張炯

（北京市市政工程設(shè)計

研究總院有限公司）
 

0 前言

南水北調(diào)中線工程的實施，對于解決北京市的水資源短缺、提高供水保證率、改善水環(huán)境以及保證經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。2008年，南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急水源供水工程實現(xiàn)了從河北省崗南、王快、西大洋、黃壁莊4座水庫調(diào)水入京，本著“多水源互相補充，地表水地下水聯(lián)調(diào)，充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)施能力，設(shè)施挖潛改造與設(shè)施新建相結(jié)合”的供水設(shè)施建設(shè)原則，北京市自來水集團公司提出了南水北調(diào)配套工程建設(shè)目標，實施了對第九水廠、第三水廠、田村山水廠3座水廠的改造，同時建設(shè)團城湖至第九水廠輸水管線。隨著工程的完工，北京市中心城自來水廠供水能力增加64萬m³/d，進一步提高了北京市的供水保障能力。

由于3座水廠建設(shè)初期水源水質(zhì)、工藝技術(shù)條件不同，采用的處理工藝也有差別，改造過程充分利用了現(xiàn)有設(shè)施，因此，改造完成后亦形成了不同的處理工藝。作為南水北調(diào)配套水廠，對各水廠進出水水質(zhì)及各處理單元的實際運行效果進行分析，考察不同處理工藝在不同水源水質(zhì)條件下的適應(yīng)性，具有重要意義。

1 水源條件

北京市南水北調(diào)配套工程北京市區(qū)內(nèi)水廠主要的地表水水源有：丹江口水庫、河北四庫、密云水庫。

1.1南水北調(diào)丹江口水庫水源

根據(jù)對丹江口水庫水質(zhì)調(diào)查結(jié)果的分析，丹江口水庫水質(zhì)具有以下特點：原水水質(zhì)大多數(shù)指標符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅱ類標準，但部分時期總氮指標為V類標準，陶岔水庫BOD₅、CODMn超出Ⅲ類標準。有機物含量較低，基本達到Ⅱ類水體標準。南水北調(diào)中線工程對供水水質(zhì)的承諾為Ⅱ類，但原水經(jīng)過約1200km明渠及北京段長度約80km暗涵長距離輸送到團城湖，途徑700多座村莊和橫跨各種大小橋梁，有可能遭到污染，甚至是突發(fā)性水污染，水質(zhì)情況具有很大不確定性。主要問題有：原水長距離輸送可能引起水質(zhì)變化，有機物綜合指標存在上升的可能性，水處理工藝需要提供足夠的水質(zhì)安全余量；應(yīng)充分做好原水濁度增高的準備；需要重視藻類的去除；原水經(jīng)長距離輸水后總氮升高及有機氮向無機氮轉(zhuǎn)化是水處理工藝面臨的潛在問題；長距離明渠輸水可能出現(xiàn)水體污染或突發(fā)事故，包括有毒有害合成有機物的污染、致病微生物的侵入等，應(yīng)有應(yīng)急措施；水源切換后可能引起配水管網(wǎng)化學(xué)穩(wěn)定性的破壞，凈水工藝中需考慮相關(guān)水質(zhì)調(diào)節(jié)措施。

1.2河北四大水庫水源

河北省四大水庫，分別為黃壁莊水庫、崗南水庫、王快水庫和西大洋水庫，位于石家莊以北，為南水北調(diào)京石段供水水源之一，距北京約300km，每年可調(diào)水量3億～4億m³，合80萬～90萬m³/d。在南水北調(diào)干渠檢修或枯水期時，引用河北省四大水庫來水，也將是可選方案之一。

河北四大水庫原水有機物含量較低。溶解氧、氨氮、生化需氧量大部分指標符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838－2002）Ⅰ類標準；總氮污染比較嚴重，平均值為2.5mg/L，總氮超出Ⅴ類標準（總氮指標Ⅴ類：2.0mg/L）；化學(xué)需氧量最高19.5mg/L，高錳酸鉀指數(shù)最高4.88mg/L，均超出Ⅱ類標準。藻類高時接近270萬個/L量級，存在一定的富營養(yǎng)化問題。

