后置臭氧-生物活性炭工艺在水厂改造中的若干设计点探讨

徐彦飞，戴仲怡

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

自1985年我国第一座采用臭氧-生物活性炭工艺的中型城市自来水厂——北京田村山水厂投产，已有38年。在此期间，臭氧-生物活性炭技术发展迅速，科研人员在臭氧投加量、活性炭吸附池结构与工艺选择、活性炭选择、更换与再生、溴酸盐控制技术、生物风险预防与控制技术等方面，已经取得了一批重要技术成果，形成了一系列标准规范技术指南等科技成果，有效提升了受污染水源的饮用水水质[1]。但是在工程设计领域，却很少有人探讨新增深度处理工艺设计给现状工艺设计带来的区别，以及针对改造工程的适应性设计。

本文以深圳某水厂深度处理工程为例，其设计规模为20万m3/d，主要工艺设计参数如下：预臭氧接触池接触时间为4.8 min，臭氧投加量为0.5～1.5 mg/L，后臭氧投加量为1.0～2.0 mg/L，接触时间为11.95 min。活性炭池空床接触时间为11.2 min，炭层为1.8 m，石英砂层为0.6 m。本文主要探讨了改造中构筑物的流量负荷计算模式、新增废水的回用设计、加药系统的改造，以及臭氧系统、液氧储罐的安全、检修与消防设计，为今后的同类项目提供参考意见。

新增深度处理工艺影响了现状工艺设计的流量负荷。构筑物的流量负荷是工程设计的基础数据，流量负荷决定了工艺参数的计算，例如过滤滤速、水力停留时间，也影响构筑物的水力条件，例如薄壁堰的设计。

一般情况，构筑物设计水量按照Q(1+自用水系数%)考虑，但由于工艺流程中增加了臭氧-生物活性炭工艺，新增的臭氧工艺包含了两部分自用水量，预臭氧投加用增压水和臭氧发生器的外循环用水，而且该部分水量不可忽略不计[2]，将该部分水量纳入构筑物的流量负荷计算，是实现构筑物合理运行的必要条件。其中，预臭氧投加增压水水量主要与臭氧投加量和水射器的气水体积比有关，臭氧发生器的外循环用水主要和板式换热器有关。可由设备供应商根据设计条件，计算并提供相关参数。

这两部分的水源位置根据工程性质(改建或新建工程)、实施条件、平面布置而不同。根据《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)9.10.26中“抽吸臭氧气体水射器的动力水，可采用沉淀(澄清)后，过滤后或厂用水，不宜采用原水。”臭氧发生器的外循环用水在设计中普遍取自厂区自用水，回用到中间提升泵房前池中。后置臭氧-生物活性炭工艺多采用砂滤水或者炭滤水，作为预臭氧投加用于增压水。当采用不同水源时，各个构筑物的水量负荷也有所不同。图1(a)是以砂滤水作为预臭氧投加用增压水，此时预臭氧接触池设计水量应以Q(1+K0+Kw+A)进行复核，后臭氧接触池和炭滤池设计水量应以Q(1+K0+Kw+B)进行复核。图1(b)是以炭滤水作为预臭氧投加用增压水，此时预臭氧接触池设计水量应以Q(1+K0+Kw+A)进行复核，后臭氧接触池和炭滤池设计水量应以Q(1+K0+Kw+A+B)进行复核。Q为水厂设计规模，K0为水厂原自用水系数，Kw为新增废水回流比，A为增压水回用比，B为外循环冷却水回用比。

图1 水量平衡图Fig.1 Water Balance Diagram

以深圳某水厂深度处理工程(规模为20万m3/d)为例，预臭氧投加用增压水量为200 m3/h，为水厂设计规模的2.4%，臭氧发生器的外循环冷却水量为97.8 m3/h，为水厂设计规模的1.2%。该部分水量达到水厂设计规模的3.6%。该厂采用后置活性炭工艺，并采用炭滤水作为预臭氧投加用增压水。新增单体构筑物应以图2模式进行水量设计，并复核老系统构筑物的水力条件。

新增深度处理工艺影响了现状工艺废水回用设计。生物活性炭池的废水回用影响整个回用水系统的水量平衡，不均匀回流会导致回流比过大，对生产构筑物造成冲击负荷，从而影响出水水质，极端情况下甚至造成溢流[3]。

水厂的现状回收水池一般没有考虑生物活性炭池的反冲洗水和初滤水水量，通常生物活性炭池废水量是砂滤池的两倍，现状回收水池难以满足其水量要求，故需要新建废水回收池一座。废水回收池的调节容积和设计回流比关系紧密，若单纯考虑按最不利水量设计，会加大废水回收池的土建投资费用。合理设计排水池的均匀回流，可以有效控制废水回收池的设计规模，控制工程投资。

