張 玥，尹文超，李建業(yè)，張 超，薛曉寧

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

白洋淀是華北平原唯一的天然湖泊，有“華北之腎”之稱[1]。白洋淀及周邊區(qū)域，位于引黃入冀補淀受水區(qū)，該地區(qū)苦咸水廣泛分布，屬于典型的微污染鹽堿地區(qū)。地區(qū)地表水資源匱乏，地下水超采嚴重，同時，地勢低洼導致鹽堿地質。地區(qū)水質表現為淺層地下水主要存在有機物和大腸菌群超標問題，深層地下水主要存在氟離子、大腸菌群和鉛等重金屬超標問題，這些污染物的存在導致地區(qū)水質安全存在較大風險，且飲用水口感非常差。

飲水安全是人民群眾最關心，也是最迫切需要解決的問題。長期飲用受地質條件影響和工業(yè)污染的飲用水，已成為影響人群健康、可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定的潛在風險因素。并且，隨著社會和經濟的發(fā)展，人們對于生活品質的追求也在不斷提高?！丁敖】抵袊?030”規(guī)劃綱要》中明確指出，推進飲用水水源地達標建設，強化地下水管理和保護，為飲用水安全保障戰(zhàn)略奠定了重要基礎[2]。項目區(qū)康養(yǎng)、文旅、居住等高端業(yè)態(tài)對區(qū)域安全供水、健康供水需求較高，安全供給優(yōu)質飲用水是關系周邊人口健康的大問題，也是亟須解決的問題。優(yōu)質飲用水目前國際健康標準主要包括以下幾個方面[3]：1)不含危害人體健康的物理性、化學性和生物性污染；2)含有適量有益的礦物質(如鉀、鈣、鎂等)；3)含有適量溶解氧(6 mg/L左右)與碳酸根離子；4)水pH呈弱堿性；5)硬度適宜(50～200 mg/L)；6)水分子團集團小，易于人體細胞吸收、利用；7)水的滲透力、溶解力、代謝力、乳化力等生理功能強。

在此背景下，如何針對微污染鹽堿地區(qū)水質污染特點，為該地區(qū)人民提供優(yōu)質飲用水是亟待解決的重要命題。

1 項目概況

項目區(qū)位于淀區(qū)東側，屬海河流域，為河流堆積地貌，處于華北平原相對低下部位，平坦開闊。項目規(guī)劃占地面積約為6.33 km2，建設用地面積約為2.38 km2，分為旅游接待區(qū)、五星酒店區(qū)、葡萄酒莊區(qū)、生態(tài)農莊區(qū)、森林度假區(qū)、田園度假區(qū)、鄉(xiāng)村運動區(qū)及水系觀光區(qū)八大功能板塊。建成后的項目區(qū)為一座集休閑度假、觀光、商務活動、生態(tài)養(yǎng)生等功能于一體，以休閑文化、生態(tài)文化、田園文化為特色的高端度假區(qū)。

園區(qū)所在地可利用水源有地表水、淺層地下水、深層地下水3種水源。其中地表水資源量很少，由于上游的攔截及多年的干旱和地下水的超采，處于常年的干涸狀態(tài)，水量十分緊張。且地表水質為IV類水。從數量和質量上講，地表水資源不能作為建設項目的可靠水源；淺層地下水處于淺部發(fā)育淡水的咸水區(qū)，水質較差，也不能作為生活用水；根據項目區(qū)附近一眼淺層監(jiān)測井水質資料分析，淺層地下水pH值為7.7，總硬度為766 mg/L，溶解性總固體為1 960 mg/L。水化學類型為重碳酸鈣鎂鈉型水。溶解性總固體、總硬度等多項指標超過《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)的水質要求，不能滿足項目用水要求；深層地下水水量較豐富，項目所在地區(qū)內工農業(yè)及生活用水井主要利用此層水。深層地下水化學類型為重碳酸鹽鈣鎂鈉型水，礦化度均小于1 g/L。