1.3密云水庫水源

密云水庫水質(zhì)絕大多數(shù)指標如氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、硫酸鹽、氯化物、鐵、砷、汞、揮發(fā)酚、氰化物、鉻、CODCr、BOD5，均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）Ⅰ類水域標準；CODMn、總磷指標達Ⅰ～Ⅱ類；溶解氧一般大于7.5mg/L，飽和度大于75%，達Ⅰ～Ⅱ類標準。其水質(zhì)檢測指標符合《地面水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中的Ⅱ類水域相關(guān)指標。但由于近幾年的水位持續(xù)下降，導(dǎo)致藻類濃度和不易沉淀的懸浮物增加，根據(jù)第九水廠原水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，1998年藻類最大濃度為210.0萬個/L、平均濃度為68.2萬個/L，到2003年藻類最大濃度增加到814.0萬個/L、平均濃度增加到401.2萬個/L，近年高藻期藻的含量達到1000萬個/L以上。

綜上所述，上述3個水源水質(zhì)特征為：冬季低溫低濁；夏季可能出現(xiàn)較高藻類、有機物、色臭味；主要控制指標為濁度、藻類、臭味、微生物、消毒副產(chǎn)物、有機物，同時考慮管網(wǎng)的生物穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。潛在風(fēng)險包括長距離輸水，微量有機物污染、微生物遷移的風(fēng)險；突發(fā)性原水污染的可能；水源切換為河北四庫水時的低堿度、高硫酸鹽問題。

2 出水水質(zhì)目標

2006年，衛(wèi)生部正式頒布了國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006），新國標總檢測項目達到了106項，增加了對有機污染物和農(nóng)藥的檢測項目、對消毒副產(chǎn)物的檢測項目和對原蟲類病毒體的檢測項目，并對濁度、耗氧量和糞大腸菌群等關(guān)鍵指標值有了更嚴格的要求。此外，《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠景目標》對于未來水質(zhì)標準提出了更高的要求，北京市南水北調(diào)配套水廠出水水質(zhì)按一級目標執(zhí)行，即出廠水濁度≤0.3NTU，耗氧量≤2mg/L，賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲均＜1個/L。這些標準都對凈水工藝控制微污染有機物、微生物的能力提出了更為嚴格的要求，在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上增加預(yù)處理和深度處理工藝顯得更為必要。

3 水廠工藝改造概況

3.1第九水廠

北京市第九水廠從1987年開始分三期建設(shè)，2002年基本完成建設(shè)任務(wù)，總處理規(guī)模為150萬m³/d。第九水廠通過密云水庫山底隧洞重力流取水，并在取水口設(shè)有氯、高錳酸鉀和粉末活性炭等投加設(shè)施。水庫原水經(jīng)過近75km的密閉管道重力流進水廠，經(jīng)過混凝、沉淀、過濾及顆�；钚蕴课�附后進入清水池。水廠一期工藝為：機械攪拌澄清池—煤砂雙層虹吸濾池—活性炭吸附池，設(shè)計處理能力為50萬m³/d；二、三期原設(shè)計工藝為機械攪拌混合池—波形板絮凝池—側(cè)向流波形板沉淀池—無煙煤氣水反沖濾池—活性炭吸附池，設(shè)計處理能力各為50萬m³/d；其中二期絮凝沉淀部分在2005年和2007年分兩次改為Actiflo微砂沉淀池工藝，水處理能力由50萬m³/d提高到66萬m3/d，水廠總處理規(guī)模增加到166萬m3/d。水廠各期工藝參數(shù)見表1。

3.2第三水廠
 

北京市第三水廠總設(shè)計規(guī)模為40萬m3/d。水廠新建地表水工藝規(guī)模為15萬m3/d，改造原有地下水工藝規(guī)模25萬m3/d。新建地表水采用的工藝流程為：預(yù)臭氧接觸池—高密度沉淀池—V型濾池—臭氧接觸池—生物活性炭吸附池—清水池。主要工藝參數(shù)：預(yù)氧化采用預(yù)氯化和預(yù)臭氧兩種方式，預(yù)氯化采用次氯酸鈉溶液，商品純度10%，投加量為5～15mg/L；預(yù)臭氧采用水射器投加，投加量為1.0～1.5 mg/L；高密度澄清池分為4個系列，上升流速為4.16mm/s，鋁鹽投加量30～40mg/L，PAM投加量0.1mg/L；V型濾池分為6格，設(shè)計濾速為7.95m/h，濾料采用單層均質(zhì)石英砂濾料，d10=1.0 mm，K80≤1.2，厚度1.2m；臭氧接觸池三段布氣，布氣量比為2∶1∶1，接觸時間15.8min，投加量1～2.5 mg/L；活性炭吸附池分為6格，接觸時間為12min，設(shè)計空床濾速9.84 m/h，濾料為顆粒狀活性炭，d=15mm，h=2.0～3.0mm，炭濾層厚度2.0m。