以改造采用后置工艺为例进行计算，如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

其中：Q炭——生物活性炭池回用水量，m3/h；

Q0——水厂设计规模，m3/h；

q——水冲洗强度，m3/(m2·h)；

t——水冲时间，h；

T——反冲洗周期，h；

S0——总过滤面积，m2；

v——空床滤速，m/h。

以深圳某水厂深度处理工程(规模为20万m3/d)为例，设计生物活性炭池空床滤速为10 m/h，反冲洗周期为3 d，水冲强度为36 m3/(m2·h)，水冲时间为10 min，并考虑30 min初滤水排放，生物活性炭池回用水回流比Kw=0.9%，可通过该值，结合本文流量负荷的计算，综合考虑构筑物相关参数设计。

需要注意的是，改造工程中不能忽略对现状回收水池的管路改造，一般现状回收水池回用到原水管道某点，有可能不会经过预臭氧工艺的处理，建议考虑相关措施将回用管接到预臭氧工艺前端，完善工艺流程。

新增深度处理工艺影响了现状药剂投加点的位置选择以及水质情况，需做适应化设计。

3.1 原系统投加点改造

改造工程往往对现状加药投加点带来影响。某些水厂的后加氯直接投加在砂滤池出水总井中，如果不加以改造，后加氯的处理水会进入臭氧-活性炭工艺，余氯会影响生物挂膜，对深度处理的效果有负面影响，而且出厂水的余氯可能难以达到相关要求。

3.2 新增投加点

乔铁军等[4]观察到，随着后置生物活性炭池运行时间的延长，后置生物活性炭池出水pH会逐渐降低，相对于砂滤池出水，降幅达1～2，导致清水池出厂水pH较低。在原水碱度低的情况下较为显著，引起了水质化学稳定性的降低。贺涛等[5]认为活性炭官能团总量数量随着使用时间的延长而逐渐减少，随着活性炭官能团的减少，影响了炭滤池的缓冲作用，且致使活性炭pH平衡点下降，从而致使炭滤池pH下降。由于部分企业标准或者内定标准的最低值在7.0甚至7.2以上，需要考虑pH调节措施。

后置下向流生物活性炭池作为工艺流程的最后一个环节，为保证出水浑浊度的稳定性，建议采用氢氧化钠调节pH。由于固体氢氧化钠溶解会释放大量的热量，带来运行安全隐患，建议在市场上采购原液，市场上的氢氧化钠原液浓度大部分在30%以上，使用时需要进一步稀释，设计上可采用成品防腐蚀原液罐+稀释池的组合方式设计。可按pH值为7.0调节至pH值为7.5进行计算。建议在炭滤池进水、出水设置两个pH调节剂投加点。

新增深度处理工艺影响了现状生产管线，并带来了新的运行模式。

管道及附属构筑物的设计决定了工艺系统是否能合理运行。其主要改造原则是深度处理线和现状工艺线功能可以相互切换，正常运行。设置超越系统，根据相关水质情况，调整工艺路线[6]。例如超越主臭氧活性炭工艺时，现状常规处理管线及附属构筑物可以正常运行，拥有完善的相关附属设施，包括流量计、阀门、投加点等。

生产管线改造主要分为3个部分：前端预臭氧、砂滤池至深度处理构筑物、深度处理构筑物至清水池。前端预臭氧部分主要是保留现状管线，新增原水管至预臭氧接触池和预臭氧接触池至混合池的管线。砂滤池至深度处理构筑物、深度处理构筑物至清水池管线和上述管线类似，但通常老水厂砂滤池到清水池距离较近，管道改接时需仔细复核流量计的使用，若是利用现状流量计作为常规处理计量设施，需要复核管道碰口是否会对流量计的准确计量造成影响，必要时需对现状管线走向进行重新设计与调整。

改造工程多存在用地面积不足的问题，由此推荐采用提升泵房、后臭氧接触池、臭氧发生间、生物活性炭池、反冲洗泵房合建的设计形式(图2)。这种形式设计有几点优势：(1)节约用地，满足工程建设的现实条件；
(2)便于巡检，减轻运营人员工作的劳力消耗；
(3)臭氧发生间和后臭氧接触池的叠建简化了外循环冷却水的进出管路设计；
(4)减小了工程施工基坑开挖的面积；
(5)合建构筑物较分散构筑物的构造更规整美观。但同时合建形式需要合理规划臭氧发生系统的检修通道设计和防臭氧泄露设计。深圳某水厂深度处理工程中采用该模式设计，节地效果明显。此外，在必要的情况下，可以进一步结合清水池叠层(图3)、废水池组合等方式，设计构筑物综合体。表1为净水组合体设计案例。

