賀 威，費(fèi)相琴，羅仕陽(yáng)

(淮安自來(lái)水有限公司，江蘇淮安 223001)

淮安自來(lái)水公司目前下轄的3個(gè)水廠，北京路水廠、城南水廠和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)水廠，水源水均來(lái)自洪澤湖。其中，建造最早的北京路水廠，始建于1977年，設(shè)計(jì)日供水量為9.0萬(wàn)m3，整個(gè)水廠分三期建成，每期規(guī)模分別為2.5萬(wàn)、2.5萬(wàn)m3/d和4.0萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)初期水處理工藝均采用常規(guī)處理技術(shù)。在20世紀(jì)80年代，洪澤湖水質(zhì)屬于國(guó)家地表水標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ～Ⅱ類，良好的原水水質(zhì)加上混凝沉淀砂濾消毒的常規(guī)處理工藝，足以滿足供水需要和水質(zhì)要求，但隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多的污染源出現(xiàn)在水源地上游或其附近，水源水的水質(zhì)不斷惡化。至今，北京路水廠原水水質(zhì)已經(jīng)降至國(guó)家地表水標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類，甚至有時(shí)某些個(gè)別指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類或Ⅴ類。藻類、色度、臭和味長(zhǎng)期偶發(fā)性異常，水源水的有機(jī)污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)超出了常規(guī)工藝的處理能力[1]，常規(guī)水處理工藝已無(wú)法保證百分之百的優(yōu)質(zhì)供水。

我國(guó)于2007年7月正式頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[2]中，飲用水水質(zhì)指標(biāo)由原標(biāo)準(zhǔn)的35項(xiàng)增至106項(xiàng)。其中，消毒劑指標(biāo)由1項(xiàng)增至4項(xiàng)，毒理學(xué)指標(biāo)中的有機(jī)物指標(biāo)由5項(xiàng)增至53項(xiàng)；同時(shí)，許多指標(biāo)在限值標(biāo)準(zhǔn)上也有大幅度的提高。標(biāo)準(zhǔn)提高后，北京路水廠的飲用水處理工藝出水難以達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)要求，故對(duì)舊工藝進(jìn)行升級(jí)是必要的。

基于以上兩種原因，淮安自來(lái)水有限公司決定對(duì)北京路水廠進(jìn)行升級(jí)改造。結(jié)合坐落于市區(qū)的北京路水廠自身廠區(qū)占地面積小的情況，通過(guò)對(duì)各種深度處理工藝的試驗(yàn)和研究，于2011年2月確定選擇占地面積小、出水水質(zhì)優(yōu)、操作維護(hù)方便的磁性離子交換樹(shù)脂(MIEX)技術(shù)應(yīng)用于該水廠的深度處理工藝。水廠從2011年8月開(kāi)始進(jìn)行深度處理工程改造，并于2012年6月調(diào)試通水成功。

MIEX技術(shù)引自澳大利亞，是一種以聚丙烯為骨架和帶電荷季胺官能團(tuán)的大孔強(qiáng)堿性陰子樹(shù)脂。樹(shù)脂顆粒尺寸約為180 μm，是普通樹(shù)脂顆粒的1/5～1/2，以更小的樹(shù)脂顆粒提供了高比表面積，從而迅速捕獲溶解性有機(jī)碳(以下簡(jiǎn)稱DOC)。每個(gè)樹(shù)脂珠結(jié)構(gòu)內(nèi)在制備時(shí)加入了γ-Fe2O3等磁性物質(zhì)，因而樹(shù)脂具有磁性，捕獲了有機(jī)物的樹(shù)脂快速聚合沉降且易于分離，再通過(guò)氯離子與DOC的交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解性有機(jī)物的去除，并做到樹(shù)脂的再生。據(jù)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，MIEX樹(shù)脂對(duì)原水中DOC的去除率為54%～74%[3-5]，比任何形式單體工藝的去除效果都要好。

