除率分别达９９％、

８５％、７０％、７５％和８５％，出水水质良好，浊度、氨

氮、ＣＯＤＭｎ、锰可分别稳定在０．５ＮＴＵ、０．１ｍｇ／Ｌ、

１．５ｍｇ／Ｌ、０．０６ｍｇ／Ｌ以下，低于《生活饮用水卫生标准》（ＧＢ　５７４９—２００６）限值。

另外在水温低于

８℃，进水氨氮超过４ｍｇ／Ｌ的集中负荷冲击下，组合工艺对ＵＶ２５４、ＣＯＤＭｎ的去除率略有下降，分别为５５％和６５％，出水浊度、ＣＯＤＭｎ

可分别稳定在

０．３ＮＴＵ、２ｍｇ／Ｌ以下。综合考虑出水水质稳定性和经济效益，研究得出组合工艺最佳水力负荷宜控制在５ｍ３／（ｍ２·ｈ

）。组合工艺中试采用的混凝沉

淀—曝气生物沸石滤池—颗粒活性炭滤池的生化组合形式，在运行稳定后，各流程发挥其相应优势，在给水排水　Ｖｏｌ．３９　Ｎｏ．１２　２０１３

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生物沸石滤池和颗粒活性炭滤池的生化协同作用下，对氨氮、有机物、锰、总磷等指标有较好的处理效果，抗水质水力负荷变化能力较好，运行连续，出水水质稳定，能够实际应用于小型规模的微污染水源水处理。３．２．２　

混凝沉淀—生物粉末活性炭—超滤膜组合

工艺超滤膜对于浊度以及微生物有着极佳的截留能力，粉末活性炭则可以吸附有机物并作为生物作用的载体，研究在前期小试的基础上，将生物粉末活性炭与超滤膜结合，形成集生物降解、活性炭吸附以及膜分离于一体的组合净水技术，具有高效、节省空间、管理方便等特点。课题进行了工艺的中试，先后对ＰＶＤＦ＋ＰＥＴ平板膜和ＰＶＣ合金中空纤维膜的适应性进行了考察，研究确定了最佳活性炭投加量以及工艺运行的参数。试验分别考察了粉末活性炭投加１ｇ／Ｌ、２ｇ／Ｌ、３ｇ／Ｌ时的运行工况，结合几种工况下对有机物、氨氮的去除率以及膜污染情况，确定ＰＡＣ投加２ｇ／Ｌ时为最佳。试验还对比了投加２ｇ／Ｌ粉末活性炭（ＰＡＣ—ＵＦ）和不投加粉末活性

炭两种工况，发现两者对浊度的去除率均在９９％以上，稳定运行期间均能满足出水ＣＯＤＭｎ低于３ｍｇ

／Ｌ

的要求，对氨氮的去除如图２所示，生物培养成熟后氨氮去除率接近甚至高于９０％

，氨氮远低于

０．５

ｍｇ／Ｌ的标准限值。由于ＰＡＣ—ＵＦ混合液内含有数量较多、活性较强的微生物群落，且粉末活性炭形成吸附和桥连作用，因此对ＣＯＤ

Ｍｎ

、氨氮去除率也

较高，且更加稳定。ＰＡＣ—ＵＦ中的粉末活性炭减轻了膜表面密实度，能够减缓膜通量的降低速率。通过小试对比了膜与生物粉末活性炭在一体式和分段式两种组合形式下的运行效果，分段式能够延长水力停留时间，出水稳定性较高，抗冲击能力强，膜污染速率低于一体式，膜池水感官效果较好，据此确定示范工程采用分段式的组合工艺。３．３　

饮用水安全输配及二次供水水质安全技术

分别取实验室小试出水、中试出水和示范工程出水进行氯消毒以及组合消毒试验，研究发现游离氯和二氧化氯／氯胺消毒效果最持久，４８ｈ后仍能保证游离性余氯＞０．５ｍｇ／Ｌ

，二氧化氯／氯胺的消

毒效果衰减速率小于游离氯消毒方式，总氯基本保

图２　ＰＡＣ—ＵＦ和ＵＦ对氨氮的去除效果持稳定，在液氯、氯胺、氯转氯胺以及二氧化氯／氯胺四种消毒方式中，不同进水氨氮浓度水样加氯量都不应少于３ｍｇ

／Ｌ，且二氧化氯／氯胺联合工艺消毒

的稳定性最好。为保证管网中的余氯量同时达到良好的消毒效果，可采用游离氯消毒１５ｍｉｎ后转氯胺消毒，二氧化氯／氯胺按１．０ｍｇ／Ｌ与１．５ｍｇ／Ｌ配比联合消毒，１０ｍｉｎ后达到１００％灭菌率，管网中保证必要余氯量的持续时间超过４８ｈ

。通过比较，得

出二氧化氯／氯胺消毒消毒效果稳定，消毒持续性好，在经济性以及生产安全性上好于直接采用游离氯消毒。针对以上虞为代表的县镇区域供水输配系统的常见问题及二次供水现状，就政策、管理及技术方面提出了具体解决措施及建议。内容涵盖供水安全输配管理、供水水质安全管理、输配水系统清洗维护三大方面。提出的具体措施包括输配管网的优化与维护、明确二次供水中的管理制度和责任分配、二次供水设施的定期消毒与设施改造、采用先进的管道清洗技术等，并在上虞就改善供水管网水质进行了相关实践。首先对上虞地区的管网制定了近期和远期改造计划，近期根据现状水力数据和计算所得的数据比较，对管径偏大、漏损严重的管段进行了改造，并对重点区域管段进行延伸联通，形成环状供水管网，保证了供水管道运行安全和供水水质安全；远期进一步理顺经济开发区的供水管网，根据远期规划及时安排管道改造和建设。管道冲洗方面，共设立了１６７个管道冲洗点，定期进行管道冲洗，在全面冲洗的基础上，有选择地突出冲洗重点，注重用户水质反映较为集中的管网末梢和管网老化片区的冲洗排放。从冲洗水质情况来看，绝大部分取样检测的浊度、臭和味、肉眼可见物、色度、ｐＨ、余氯、