3.3田村山水廠

田村山水廠總處理能力為34萬m³/d，由原有工藝和新建工藝組成。田村山水廠原有工藝設(shè)計規(guī)模為17萬m³/d，建成于1985年，原水取自團城湖，進入團城湖的水主要來自密云水庫和懷柔水庫。設(shè)計工藝流程為：團城湖取水泵站—混合井—機械攪拌澄清池—虹吸濾池—臭氧接觸池—生物活性炭吸附池—清水池。主要工藝參數(shù)：混凝劑采用三氯化鐵（商品38％），投加量平均為17mg/L；機械攪拌澄清池4座，上升流速為1.37mm/s；虹吸濾池4組，濾速為7.5m/h；臭氧接觸池4組，臭氧投加量為0.1mg/L，接觸時間為10min；生物活性炭吸附池4組，接觸時間9min，炭層厚度1.5m。

田村山水廠新建工藝是在利用燕化田村水廠常規(guī)工藝基礎(chǔ)上建成的。燕化田村水廠總設(shè)計規(guī)模為34萬m³/d，是專為燕山石化總廠供水的工業(yè)用水水廠，2004年后燕化總廠用水由張坊應(yīng)急供水工程供給，燕化田村水廠開始處于熱備用狀態(tài)。改造工程中對燕化田村水廠和田村山水廠進行了改擴建，恢復(fù)燕化田村水廠17萬m³/d的常規(guī)處理能力，并在田村山水廠擴建了17萬m³/d規(guī)模的深度處理工藝，通過兩座水廠的整合，形成17萬m³/d的常規(guī)+深度處理工藝。燕化田村水廠處理工藝為：隔板絮凝池—同向流斜板沉淀池—虹吸濾池—清水池，主要工藝參數(shù)：隔板絮凝池4組，混凝劑采用聚氯化鋁，投加量平均為11mg/L，停留時間20min；同向流斜板沉淀池4組，表面負荷50m³/（m²·h）；虹吸濾池4組，設(shè)計濾速12m/h。田村山水廠新建工藝包括V型濾池、臭氧接觸池、生物活性炭吸附池等，主要工藝參數(shù)：混合井投加聚氯化鋁進行微絮凝，投加量平均為15mg/L；V型濾池8格，濾速8.44m/h，濾料為無煙煤，濾層厚度1.5m；臭氧接觸池臭氧投加量為0.1mg/L，接觸時間12min；生物活性炭吸附池8格，接觸時間12min，流速10m/h，炭層厚度2m。

4 運行效果分析

各水廠處理單元進出水水質(zhì)及凈化效果如表2所示。

4.1澄清工藝分析

北京市目前使用的澄清工藝包括機械攪拌澄清池、Actiflo微砂沉淀池、高密度沉淀池等。根據(jù)上述3座水廠的實際運行情況，在進水濁度較低（≤5NTU）時，各澄清工藝出水濁度都在1.5NTU以下，其中以機械攪拌澄清池的濁度去除率最高，接近70%，高密度沉淀池次之，為60%左右，Actiflo微砂沉淀池對濁度的去除效果相對較差，為45%。從有機物的去除效率來看，在進水COD_Mn小于3mg/L的條件下，采取預(yù)氧化的高密度沉淀池工藝對CODMn的去除效果最好，去除率達60%，機械攪拌澄清池對COD_Mn的去除率為30%～44.4%，Actiflo微砂沉淀池較低，為20%。

實際運行結(jié)果表明，機械攪拌澄清池在各項出水水質(zhì)方面都具有較好的處理效果，Actiflo微砂沉淀池和高密度沉淀池處理負荷相對較高，絮凝時間較短，能夠節(jié)約占地面積，并且能夠適應(yīng)水質(zhì)的劇烈變化，因此在水廠改造或用地條件有限時，Actiflo微砂沉淀和高密度沉淀池可以作為選擇方案之一。

