強化常規(guī)與深度處理集成技術(shù)與應(yīng)用
1.項目簡介
為了改善上海的原水水質(zhì)，上海市實施了青草沙原水工程。上海市市區(qū)現(xiàn)有的大多數(shù)水廠將由黃浦江原水逐步切換為長江原水。長江原水水質(zhì)較黃浦江原水有明顯提高，但是經(jīng)過長江中下游后的水中含有多種濃度較高的特征污染物。多年以來，國家較多圍繞黃浦江原水開展相關(guān)的研究、設(shè)計和生產(chǎn)。但是，對于長江原水的相關(guān)研究和設(shè)計，數(shù)據(jù)資料和工作基礎(chǔ)比較欠缺。
為了達到工程安全、經(jīng)濟、可靠的目的，急需科研力量支撐相關(guān)的研究和優(yōu)化，為青草沙水源和黃浦江水源的深度處理最終工程方案以及高品質(zhì)飲用水處理的決策和設(shè)計提供工藝路線、運行參數(shù)等。
本項目密切結(jié)合上海市實施的給水工程項目，針對黃浦江水源水和青草沙水源水特征，通過研究和攻關(guān)，形成了臭氧活性炭安全與優(yōu)化集成技術(shù)、水廠水源切換適應(yīng)性優(yōu)化集成技術(shù)、高級氧化與精細過濾集成技術(shù)和凈水工藝技術(shù)經(jīng)濟性集成技術(shù)4項核心技術(shù)，解決了生物活性炭池出水生物安全控制、水源切換后運行優(yōu)化、有機物深度去除和投資與成本控制等難題，在去除有機物的同時，確保生物安全性和副產(chǎn)物安全性，顯著改善飲用水水質(zhì)，解決威脅人民健康的重大問題，提高大中型給水廠的技術(shù)水平，保障國際化大都市的供水安全可靠，維護社會和諧穩(wěn)定。成果對上海市以及國內(nèi)類似工程的設(shè)計和建設(shè)具有重要指導(dǎo)作用，保證工程設(shè)計的科學(xué)性和合理性，豐富并完善給水領(lǐng)域的理論體系和工藝技術(shù)，具有十分重要的科學(xué)價值和實用價值。
該項目關(guān)鍵技術(shù)成果總體技術(shù)達到國際先進水平。成果包括授權(quán)專利31項（發(fā)明授權(quán)9項）、論文30篇（SCI/EI收錄5篇）、主編國標(biāo)《室外給水設(shè)計標(biāo)準》（GB 50013-2018）8和住建部行標(biāo)《城鎮(zhèn)給水膜處理技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 251-2017）、《城鎮(zhèn)給水微污染水預(yù)處理技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 229-2015），示范應(yīng)用于上海、江蘇、山東等地，出廠水優(yōu)于國家標(biāo)準和地方標(biāo)準，有力提升了飲用水的安全技術(shù)水平，社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益顯著。
2.項目主要技術(shù)內(nèi)容
2.1創(chuàng)新點
?。?）系統(tǒng)構(gòu)建臭氧活性炭安全與優(yōu)化集成技術(shù)
針對不同原水特、、性，按新建工程和升級改造工程，形成臭氧活性炭為核心的前炭后砂與前砂后炭等組合工藝，提出炭池下設(shè)砂層、后置砂濾池、組合消毒等生物安全控制技術(shù)，提出臭氧投加優(yōu)化與硫酸銨投加技術(shù)，實現(xiàn)溴酸鹽安全控制在國標(biāo)限值50％。
基于大規(guī)模生產(chǎn)性調(diào)試，揭示了常規(guī)凈水工藝關(guān)鍵運行參數(shù)和影響因素，提出了新型混凝劑聚硫氯化鋁及加藥量，混凝劑用量同比減少50％，解決了出廠水鋁離子超標(biāo)難題。提出輸水與廠內(nèi)結(jié)合的多點氧化集成技術(shù)，解決了水庫水藻類控制難題。形成前后臭氧投加協(xié)同減量技術(shù)，降低了副產(chǎn)物風(fēng)險，減少了臭氧成本。沉淀池排泥周期延長至2天，降低了水耗。
基于各單元協(xié)同機理，提出了AOP集成工藝及O3/UV－BAC－UF組合工藝，形成臭氧活性炭－膜組合工藝，并應(yīng)用于優(yōu)質(zhì)飲用水工程，出水水質(zhì)優(yōu)于《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準》（CJ94-2005）。
（4）系統(tǒng)提出凈水工藝技術(shù)經(jīng)濟性集成技術(shù)
