白洋东淀微污染盐碱地区优质供水工程示范

张 玥，尹文超，李建业，张 超，薛晓宁

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

白洋淀是华北平原唯一的天然湖泊，有“华北之肾”之称[1]。白洋淀及周边区域，位于引黄入冀补淀受水区，该地区苦咸水广泛分布，属于典型的微污染盐碱地区。地区地表水资源匮乏，地下水超采严重，同时，地势低洼导致盐碱地质。地区水质表现为浅层地下水主要存在有机物和大肠菌群超标问题，深层地下水主要存在氟离子、大肠菌群和铅等重金属超标问题，这些污染物的存在导致地区水质安全存在较大风险，且饮用水口感非常差。

饮水安全是人民群众最关心，也是最迫切需要解决的问题。长期饮用受地质条件影响和工业污染的饮用水，已成为影响人群健康、可持续发展和社会稳定的潜在风险因素。并且，随着社会和经济的发展，人们对于生活品质的追求也在不断提高。《“健康中国2030”规划纲要》中明确指出，推进饮用水水源地达标建设，强化地下水管理和保护，为饮用水安全保障战略奠定了重要基础[2]。项目区康养、文旅、居住等高端业态对区域安全供水、健康供水需求较高，安全供给优质饮用水是关系周边人口健康的大问题，也是亟须解决的问题。优质饮用水目前国际健康标准主要包括以下几个方面[3]：1)不含危害人体健康的物理性、化学性和生物性污染；2)含有适量有益的矿物质(如钾、钙、镁等)；3)含有适量溶解氧(6 mg/L左右)与碳酸根离子；4)水pH呈弱碱性；5)硬度适宜(50～200 mg/L)；6)水分子团集团小，易于人体细胞吸收、利用；7)水的渗透力、溶解力、代谢力、乳化力等生理功能强。

在此背景下，如何针对微污染盐碱地区水质污染特点，为该地区人民提供优质饮用水是亟待解决的重要命题。

1 项目概况

项目区位于淀区东侧，属海河流域，为河流堆积地貌，处于华北平原相对低下部位，平坦开阔。项目规划占地面积约为6.33 km2，建设用地面积约为2.38 km2，分为旅游接待区、五星酒店区、葡萄酒庄区、生态农庄区、森林度假区、田园度假区、乡村运动区及水系观光区八大功能板块。建成后的项目区为一座集休闲度假、观光、商务活动、生态养生等功能于一体，以休闲文化、生态文化、田园文化为特色的高端度假区。

园区所在地可利用水源有地表水、浅层地下水、深层地下水3种水源。其中地表水资源量很少，由于上游的拦截及多年的干旱和地下水的超采，处于常年的干涸状态，水量十分紧张。且地表水质为IV类水。从数量和质量上讲，地表水资源不能作为建设项目的可靠水源；浅层地下水处于浅部发育淡水的咸水区，水质较差，也不能作为生活用水；根据项目区附近一眼浅层监测井水质资料分析，浅层地下水pH值为7.7，总硬度为766 mg/L，溶解性总固体为1 960 mg/L。水化学类型为重碳酸钙镁钠型水。溶解性总固体、总硬度等多项指标超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的水质要求，不能满足项目用水要求；深层地下水水量较丰富，项目所在地区内工农业及生活用水井主要利用此层水。深层地下水化学类型为重碳酸盐钙镁钠型水，矿化度均小于1 g/L。

根据项目开发强度与分期建设需求，优质饮用水供给在开发初期主要供水范围为酒店岛区域与酒堡区域(图1)。其中，酒店岛供水系统服务5处区域与建筑，酒堡供水系统服务8处区域与建筑。

图1 酒店岛与酒堡位置图Fig.1 Location of Hotel Island and Chateau

2 现状水质分析

深层地下水是当地居民唯一可选择的饮用水水源，但深层地下水普遍是高氟水，给当地居民饮水安全带来威胁，且口感差，无法满足项目区高端业态的需求。依据2016年的水质监测资料，该地区99%的深层地下水(220～500 m)氟化物含量大于1.0 mg/L，其中60%的深层地下水氟化物含量为1.0～2.0 mg/L。高氟地下水的关键水化学特征:pH值为7.7～8.7、总碱度高于211 mg/L。高氟水严重影响了居民的身体健康，致使居民患氟斑牙、佝偻病等病症。对项目区内自备井水进行水质监测，其中近期取水拟利用现有深层井位，井位分布如图2所示。

图2 近期取水拟利用井位分布图Fig.2 Distribution of Well Locations for Recent Available Water Intakes

对项目区部分自备井水进行水质检测，超标的水质指标如表1所示，可见主要超标项目为铅、氟化物、铁、铜绿假单胞菌及粪链球菌。

表1 项目区自备井水水质超标指标Tab.1 Water Quality Index of Exceeding Standards for Self-Provided Wells in the Project Area