4.2過濾工藝

北京市目前使用的過濾工藝包括煤砂虹吸濾池、快濾池、V型濾池等，由于原水水質(zhì)較好，濾池進水濁度一般在1NTU以下，因此各過濾工藝出水濁度都較低。第九水廠一期煤砂濾料虹吸濾池和二期無煙煤氣水反沖快濾池出水濁度一般在0.15～0.40NTU，平均分別為0.2NTU和0.25NTU，濁度去除率約為75%；第三水廠和田村山水廠新建工藝V型濾池出水平均濁度為0.35NTU和0.23NTU，濁度去除率分別為63%和45%。從有機物的去除效率來看，在進水COD_Mn小于3mg/L的條件下，過濾工藝對COD_Mn的去除效率較低，第九水廠一期煤砂濾料虹吸濾池和二期無煙煤氣水反沖快濾池及第三水廠V型濾池的去除率一般為10%~15%；田村山水廠新建工藝V型濾池對COD_Mn的去除效果較好，平均為51%，這可能是由于田村山水廠新建工藝水源為張坊地下水，而其他工藝均為地表水，水質(zhì)條件不同導(dǎo)致去除率差異較大。

4.3深度處理

在深度處理方面，北京市目前使用的工藝包括活性炭吸附池和臭氧—生物活性炭吸附池，主要目的在于去除水中有機物。第九水廠采用的深度處理工藝為活性炭吸附池。從實際運行效果分析，在進水COD_Mn為2mg/L以下時，一期平均活性炭吸附池出水COD_Mn為0.8～1.4mg/L，去除率為12%左右。二期活性炭吸附池出水COD_Mn為0.6～1.6mg/L，平均去除率為16%左右，略高于一期活性炭吸附池。北京市第三水廠和田村山水廠原有、新建工藝采用的深度處理工藝為臭氧—生物活性炭吸附池，出水COD_Mn分別為0.40～1.20mg/L、0.18～0.93mg/L（原有工藝）、0.28～0.43mg/L（新建工藝），平均去除率分別為20%、52%和31.5%�？梢�，生物活性炭吸附池前增加臭氧氧化工藝，及增加生物活性炭吸附池的生物作用有利于提高對有機物的去除效果。

5 水廠工藝多水源適應(yīng)性分析

從目前3座水廠的運行情況來看，在原水為河北四庫水、密云水庫水、地下水等水質(zhì)條件下，現(xiàn)有工藝出水水質(zhì)均較好，可以滿足水質(zhì)標準要求。但各個工藝之間出水水質(zhì)存在差別，對于不同的水質(zhì)條件，其工藝適應(yīng)性也有所不同，同時，南水北調(diào)丹江口水庫來水存在一些不確定性因素，因此有必要比較各工藝的處理效果，并分析丹江口水庫水質(zhì)特點和風(fēng)險，為工藝的選擇提供參考。

5.1預(yù)處理

預(yù)處理工藝一般采用預(yù)氧化、粉末活性炭吸附等。從北京市第三水廠預(yù)氧化工藝的處理效果來看，預(yù)氯化、預(yù)臭氧對進水藻類的去除率達76%，去除效果良好。此外，預(yù)氧化對于水中有機物的去除、臭味去除、混凝效果的改善都具有一定的作用，也可以用于突發(fā)性原水污染的應(yīng)急處理。粉末活性炭投加工藝作為應(yīng)急處理技術(shù)之一，主要用于應(yīng)對臭味、有機污染等問題�？紤]到南水北調(diào)長距離輸水的風(fēng)險，水廠工藝中設(shè)預(yù)處理工藝是有必要的。

5.2澄清

北京市目前使用的澄清工藝包括機械攪拌澄清池、Actiflo微砂沉淀池、高密度沉淀池等。各工藝技術(shù)特征對比見表3。

從對第九水廠二期、第三水廠和田村山水廠混凝沉淀工藝的實際運行效果來看，上述三種澄清工藝都能滿足實際運行要求，機械攪拌澄清池處理效果較好，同時具有運行管理簡單，運行經(jīng)驗豐富、適應(yīng)性強、設(shè)備少、投資低等優(yōu)點。從丹江口水庫水質(zhì)條件來看，基本達到Ⅱ類水體標準，優(yōu)于現(xiàn)況水源水質(zhì)，機械攪拌澄清池可以滿足未來多水源水質(zhì)條件。因此，在水廠占地不受限制的情況下可優(yōu)先考慮。高密度澄清池、微砂循環(huán)澄清池處理負荷相對較高，絮凝時間較短，能夠節(jié)約占地面積，在實際運行中能夠適應(yīng)水質(zhì)的劇烈變化，因此在水廠改造或限于用地條件情況下，可以作為選擇方案�？傊�，澄清工藝選擇應(yīng)結(jié)合水廠用地等實際情況綜合確定。