基于對新建工程和升級改造工程的流程分類，提出典型工藝流程下的不同規(guī)模的水廠噸水建設(shè)成本，新建一次提升的強化常規(guī)+臭氧活性炭流程比中間提升流程總投資分別節(jié)省123～136元/m3（10～30萬m3/d）及99～111元/m3（30～50萬m3/d）。揭示了不同原水水廠運行成本存在差異的主要因素為混凝劑、液氧及臭氧制備車間用電成本，黃浦江原水水廠三者合計比青草沙原水水廠高60％以上。
2.2應(yīng)用情況
成果已示范和推廣應(yīng)用于上海、青島、蘇州、常州等地，出廠水水質(zhì)穩(wěn)定達到國家標(biāo)準和地方標(biāo)準，生物安全性、口感等提升明顯。
上向流活性炭集成工藝成果應(yīng)用于南水北調(diào)長江水的鄭州柿圓水廠（32萬m3/d），出廠水符合國家標(biāo)準，其中濁度小于0.5NTU，CODMn小于1.5mg/L。
下向流活性炭集成工藝成果應(yīng)用于上海奉賢第三水廠（30萬m3/d），預(yù)臭氧0.5～0.8mg/L，后臭氧0.8～1.2mg/L。采用深度處理集約化技術(shù)，工程投資與同類傳統(tǒng)技術(shù)相比節(jié)省510萬元。出廠水符合國家標(biāo)準和地方標(biāo)準，其中濁度小于0.2NTU，CODMn小于2.5mg/L，氨氮小于0.35mg/L。推廣于吳中新水廠二期工程（40萬m3/d）、新車墩水廠工程（20萬m3/d）、奉賢第一水廠工程（10萬m3/d）、常州魏村水廠深度處理改造工程（70萬m3/d）、蘇州工業(yè)園區(qū)星港街水廠二期深度處理升級改造工程（30萬m3/d）等。
水源切換優(yōu)化技術(shù)成果應(yīng)用于楊樹浦水廠（140萬m3/d，包括36萬m3/d的7#臭氧活性炭工藝），切換水源后的CODMn、氨氮明顯降低，去除率分別提高20％和50％。臭氧活性炭工藝出水三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三鹵甲烷等均明顯降低。出廠水符合國家標(biāo)準，其中濁度均值低于0.14NTU，氨氮均值低于0.32mg/L，CODMn均值低于1.4mg/L。推廣于南市水廠改造一期工程（50萬m3/d）和南市水廠改造二期工程（20萬m3/d）等。
臭氧活性炭和膜組合技術(shù)應(yīng)用于青島白沙河水廠深度處理工程，CODMn去除率20～30％，NH3-N去除率35～45％(水溫高于12.5℃)，超濾膜出水濁度≤0.1 NTU，兩蟲去除率≥6 log。組合工藝正推廣應(yīng)用于臨港自貿(mào)區(qū)水廠（20萬m3/d）。
O3/UV－BAC－UF組合工藝示范應(yīng)用后，出水優(yōu)于行標(biāo)《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準》CJ94-2005，其中濁度0.1NTU，色度5，三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷平均去除率96％以上，CODMn和UV254去除率分別79％和89％。
項目牽頭單位上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司聯(lián)合上海市政工程設(shè)計科學(xué)研究所有限公司、上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司。
上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司是國內(nèi)市政給排水領(lǐng)域大型綜合設(shè)計單位，2008年獲得首批國家工程設(shè)計綜合資質(zhì)甲級證書，在給水工程、排水工程、水環(huán)境等領(lǐng)域擁有豐富的設(shè)計經(jīng)驗，近年完成了我國規(guī)模最大的浸沒式超濾膜項目寧波桃源水廠（50萬m3/d）、我國規(guī)模最大的壓力式超濾膜項目廣州北部水廠工程的膜工程（60萬m3/d）和全球高原地區(qū)規(guī)模最大的地表水廠拉薩市納金水廠（40萬m3/d）等一批重點工程。主持主編了《室外給水工程設(shè)計標(biāo)準》GB 50013-2018、《室外排水工程設(shè)計標(biāo)準》GB 50014-2021、《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》（GB 51222-2017）、《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174-2017）、《城鎮(zhèn)給水膜處理技術(shù)規(guī)程》CJJ/T 251-2017等給水排水領(lǐng)域主要的國家和行業(yè)標(biāo)準。