当前水厂发展中急需的新材料、新设备

清华大学 环境科学与工程系，北京 100084

　　一、我国水源水质概况与水质标准

　　我国即将颁布新修订的生活饮用水卫生标准（GB5749），水质指标106项。修订原则是，要与国际上先进水质标准接轨，同时又考虑我国国情。

　　我国给水现状是水厂仍是百年前的混凝沉淀—过滤—消毒工艺，它是为了保证水的浊度与细菌指标，即感官指标得到满足，又杀灭细菌保证不得传染病而设置的。

　　从上世纪70年代自来水中发现消毒副产物（三卤甲烷）为可疑致癌物质后又将有毒、有害物质归纳为畸、致突变、致癌的三致物质，至90年代又发现一些农药杀菌剂、灭草剂、塑料添加剂中存在对人体有潜在威胁的内分泌干扰物质（环境类激素）。在微生物方面也发现军团菌、O—157，隐孢子虫、贾第虫等新的污染。

　　我国湖库大部份存在富营养化状况，因此藻类分泌物如藻毒素也列为水质项目。

　　当前纳米材料正在兴起，怎样对付这“双刃剑”也是今后给水工作者必将碰到的问题。

　　水源水质污染目前主要是有机物（包括藻类分泌物）与反氨氮，而传统净水工艺针对这两者却不是很有效，面对提高了的水质标准，改进净水厂工艺采用先进的预处理技术与深度处理技术是必然的发展趋势，通过国内外的长期试验研究，生物预处理与臭氧—生物炭技术是实用的、经济的有效工艺，因此必须重视与其相关的新材料、新设备。

　　二、生物预处理与其填料

　　对于受污染水源中的氨氧，大都是由生活污水与农田氨肥流失造成，除用氯氧化成氯胺（需8～9mg/L氯氧化1mg/L氨氮）外，最经济有效的技术是生物氧化。利用填料上生长的生物膜，其中含亚硝酸菌与硝酸菌将氨氮氧化至亚硝酸盐，硝酸盐。生物预处理通常采用生物过滤与生物接触氧化。

　　1.生物滤池

　　主要采用陶粒作滤料，用单独曝气管充少量氧（一般气水比为0.5～1）反冲滤料时用大量的气与水反冲。该类生物陶粒滤池在国内蚌埠二水厂、上海周家渡水厂已有实践经验。优点是不单去除氨氮效率高，且能吸附截留部分大分子有机物与生物氧化部分溶解性有机物。氨氮去除率随水温而异，在正常水温下可达70～90%，COD_Mn去除在20%左右，缺点是需要反冲，损耗部分水量，管理较复杂。

　　2.生物接触氧化池

　　采用悬挂的弹性填料，国内上海浦东、嘉兴地区与深圳水库都有应用。池子结构简单，运转简便，只需曝气即可。存在的问题是填料上积泥不易清洗。

　　目前悬浮（或称流化）填料采用塑料短管，塑料球等。广东鑫都环保公司提供的可调比重的塑料球在嘉兴地区已有实践经验。悬浮填料比重略轻于水，水流平行流动易将其带入下段，因此一定距离设置隔网并调整好水平流速与曝气强度使其在一段池中均匀翻滚，填料上积泥会自动脱落，随水流出。悬浮填料接触氧化的氨氮去除率在70～90%。

　　生物滤池去除氨氮与有机物效率都比生物接触氧化池好，但从整个净化工艺分析，因沉淀过滤可以去除大分子有机物的COD_Mn，两者差别不大。从管理角度分析，生物滤池需反冲洗，而悬浮填料不需冲洗，管理简单。当占地面积允许时采用平流池子（约停留1～1.5小时），放置悬浮填料较优，但如受面积限制，可采用生物滤池（陶粒接触时间20～30分），反冲水可与砂滤池反冲水一并处置。

　　    生物预处理技术中气泡细小致密、布气均匀可节省电耗。生物接触氧化池中填料是关键，曝气适当可使填料流化，因此空压机、曝气管、曝气头等设备值得关注。

　　三、臭氧发生器、空气净化装置与制氧机

　　臭氧发生器是产生臭氧的设备。气源有空气与氧气两种。氧气可由专门公司供液氧，也可由制氧机从空气制得。

　　臭氧发生器的放电单元有管式与板式两种。

　　1. 管式臭氧发生器

　　大型臭氧发生器现在有Ozonia、Wegeco、三菱电机、富士电机等在我国竞争，都是管式，原要价高，现已压低价竞标，平均产1kgO₃/h，约20000美元（包括扩散头、臭氧测定仪表及尾气处理装置）。近3年我国自制的大型臭氧发生器也已生产。

