陸坤明 張金松
(深圳市自來水(集團)有限公司，深圳518031)

　　摘　要；本文針對深圳水庫水源的微污染水質特性，根據深圳市自來水(集團)有限公司2010年水質規劃目標，在總結常規處理工藝凈化受污染原水的局限的基礎上，綜合比較了常規工藝強化、預處理和深度處理對深圳特定原水的適用性，通過包含這些流程的工藝技術集成中試，最終確定常規處理+臭氧化生物活性炭深度凈化，是在深圳原水條件下凈水工藝的合理選擇，是實現深圳城市供水水質與國際接軌的可靠保證。
　　關鍵詞：水源微污染：常規工藝強化；預處理：深度處理：臭氧化生物活性炭

Practical Determination of Water Treatment Process Alternatives
LU Kun-ming, ZHANG Jin-song
(Shenzhen Water Supply (Group) Co. Ltd., Shenzhen 518031, China)

　　Abstract: On base of understanding of the polluted source water quality characteristics from ShenzhenReservoir, the defects of conventional treatment process were discassed according to the water quality goals in Shenzhen Water Supply Group' s 2010 Planning. A comprehensive comparison was made between conventional treatment enhancement, pre treatment and advanced treatment for their applicability to speci fic raw water in Shenzhen The resul ts from tile pilot-scale experiment comprising of these processes showed that advanced purification by ozone/BAC after conventional treatment was the practical alternative under the raw water in Shenzhen, which could guarantee thc supplied water quality attaining to the quality standard in those developed countries.
　　Keywords: source water polluted; conventional treatment enhancement; pre-treatment: advanced treatment;ozone/BAC

　　深圳經濟特區成立二十年來，社會經濟和城市建設飛速發展，人口急劇增加，已由一個邊陲自然小鎮建設成為初具規模的現代化城市。深圳市自來水(集團)公司現有五座水廠，總供水能力為167萬m³／日，比特區初期增長334倍［1]，2000年最高日供水量達138萬m³，滿足了城市經濟和居民生活的需要。
　　由東江補給的深圳水庫是深圳特區的主要水源。在八十年代初中期，深圳水庫水質穩定良好，濁度低，不受污染。當時中國的生活飲用水衛生標準正值提高發展階段，由七十年代中的水質標準23項提高到八十年代中的35項。深圳特區初期水廠建設均采用了微絮凝直接過濾工藝，滿足了當時的水質要求和城市發展的需求。九十年代初期，中國特別是廣東珠江三角洲經濟的高速發展，城市化進程加快，水環境日趨污染，供香港和深圳原水的深圳水庫水質污染日益加重，低濁、高藻富營養化和有機污染，已成為深圳水庫的特征。九十年代開始，深圳特區水廠改造和新建，采用了混凝沉淀、過濾和消毒的常規工藝，在改進技術和嚴格管理之下，自來水水質不僅完全達到中國飲用水標準，而且達到了建設部對一類水司88項水質的要求。
　　進入新世紀，深圳特區將在“十五”期間率先建成現代化示范市，人均GDP將由目前4300美元提高到2005年7600美元，深圳將建成現代化國際城市。城市自來水水質將按國際城市水質標準為目標，將大力改善和提高目前水質。

1 深圳水源水質和凈水工藝現狀

1.1 水源水質
　　然而，具有微污染水源特征的原水是我們進一步提高水質的嚴重障礙，也對常規凈水工藝構成了嚴峻挑戰。
　　以深圳水庫為主的深圳供水水源中，于90年代中期，由GC／Ms檢測出有機物總數達20-30種，其中鄰苯二甲酸二異辛脂、二十一烷、十二烷、1—氯基十八烷、萘、磷酸三丁脂等等為有毒有害物質[2]。分析表明，污染仍在發展。根據公司化驗中心的最新檢驗結果，有機物的總數已達80余種， 其中對二氯苯等有毒有害物質的數量也明顯增多。1996年至1999年連續4年對深圳、鐵崗和西麗水庫藻類定性檢測，發現藻類有5—7個門，共計90個屬，162—206個種；深圳水庫中藻細胞密度常年維持在10⁶-10⁷個／升，最高達10⁹個／升，并發現微囊藻、魚腥藻和顫藻等有毒藻種。通過酶聯免疫法和高壓液相色譜法的檢測，均檢出藻毒素，其中微囊藻毒素在10^-2～10^-1μg/L范圍內。
　　為改善水源水質，粵港供水公司(原東深供水局)在深圳水庫入庫端興建了原水生物硝化工程，1999年工程投產使用。1999年原水水質與1998、1997年進行對比(見表1)、總磷、BOD5、凱氏氮等指標都有所降低，尤其氨氮指標降低接近70%。但是，盡管原水水質有所改善，而許多指標值仍處于較高水平，如總磷1999年全年平均為0.068mg/L，較地面水環境質量標準(GB3838—88)Ⅱ類水標準值0.025mg/L高出很多；氨氮也高出近50％；藻類不但沒有下降、反而上升：氨氮下降的同時帶來亞硝酸鹽氮的急劇上升，升幅超過200％。2000年東深供水系統上游來水水質繼續下降，進入東深生物硝化工程的原水氨氮最高達5.53mg/L，平均為4.75mg/L。進入深圳水庫氨氮最高達4.34mg/L，平均為0.55mg/L。總之，深圳水庫水仍經常出現臭和味、氨氮、亞硝酸鹽氮偏高，藻類含量處于較高水平，Ames試驗呈陽性，水質具有生物不穩定性。