5.3過濾

過濾單元是出廠水濁度達標的關(guān)鍵保障環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前用于給水廠的過濾主要包括傳統(tǒng)過濾和超濾膜技術(shù)。根據(jù)上述北京市三個水廠的運行經(jīng)驗和對國內(nèi)現(xiàn)有濾池調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)：氣/水反沖濾池沖洗效果明顯優(yōu)于單獨水沖洗濾池，與傳統(tǒng)過濾相比，超濾膜具有出水濁度在0.1NTU以下，穩(wěn)定可靠，幾乎截留100%微生物，可有效去除賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲，出水微生物安全性大大提高等特點。因此，在過濾工藝上，可采用氣/水反沖洗濾池或超濾膜工藝。在氣水反沖洗濾池中，V形濾池具有池深淺，構(gòu)造簡單，出水水質(zhì)滿足要求，國內(nèi)采用最多，工程造價低的特點，因此在氣水反沖洗濾池中，推薦V形濾池。

5.4深度處理

僅采用常規(guī)處理工藝對解決水源水質(zhì)污染等問題存在一定的局限性，采用深度處理工藝相對于常規(guī)水處理工藝具有明顯的優(yōu)勢。目前北京市水廠采用的深度處理工藝有活性炭吸附池和臭氧-生物活性炭吸附池，根據(jù)北京第三水廠和田村山水廠改造工程的實際運行效果，臭氧-生物活性炭吸附池可以發(fā)揮臭氧氧化和活性炭吸附的協(xié)同作用，對于有機物的去除效果更好，因此可優(yōu)先采用。

深度處理工藝中還需要注意的是活性炭吸附池的池型選擇問題。在北京第三水廠和田村山水廠改造工程中活性炭吸附池選型采用V型濾池，在實際運行中出現(xiàn)了反沖洗結(jié)束V型槽進水后，炭面高低不平整的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在實際運行中會造成炭層低（�。┑牡胤剑�局部水流阻力小，停留時間小于設(shè)計值，進而影響出水水質(zhì)。分析其原因，主要有以下兩點：

首先，V型濾池從兩側(cè)的V形槽以側(cè)堰的形式進水，而普通快濾池是從洗砂排水槽進水，洗砂排水槽兩邊的側(cè)堰長度是V形槽的4～5倍，V型濾池由于堰長較短，單位堰長流量負荷大，進水對濾床的沖擊性大。

其次，顆�；钚蕴抠|(zhì)量較輕，容易被沖動。反沖洗后濾料著床時間長，是砂濾料的好幾倍。反沖洗后，炭料尚未著床，容易被沖動，造成炭面不平整。

因此，針對質(zhì)量較輕的吸附材料，在池型選擇中應(yīng)選擇過堰流量負荷較低的豐字形濾池或者翻板閥濾池。

6 結(jié)論

綜上所述，北京市第九水廠一、二期及第三水廠、田村山水廠改造后的處理構(gòu)筑物及設(shè)備運行正常。在原水為河北四庫水、密云水庫水、張坊地下水等水質(zhì)條件下，對濁度、COD_Mn等去除效果均較好，出水水質(zhì)滿足要求。南水北調(diào)中線工程對供水水質(zhì)的承諾為Ⅱ類，據(jù)此可以認為，北京市第九水廠一、二期及第三水廠、田村山水廠經(jīng)改造后可以適應(yīng)南水北調(diào)水源水質(zhì)。在新建水廠工藝選擇和現(xiàn)有其他水廠升級改造過程中，應(yīng)充分考慮南水北調(diào)長距離輸水過程中的水質(zhì)特點和水質(zhì)風(fēng)險及多水源切換對工藝適應(yīng)性的要求，堅持工藝技術(shù)適度超前的原則，采取多級屏障策略，保障首都供水安全和水質(zhì)發(fā)展目標的實現(xiàn)。

參考文獻略。

本文發(fā)表于《給水排水》雜志2014年11期。