本研究以淮安自來(lái)水有限公司北京路水廠MIEX系統(tǒng)為研究對(duì)象。淮安自來(lái)水有限公司北京路水廠作為目前國(guó)內(nèi)首座大規(guī)模使用MIEX工藝作為深度處理技術(shù)的凈水廠，從2012年6月25日MIEX系統(tǒng)調(diào)試通水成功并運(yùn)行至今，其系統(tǒng)的處理效果，亟待持續(xù)跟蹤。本文以已確定的最佳工藝

參數(shù)，用CODMn作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，判斷該MIEX系統(tǒng)的處理效果，為MIEX樹(shù)脂在凈水廠中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為2019年3月19日—2019年8月11日。整個(gè)試驗(yàn)分為2個(gè)階段，第一階段為3月19日—7月2日和7月22日—8月11日，采樣點(diǎn)選擇北京路水廠MIEX進(jìn)水、北京路水廠MIEX出水、北京路水廠原水和北京路水廠出廠水，共4個(gè)取樣點(diǎn)，每天上下午各取樣1次，取日平均值統(tǒng)計(jì)分析；第二階段為7月3日—7月21日共計(jì)19 d。試驗(yàn)期間，通過(guò)進(jìn)水分配渠將原水分成兩路，一路直接引入水廠一期，另一路引入MIEX系統(tǒng)再進(jìn)入水廠二、三期；實(shí)現(xiàn)水廠一期常規(guī)工藝單獨(dú)運(yùn)行，二、三期常規(guī)工藝與MIEX工藝聯(lián)合運(yùn)行。如圖1所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)4個(gè)采樣點(diǎn)，分別為原水(MIEX進(jìn)水)、MIEX出水、二、三期常規(guī)工藝出水和一期常規(guī)工藝出水，各點(diǎn)每天上下午各取樣檢測(cè)1次，取日平均值統(tǒng)計(jì)分析。此外，整個(gè)試驗(yàn)期間，為達(dá)到2種深度處理工藝對(duì)比的目的，增加城南水廠臭氧活性炭工藝進(jìn)水和城南水廠臭氧活性炭工藝出水2個(gè)采樣點(diǎn)，每天上下午各取樣1次，取日平均值統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 北京路水廠試驗(yàn)第二階段設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design Scheme of the 2nd Testing Phase of Beijinglu WTP

通過(guò)連續(xù)5個(gè)月對(duì)CODMn、藻類、渾濁度的檢測(cè)，判斷MIEX工藝去除效果的穩(wěn)定性以及MIEX工藝出水結(jié)果是否符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求；通過(guò)與城南水廠臭氧活性炭工藝對(duì)CODMn去除效果的對(duì)比，判斷MIEX工藝是否具有深度處理效果。

1.2 主要分析方法和試劑

CODMn采用酸性高錳酸鉀滴定法；草酸鈉為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供的基準(zhǔn)試劑；高錳酸鉀、硫酸為國(guó)藥生產(chǎn)的優(yōu)級(jí)純；滴定管等玻璃儀器購(gòu)買自天津玻璃儀器廠；恒溫水浴鍋 DK-S26，精宏試驗(yàn)設(shè)備公司；超純水機(jī) Milli-Q Element，密理博上海有限公司。渾濁度的檢測(cè)方法為《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 感官性狀和物理指標(biāo)》(GB/T 5750.4—2006)，儀器為TL2300型濁度儀。藻類的檢測(cè)方法為國(guó)家環(huán)?？偩?2002)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》第4版第五篇第一章(一)浮游生物的測(cè)定(B)，儀器為YS100型生物顯微鏡。

1.3 原水水質(zhì)

原水取自北京路水廠取水口。試驗(yàn)期間，常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)如表 1所示。

表 1 試驗(yàn)期間原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality during the Experiment

1.4 北廠水處理工藝流程及MIEX工藝參數(shù)

升級(jí)改造后的北京路水廠工藝流程如圖2所示。

MIEX工藝主要技術(shù)參數(shù)：通水倍數(shù)為800 BVTR；鹽消耗量為45 kg/(1 000 m3)；再生樹(shù)脂量為65～75 m3/d；日再生次數(shù)為15～18次/d；反應(yīng)池?cái)嚢铏C(jī)速度為10～12 r/min。

圖2 北京路水廠改造后的工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Beijinglu WTP after Renovation