　　青岛国林采用中频电源，氧气源，放电管采用钢管上涂搪瓷。2004年已由建设部验收、鉴定20kgO₃/h发生器，当臭氧浓度80mg/L时电耗＜8kW，达到国际先进水平。该类发生器近年在化工行业得到应用，也进入小型自来水厂应用，还经常参加国内大型水厂对臭氧发生器的投标。

　　2. 板式臭氧发生器

　　青岛科脉公司采用高频电源、陶瓷板介质，放电间隔0.3mm，制成可组合板式臭氧发生器。建设部已于2005年通过验收，臭氧浓度80mg/L时电耗＜6kW，达到国际先进水平。单机产1kgO₃/h，可按需要组合成5kgO₃/h、10kgO₃/h。因采用高频、效率高，1kgO₃/h发生器约50kg重，两人就可抬起。每个放电单元产40gO₃/h，单机中可多设几个单元作为备用，在组合中如单机需检修，则可更换单机，不影响组合机群工作，因此具有较高灵活性与安全性，前景看好，现已由清华同方水务公司接收，正由科研产品转入长期生产运行检验后，作为商品进行生产销售。

　　3. 气源

　　空气源需空压机（无油）、空气净化与除湿设备组成的机组，国内有多家合资公司生产。

　　氧气源可由专门公司供液氧，现场的液氧罐与蒸发装置可租用，液氧由专门公司定期供给。

　　氧气也可由制氧机制取，制氧机的关键是空分材料，北大先锋公司的空分材料质量好，提供的制氧机在炼钢工业中得到应用。

　　采取何种气源，需视当地具体情况而定。

　　日本有40多家水厂采用臭氧—活性炭，只有一家采用氧气，因该厂邻居产氧气。

　　如当地或附近有专门供液氧公司，可采用氧气源。减少了空气干燥装置，从水厂管理上较方便。如无供氧公司，则需采用空气源，购置全套空气净化干燥装置，增加了一次性投资与气体装置的运行管理。

　　大型自来水厂使用氧气多，考虑经济与安全，不受制于液氧公司的液氧价格与运输的安全，可以自备制氧机制氧供臭氧发生器制臭氧，虽然增加了管理难度与一次性投资，但运行费可节省。

　　4.当前采用国外臭氧发生器中的问题

　　外国臭氧发生器公司建议采用氧气源，这样按所需达到的供臭氧量发生器设备可小（气源与氧源产生的臭氧量差一倍），对供应方有利。按所需臭氧量（往往考虑了备用量，其实臭氧发生装置本身可调节）提供高浓度（臭氧浓度100mg/L以上）臭氧发生器，高浓度臭氧需要消耗的电能高，设备容易损坏，对水厂不利，同样地供应方可以供应小的发生器，对供应方有利。

　　在自来水厂应用臭氧氧化净化的是微污染原水，并不需要很大臭氧投量，一般采用3mg/L的投加量，因此不需要高浓度臭氧，浓度高了，需要高效传质设备使水与臭氧混合，如达不到均匀、快速传质，剩余臭氧尾气尚需焚烧或通过催化氧化处理后排入大气，一方面造成浪费，另方面又要强化处理尾气，对水厂不利。

　　关于售后服务，某些国外公司为了节省出差费用往往要“千呼万唤始出来”，而国内公司可及赶来解决问题，某外国公司所供臭氧发生器不少放电管被击穿，据分析认为是液氧质量有问题，可供应方在整个臭氧发生系统中事先没有提及这个问题。

　　5.应该注意的问题

　　首先自来水行业应该积极支持国内臭氧发生器的制造与应用。国内臭氧发生器价格便宜，售后服务到位，只有大量使用，不断发现问题，改进提高，才能使我国臭氧发生器逐步完善，适应发展需要。

