省产学研申请书 2批 饮用水深度处理关键技术及工程示范.docx

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省产学研申请书2批饮用水深度处理关键技术及工程示范

2009年省部产学研项目

专题一三四：

食品安全加工技术及设备（专题编号：

0920）

饮用水深度处理关键技术及工程示范

1．立项依据

1.1目的意义

由于近年来地表水源污染普遍日益严重，污染物的种类日益增多，水质性水荒已经出现。

而另一方面水质标准的不断提高，对现有水质净化技术提出了严峻的挑战。

提高水质、保障城市安全供水可持续发展已成为现代城市亟待解决的问题。

国家环境保护部部长周生贤在第十一届全国人大常委会第六次会议上作报告时称，饮用水水源水质安全依然面临威胁。

全国七大水系中，劣V类水质断面超过五分之一。

国家重点监控的28个湖库中，部分湖库和河流水华频繁发生，甚至影响到周边群众的饮水安全。

对几种式饮用水水源地的水质调查显示，有四分之一左右的水源地存在污染超标现象。

为保证饮用水安全，国家将严格按照水污染防治法的规定，科学划分饮用水水源保护区；实行最严格的保护措施，加大保障饮用水安全相关规划的实施力度。

我国给水处理厂大多仍采用20世纪初形成的混凝、沉淀、过滤和加氯消毒的常规工艺。

这种工艺是建立在有合格水源的基础上，以去除浊度和细菌为主要目标，对有机物去除能力很低。

但是随着水源水中有机物种类及数量的增加以及供水水质标准的提高，传统的常规工艺已经不能保障饮用水的安全、卫生。

这就使得供水行业迫切需要先进、高效的饮用水安全保障技术。

目前，安全饮用水性问题主要表现在以下两个方面：

（1）常规工艺处理能力不足。

水中有机物、藻类等污染物导致铝盐、铁盐絮凝剂处理效果不佳，生成絮体速度慢，产生的絮体细小，沉速低，沉后水浊度偏高。

地表水中有机物种类可多达上百种，浓度水平较低，经常在μg/L级，传统的常规净水工艺对对有机物的平均去除率为30％。

当突发水污染事故时，常规水处理工艺根本不能保证污染物的去除。

很多专家学者提出了在常规处理之外增设预处理或者深度处理工艺的做法。

（2）消毒工艺不能保证生物学安全。

单独氯消毒对高抵抗性病原微生物，如隐孢子虫和贾滴虫的灭活能力有限。

对于采用单一氯消毒的给水处理厂来说，既要保证对高抵抗性病原微生物“两虫”的灭活效果，又要保持较低的出水DBP水平几乎无法实现。

对于目前有机物去除能力低下的常规工艺来说，若采用大投量氯消毒势必造成DBP含量大幅升高，造成新的危害，形成矛盾的局面。

DBP生产后如何消除也是亟待解决的问题。

完善各个深度处理技术是目前的研究热点之一，这方面已经开展了大量的研究工作。

但饮用水污染物种类繁多，情况复杂，单一的深度处理技术并不能全面保证水质，组合工艺更具有实际意义。

虽然各种深度处理技术在作用范围上界限明显，但它们功能又有重叠部分。

在组合工艺中如何能发挥各个单元的优势，又能避免过度处理，降低不必要的能耗，即开展深度处理关键技术集成优化方面的研究具有重要的实用价值。

本项目计划针对饮用水深度处理关键技术开展集成优化研究。

研究催化氧化－活性炭工艺、紫外催化氯消毒工艺与超滤膜工艺的优化组合。

课题研究将形成可保障饮用水安全先进实用、高效经济的深度处理集成技术和工艺，建立中试示范基地。

该技术在佛山水业集团公司下属水厂进行实施，将产生适合北江流域内各水厂的实用技术参数，可作为应急技术储备，对经济高效提高北江流域饮用水安全性具有实际意义。

1.2国内外概况

国家“十五”重大科技专项（863）“安全饮用水保障技术专题”以保障饮用水水质安全为目标，研究开发关键性的系列水处理技术。

该课题分为三个子课题，针对南方、北方以及太湖流域不同的水质特点，即低浊、高藻、微污染等，制定了不同的处理工艺路线。

研究出了若干特殊水污染情况的专项技术或满足不同需要的除微污染技术（张金松，2007；王志良等，2007）。

该课题主要针对受有机污染水源的处理关键技术。

在组织形式上均由自来水公司为牵头单位，与研究、设计等技术骨干单位组成课题组，使课题的工程示范和技术成果向生产力的转化有了可靠的保证。

从水源水质改善、水厂高效处理和安全输配三个环节进行了研究和技术开发，一定程度上形成了适合不同地区饮用水安全保障的技术体系，同时建设有示范工程，且水厂规模都在20万m3/d以上，改变了以往重研究轻应用的局面（安东，乐林生，2006）。