表1 深圳水庫水源水質變化 原水 濁度（NTU） PH值 氨氮（mg/L） 亞硝酸鹽氮（mg/L) 溶解氧（mg/L） 97 7.96 6.9 1.37 0.26 6.46 98 10.0 7.1 2.24 0.194 6.44 99 10.0 6.89 0.78 0.581 6.87 原水 總磷（mg/L) BOD₅(mg/L) 礦物油（mg/L） 凱氏氮（mg/L) CODMn（mg/L) 藻類（個/L） 97 0.0321 3.802 0.109 1.309 3.51 2.01×10⁷ 98 0.098 6.04 0.131 2.108 2.108 2.27×10⁷ 99 0.063 4.2 0.11 0.59 3.45 2.63×10⁷

1.2 現有常規凈水工藝的局限
　　深水集團五座水廠的常規工藝面臨上述水源水質，制水生產遇到難以克服的困難，常規工藝的不足主要表現在以下幾方面：
　　●氨氮、亞硝酸鹽氮的去除率低。凈水工藝過程和供水系統中，氨氮硝化過程復雜；硝化不徹底，原水氨氮在水廠和供水系統中的硝化反應和轉化過程難以形成最終產物硝酸鹽，使得供水水體中氫氮、亞硝酸鹽氮含量時有偏高。例如，2000年元月氨氮最高值達到4.3mg/L，2000年3月亞硝酸鹽氮最高值達到2.81ug/L。
　　 ● 色、嗅、味偶有異常。春夏之季，由于氣候急變和水源變更等原因，原水中微生物和藻類繁殖，水體溶解氧波動，因常規凈水工藝除藻、除溶解性有機物能力有限，致使供水水質偶有異昧，口感欠佳。
　　● Ames試驗呈陽性。1996年公司即開展對水的Ames試驗研究，經研究發現，原水Ames試驗呈陽性多。受污染的深圳水庫原水，通過“預氯化一傳統處理”工藝，不但不能有效降低水的致突變活性，反而由于氯化工藝產生的消毒副產物，使其致突變活性增強，使水廠出廠水的Ames試驗呈陽性。
　　● 88項水質檢測結果表明，盡管(出廠水)符合合格率要求，但氨氮、個別農藥、礦物油等在原水含量偏高時，出廠水將超標，應該看到水質具有潛在的不安全因素。
　　● 常規干藝后的出廠‘水中生物可同化有機炭(AOC)含量高，具有生物不穩定性。

2　 水質目標和凈水工藝選擇

2.1　新的水質目標
　　根據建設部《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》要求，參照《美國飲用水水質標準》及《世界衛生組織飲用水水質準則》依據深圳特區社會發展和城市建設的需要，制訂了深水集團企業供水水質規劃目標：到2010年實現深圳城市供水水質與國際接軌，各項水質達到世界發達國家的水質標準，提出了以提高凈水工藝為主的改善和提高水質的策略，將使自來水達到直接飲用。
　　對水質的基本要求是：
　　1)不得含有病原微生物，嚴格控制微生物，確保應用水的衛生和安全性；
　　2)水中有毒有害物嚴格控制其閾值，不得對人體健康產生危害；
　　3)水的感官性狀良好。
　　為達到以上要求，至2010年前供水水質檢測各類物質共100項^[3]，其中比較關鍵的指標見表2：除上述項目外，對評價水質具有參考意義的項目，如Ames試驗、254nm紫外吸收、DOC、AOC、BDOC等也列為定期檢測項目。
2.2 凈水工藝的選擇
　　● 原水預處理與常規工藝強化
　　為進一步改善飲用水水質，各種飲用水處理技術得到日益廣泛的研究和應用。國內外處理微污染水源水的方法一般采用：常規工藝強化、預處理、深度處理等幾大類。
　　常規工藝強化即通過凈水構筑物結構形式改造、運行參數調整及混凝劑、助凝劑等的優化等措施強化常規掙水處理微污染原水的能力。美國“強化混凝”的作法是，通過降低原水pH值和增大混凝劑投量方式，提高混凝除濁除有機物能力^[4]，但該方法有其弱點[5]：1、對溶解性有機物、CODMn去除能力提高有限，對氨氮、礦物油等的去除沒有促進作用；2、降低原水pH值，造成出廠水pH值過低，需要投加堿性調節劑保證供水管道不受腐蝕；3、更重要的是，針對美國的原水特性提出的降低反應體系pH值和增大混凝劑投量的方式，并不一定對所有原水水質都奏效。可見，常規工藝強化處理微污染原水改善效果有限，不是徹底解決常規掙水工藝處理微污染原水面臨問題的最終途徑。