根據項目開發(fā)強度與分期建設需求，優(yōu)質飲用水供給在開發(fā)初期主要供水范圍為酒店島區(qū)域與酒堡區(qū)域(圖1)。其中，酒店島供水系統(tǒng)服務5處區(qū)域與建筑，酒堡供水系統(tǒng)服務8處區(qū)域與建筑。

圖1 酒店島與酒堡位置圖Fig.1 Location of Hotel Island and Chateau

2 現狀水質分析

深層地下水是當地居民唯一可選擇的飲用水水源，但深層地下水普遍是高氟水，給當地居民飲水安全帶來威脅，且口感差，無法滿足項目區(qū)高端業(yè)態(tài)的需求。依據2016年的水質監(jiān)測資料，該地區(qū)99%的深層地下水(220～500 m)氟化物含量大于1.0 mg/L，其中60%的深層地下水氟化物含量為1.0～2.0 mg/L。高氟地下水的關鍵水化學特征:pH值為7.7～8.7、總堿度高于211 mg/L。高氟水嚴重影響了居民的身體健康，致使居民患氟斑牙、佝僂病等病癥。對項目區(qū)內自備井水進行水質監(jiān)測，其中近期取水擬利用現有深層井位，井位分布如圖2所示。

圖2 近期取水擬利用井位分布圖Fig.2 Distribution of Well Locations for Recent Available Water Intakes

對項目區(qū)部分自備井水進行水質檢測，超標的水質指標如表1所示，可見主要超標項目為鉛、氟化物、鐵、銅綠假單胞菌及糞鏈球菌。

表1 項目區(qū)自備井水水質超標指標Tab.1 Water Quality Index of Exceeding Standards for Self-Provided Wells in the Project Area

飲用水口感是一項綜合性指標，受水中多項指標的綜合影響，主要包括以下幾種指標：pH、總硬度、溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽等。低pH會有苦金屬味，而高pH會有濕滑口感[4]；硬度較高會產生苦澀味[5]；溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽較高均會產生咸味；適量碳酸根的存在，會具有清爽可口的味道。

項目區(qū)自備井水口感相關性指標如表2所示?？梢婍椖繀^(qū)自備井水pH值均在7.5以上，其中3個測試樣品pH值在8.3以上，偏堿性。對于硬度指標，部分井水硬度在100 mg/L以上，其中井3水質硬度較高，為321 mg/L，溶解性總固體為398～741 mg/L，5組樣品高于500 mg/L。氯化物指標，4個樣品為100 mg/L以上，其中兩個樣品指標較高，分別為189 mg/L和192 mg/L。硫酸鹽和碳酸鹽指標總體處于較低水平。重碳酸鹽為258～326 mg/L。

表2 項目區(qū)自備井水口感相關性指標Tab.2 Related Indexes of Water Taste of Self-Provided Wells in the Project Area

3 現狀供水系統(tǒng)

現狀取水方式為地下水直供使用，通過水泵直接泵取地下水至原水箱，無過濾沉淀裝置直接供至終端。而供水管道、水箱選材均為不銹鋼材質，且缺乏除砂裝置，導致不銹鋼管內泥沙沖刷嚴重，大大加速了不銹鋼材質的腐蝕速率?，F場調研發(fā)現，多數管道、水箱壁已經出現嚴重的銹蝕情況，銹渣、泥沙等沉積在水箱中，肉眼可見水箱大半水質為紅褐色。銹蝕物中通常含有大量的鐵、鉛、鋅和各種細菌及藻類，當管道內水流速度、方向或水壓發(fā)生突變時，就會造成短時間的水質惡化，出現鐵、錳、色度、渾濁度和細菌等指標值的大幅度上升。且地下水原水中氟化物、糞鏈球菌等超標，未經處理后直供，不利于用戶用水安全健康。

此外，現狀水處理機房預留空間不足，亟需高效集成設備組合。項目凈水設備機房選址為原有建筑機房，由于前期設計局限，該機房預留空間有限，酒店凈水機房可用高度不足3.1 m，酒堡凈水機房可用高度不足3 m。而所需供水范圍較大，常規(guī)凈水工藝設備選型遠不能實現在如此狹小空間內實現全部凈化流程。迫切需要根據現場條件研究、設計高效的凈水組合流程和集成設備，在有限空間內實現高效安全供水。