该课题在保障饮用水安全的关键技术上的有了一定的进展，但其实施地主要在北方、太湖流域及南方深圳，研究成果并不适用于北江流域。

常规的混凝沉淀处理仍然是控制污染的重要方法。

强化混凝工艺，挖掘水厂处理能力是保障饮用水安全的有效手段。

现有混凝剂主要包括铁、铝盐及其聚合物，有机高分子絮凝剂等。

这些絮凝剂主要针对浊度的去除，对有机污染物、重金属效果较差。

强化混凝是提高水质的较经济、实用的一种工艺，强化混凝与传统混凝相比，DOC去除率从29%提高到43%，BDOC去除率从30%提高到38%。

美国的法规协调咨询委员会已经要求美国环境保护局把强化混凝法列为在DD/BP条例第一实施阶段控制有机污染物的最佳方法（JamesKetal.,1999）。

佛水水业集团公司以及在其下属水厂开展了强化混凝研究并开发了系列快速反应絮凝剂，该絮凝剂可以提高混凝反应速度和提高有机物去除率，基本解决了源水水质季节性变化产生的混凝困难问题。

但在源水污染日趋复杂和严重，饮用水水质标准不断提高的现实情况下，单纯采用强化混凝的方法并不能确保饮用水安全，研发经济实用的饮用水深度处理技术势在必行。

臭氧氧化是常用的深度处理技术。

随着技术水平提高和造价降低，臭氧－活性炭（O3－BAC）工艺在小型水处理厂得到一定应用。

但臭氧对水中农药、卤代有机物、硝基化合物等高稳定性有机污染物氧化效率较低低，例如，臭氧对莠去津等常用的除草剂氧化分解率仅为5-15%。

很多高稳定性有机污染物也难于被生物降解，因而生物处理也难以去除水中的有害农药等稳定性有机污染物。

活性炭对低浓度的稳定性有机污染物吸附容量有限，吸附饱和后即出现解吸现象，影响饮用水水质。

臭氧催化氧化能够大大提高臭氧氧化有机物效率，特别是难处理的有机农药等。

将臭氧催化氧化与活性炭组合，发展新型的O3－BAC组合工艺，对控制饮用水中高稳定有机物水平有重要意义。

我国水厂普遍采用氯消毒，但单纯氯消毒已经不能满足优质饮水标准对灭活高抗性病源微生物和控制消毒副产物的双重需求。

如果通过大幅增加氯投量来提高杀菌效果，势必导致出水消毒副产物含量升高。

对于单一采用氯消毒的给水处理常来说，既要保证对高抵抗性病原微生物的灭活效果，又要保持较低的出水消毒副产物水平几乎无法实现，形成矛盾的局面。

国家“十五”重大科技专项（863）“安全饮用水保障技术专题”进行了氯转氯胺顺序消毒技术研究，但对灭活高抵抗性病原微生物效果不佳。

课题组在前期研究发现，在紫外光作用下，氯消毒过程表现出强烈的协同增效作用。

在一级消毒段，即紫外光与氯同时作用阶段，可将消毒效率提高2－3倍（Liuetal.,2004;Shangetal.,2007）；在二级消毒段，即紫外光照射后，使氯或氯胺灭活MS2病毒的效率提高2－5倍。

在国家自然科学基金青年基金“固体颗粒对回用水消毒效果的影响特性及对策研究”的研究过程中发现，紫外光催化氯消毒能够有效破坏悬浮颗粒对病菌的保护，减轻消毒“拖尾”现象，并可以抑制单独紫外消毒后的细菌光复活（Liuetal.,2008）。