饮用水口感是一项综合性指标，受水中多项指标的综合影响，主要包括以下几种指标：pH、总硬度、溶解性总固体、氯化物、硫酸盐、碳酸盐、重碳酸盐等。低pH会有苦金属味，而高pH会有湿滑口感[4]；硬度较高会产生苦涩味[5]；溶解性总固体、氯化物、硫酸盐较高均会产生咸味；适量碳酸根的存在，会具有清爽可口的味道。

项目区自备井水口感相关性指标如表2所示。可见项目区自备井水pH值均在7.5以上，其中3个测试样品pH值在8.3以上，偏碱性。对于硬度指标，部分井水硬度在100 mg/L以上，其中井3水质硬度较高，为321 mg/L，溶解性总固体为398～741 mg/L，5组样品高于500 mg/L。氯化物指标，4个样品为100 mg/L以上，其中两个样品指标较高，分别为189 mg/L和192 mg/L。硫酸盐和碳酸盐指标总体处于较低水平。重碳酸盐为258～326 mg/L。

表2 项目区自备井水口感相关性指标Tab.2 Related Indexes of Water Taste of Self-Provided Wells in the Project Area

3 现状供水系统

现状取水方式为地下水直供使用，通过水泵直接泵取地下水至原水箱，无过滤沉淀装置直接供至终端。而供水管道、水箱选材均为不锈钢材质，且缺乏除砂装置，导致不锈钢管内泥沙冲刷严重，大大加速了不锈钢材质的腐蚀速率。现场调研发现，多数管道、水箱壁已经出现严重的锈蚀情况，锈渣、泥沙等沉积在水箱中，肉眼可见水箱大半水质为红褐色。锈蚀物中通常含有大量的铁、铅、锌和各种细菌及藻类，当管道内水流速度、方向或水压发生突变时，就会造成短时间的水质恶化，出现铁、锰、色度、浑浊度和细菌等指标值的大幅度上升。且地下水原水中氟化物、粪链球菌等超标，未经处理后直供，不利于用户用水安全健康。

此外，现状水处理机房预留空间不足，亟需高效集成设备组合。项目净水设备机房选址为原有建筑机房，由于前期设计局限，该机房预留空间有限，酒店净水机房可用高度不足3.1 m，酒堡净水机房可用高度不足3 m。而所需供水范围较大，常规净水工艺设备选型远不能实现在如此狭小空间内实现全部净化流程。迫切需要根据现场条件研究、设计高效的净水组合流程和集成设备，在有限空间内实现高效安全供水。

4 水处理工艺分析

目前，国内对于微咸水利用的研究，多集中于淡化后应用于农业灌溉，而针对净化后用于饮用的研究相对较少，未普遍推广。目前微咸水淡化常用技术主要包括蒸馏法、电渗析法、反渗透法、冷冻法、超滤、纳滤等[6]，单项技术均有不同程度的应用局限。蒸馏法操作简便，但能耗高，易形成垢物；电渗析法工艺简单，但对进水水质要求高，出水口感差；反渗透与纳滤净化效果好，但浓水难处理，膜寿命低;冷冻法冰水混合物处理困难。总体来看，在当前主流的单项处理工艺条件下，处理后的水质无法达到优质饮用水的要求。因此，亟须探索研究高效组合工艺针对性解决水质问题。

根据水源井水质污染情况及优质饮用水的供水需求，提出如下工艺组合。

工艺组合一：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接触双滤料过滤器→活性炭过滤→中间水箱→RO给水泵→RO保安过滤器→RO高压泵→RO装置→RO产水箱→消毒→恒压变频供水。

工艺组合二：旋流除砂器→原水箱→原水泵→接触双滤料过滤器→除氟过滤器→活性炭过滤→软化→保安过滤器→超滤→产水箱→消毒→恒压变频供水。

对两组水处理工艺组合在技术、占地、投资等方面进行对比，如表3所示。

表3 供水组合工艺优缺点对比Tab.3 Comparison of Advantages and Disadvantages of Combined Processes of Water Supply

根据水源特点，本着技术先进、自动化程度高、减少占地面积、减少废水量、节约投资成本的理念，选用工艺组合二，工艺流程如图3所示。工艺组合二各处理单元作用如下。

图3 工艺组合二Fig.3 Combined Process II

(1)旋流除砂器：项目水源为井水，可能会存在少量的泥沙，设置旋流除砂器分离大部分泥沙，在水处理机房内井水入管后设置旋流除砂器，经旋流除砂器分离的清水再入原水箱，分离出的砂积存在沙坑内，定期清理，既可降低水中的悬浮物，也可保护后续设备的正常工作。

(2)原水箱、原水泵：原水箱用于协调供水与水处理系统用水的平衡，配有水位控制装置；同时原水箱可作为初级预沉池，沉淀水中的大颗粒泥沙。原水泵为后续设备工作提供动力。

(3)接触双滤料过滤器：由于原水泥沙较多，初滤装置可以选择接触双滤料过滤器(适用于浑浊度<50 NTU)，可以在保障水质的条件下减少工艺流程。滤料采用无烟煤、石英砂，可有效地去除水中的泥沙。