王如華團隊牽頭完成本項目的各項成果，對4個創(chuàng)新點進行研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計和工程示范等，主編了國家及住建部行業(yè)標(biāo)準共3項，主編了專著2部，獲得授權(quán)發(fā)明專利《一種上向流活性炭濾池》（ZL 201310410158.1-1）等，并發(fā)表論文《Comparison of microbial community shifts in two parallel multi-step drinking water treatment processes》、《深度處理工藝的系統(tǒng)選擇研究》等，并將成果實現(xiàn)工程示范和推廣應(yīng)用。上海市政工程設(shè)計科學(xué)研究所有限公司和上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司分別參與對“AOP集成工藝及O3/UV－BAC－UF組合工藝”和““上向流活性炭濾池””進行研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計等，并將該成果實現(xiàn)工程示范和推廣應(yīng)用。
主要完成人為王如華、許嘉炯、張碩、芮旻、王晏、王健、洪景濤、陸彬、王非宇、張晏晏、張東波、任中佳。
1.項目簡介
為了改善上海的原水水質(zhì)，上海市實施了青草沙原水工程。上海市市區(qū)現(xiàn)有的大多數(shù)水廠將由黃浦江原水逐步切換為長江原水。長江原水水質(zhì)較黃浦江原水有明顯提高，但是經(jīng)過長江中下游后的水中含有多種濃度較高的特征污染物。多年以來，國家較多圍繞黃浦江原水開展相關(guān)的研究、設(shè)計和生產(chǎn)。但是，對于長江原水的相關(guān)研究和設(shè)計，數(shù)據(jù)資料和工作基礎(chǔ)比較欠缺。
為了達到工程安全、經(jīng)濟、可靠的目的，急需科研力量支撐相關(guān)的研究和優(yōu)化，為青草沙水源和黃浦江水源的深度處理最終工程方案以及高品質(zhì)飲用水處理的決策和設(shè)計提供工藝路線、運行參數(shù)等。
本項目密切結(jié)合上海市實施的給水工程項目，針對黃浦江水源水和青草沙水源水特征，通過研究和攻關(guān)，形成了臭氧活性炭安全與優(yōu)化集成技術(shù)、水廠水源切換適應(yīng)性優(yōu)化集成技術(shù)、高級氧化與精細過濾集成技術(shù)和凈水工藝技術(shù)經(jīng)濟性集成技術(shù)4項核心技術(shù)，解決了生物活性炭池出水生物安全控制、水源切換后運行優(yōu)化、有機物深度去除和投資與成本控制等難題，在去除有機物的同時，確保生物安全性和副產(chǎn)物安全性，顯著改善飲用水水質(zhì)，解決威脅人民健康的重大問題，提高大中型給水廠的技術(shù)水平，保障國際化大都市的供水安全可靠，維護社會和諧穩(wěn)定。成果對上海市以及國內(nèi)類似工程的設(shè)計和建設(shè)具有重要指導(dǎo)作用，保證工程設(shè)計的科學(xué)性和合理性，豐富并完善給水領(lǐng)域的理論體系和工藝技術(shù)，具有十分重要的科學(xué)價值和實用價值。
該項目關(guān)鍵技術(shù)成果總體技術(shù)達到國際先進水平。成果包括授權(quán)專利31項（發(fā)明授權(quán)9項）、論文30篇（SCI/EI收錄5篇）、主編國標(biāo)《室外給水設(shè)計標(biāo)準》（GB 50013-2018）8和住建部行標(biāo)《城鎮(zhèn)給水膜處理技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 251-2017）、《城鎮(zhèn)給水微污染水預(yù)處理技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 229-2015），示范應(yīng)用于上海、江蘇、山東等地，出廠水優(yōu)于國家標(biāo)準和地方標(biāo)準，有力提升了飲用水的安全技術(shù)水平，社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益顯著。
2.項目主要技術(shù)內(nèi)容
2.1創(chuàng)新點
?。?）系統(tǒng)構(gòu)建臭氧活性炭安全與優(yōu)化集成技術(shù)
