北京市南水北调配套水厂工艺运行分析与适应性评价——北京市政总院 张炯
张炯
（北京市市政工程设计
研究总院有限公司）
0 前言
南水北调中线工程的实施，对于解决北京市的水资源短缺、提高供水保证率、改善水环境以及保证经济社会可持续发展具有重要意义。2008年，南水北调中线京石段应急水源供水工程实现了从河北省岗南、王快、西大洋、黄壁庄4座水库调水入京，本着“多水源互相补充，地表水地下水联调，充分发挥现有设施能力，设施挖潜改造与设施新建相结合”的供水设施建设原则，北京市自来水集团公司提出了南水北调配套工程建设目标，实施了对第九水厂、第三水厂、田村山水厂3座水厂的改造，同时建设团城湖至第九水厂输水管线。随着工程的完工，北京市中心城自来水厂供水能力增加64万m3/d，进一步提高了北京市的供水保障能力。
由于3座水厂建设初期水源水质、工艺技术条件不同，采用的处理工艺也有差别，改造过程充分利用了现有设施，因此，改造完成后亦形成了不同的处理工艺。作为南水北调配套水厂，对各水厂进出水水质及各处理单元的实际运行效果进行分析，考察不同处理工艺在不同水源水质条件下的适应性，具有重要意义。
1 水源条件
北京市南水北调配套工程北京市区内水厂主要的地表水水源有：丹江口水库、河北四库、密云水库。
1.1南水北调丹江口水库水源
根据对丹江口水库水质调查结果的分析，丹江口水库水质具有以下特点：原水水质大多数指标符合《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅱ类标准，但部分时期总氮指标为V类标准，陶岔水库BOD5、CODMn超出Ⅲ类标准。有机物含量较低，基本达到Ⅱ类水体标准。南水北调中线工程对供水水质的承诺为Ⅱ类，但原水经过约1200km明渠及北京段长度约80km暗涵长距离输送到团城湖，途径700多座村庄和横跨各种大小桥梁，有可能遭到污染，甚至是突发性水污染，水质情况具有很大不确定性。主要问题有：原水长距离输送可能引起水质变化，有机物综合指标存在上升的可能性，水处理工艺需要提供足够的水质安全余量；应充分做好原水浊度增高的准备；需要重视藻类的去除；原水经长距离输水后总氮升高及有机氮向无机氮转化是水处理工艺面临的潜在问题；长距离明渠输水可能出现水体污染或突发事故，包括有毒有害合成有机物的污染、致病微生物的侵入等，应有应急措施；水源切换后可能引起配水管网化学稳定性的破坏，净水工艺中需考虑相关水质调节措施。
1.2河北四大水库水源
河北省四大水库，分别为黄壁庄水库、岗南水库、王快水库和西大洋水库，位于石家庄以北，为南水北调京石段供水水源之一，距北京约300km，每年可调水量3亿～4亿m3，合80万～90万m3/d。在南水北调干渠检修或枯水期时，引用河北省四大水库来水，也将是可选方案之一。
河北四大水库原水有机物含量较低。溶解氧、氨氮、生化需氧量大部分指标符合《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）Ⅰ类标准；总氮污染比较严重，平均值为2.5mg/L，总氮超出Ⅴ类标准（总氮指标Ⅴ类：2.0mg/L）；化学需氧量最高19.5mg/L，高锰酸钾指数最高4.88mg/L，均超出Ⅱ类标准。藻类高时接近270万个/L量级，存在一定的富营养化问题。
1.3密云水库水源
密云水库水质绝大多数指标如氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、硫酸盐、氯化物、铁、砷、汞、挥发酚、氰化物、铬、CODCr、BOD5，均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅰ类水域标准；CODMn、总磷指标达Ⅰ～Ⅱ类；溶解氧一般大于7.5mg/L，饱和度大于75%，达Ⅰ～Ⅱ类标准。其水质检测指标符合《地面水环境质量标准》（GB3838-2002）中的Ⅱ类水域相关指标。但由于近几年的水位持续下降，导致藻类浓度和不易沉淀的悬浮物增加，根据第九水厂原水水质监测数据，1998年藻类最大浓度为210.0万个/L、平均浓度为68.2万个/L，到2003年藻类最大浓度增加到814.0万个/L、平均浓度增加到401.2万个/L，近年高藻期藻的含量达到1000万个/L以上。