(4)除氟过滤器：采用专用除氟过滤器进行处理，内置除氟滤料，吸附水中的氟离子，经处理后的水氟离子含量<1 mg/L。除氟过滤器需要定期用酸碱进行再生，且再生时间较长，再生酸碱废液不易处理。

(5)活性炭吸附器：内装活性炭，用来吸附水中的有机物、铅、铁等重金属，同时改善水质口感。

(6)软化器：内装阳离子软化树脂，用来交换水中的钙镁离子，降低原水硬度。

(7)保安过滤器：利用其中安装的微滤膜进一步去除水中的微粒、活性炭粉末、残余的微细颗粒，使不利于超滤的因素降到最低。

(8)超滤：将颗粒物、胶体、大分子与小分子物质分离，还可以过滤去除大部分细菌和各种病毒。粪链球菌在0.5 μm以上，可以采用超滤(过滤精度为0.02 μm)去除，经超滤过滤后，可满足标准要求。

(9)消毒：采用余氯消毒(成品次氯酸钠)和紫外消毒(AOT设备)并行方式，灭菌效率高，运行效果稳定，运行能耗低，安装维护简便，消毒后复活可能性低。次氯酸钠投加点为原水箱进水端、超滤装置进水端、生活供水泵的后端管路。投加药量按《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)规定的管网末梢余氯≥0.05 mg/L，且出厂水中限值为4 mg/L。AOT设备分别在生活供水泵、中水供水泵、灌溉供水泵的后端管路。

设计出水水质口感相关指标(pH、总硬度、溶解性总固体、氯化物、硫酸盐、碳酸盐、重碳酸盐)满足《饮用净水水质标准》(CJ 94—2005)，其余指标满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。

5 设计规模与实施

5.1 设计规模

对于酒店岛区域，最高用水量为1 005 m3/d，设计产水量为1 206 m3/d，设计工作时间为20 h，60 m3/h。供水压力为0.55 MPa。

酒堡区域服务8个片区建筑生活饮用水，由于分期建设，近期给水处理系统服务建筑1～7，总设计需水量为555.6 m3/d，处理设计工作时间为20 h，设计产水量为28 m3/h。远期建设的建筑8安装独立给水处理设备，总设计蓄水量按300 m3/d计算，处理设计工作时间为20 h，设计产水量为15 m3/h。

5.2 工艺设计实施

生活水箱至中液位，启动原水泵，开始制水，同时启动pH调节蠕动泵(至pH探头检测值为5.5～6时停止)，原水依次流经双滤料过滤器、除氟过滤器、活性炭过滤器、软化器、保安过滤器、UF单元，产水入生活水箱，启动加氯消毒蠕动泵；生活水箱高液位或原水箱低液位，停原水泵，停止制水，停加氯消毒蠕动泵；加氯消毒发生器设备自动运行，以药箱液位控制自动启停。用水点用水需求，启动供水泵组，进行变频供水；生活水箱低液位，停止供水。

(1)恒压恒流

处理后水通过变频恒压供水系统输送至使用点，由于酒店用水存在周期性、使用时间不集中、使用量不稳定，设置缓冲罐，供水泵采用变频控制，实现管网恒压、恒流。

(2)水箱分格

容积较大水箱均分格处理，分隔成容积相等，能独立运行的2格或2座(独立的进出水、溢流并做连通管)。避免水箱清洗时对使用造成影响，同时集约体积。

(3)管材选用

与自备给水井连接的给水管采用UPVC塑料管。经机房二次加压供水管道采用UPVC塑料管。超滤单元内部工艺管路采用316L不锈钢管材，其他部分工艺管路均采用UPVC塑料管。

6 结语

本文针对微污染盐碱地区饮用水水源特点，以实际工程为例，进行水处理工艺组合的优选。项目区主要以深层地下水为饮用水原水，而通过水质检测发现，深层地下水存在氟化物、铅、铁、铜绿假单胞菌及粪链球菌超标等问题，氯化物、溶解性总固体、硬度值虽未超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)，但相对于《饮用净水水质标准》(CJ 94—2005)来说，存在超标情况，而这3种物质均会对饮用水口感造成影响。在水量方面，由于供水服务区域为酒店、酒堡等，用水存在明显周期性，对工艺组合的选择提出了更高的要求。同时，项目净水机房存在空间局促，高度不足的情况，如何组合工艺，优选设备也提出了考验。通过水质、水量、空间上的问题识别，提出了旋流除砂器→原水箱→原水泵→接触双滤料过滤器→除氟过滤器→活性炭过滤→软化→保安过滤器→超滤→产水箱→消毒→恒压变频供水的组合工艺。该工艺不仅可以有效去除超标污染物，而且产水回收率高、投资少、系统简单、占地面积集约、自动化程度高。该项目的研究分析可为类似微污染盐碱地区优质饮用水供给提供可借鉴的经验。