2 結(jié)果與討論

2.1 “MIEX+常規(guī)處理”工藝連續(xù)運(yùn)行下的出水CODMn

試驗(yàn)期間，隨機(jī)選取北京路水廠出廠水在2019年6月8日—2019年8月11日共計(jì)65 d(組)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3所示。由圖3可知：在MIEX工藝聯(lián)合常規(guī)水處理工藝運(yùn)行期間，出廠水耗氧量平均值為1.24 mg/L，濃度為0.88～1.96 mg/L，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值(3.0 mg/L)；65 d的數(shù)據(jù)中絕大多數(shù)出廠水耗氧量濃度低于1.5 mg/L，只有7 d出廠水的耗氧量超過(guò)了1.5 mg/L但不超過(guò)2.0 mg/L，占比為11%。結(jié)果表明，“MIEX+常規(guī)水處理”工藝能長(zhǎng)期穩(wěn)定地保證出廠水中CODMn的含量低于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖3 北京路水廠出廠水CODMn含量Fig.3 CODMn Content of Finished Water in Beijinglu WTP

圖4 一期與二、三期出廠水CODMn含量對(duì)比Fig.4 Comparison of CODMn in Finished Water among 1st, 2nd and 3rd Phases of the Project

圖5 MIEX工藝、常規(guī)處理工藝和“MIEX+常規(guī)處理”工藝對(duì)CODMn去除率的對(duì)比Fig.5 Comparison of CODMn Removal Rate among MIEX, Conventional Treatment and “MIEX+ Conventional Treatment” Processes

2.2 MIEX、常規(guī)處理和“MIEX+常規(guī)處理”3種工藝對(duì)CODMn的去除

以試驗(yàn)第二階段數(shù)據(jù)為樣本，比較水廠一期與二、三期出水中CODMn含量的差異，以及對(duì) MIEX、常規(guī)處理和“MIEX+常規(guī)處理”3種工藝對(duì)CODMn的去除，如圖4～圖5所示。

由圖4可知，一期出水中CODMn含量明顯高于二、三期出水中CODMn的含量。一期出水，CODMn的含量絕大多數(shù)為1.5～2.0 mg/L，最低為1.4 mg/L，最高為2.4 mg/L，均值為1.8 mg/L；二、三期出水，CODMn的含量絕大多數(shù)為1.0～1.5 mg/L，最低為0.88 mg/L，最高為1.6 mg/L，均值為1.1 mg/L。數(shù)據(jù)顯示，MIEX與常規(guī)工藝聯(lián)合運(yùn)行，出水CODMn含量比單獨(dú)的常規(guī)工藝出水CODMn含量下降了31%， MIEX工藝對(duì)原水中的有機(jī)物表現(xiàn)出較高的處理能力，這與盧寧等[6]在中試中提到的MIEX樹(shù)脂對(duì)CODMn的去除率達(dá)到32%的研究結(jié)果一致。

由圖5可知，MIEX工藝對(duì)原水CODMn的平均去除率為27%，常規(guī)工藝對(duì)CODMn的平均去除率為58%，聯(lián)合運(yùn)行下的平均去除率達(dá)到69%，這與孫瑞林等[1]的研究結(jié)果一致。以上表明，MIEX與常規(guī)工藝聯(lián)合運(yùn)行明顯提高了常規(guī)工藝對(duì)原水中有機(jī)物的處理能力，使北京路水廠出廠水CODMn能夠穩(wěn)定達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 MIEX去除率與城南水廠臭氧活性炭去除率對(duì)比

為了探討MIEX工藝與臭氧活性炭工藝之間是否存在差距，判斷MIEX工藝是否能夠達(dá)到臭氧活性炭深度處理工藝的處理效果，本文選取淮河水系洪澤湖下游淮安市境內(nèi)二河供水的北京路水廠和城南水廠的工藝過(guò)程水，檢測(cè)各進(jìn)出水中CODMn的含量，計(jì)算試驗(yàn)期間各深度處理工藝對(duì)CODMn的去除率，如圖6所示。其中，4月2日，MIEX系統(tǒng)因過(guò)水停止運(yùn)行數(shù)據(jù)異常；4月19日—4月25日，MIEX系統(tǒng)因故障再次停止運(yùn)行數(shù)據(jù)未統(tǒng)計(jì)。