综上所述，上述3个水源水质特征为：冬季低温低浊；夏季可能出现较高藻类、有机物、色臭味；主要控制指标为浊度、藻类、臭味、微生物、消毒副产物、有机物，同时考虑管网的生物稳定性及化学稳定性。潜在风险包括长距离输水，微量有机物污染、微生物迁移的风险；突发性原水污染的可能；水源切换为河北四库水时的低碱度、高硫酸盐问题。
2 出水水质目标
2006年，GB5749-2006），新国标总检测项目达到了106项，增加了对有机污染物和农药的检测项目、对消毒副产物的检测项目和对原虫类病毒体的检测项目，并对浊度、耗氧量和粪大肠菌群等关键指标值有了更严格的要求。此外，《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》对于未来水质标准提出了更高的要求，北京市南水北调配套水厂出水水质按一级目标执行，即出厂水浊度≤0.3NTU，耗氧量≤2mg/L，贾第鞭毛虫和隐孢子虫均＜1个/L。这些标准都对净水工艺控制微污染有机物、微生物的能力提出了更为严格的要求，在常规工艺基础上增加预处理和深度处理工艺显得更为必要。
3 水厂工艺改造概况
3.1第九水厂
北京市第九水厂从1987年开始分三期建设，2002年基本完成建设任务，总处理规模为150万m3/d。第九水厂通过密云水库山底隧洞重力流取水，并在取水口设有氯、高锰酸钾和粉末活性炭等投加设施。水库原水经过近75km的密闭管道重力流进水厂，经过混凝、沉淀、过滤及颗粒活性炭吸附后进入清水池。水厂一期工艺为：机械搅拌澄清池—煤砂双层虹吸滤池—活性炭吸附池，设计处理能力为50万m3/d；二、三期原设计工艺为机械搅拌混合池—波形板絮凝池—侧向流波形板沉淀池—无烟煤气水反冲滤池—活性炭吸附池，设计处理能力各为50万m3/d；其中二期絮凝沉淀部分在2005年和2007年分两次改为Actiflo微砂沉淀池工艺，水处理能力由50万m3/d提高到66万m3/d，水厂总处理规模增加到166万m3/d。水厂各期工艺参数见表1。
3.2第三水厂
北京市第三水厂总设计规模为40万m3/d。水厂新建地表水工艺规模为15万m3/d，改造原有地下水工艺规模25万m3/d。新建地表水采用的工艺流程为：预臭氧接触池—高密度沉淀池—V型滤池—臭氧接触池—生物活性炭吸附池—清水池。主要工艺参数：预氧化采用预氯化和预臭氧两种方式，预氯化采用次氯酸钠溶液，商品纯度10%，投加量为5～15mg/L；预臭氧采用水射器投加，投加量为1.0～1.5 mg/L；高密度澄清池分为4个系列，上升流速为4.16mm/s，铝盐投加量30～40mg/L，PAM投加量0.1mg/L；V型滤池分为6格，设计滤速为7.95m/h，滤料采用单层均质石英砂滤料，d10=1.0 mm，K80≤1.2，厚度1.2m；臭氧接触池三段布气，布气量比为2∶1∶1，接触时间15.8min，投加量1～2.5 mg/L；活性炭吸附池分为6格，接触时间为12min，设计空床滤速9.84 m/h，滤料为颗粒状活性炭，d=15mm，h=2.0～3.0mm，炭滤层厚度2.0m。
3.3田村山水厂
田村山水厂总处理能力为34万m3/d，由原有工艺和新建工艺组成。田村山水厂原有工艺设计规模为17万m3/d，建成于1985年，原水取自团城湖，进入团城湖的水主要来自密云水库和怀柔水库。设计工艺流程为：团城湖取水泵站—混合井—机械搅拌澄清池—虹吸滤池—臭氧接触池—生物活性炭吸附池—清水池。主要工艺参数：混凝剂采用三氯化铁（商品38％），投加量平均为17mg/L；机械搅拌澄清池4座，上升流速为1.37mm/s；虹吸滤池4组，滤速为7.5m/h；臭氧接触池4组，臭氧投加量为0.1mg/L，接触时间为10min；生物活性炭吸附池4组，接触时间9min，炭层厚度1.5m。