針對不同原水特、、性，按新建工程和升級改造工程，形成臭氧活性炭為核心的前炭后砂與前砂后炭等組合工藝，提出炭池下設(shè)砂層、后置砂濾池、組合消毒等生物安全控制技術(shù)，提出臭氧投加優(yōu)化與硫酸銨投加技術(shù)，實現(xiàn)溴酸鹽安全控制在國標(biāo)限值50％。
圖1 炭池上向流與下向流去除CODMn對比（同一南水北調(diào)中線原水）
圖2 炭砂濾池濾速對CODMn影響
（2）形成水廠水源切換適應(yīng)性優(yōu)化集成技術(shù)基于大規(guī)模生產(chǎn)性調(diào)試，揭示了常規(guī)凈水工藝關(guān)鍵運行參數(shù)和影響因素，提出了新型混凝劑聚硫氯化鋁及加藥量，混凝劑用量同比減少50％，解決了出廠水鋁離子超標(biāo)難題。提出輸水與廠內(nèi)結(jié)合的多點氧化集成技術(shù)，解決了水庫水藻類控制難題。形成前后臭氧投加協(xié)同減量技術(shù)，降低了副產(chǎn)物風(fēng)險，減少了臭氧成本。沉淀池排泥周期延長至2天，降低了水耗。
圖3 高速澄清池水流速度分布
（3）創(chuàng)立高級氧化與精細過濾集成技術(shù)基于各單元協(xié)同機理，提出了AOP集成工藝及O3/UV－BAC－UF組合工藝，形成臭氧活性炭－膜組合工藝，并應(yīng)用于優(yōu)質(zhì)飲用水工程，出水水質(zhì)優(yōu)于《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準》（CJ94-2005）。
表1 O3/UV－BAC－UF組合工藝出水
基于對新建工程和升級改造工程的流程分類，提出典型工藝流程下的不同規(guī)模的水廠噸水建設(shè)成本，新建一次提升的強化常規(guī)+臭氧活性炭流程比中間提升流程總投資分別節(jié)省123～136元/m3（10～30萬m3/d）及99～111元/m3（30～50萬m3/d）。揭示了不同原水水廠運行成本存在差異的主要因素為混凝劑、液氧及臭氧制備車間用電成本，黃浦江原水水廠三者合計比青草沙原水水廠高60％以上。
表2 10萬m3/d水廠的藥劑和臭氧成本（萬元/年）
成果已示范和推廣應(yīng)用于上海、青島、蘇州、常州等地，出廠水水質(zhì)穩(wěn)定達到國家標(biāo)準和地方標(biāo)準，生物安全性、口感等提升明顯。
上向流活性炭集成工藝成果應(yīng)用于南水北調(diào)長江水的鄭州柿圓水廠（32萬m3/d），出廠水符合國家標(biāo)準，其中濁度小于0.5NTU，CODMn小于1.5mg/L。
下向流活性炭集成工藝成果應(yīng)用于上海奉賢第三水廠（30萬m3/d），預(yù)臭氧0.5～0.8mg/L，后臭氧0.8～1.2mg/L。采用深度處理集約化技術(shù)，工程投資與同類傳統(tǒng)技術(shù)相比節(jié)省510萬元。出廠水符合國家標(biāo)準和地方標(biāo)準，其中濁度小于0.2NTU，CODMn小于2.5mg/L，氨氮小于0.35mg/L。推廣于吳中新水廠二期工程（40萬m3/d）、新車墩水廠工程（20萬m3/d）、奉賢第一水廠工程（10萬m3/d）、常州魏村水廠深度處理改造工程（70萬m3/d）、蘇州工業(yè)園區(qū)星港街水廠二期深度處理升級改造工程（30萬m3/d）等。
水源切換優(yōu)化技術(shù)成果應(yīng)用于楊樹浦水廠（140萬m3/d，包括36萬m3/d的7#臭氧活性炭工藝），切換水源后的CODMn、氨氮明顯降低，去除率分別提高20％和50％。臭氧活性炭工藝出水三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三鹵甲烷等均明顯降低。出廠水符合國家標(biāo)準，其中濁度均值低于0.14NTU，氨氮均值低于0.32mg/L，CODMn均值低于1.4mg/L。推廣于南市水廠改造一期工程（50萬m3/d）和南市水廠改造二期工程（20萬m3/d）等。
臭氧活性炭和膜組合技術(shù)應(yīng)用于青島白沙河水廠深度處理工程，CODMn去除率20～30％，NH3-N去除率35～45％(水溫高于12.5℃)，超濾膜出水濁度≤0.1 NTU，兩蟲去除率≥6 log。組合工藝正推廣應(yīng)用于臨港自貿(mào)區(qū)水廠（20萬m3/d）。
O3/UV－BAC－UF組合工藝示范應(yīng)用后，出水優(yōu)于行標(biāo)《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準》CJ94-2005，其中濁度0.1NTU，色度5，三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷平均去除率96％以上，CODMn和UV254去除率分別79％和89％。