　　自来水行业招标文件中应对国内臭氧发生器网开一面，不要提出过高要求（如需有10kgO₃/h发生器的使用经验），应鼓励国内厂家参与竞争，对降低售价，改善售后服务有利。对国外的厂家要提出明确要求：如采用气源、要求浓度低些，电耗少些，并对出现问题要进行赔偿，售后服务应有通知后几日内到达等。

　　现国外公司不愿与国内联合生产臭氧发生器，只允许代理，只有我国自制臭氧发生器能被自来水行业接受，在竞标中获胜，对外国公司造成压力，他们才有可能考虑与我们合作生产。

　　国内公司应提高产品质量（关键在安全、然后是电耗），加强曝气头、尾气处理设备，臭氧浓度测定仪研制，选用先进的无油压缩机，空气干燥装置，制氧机等，成为能全套供应臭氧氧化技术的装备，并提高售后服务质量，保证安全使用，相信再有3～5年能全面赶上国外企业，以迎接我国深度处理高潮的来临。

　　四、活性炭与炭再生装置

　　活性炭用以吸附水中微量有机污染物，是最经济，有效的技术。臭氧一活性炭联用工艺是将氧化、吸附、生物降解诸功能结合，使活性炭除物理吸附作用外，利用在其上长成的生物膜起生物氧化作用，臭氧氧化可使有机物中可生物降解的部分增加，通过生物炭多去除这部分有机物，因此臭氧—生物炭工艺可去除有机物约25～35%，并能长期工作。上海黄浦江原水使用该工艺3年才换部分活性炭。

　　活性炭大致可分为：原煤破碎炭，圆柱状活性炭与压块破碎炭，破碎炭可按滤料粒径的要求筛选，用以代替砂子作为滤池滤料。

　　1.原煤破碎炭

　　原料可分无烟煤类和弱粘煤类。煤经破碎—筛分—炭化—活化而成。活性炭孔隙结构取决于原煤的孔隙，该类炭再生损耗较大（一般为25～30%）。

　　2.圆柱状活性炭

　　一般原料采用无烟煤，煤经粉碎磨成粉后加水与煤焦油捏合压条，再去炭化、活化。ZJ15就是这类炭，粒径1.5mm，优点是强度高、系统水头损失小、反洗容易、再生时损耗少。不足无处是因粒径大截留浊度能力较差，孔隙结构较不发达，较大分子有机污染物难于去除。国内使用较多。

　　3.压块粉碎炭

　　可根据所需活性炭的性能和使用特点选择几种或多种原料煤进行配比，可有效调节活性炭孔隙结构。生产工艺为配煤—粉碎成粉—压块—炭化—活化—粉碎—筛选。由于其孔隙结构特点，因此吸附能力强，吸附容量较大，截留浊度好，再生损耗低，是比较适合给水深度处理用的炭，压块炭价格稍高，但处理精度较高，使用周期较长。美国calgon公司在大同生产销往国外，国内尚少使用，泰兴一心活性炭科技公司生产的扩孔炭质量同calgon公司炭，价格比它便宜。

　　4.活性炭滤池

　　给水行业中都设计成一个滤池，当有污染质泄漏时，活性炭并没有完全丧失吸附能力，此时由于出水达不到要求，应该予以再生，损失了炭的剩余吸附能力。在工业中常使用两个罐串联，当第一个罐的炭基本达到饱和后，第二个罐仍在正常工作，当第一个罐换了新炭或再生炭后，将其转换为第二罐，而工作中的炭罐转换为第一罐，这样可以充份利用活性炭的吸附能力，又让新炭置于后罐，确保水质。由于有压力，因此调换起来很简单。给水厂内普遍是采用敞开自流式过滤，如果考虑串联，就要将滤池加高1.5m，以便转换。目前工程中尚无先例。生物炭滤池出水中可能泄漏有微生物，应严格消毒过程以确保管网水中微生物不超标。

　　5.炭的再生

　　当活性炭吸附容量饱和后就应再生，每个使用活性炭的水厂都要自己设再生装置是没有必要的也是不合算的，完全可利用社会力量，专门活性炭再生厂来再生，应改虑在使用活性炭水厂较多的地区（如嘉兴地区）集中设一个活性炭再生厂，平时再生使用过的炭，闲时生产一些活性炭出售，以补充使用与再生中的损耗，现再生一次，包括起炭、装运、再生、投放入滤池约2000元/t、新炭大约6000元/t，再生比换新炭便宜，再生一次损耗约为10%。