圖6 2種深度處理工藝去除率對(duì)比Fig.6 Comparison of Removal Rate of CODMn between MIEX and Advanced BAC Process

由圖6可知：開(kāi)始階段，MIEX工藝對(duì)CODMn的去除率明顯低于同期的臭氧活性炭工藝；隨著工藝的調(diào)整和技術(shù)參數(shù)的改進(jìn)，從5月11日開(kāi)始，MIEX工藝對(duì)CODMn的去除率穩(wěn)步上升，并逐漸處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)CODMn的去除率也越來(lái)越接近臭氧活性炭的去除率甚至不相上下；直至7月5日，MIEX工藝對(duì)CODMn的去除率開(kāi)始反超臭氧活性炭的去除率，并表現(xiàn)出持續(xù)反超且穩(wěn)定的趨勢(shì)。近5個(gè)月的試驗(yàn)期間，MIEX工藝對(duì)CODMn的平均去除率達(dá)到了21%，臭氧活性炭工藝對(duì)CODMn的平均去除率達(dá)到了22%，這同孫瑞林等[1]的研究一致。若考慮前期工藝參數(shù)調(diào)整和初期運(yùn)行未得到最佳參數(shù)的情況，MIEX工藝對(duì)CODMn的去除率均值能達(dá)到29%，明顯優(yōu)于臭氧活性炭工藝。圖3、圖6的結(jié)果表明，占地面積小的MIEX深度處理工藝用于北京路水廠的可行性高，處理效果明顯，效果穩(wěn)定性優(yōu)異，在去除CODMn的效果上略高于臭氧活性炭工藝，達(dá)到了深度處理的效果。

此外，在近幾年的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行期間，北京路水廠MIEX系統(tǒng)作為預(yù)處理工藝置于常規(guī)工藝前端，經(jīng)常會(huì)遇到腐爛樹(shù)葉、垃圾、貝殼等異物堵塞系統(tǒng)的情況，迫使系統(tǒng)故障停運(yùn)。目前，在MIEX系統(tǒng)前端加裝格柵以解決異物堵塞系統(tǒng)的問(wèn)題。MIEX技術(shù)引自澳大利亞，澳大利亞水源地絕大部分屬于湖庫(kù)水和地下水，其原水水質(zhì)相對(duì)較好。考慮到澳大利亞與洪澤湖水體的差異，建議在今后的項(xiàng)目中把MIEX系統(tǒng)置于沉淀出水之后，以避免原水中雜物對(duì)系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高處理效率。

2.4 MIEX工藝對(duì)其他指標(biāo)的去除率

由圖7可知：試驗(yàn)期間，MIEX工藝對(duì)原水渾濁度的去除率在11%～42%，平均為22%；經(jīng)“MIEX+常規(guī)處理”工藝處理后的出廠水渾濁度均在0.5 NTU以下，絕大部分日期數(shù)值在0.4 NTU以下。由此可見(jiàn)，“MIEX+常規(guī)處理”工藝可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)出廠水中渾濁度的限值要求(1 NTU)，并滿足中國(guó)水務(wù)投資有限公司(母公司)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)中二級(jí)水和江蘇省住建廳優(yōu)質(zhì)水內(nèi)控指標(biāo)的要求(0.5 NTU)。

圖7 MIEX工藝對(duì)渾濁度的處理效果Fig.7 Treatment Effect of MIEX Process on Turbidity Removal

由圖8可知,試驗(yàn)期間，MIEX工藝對(duì)原水中藻類的平均去除率在17%～61%，平均值在33%，表現(xiàn)出良好的去除效果。

圖8 MIEX工藝對(duì)原水藻類的去除率Fig.8 Removal Rate of Raw Water Algae by MIEX Process

2.5 成本分析

MIEX工藝運(yùn)行成本主要由直接運(yùn)行成本和間接運(yùn)行成本兩部分構(gòu)成。根據(jù)目前的數(shù)據(jù)分析，MIEX工藝的處理成本合計(jì)約0.242元/m3。

