《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)将砷浓度限值由0.05mg/L提高至0.01mg/L,使得不少城镇地下水厂存在砷超标风险。同时,地下水源中的砷往往与铁、锰等污染物共存,但不少水厂仅针对除铁或除锰需求建设了相关处理构筑物。本项目针对郑州地区黄河侧渗地下水中砷、铁、锰等超标问题,以郑州市地下水厂现有生产工艺为基础,开发了“基于现行曝气—接触过滤除铁锰工艺的强化除砷技术”,并成功应用于大型集中式供水厂,形成了技术可靠、经济成本最优的除砷技术。

　　 郑州市市区供水水源主要来源于黄河引水工程地表水和黄河侧渗地下水,其中地下水源供水量约占30%。D水厂于1998年9月18日开始建设,以黄河侧渗地下水为水源,水源地分布在沿黄河大堤内外约84km²的范围内,2000年5月25日并网投产,设计规模为20万m³/d。近年来,通过对原水井群监测发现,该水厂水源井水质呈现砷、铁、锰等指标逐渐升高趋势,出厂水砷含量存在超标风险。根据历年检测数据资料统计,D水厂原水相关指标见表1。

　　 D水厂原有处理工艺为典型的地下水除铁锰工艺,原水经1.3m跌水堰进行第一次氧化,再经进水小虹吸出口处跌水堰进行第二次充分氧化,然后进入滤池,过滤去除水中二价铁、锰、细菌和杂质,使出厂水达标。由于该工艺中没有设立针对于砷指标的处理单元,原水中的铁和锰在滤料表面形成的氧化物对砷的氧化作用不充分,As(III)不能完全转化为易于去除的As(V),砷去除率仅为20%左右,除砷能力相对较低,出厂水砷含量指标存在超标风险。D水厂原有生产工艺流程如图1所示。

　　 本项目以郑州市地下水厂现有的生产工艺为基础,开发了“基于现行曝气—接触过滤除铁锰工艺的强化除砷技术(OG—FMBO)”,主要机理是:在原水中加入适量的铁盐和锰盐,三氯化铁絮体和二氧化锰絮体通过耦合形成稳定的铁锰复合氧化物附着在滤料表面,其中锰盐的存在使得吸附剂具有较强的氧化能力,能有效地将As(III)氧化为更具亲和力的As(V),从而提高As(III)的去除效果;同时,还原溶解过程中在吸附材料表面形成了新的活性吸附位,有助于氧化生成的As(V)的去除;此外,生成的溶解性锰部分吸附在吸附剂的表面,使吸附剂表面的吸附性增加,进而促进对带负电的As(V)离子的吸附,提高砷的去除效果。

　　 新增除砷技术主要是在原有处理工艺的基础上增设加药系统,向跌水曝气混合池内投加三氯化铁和高锰酸盐,在提高砷去除的同时强化铁、锰、浊度的去除。综合考虑土建、运行成本及大规模应用管理成本等因素,针对D水厂工艺改造的重点是在保留现有铁、锰处理工艺的基础上,新增铁锰复合药剂投加系统。D水厂工程改造后工艺处理流程见图2。

　　 新增加药间的加药系统分为三氯化铁投加系统与高锰酸盐投加系统,两系统同在一个加药间,车间占地面积185 m²,单层建筑。混合方式采用跌水(水跃)混合。内设三氯化铁溶解池2格(总容积11.25m³),三氯化铁溶液池2格(总容积30 m³),高锰酸盐溶解池2格(总容积30 m³),加药设备隔膜计量泵2台。根据对进水流量、水质的测定,在曝气池内通过隔膜计量泵抽取适量溶解池中含量均为2%的三氯化铁、高锰酸钾溶液进行滴加。经中试、生产性试验验证和计算,药剂投加量以三氯化铁0.91g(固体)/m³、高锰酸钾0.09g(固体)/m³为宜。加药间平面布置、剖面分别见图3、图4。

　　 三氯化铁与高锰酸盐溶解池均设有液位计,高液位时停止进水,并做声光报警;低液位时切换相应药剂溶解池出药管道开关阀;低于低液位时,关闭加药泵电机,并做声光报警。加药泵采用变频泵,泵后管线设置流量计,实时监测加药量;加药流量根据滤池进水流量信号,按比例调节控制。车间控制室显示信息包括:三氯化铁溶解池液位指示,高锰酸盐溶解池液位指示,各个溶解池出药开关阀阀位指示,滤池进水流量指示,三氯化铁和高锰酸盐加药流量指示,各个加药泵运行指示,滤池进、出水砷含量指示,水厂出水砷含量指示。

　　 D水厂强化除砷工程改造后经连续运行,进、出厂水砷含量变化如图5所示。

　　 从图5中可以看出,D水厂原水进水砷含量较高,砷含量变化幅度较大,投加铁锰复合药剂后,出厂水砷含量受进厂水影响波动较小。连续投加铁锰复合氧化物后,复合氧化物逐渐负载在石英砂表层,使滤池表现出较强的抗冲击负荷能力,在不同进水砷含量情况下,出水砷稳定在7μg/L左右^[2] 。

　　 为对强化除砷加药效果进行对比,同时取加药滤池出水和未加药滤池出水检测砷浓度,计算砷去除率,结果见图6。

　　 从图6中可以看出,D水厂现有滤池砷去除能力差,砷去除率在20%~40%。投加铁锰复合药剂后,砷去除率明显提高,砷去除率在50%~70%,较现有滤池出水除砷能力提高约30%。

　　 D水厂强化除砷工艺改造后运行期间,滤池进、出厂水铁、锰变化如图7、图8所示。

　　 从图7、图8中可以看出,原水铁、锰含量较高,且原水中铁波动范围较大。工程改造后,通过连续投加铁锰复合氧化物,滤池增强了抗冲击负荷的能力,同时投加铁锰复合氧化物之后在滤池内形成了微絮凝作用,强化了滤池除铁、除锰的效果,出水铁、锰满足国标要求。

　　 降低浊度不仅可以满足感官性状要求,而且对限制水中的细菌、病毒和其他有害物质的含量也具有重要意义。D水厂投加药剂运行期间,滤池进、出水浊度变化如图9所示。

　　 从图9可以看出,由于D水厂原水为黄河侧渗地下水,进厂水浊度较低,投加铁锰复合药剂后,滤池出水浊度稳定在0.05~0.15NTU,出厂水浊度满足国标要求。

　　 D水厂工程改造后,运行成本的增加主要是药剂成本。铁锰复合药剂成本以FeCl₃20元/kg、KMnO₄72元/kg计,投加量以FeCl₃0.91g/m³、KMnO₄0.09g/m³计,药剂成本增加约0.025元/m³。对于20万m³/d的水厂日运行成本增加约0.5万元,年药剂成本约182.5万元。

　　 (1)D水厂工程改造后,通过投加适量的铁锰复合药剂,对砷、铁、锰均有明显的去除作用,砷去除率较原有处理工艺提高约30%,出厂水砷含量稳定在7μg/L左右。滤池出水浊度稳定在0.05~0.15NTU。

　　 (2)工程改造后运行成本增加约为0.025元/m³,水厂日处理成本增加约为0.50万元。