图2 综合处理车间示意图Fig.2 Schematic Diagram of Comprehensive Treatment Workshop

图3 综合处理车间(清水池叠层)示意图Fig.3 Schematic Diagram of Comprehensive Treatment Workshop(Clear Water Tank Stack Layer)

表1 净水组合体设计案例Tab.1 Designed Case of Water Purification Combination

6.1 后置生物活性炭池

后置生物活性炭池带来了更多的检修需求，其检修主要是管廊中控制阀门和出水井中200目装置的检修。随着检修巡查平台的设计高度不一致，这两者的检修设计也有不同。设出水井标高与出水控制阀门底的高差为Δh，计算如式(4)。

Δh=(H1-h+Hg)-(H1-h1-h2-H-h3)

(4)

其中：Δh——出水井标高与出水阀门底的高差，m；

H1——炭滤池水位高，m；

h——炭滤池水损，m，可取1.7 m；

Hg——出水井超高，m，可取0.3 m；

h1——配水系统高度，m，可取1.0 m；

h2——承托层厚度，m，可取0.2 m；

H——滤料层厚度，m，可取2.5 m(2 m厚活性炭，0.5 m厚石英砂滤料)；

h3——炭滤层上水深，m，可取2.0 m。

以深圳某水厂深度处理工程(规模为20万m3/d)为例，出水井标高与出水阀门底的高差为4.3 m，随着管廊检修巡查平台标高的不同，检修空间也随之变化。由于目前出水井200目装置较为简单，仅能人工抽取检修，需合理设计检修巡查平台标高来满足检修人员的空间需求。以图4(a)为例，该检修巡查平台与出水井高差较大，需设置钢楼梯与出水井合理衔接。以图4(b)为例，该检修平台与出水井高差不大，但阀门与检修巡查平台高差较大，需设置环形检修吊车，方便阀门的检修和运输。

图4 后置活性炭池剖面图Fig.4 Profile of Post Activated Carbon Filter

6.2 臭氧发生间

《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)对臭氧发生间的要求有所调整，原《室外给水设计规范》(GB 50013—2006)9.9.19条：在设有臭氧发生器的建筑内，其用电设备必须采用防爆型。而《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)删除了该条要求，但强调必须做好机械通风、泄露监测和预警等设计。臭氧发生间需仔细按照《建筑设计防火规范》要求，对防火间距、安全疏散口、消火栓系统、灭火器配置做详细设计。另外，《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)规定，臭氧发生间生产的火灾危险性属于乙类；
甲、乙类生产场所(仓库)不应设置在地下或半地下。在设计过程中需注意臭氧发生间的竖向设计是否满足规范要求。

6.3 液氧站

《建筑设计防火规范》对液氧储罐有明确的要求：液氧储罐与建筑物、储罐、堆场等的防火间距应符合本规范第4.3.3条相应容积湿式氧气储罐防火间距的规定；
液氧储罐周围5 m范围内不应有可燃物和沥青路面等。

《氧气站设计规范》要求：液氧贮罐和输送设备的液体接口下方周围5 m范围内不应有可燃物，不应铺设沥青路面，在机动输送液氧设备下方的不燃材料地面不应小于车辆的全长；
液氧贮罐和汽化器的周围宜设围墙或栅栏，并应设明显的禁火标志；
采用液氧储罐或制氧机气源装置时，厂区应有满足液氧槽车通行、转弯和回车要求的道路和场地等。

设计中需注意液氧站附近的厂区道路不得加铺沥青，并做好加铺沥青路面和普通路面的设计衔接。另外建议设计液氧车专用回车路，以方便液氧的运输。

随着未来《生活饮用水卫生标准》的正式实施，城市供水安全和水质提升越来越重要，臭氧-生物活性炭工艺的普及度也会越来越高。本文通过对改造中各构筑物的水量负荷计算、废水回用设计、加药系统的改造、以及安全、检修与消防设计的分析，为今后的同类项目提供参考意见。主要结论及建议如下。

(1)改造工程中需要梳理各个构筑物的水量负荷，构筑物设计水量需结合预臭氧投加用增压水和臭氧发生器的外循环用水在工艺流程中不同的位置来确定。

(2)由于新增生物活性炭池废水水量较大，需充分考虑均匀回流的设计，计算回流比，校核相关水力设计。

(3)改造工程建设用地不足的问题可通过集约化设计等方式优化考虑。

(4)设计中需复核现状改造是否会对现有加药点带来影响，完善常规处理和常规深度处理两条工艺路线的功能，并根据水厂实际情况，增加pH调节措施。

(5)活性炭池需仔细考虑设备检修设计，臭氧发生间和液氧站的消防设计需根据最新国家规范要求执行，新设计标准对臭氧发生间的防爆设计做了调整。