4 水處理工藝分析

目前，國內對于微咸水利用的研究，多集中于淡化后應用于農業(yè)灌溉，而針對凈化后用于飲用的研究相對較少，未普遍推廣。目前微咸水淡化常用技術主要包括蒸餾法、電滲析法、反滲透法、冷凍法、超濾、納濾等[6]，單項技術均有不同程度的應用局限。蒸餾法操作簡便，但能耗高，易形成垢物；電滲析法工藝簡單，但對進水水質要求高，出水口感差；反滲透與納濾凈化效果好，但濃水難處理，膜壽命低;冷凍法冰水混合物處理困難。總體來看，在當前主流的單項處理工藝條件下，處理后的水質無法達到優(yōu)質飲用水的要求。因此，亟須探索研究高效組合工藝針對性解決水質問題。

根據水源井水質污染情況及優(yōu)質飲用水的供水需求，提出如下工藝組合。

工藝組合一：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過濾器→活性炭過濾→中間水箱→RO給水泵→RO保安過濾器→RO高壓泵→RO裝置→RO產水箱→消毒→恒壓變頻供水。

工藝組合二：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過濾器→除氟過濾器→活性炭過濾→軟化→保安過濾器→超濾→產水箱→消毒→恒壓變頻供水。

對兩組水處理工藝組合在技術、占地、投資等方面進行對比，如表3所示。

表3 供水組合工藝優(yōu)缺點對比Tab.3 Comparison of Advantages and Disadvantages of Combined Processes of Water Supply

根據水源特點，本著技術先進、自動化程度高、減少占地面積、減少廢水量、節(jié)約投資成本的理念，選用工藝組合二，工藝流程如圖3所示。工藝組合二各處理單元作用如下。

圖3 工藝組合二Fig.3 Combined Process II

(1)旋流除砂器：項目水源為井水，可能會存在少量的泥沙，設置旋流除砂器分離大部分泥沙，在水處理機房內井水入管后設置旋流除砂器，經旋流除砂器分離的清水再入原水箱，分離出的砂積存在沙坑內，定期清理，既可降低水中的懸浮物，也可保護后續(xù)設備的正常工作。

(2)原水箱、原水泵：原水箱用于協(xié)調供水與水處理系統(tǒng)用水的平衡，配有水位控制裝置；同時原水箱可作為初級預沉池，沉淀水中的大顆粒泥沙。原水泵為后續(xù)設備工作提供動力。

(3)接觸雙濾料過濾器：由于原水泥沙較多，初濾裝置可以選擇接觸雙濾料過濾器(適用于渾濁度<50 NTU)，可以在保障水質的條件下減少工藝流程。濾料采用無煙煤、石英砂，可有效地去除水中的泥沙。

(4)除氟過濾器：采用專用除氟過濾器進行處理，內置除氟濾料，吸附水中的氟離子，經處理后的水氟離子含量<1 mg/L。除氟過濾器需要定期用酸堿進行再生，且再生時間較長，再生酸堿廢液不易處理。

(5)活性炭吸附器：內裝活性炭，用來吸附水中的有機物、鉛、鐵等重金屬，同時改善水質口感。

(6)軟化器：內裝陽離子軟化樹脂，用來交換水中的鈣鎂離子，降低原水硬度。

(7)保安過濾器：利用其中安裝的微濾膜進一步去除水中的微粒、活性炭粉末、殘余的微細顆粒，使不利于超濾的因素降到最低。

(8)超濾：將顆粒物、膠體、大分子與小分子物質分離，還可以過濾去除大部分細菌和各種病毒。糞鏈球菌在0.5 μm以上，可以采用超濾(過濾精度為0.02 μm)去除，經超濾過濾后，可滿足標準要求。