2.5.1 直接運(yùn)行成本

MIEX系統(tǒng)直接運(yùn)行成本主要包括樹(shù)脂損耗費(fèi)用、鹽耗費(fèi)用、電耗費(fèi)用、人工費(fèi)用等。

樹(shù)脂單價(jià)按80元/L計(jì)，穩(wěn)定運(yùn)行后，樹(shù)脂平均流失率約1.5 L/km3，鹽耗約為50 kg/km3，單價(jià)按750元/t計(jì)算，電耗約為16 kW·h/km3，電費(fèi)單價(jià)按0.73元/(kW·h)，年人工費(fèi)按5人×8萬(wàn)元/人=40萬(wàn)元，每年處理水量按3 000萬(wàn)m3計(jì)算。

表 2 直接運(yùn)行成本估算Tab.2 Estimation of Direct Operation Cost

2.5.2 間接運(yùn)行成本

間接運(yùn)行成本主要包括設(shè)備維修維護(hù)費(fèi)用、固定資產(chǎn)折舊費(fèi)用。本工程設(shè)備費(fèi)用為1 900萬(wàn)元，初期投加樹(shù)脂費(fèi)用為1 050萬(wàn)元，土建費(fèi)用為378萬(wàn)元，總計(jì)3 328萬(wàn)元。設(shè)備維修維護(hù)費(fèi)用按工程設(shè)備費(fèi)用的1%計(jì)，設(shè)備維修維護(hù)費(fèi)用約為19萬(wàn)/a。合每立方米水成本為0.006元；固定資產(chǎn)折舊費(fèi)用按設(shè)備總造價(jià)的5%計(jì)，折舊費(fèi)用為166.4萬(wàn)/a，合每立方米水成本為0.055元。綜上，間接運(yùn)行成本合計(jì)約0.061元/m3。

3 結(jié)論和展望

本研究以淮安自來(lái)水有限公司北京路水廠MIEX系統(tǒng)為研究對(duì)象，以CODMn為評(píng)價(jià)指標(biāo)，判斷該MIEX系統(tǒng)的處理效果，為MIEX技術(shù)在凈水廠中的應(yīng)用提供技術(shù)參考，通過(guò)試驗(yàn)研究和分析得到如下的結(jié)論。

在MIEX工藝主要技術(shù)參數(shù)通水倍數(shù)為800 BVTR、反應(yīng)池?cái)嚢铏C(jī)速度為10～12 r/min等的情況下，MIEX工藝表現(xiàn)出對(duì)原水中CODMn、渾濁度、藻類具有良好的去除能力，平均去除率分別為33%、22%和29%；聯(lián)合運(yùn)行下，對(duì)CODMn的去除率均值達(dá)到了69%。

MIEX工藝對(duì)CODMn的去除率略高于臭氧活性炭工藝的22%，具有深度處理效果，表現(xiàn)出對(duì)原水中的有機(jī)物具有較高的處理能力；聯(lián)合處理工藝能長(zhǎng)期穩(wěn)定地保證出廠水中CODMn等指標(biāo)符合國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。

MIEX技術(shù)占地面積小、工藝設(shè)計(jì)靈活、設(shè)備安裝簡(jiǎn)潔、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)方便、投資成本和運(yùn)行成本可控并具有一定的成本優(yōu)勢(shì)，可作為深度處理技術(shù)在自來(lái)水廠新建和改造中應(yīng)用。

目前，MIEX技術(shù)在我國(guó)水廠中的應(yīng)用還處于起步階段，應(yīng)用性研究還很少。北京路水廠作為國(guó)內(nèi)首家引進(jìn)MIEX系統(tǒng)的水廠，應(yīng)發(fā)揮好自身優(yōu)勢(shì)，通過(guò)不斷試驗(yàn)，研究不同原水水質(zhì)的最佳工藝參數(shù)；研究MIEX技術(shù)對(duì)其他種類有機(jī)物、消毒副產(chǎn)物等的去除效果；同時(shí)，從效能和經(jīng)濟(jì)效益等角度綜合考慮 MIEX技術(shù)對(duì)我國(guó)水體的適用性，為MIEX技術(shù)在凈水廠中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。