表2 深水集團水質規劃目標主要項目和指標值 項目 指標值 色
濁度
嗅和味
CODMn
氯仿
總三鹵甲烷
溴酸鹽
農藥（總）
總磷
藻毒素
細菌總數（℃）
總大腸桿菌群
賈第氏蟲
隱孢子蟲
病原（腸道致病性病毒） 10度
＜0.5NTU
不得有異臭、異味
3mg/L
50μg/L
80μg/L
25μg/L
5μg/L
0.025μg/L
1μg/L
50CFU/mL
0 CFU/33mL
不得檢出
不得檢出
不得檢出

　　原水預處理主要有生物預處理、高錳酸鉀預氧化、粉末活性炭吸附、微濾機除藻等技術。生物預處理主要解決原水過高氨氮，可減輕后續常規凈水工藝有機物負荷，使出水Ames試驗陽性減弱^[5]，但也存在構筑物占地太大、亞硝酸鹽升高等問題；對于粉末活性炭吸附、高錳酸鉀預氧化雖能減輕常規工藝凈水的有機物負荷、改善混凝效果，但各地的研究結果和實踐經驗表明，這些措施并不能從根本上保證常規凈水處理微污染原水水質有徹底的改善，而新興微濾機除藻技術亦僅減輕原水的藻含量，對去除大量溶解性有機物無能為力^[6]。
● 深度處理
　　針對微污染原水，目前的趨勢是在常規工藝強化基礎上，增加深度處理，從根本上提高凈水水質。目前國際上進行飲用水深度處理的形式常見的有：顆粒活性炭吸附、臭氧一生物活性炭(O₃--BAC)、膜過濾、活性炭-硅藻土過濾、深度氧化技術(AOP)等等。其中，活性炭-硅藻土過濾、深度氧化技術如O₃／UV、O₃／H₂O₂、H₂O₂／uv等僅處于試驗階段^[7]。應用較為普遍的為顆粒活性炭吸附、臭氧-生物活性炭技術，膜過濾法處理飲用水也漸興起。 膜過濾按膜孔眼大小分為微濾、超濾、納濾、反滲透四種類型，其最大優點是處理的水質不再依據原水水質，而是依據選用截面膜微孔的尺寸。目前國內尚無利用膜技術制備飲用水的城市水廠，國外則已有上百座，最大規模達34萬噸／日^[8]。然而，膜污染是膜應用中的主要制約因素，它既能引起膜通量下降，也能影響處理效果。由于膜污染是一個物理、化學、生物因素交互作用的復雜過程，極難控制^[9]。此外，膜與污染物本身的相互作用、膜劉特定化合物的去除，以及膜殘留物的毒性還有待進一步研究⁹。這些使我們不得不對采用膜處理技術持謹慎態度。
　　活性炭與臭氧接觸氧化相結合的方式，即“預O₃+常規工藝+O₃——BAC(生物活性炭)”工藝，不僅可以利用臭氧預先氧化有機污染物，促進絮凝反應和活性炭吸附，而且利用活性炭上微生物降解有機物，大大降低了殘余有機物，減少了消毒副產物產生的機率。通過主臭氧，將經混凝沉淀、砂濾后仍存在于水中的部分有機物氧化，生成可被微生物吸收利用的物質，并且臭氧生成氧氣增加水中溶解氧，促進了活性炭上的微生物生物活性，加快了對有機物的吸收分解速率。國外目前使用該方法進行飲用水深度處理較為普遍，國內也進行了較多研究，是理論和經驗都較成熟、較為適宜的深度處理工藝形式^[11]。