圖4 鄭州柿圓水廠的上向流炭池
圖5 楊樹浦水廠的高速澄清池
圖6 青島白沙河水廠炭濾池的管廊
圖7 青島白沙河水廠膜車間
2.3經(jīng)濟、社會效益 項目成果的應(yīng)用對象水廠為社會提供公共服務(wù)，凝練出若干集成技術(shù)，已應(yīng)用于上海、青島、蘇州、常州等地。主編國家標(biāo)準《室外給水設(shè)計標(biāo)準》GB50015-2018及行業(yè)標(biāo)準《城鎮(zhèn)給水膜處理技術(shù)規(guī)程》CJJ/T251-2017和《城鎮(zhèn)給水微污染水預(yù)處理技術(shù)規(guī)程》CJJ/T 229-2015等，出版著作2部《凈水廠設(shè)計》（第二版）和《給水排水設(shè)計手冊——城鎮(zhèn)給水》(第三版)，有力推動了行業(yè)技術(shù)水平，培養(yǎng)該領(lǐng)域的學(xué)科帶頭人，在實現(xiàn)項目建設(shè)、保障供水安全、提升資源集約等方面產(chǎn)生顯著的社會、環(huán)境效益，帶動了水力、化工、材料等學(xué)科的交叉研究和應(yīng)用，提升了企業(yè)自主創(chuàng)新能力、技術(shù)設(shè)備集成化水平和在國內(nèi)外的核心競爭力。
圖8 主編的國家標(biāo)準
圖9 主編的行業(yè)標(biāo)準
圖10 主編的行業(yè)名著
3.主要完成單位及完成人項目牽頭單位上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司聯(lián)合上海市政工程設(shè)計科學(xué)研究所有限公司、上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司。
上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司是國內(nèi)市政給排水領(lǐng)域大型綜合設(shè)計單位，2008年獲得首批國家工程設(shè)計綜合資質(zhì)甲級證書，在給水工程、排水工程、水環(huán)境等領(lǐng)域擁有豐富的設(shè)計經(jīng)驗，近年完成了我國規(guī)模最大的浸沒式超濾膜項目寧波桃源水廠（50萬m3/d）、我國規(guī)模最大的壓力式超濾膜項目廣州北部水廠工程的膜工程（60萬m3/d）和全球高原地區(qū)規(guī)模最大的地表水廠拉薩市納金水廠（40萬m3/d）等一批重點工程。主持主編了《室外給水工程設(shè)計標(biāo)準》GB 50013-2018、《室外排水工程設(shè)計標(biāo)準》GB 50014-2021、《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》（GB 51222-2017）、《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174-2017）、《城鎮(zhèn)給水膜處理技術(shù)規(guī)程》CJJ/T 251-2017等給水排水領(lǐng)域主要的國家和行業(yè)標(biāo)準。王如華團隊牽頭完成本項目的各項成果，對4個創(chuàng)新點進行研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計和工程示范等，主編了國家及住建部行業(yè)標(biāo)準共3項，主編了專著2部，獲得授權(quán)發(fā)明專利《一種上向流活性炭濾池》（ZL 201310410158.1-1）等，并發(fā)表論文《Comparison of microbial community shifts in two parallel multi-step drinking water treatment processes》、《深度處理工藝的系統(tǒng)選擇研究》等，并將成果實現(xiàn)工程示范和推廣應(yīng)用。上海市政工程設(shè)計科學(xué)研究所有限公司和上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司分別參與對“AOP集成工藝及O3/UV－BAC－UF組合工藝”和““上向流活性炭濾池””進行研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計等，并將該成果實現(xiàn)工程示范和推廣應(yīng)用。
主要完成人為王如華、許嘉炯、張碩、芮旻、王晏、王健、洪景濤、陸彬、王非宇、張晏晏、張東波、任中佳。
