水厂视界 | 国内较大规模高硝酸盐水源水厂水质提升工程
栖霞市西城水厂水质提升工程
栖霞市西城水厂水质提升工程是栖霞市自来水公司基于水源水硝酸盐含量偏高、现有处理工艺无法有效去除硝酸盐的现状而建设的强化硝酸盐去除、提升水厂出水水质的民生工程。该工程由栖霞市自来水公司作为建设主体，在栖霞市政府、栖霞市住房和规划建设局、栖霞市市政工程公司、江苏河清海晏环境有限公司等单位的大力支持下，针对现有除硝酸盐技术进行充分对比和现场中试试验验证的基础上，采用河海大学开发的“硝酸盐选择性离子交换复合深度处理+再生废液安全处置关键技术”，利用4个月时间完成建设，于2020年3月建成通水，工程总规模1.5万m3/d，是我国较大规模的针对硝酸盐强化去除的集中式供水工程。通过该工程应用，显著提升了水厂处理出水水质、保障了当地居民用水安全。
前期针对水源水质特征的调研分析发现西城水厂水源水质整体较好，基本满足地表水环境质量标准Ⅱ类水要求，但存在周期性的硝酸盐污染问题。水源水中的硝酸盐主要来源于强降雨过程中水源地周边丘陵的直接渗流及汇流所形成的河流入流，其硝酸盐含量水平与强降雨所形成的径流量直接相关，且之后会在微生物的降解、转化作用下而呈现降低的趋势。此外，伴随着硝酸盐含量升高，水源水中的有机物含量也呈现一定程度的升高，其中有部分需要控制的微量有机物。针对高硝酸盐水源水，国内水厂一般采用由超滤+反渗透组成的“双膜法”进行处理，但在实际应用中存在建设成本高、运行成本高、废水产率高且难以安全处置等方面的问题。相比较而言，河海大学开发的“硝酸盐选择性离子交换复合深度处理+再生废液安全处置关键技术”可以针对性地去除水中多余的硝酸盐，且利用耐盐反硝化细菌可以针对再生废液安全处置并予以回用，实现水厂经济、高效、安全地去除硝酸盐的目标。
为更好地比选硝酸盐去除技术，在现场针对反渗透和离子交换工艺技术进行了为期半年的中试对比研究，明确了离子交换工艺用于西城水厂的效能及优势，并通过多轮专家论证，确定了最终的工程技术方案。工程投入运行后，进行了为期一年的跟踪监测和工艺评估，监测结果表明，水厂出厂水稳定达标，其中硝酸盐稳定在2~3mg/L、CODMn稳定在1.5mg/L以内，处理成本稳定在0.3~0.4元/m3，且实现了高含盐再生废液的循环利用，无高含盐废水外排。
该技术建设成本为800~1200元/（m3/d），运行成本根据实际去除需求可控制0.5元/m3以内，无高含盐废水排放，且自动化运行。与双膜法相比，该工艺极大降低了投资和运行成本、简化了操作管理、规避了高含盐废水的排放，避免了对环境的负面影响。
该水质提升工程在水厂现有常规处理工艺基础上，以滤后水作为原水，引入新的处理系统进行处理，其工艺流程如下图所示。
（1）硝酸盐选择性离子交换复合深度处理装置
基本组成：复合交换吸附柱5座，尺寸为Φ3000×7500mm，内部设置了硝酸盐选择性离子交换树脂+优选的高效、高稳定性颗粒活性炭，并设置30cm石英砂垫层。5座复合交换吸附柱并联运行，再生周期控制在5~7d。
主要作用：强化水中硝酸盐、CODMn以及微量有机物去除，并进一步降低浑浊度。
（2）再生系统
基本组成：再生液储池+再生液泵送系统，再生液储池6.8m×6.8m×3.5m，可满足每天再生一个离子交换吸附柱的要求。
主要作用：针对饱和树脂进行再生处理，恢复其交换能力。
（3）再生废液安全处置及回用装置
基本组成：主要由2组再生废液安全处置装置+1组杂质清除装置串联组成，尺寸分别为Φ3000×5000mm，Φ3000×5000mm，Φ3000×4000mm。此外设置再生废液池2座，尺寸均为6.8m×6.8m×2.5m。
主要作用：用来收集再生废液，并去除再生废液中的硝酸盐、满足回用于再生液的要求后，回流至再生液储池予以回用。
（1）新型硝酸盐选择性离子交换树脂的选用。选用新型的硝酸盐选择性离子交换树脂，在规避了其它阴离子竞争同时，具有较高的交换容量，出水硝酸盐稳定在2mg/L以内。
2）改进了树脂再生工艺。在传统单一再生模式基础上，改进了树脂的再生方式，开发了复合再生工艺，显著提升了再生效率， 在长达15个月的使用时间内，树脂交换容量没有降低，确保了处理系统的稳定运行。
3）增设了再生废液安全处置装置、实现了再生废液的“零排放”。采用河海大学研发的耐盐反硝化特异性微生物制剂，实现了再生废液中硝酸盐的高效去除，确保再生废液全部回用，避免了再生废液的排放，实现了硝酸盐去除过程再生废液的“零排放”。
4）复合了活性炭吸附深度处理，显著提升出水水质。优选高容量、强稳定性的颗粒活性炭，在确保硝酸盐去除效果的同时，实现了有机物的长期稳定去除，进一步提升了水厂出水水质。相关检测结果表明，处理出水不仅满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的指标要求，并优于目前国内发达省市制定的地标要求。
5）采用高品质材质、确保出水水质安全。处理系统全部采用食品级316L不锈钢材质，充分保障出水水质。
6）启用灵活、快速响应。根据实际水质需要，可随时启、停处理系统，在满足净水要求的同时，可节约运行成本。
7）自动化程度高。采用全自动运行控制模式，可根据设定程序自动运行，无需明显的人力操作。
8）工艺衔接性良好。现有工程预留了超滤工艺的场地及配套土建设施，可根据需要增设超滤系统，进一步提升处理水质。
河海大学特殊水质原水处理研究组源于现代水处理技术研究所，由河海大学的教授/博士生导师、博士后、博士生、硕士及优秀本科生等组成，在校人员总数稳定在25人左右。课题组秉承“明德知新、格物致用”的研究宗旨，以实际应用为导向，在明确科学问题、作用机理基础上，开发实用关键技术，切实推进研发成果在实际工程中的转化，以实际行动将“论文写在祖国的大地上”。目前涉及研究方向主要包括：城市饮用水安全保障、城镇污水深度处理、特殊水质地下水处理、海绵城市关键环节改进、特种行业工业用水及废水处理和水环境改善等方面。已形成包括水中硬度去除技术及装备、饮用水除硝酸盐技术及装备、水厂失效生物活性炭更换及再生技术、污水复合滤层深床过滤关键技术及装置、磁性树脂处理关键技术等在内的10余项关键技术与装备，申请并获得授权发明专利45项。相关研究成果在国内50余处实际工程中获得应用，并先后获江苏省科技进步奖、教育部科技进步奖、淮河科技奖等科技奖励。欢迎水处理相关领域的企业、科研机构及专家、学者交流、合作！
供稿人：河海大学环境学院教授，刘成
编辑：孙丽华
排版：马骏驰
校对：万梓薇