3 凈水工藝選擇的依據

　　原水通過整套水處理過程，達到按2.1擬訂的水質目標，這是凈水工藝的根本目的。為尋求合理經濟和有效的凈水工藝，多年來做了很多具有創新和探索的工作。
3.1　以水質檢測為主的試驗研究
　　a.藻類和微囊藻毒素的檢測和研究；
　　b.Ames試驗研究；
　　c.通過GC／MS測定和超濾膜水質分子量劃分，對水質初步從宏觀(綜合性指標)認識轉向微觀認識；
　　d.對隱性孢子蟲(Cryptosporidiun)和賈第氏蟲(Giardia)的檢測試驗。
3.2　以工藝為主的技術試驗研究
　　a.受污染水庫水凈水技術工藝集成技術研究；
　　b.生物活性炭濾池的工藝特征試驗研究
　　 上述一系列的檢測和試驗研究，前后共花費5年時間，積累和綜合了大量基礎資料，主要結果結論：
　　(1)原水呈現富營養化，常年多藻，偶發高藻，己檢出到藻毒素存在，主要為微囊藻毒素；
　　(2)Ames試驗呈陽性率高，AOC值偏高，具有生物不穩定性；
　　(３)GC/MC測試和分子量劃分表明，有機物定性分析有數量卜升趨勢，品種逐年增多，其中有毒有害的有機物分子量以500以下小分子為主；
　　(4)以生物預處理、常規工藝和臭氧一活性炭濾池為基礎，進行8種組合集成的工藝研究。(見圖1)

　　研究發現，濁度的去除主要是依靠常規處理工藝：氨氮的硝化需要依靠生物的降解作用；含有GAC(顆粒活性炭)和BAC濾池的工藝流程對嗅、味和有機物的去除效果要明顯優于其它工藝；含有深度處理、生物預處理及臭氧預氧化的工藝對色度去除效果比較令人滿意；常規處理工藝出水的致突變活性最強，含有GAC和O₃——BAC濾池工藝出水的致突變活性最低。就八紐集成試驗結果表明，在出水濁度、氨氮、亞硝酸鹽、高錳酸鹽指數、TON、錳、色度和藻類等指標中，生物預處理+常規工藝+O₃——BAC組合對-上述水質指標綜合效果最好，出水沒有超標項目^[12]。
　　根據以上研究成果，對于具備一定經濟承受能力的深圳，而且，在深圳水庫進庫原水已有400萬m³／日生物預處理工程的條件下為實現2010年的水質目標，大幅度提高供水水質，"常規處理十深度處理"下藝是今后水處理技術的首選工藝。今后各水廠在改擴建的同時要全面增加深度處理工藝，即在現有常規工藝基礎-亡，增加"預臭氧化"和"臭氧一生物活性炭"，新建水廠則要求常規處理工藝與深度處理工藝一次到位。
　　生物活性炭濾池的工藝特征試驗研究，探討和分析了炭床高度和空床接觸時間對生物活性炭濾池凈水效果的關系，提出了生物活性炭濾池的相關工藝參數。在深圳現有水源的條件下，若出水水質的COD達到1mg／L，試驗建議生物活性炭池的炭床高度為2.0米，空床接觸時間不宜低于12分鐘^[12]：空床接觸時間是濾池效果的決定性因素^[13]。
　　凈水技術已具有100多年的歷史，近20年隨著水質檢測能力和技術的提高，促進了凈水技術的發展和提高。上述一系列水質檢測和試驗研究結果與已有的科研成果和技術原則基本是一致的，達到了技術驗證和提供工藝決策的目的。在2.1水質目標微生物項目中，對病毒、隱性孢子蟲和賈第氏蟲的要求，根據現有的技術成果和水廠實例，唯有采用投加臭氧，在保證一定的CT值之下，才能有效滅活。綜合以卜試驗成果和分析，提出達到2.1水質日標的凈水工藝如圖2所示。

　　3由于深圳水庫進庫存原水已經經過生物預處理（400萬噸/日），而且發揮了效能，結合試驗研究，通過技術論證，經濟測算和投入效益分析，深水集團在改善和提高自來水水質的規劃和實施中，將在近年內多個水廠擴建和新建中采用臭氧技術和活性炭過濾工藝。其中60萬m³／日的梅林水廠已完成并審查通過了預臭氧化和O₃+BAC工藝的初步設計。其投資概算折合為220元／m³，經營成本為0.17元／m³。

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　　 作者簡介：陸坤明(1938—)，男，江蘇蘇州人，深圳市自來水(集團)有限公司副總經理、總工程師，高級工程師。現任中國土木工程學會水工業分會理事，中國城鎮供水協會科技委員會副主任，深圳市規劃委員會委員，主要從事供水工程技術與科研管理。