田村山水厂新建工艺是在利用燕化田村水厂常规工艺基础上建成的。燕化田村水厂总设计规模为34万m3/d，是专为燕山石化总厂供水的工业用水水厂，2004年后燕化总厂用水由张坊应急供水工程供给，燕化田村水厂开始处于热备用状态。改造工程中对燕化田村水厂和田村山水厂进行了改扩建，恢复燕化田村水厂17万m3/d的常规处理能力，并在田村山水厂扩建了17万m3/d规模的深度处理工艺，通过两座水厂的整合，形成17万m3/d的常规+深度处理工艺。燕化田村水厂处理工艺为：隔板絮凝池—同向流斜板沉淀池—虹吸滤池—清水池，主要工艺参数：隔板絮凝池4组，混凝剂采用聚氯化铝，投加量平均为11mg/L，停留时间20min；同向流斜板沉淀池4组，表面负荷50m3/（m2·h）；虹吸滤池4组，设计滤速12m/h。田村山水厂新建工艺包括V型滤池、臭氧接触池、生物活性炭吸附池等，主要工艺参数：混合井投加聚氯化铝进行微絮凝，投加量平均为15mg/L；V型滤池8格，滤速8.44m/h，滤料为无烟煤，滤层厚度1.5m；臭氧接触池臭氧投加量为0.1mg/L，接触时间12min；生物活性炭吸附池8格，接触时间12min，流速10m/h，炭层厚度2m。
4 运行效果分析
各水厂处理单元进出水水质及净化效果如表2所示。
4.1澄清工艺分析
北京市目前使用的澄清工艺包括机械搅拌澄清池、Actiflo微砂沉淀池、高密度沉淀池等。根据上述3座水厂的实际运行情况，在进水浊度较低（≤5NTU）时，各澄清工艺出水浊度都在1.5NTU以下，其中以机械搅拌澄清池的浊度去除率最高，接近70%，高密度沉淀池次之，为60%左右，Actiflo微砂沉淀池对浊度的去除效果相对较差，为45%。从有机物的去除效率来看，在进水CODMn小于3mg/L的条件下，采取预氧化的高密度沉淀池工艺对CODMn的去除效果最好，去除率达60%，机械搅拌澄清池对CODMn的去除率为30%～44.4%，Actiflo微砂沉淀池较低，为20%。
实际运行结果表明，机械搅拌澄清池在各项出水水质方面都具有较好的处理效果，Actiflo微砂沉淀池和高密度沉淀池处理负荷相对较高，絮凝时间较短，能够节约占地面积，并且能够适应水质的剧烈变化，因此在水厂改造或用地条件有限时，Actiflo微砂沉淀和高密度沉淀池可以作为选择方案之一。
4.2过滤工艺
北京市目前使用的过滤工艺包括煤砂虹吸滤池、快滤池、V型滤池等，由于原水水质较好，滤池进水浊度一般在1NTU以下，因此各过滤工艺出水浊度都较低。第九水厂一期煤砂滤料虹吸滤池和二期无烟煤气水反冲快滤池出水浊度一般在0.15～0.40NTU，平均分别为0.2NTU和0.25NTU，浊度去除率约为75%；第三水厂和田村山水厂新建工艺V型滤池出水平均浊度为0.35NTU和0.23NTU，浊度去除率分别为63%和45%。从有机物的去除效率来看，在进水CODMn小于3mg/L的条件下，过滤工艺对CODMn的去除效率较低，第九水厂一期煤砂滤料虹吸滤池和二期无烟煤气水反冲快滤池及第三水厂V型滤池的去除率一般为10%~15%；田村山水厂新建工艺V型滤池对CODMn的去除效果较好，平均为51%，这可能是由于田村山水厂新建工艺水源为张坊地下水，而其他工艺均为地表水，水质条件不同导致去除率差异较大。
4.3深度处理
在深度处理方面，北京市目前使用的工艺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机物。第九水厂采用的深度处理工艺为活性炭吸附池。从实际运行效果分析，在进水CODMn为2mg/L以下时，一期平均活性炭吸附池出水CODMn为0.8～1.4mg/L，去除率为12%左右。二期活性炭吸附池出水CODMn为0.6～1.6mg/L，平均去除率为16%左右，略高于一期活性炭吸附池。北京市第三水厂和田村山水厂原有、新建工艺采用的深度处理工艺为臭氧—生物活性炭吸附池，出水CODMn分别为0.40～1.20mg/L、0.18～0.93mg/L（原有工艺）、0.28～0.43mg/L（新建工艺），平均去除率分别为20%、52%和31.5%。可见，生物活性炭吸附池前增加臭氧氧化工艺，及增加生物活性炭吸附池的生物作用有利于提高对有机物的去除效果。
5 水厂工艺多水源适应性分析
从目前3座水厂的运行情况来看，在原水为河北四库水、密云水库水、地下水等水质条件下，现有工艺出水水质均较好，可以满足水质标准要求。但各个工艺之间出水水质存在差别，对于不同的水质条件，其工艺适应性也有所不同，同时，南水北调丹江口水库来水存在一些不确定性因素，因此有必要比较各工艺的处理效果，并分析丹江口水库水质特点和风险，为工艺的选择提供参考。
5.1预处理