(9)消毒：采用余氯消毒(成品次氯酸鈉)和紫外消毒(AOT設備)并行方式，滅菌效率高，運行效果穩(wěn)定，運行能耗低，安裝維護簡便，消毒后復活可能性低。次氯酸鈉投加點為原水箱進水端、超濾裝置進水端、生活供水泵的后端管路。投加藥量按《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)規(guī)定的管網末梢余氯≥0.05 mg/L，且出廠水中限值為4 mg/L。AOT設備分別在生活供水泵、中水供水泵、灌溉供水泵的后端管路。

設計出水水質口感相關指標(pH、總硬度、溶解性總固體、氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽)滿足《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)，其余指標滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)。

5 設計規(guī)模與實施

5.1 設計規(guī)模

對于酒店島區(qū)域，最高用水量為1 005 m3/d，設計產水量為1 206 m3/d，設計工作時間為20 h，60 m3/h。供水壓力為0.55 MPa。

酒堡區(qū)域服務8個片區(qū)建筑生活飲用水，由于分期建設，近期給水處理系統(tǒng)服務建筑1～7，總設計需水量為555.6 m3/d，處理設計工作時間為20 h，設計產水量為28 m3/h。遠期建設的建筑8安裝獨立給水處理設備，總設計蓄水量按300 m3/d計算，處理設計工作時間為20 h，設計產水量為15 m3/h。

5.2 工藝設計實施

生活水箱至中液位，啟動原水泵，開始制水，同時啟動pH調節(jié)蠕動泵(至pH探頭檢測值為5.5～6時停止)，原水依次流經雙濾料過濾器、除氟過濾器、活性炭過濾器、軟化器、保安過濾器、UF單元，產水入生活水箱，啟動加氯消毒蠕動泵；生活水箱高液位或原水箱低液位，停原水泵，停止制水，停加氯消毒蠕動泵；加氯消毒發(fā)生器設備自動運行，以藥箱液位控制自動啟停。用水點用水需求，啟動供水泵組，進行變頻供水；生活水箱低液位，停止供水。

(1)恒壓恒流

處理后水通過變頻恒壓供水系統(tǒng)輸送至使用點，由于酒店用水存在周期性、使用時間不集中、使用量不穩(wěn)定，設置緩沖罐，供水泵采用變頻控制，實現管網恒壓、恒流。

(2)水箱分格

容積較大水箱均分格處理，分隔成容積相等，能獨立運行的2格或2座(獨立的進出水、溢流并做連通管)。避免水箱清洗時對使用造成影響，同時集約體積。

(3)管材選用

與自備給水井連接的給水管采用UPVC塑料管。經機房二次加壓供水管道采用UPVC塑料管。超濾單元內部工藝管路采用316L不銹鋼管材，其他部分工藝管路均采用UPVC塑料管。

6 結語

本文針對微污染鹽堿地區(qū)飲用水水源特點，以實際工程為例，進行水處理工藝組合的優(yōu)選。項目區(qū)主要以深層地下水為飲用水原水，而通過水質檢測發(fā)現，深層地下水存在氟化物、鉛、鐵、銅綠假單胞菌及糞鏈球菌超標等問題，氯化物、溶解性總固體、硬度值雖未超過《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，但相對于《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)來說，存在超標情況，而這3種物質均會對飲用水口感造成影響。在水量方面，由于供水服務區(qū)域為酒店、酒堡等，用水存在明顯周期性，對工藝組合的選擇提出了更高的要求。同時，項目凈水機房存在空間局促，高度不足的情況，如何組合工藝，優(yōu)選設備也提出了考驗。通過水質、水量、空間上的問題識別，提出了旋流除砂器→原水箱→原水泵→接觸雙濾料過濾器→除氟過濾器→活性炭過濾→軟化→保安過濾器→超濾→產水箱→消毒→恒壓變頻供水的組合工藝。該工藝不僅可以有效去除超標污染物，而且產水回收率高、投資少、系統(tǒng)簡單、占地面積集約、自動化程度高。該項目的研究分析可為類似微污染鹽堿地區(qū)優(yōu)質飲用水供給提供可借鑒的經驗。