预处理工艺一般采用预氧化、粉末活性炭吸附等。从北京市第三水厂预氧化工艺的处理效果来看，预氯化、预臭氧对进水藻类的去除率达76%，去除效果良好。此外，预氧化对于水中有机物的去除、臭味去除、混凝效果的改善都具有一定的作用，也可以用于突发性原水污染的应急处理。粉末活性炭投加工艺作为应急处理技术之一，主要用于应对臭味、有机污染等问题。考虑到南水北调长距离输水的风险，水厂工艺中设预处理工艺是有必要的。
5.2澄清
北京市目前使用的澄清工艺包括机械搅拌澄清池、Actiflo微砂沉淀池、高密度沉淀池等。各工艺技术特征对比见表3。
从对第九水厂二期、第三水厂和田村山水厂混凝沉淀工艺的实际运行效果来看，上述三种澄清工艺都能满足实际运行要求，机械搅拌澄清池处理效果较好，同时具有运行管理简单，运行经验丰富、适应性强、设备少、投资低等优点。从丹江口水库水质条件来看，基本达到Ⅱ类水体标准，优于现况水源水质，机械搅拌澄清池可以满足未来多水源水质条件。因此，在水厂占地不受限制的情况下可优先考虑。高密度澄清池、微砂循环澄清池处理负荷相对较高，絮凝时间较短，能够节约占地面积，在实际运行中能够适应水质的剧烈变化，因此在水厂改造或限于用地条件情况下，可以作为选择方案。总之，澄清工艺选择应结合水厂用地等实际情况综合确定。
5.3过滤
过滤单元是出厂水浊度达标的关键保障环节。随着技术的发展，目前用于给水厂的过滤主要包括传统过滤和超滤膜技术。根据上述北京市三个水厂的运行经验和对国内现有滤池调研分析发现：气/水反冲滤池冲洗效果明显优于单独水冲洗滤池，与传统过滤相比，超滤膜具有出水浊度在0.1NTU以下，稳定可靠，几乎截留100%微生物，可有效去除贾第鞭毛虫、隐孢子虫，出水微生物安全性大大提高等特点。因此，在过滤工艺上，可采用气/水反冲洗滤池或超滤膜工艺。在气水反冲洗滤池中，V形滤池具有池深浅，构造简单，出水水质满足要求，国内采用最多，工程造价低的特点，因此在气水反冲洗滤池中，推荐V形滤池。
5.4深度处理
仅采用常规处理工艺对解决水源水质污染等问题存在一定的局限性，采用深度处理工艺相对于常规水处理工艺具有明显的优势。目前北京市水厂采用的深度处理工艺有活性炭吸附池和臭氧-生物活性炭吸附池，根据北京第三水厂和田村山水厂改造工程的实际运行效果，臭氧-生物活性炭吸附池可以发挥臭氧氧化和活性炭吸附的协同作用，对于有机物的去除效果更好，因此可优先采用。
深度处理工艺中还需要注意的是活性炭吸附池的池型选择问题。在北京第三水厂和田村山水厂改造工程中活性炭吸附池选型采用V型滤池，在实际运行中出现了反冲洗结束V型槽进水后，炭面高低不平整的现象。这一现象在实际运行中会造成炭层低（薄）的地方，局部水流阻力小，停留时间小于设计值，进而影响出水水质。分析其原因，主要有以下两点：
首先，V型滤池从两侧的V形槽以侧堰的形式进水，而普通快滤池是从洗砂排水槽进水，洗砂排水槽两边的侧堰长度是V形槽的4～5倍，V型滤池由于堰长较短，单位堰长流量负荷大，进水对滤床的冲击性大。
其次，颗粒活性炭质量较轻，容易被冲动。反冲洗后滤料着床时间长，是砂滤料的好几倍。反冲洗后，炭料尚未着床，容易被冲动，造成炭面不平整。
因此，针对质量较轻的吸附材料，在池型选择中应选择过堰流量负荷较低的丰字形滤池或者翻板阀滤池。
6 结论
综上所述，北京市第九水厂一、二期及第三水厂、田村山水厂改造后的处理构筑物及设备运行正常。在原水为河北四库水、密云水库水、张坊地下水等水质条件下，对浊度、CODMn等去除效果均较好，出水水质满足要求。南水北调中线工程对供水水质的承诺为Ⅱ类，据此可以认为，北京市第九水厂一、二期及第三水厂、田村山水厂经改造后可以适应南水北调水源水质。在新建水厂工艺选择和现有其他水厂升级改造过程中，应充分考虑南水北调长距离输水过程中的水质特点和水质风险及多水源切换对工艺适应性的要求，坚持工艺技术适度超前的原则，采取多级屏障策略，保障首都供水安全和水质发展目标的实现。
参考文献略。
本文发表于《给水排水》杂志2014年11期。
本文内容仅为作者观点，不代表本刊观点；《给水排水》杂志官方微信一直致力于为业内人士提供各种专业技术、资讯、要闻等内容，欢迎关注并分享。
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