该技术已经在南方某医院医疗废水处理工艺改造中得到成功应用，解决了大肠杆菌排放超标问题。

近年来膜法水处理技术在欧美等国受到了高度重视，特别是在受污染的水源水处理、消毒副产物的控制等方面被美国环保局推荐为最佳技术之一，膜技术被誉为21世纪的水处理技术。

超滤技术的利用在逐年增加，更多的制造厂家和销售商加入进来，促进了这项技术的价格竞争和技术进步，美国、法国、英国、日本、澳大利亚、南非和荷兰都己相继建立了生产性的超滤净水厂。

膜过滤技术近几年的应用增长迅速，这是由于膜过滤技术操作简单，工艺参数己熟知，严格的水质标准引发的膜市场扩大，高通量、低污染膜的发展以及膜价格的下降。

开展超滤膜与常规饮用水处理工艺，以及深度处理工艺优化组合的研究，研究超滤膜对臭氧、活性炭、高级消毒等深度处理单元出水剩余污染物的处理效果及最优组合工艺，可作为饮用水深度处理工艺应对水质恶化的技术储备，在保障饮用水安全方面具有战略意义。

参考文献：

张金松（2007）南方安全饮用水保障技术与策略.建筑科技,Z2:

21-23

王志良等（2007）安全饮用水保障处理中试平台的开发和建设.污染防治技术，20

（1）

安东,乐林生（2006）太湖流域安全饮用水保障技术示范工程-上海市杨树浦水厂新建常规处理部分.给水排水,32（7）:

27-29

JamesK,IdawaldJ,obiasonET（1999）Enhancedecoagulation:

usrequirementsandabroaderview[J]，Wat.Sei.Teeh.,1999,40（9）:

63-70

ShangC,CheungLKandLiuW（2007）SynergybetweenUVIrradiationandFreeChlorine/MonochloramineinInactivationofMS2Coliphage.EnvironEngrgSci.（accepted）

LiuW,CheungLMandShangC（2004）SynergyinInactivationofMS2ColiphagefromUVandChlorine/ChloramineExposure.AmericanWaterWorksAssociationWaterQualityTechnologyConferenceandExposition（WQTC）.AmericanWaterWorksAssociation,SanAntonio,Texas,November14-18,2004.

LiuW,LiangYong-mei,GeJie-ju（2008）SequentialdisinfectionofreusedwastewaterwithUVradiationandchlorinationagainst“tailing”phenomenon,（AWWA,2009,Seattle,Washington,USA）

1.3市场预测和发展趋势

目前，我们国家大多数的自来水厂还是采用常规混凝剂和氯消毒来进行饮用水生产。

常规混凝剂虽然能够很好的去除浊度，细菌和一小部分有机物，但是它对水中的氨氮，有毒有害物质（如重金属离子），消毒副产物的前驱物等的去除率很低，对后续工艺造成了很大的负担。

广东省城市化进程加快和居民生活水平的提高对饮用水水质提出了更高的要求。

在此情况下，越来越多的水处理厂有采用更高级处理方式的需求。

本项目研发的饮用水深度处理关键技术，应用灵活，可根据实际需要自由组合，能全面提升出水水质，形成了全新的水处理方法。

随着人口增长对用水量需求的不断增大和对饮用水水质安全重视度程度的提高，饮用水处理工艺水平不断提高。

本项目研发的饮用水深度处理关键技术的集成优化能保障全面提升出水水质，可以作为突发污染事故或者水质恶化期时的应急处理措施。

如果该工艺在这些城市的水厂推广，其应用前景是十分可观的。

2．研究开发内容、方法、技术路线

2.1具体研究开发内容和要重点解决的技术关键问题

2.1.1主要研究内容

本课题以佛山市北江水源水为研究对象，针对该水源不同水质期，利用佛山水业集团有限公司属下的沙口水厂中试基地进行实验研究，进行技术集成研究及工艺参数优化。

具体研究内容包括以下四个方面：

（1）臭氧催化氧化－活性炭工艺研究及优化

1）对比研究几种臭氧催化氧化工艺（O3/UV、O3/MnO2、O3/FeOX）对有机污染物的去除作用，筛选技术经济合理的最优催化发生方式。

2）考察臭氧催化氧化与活性炭吸附联合工艺对有机污染物的处理效果，催化氧化工艺对活性炭吸附的强化作用，最优组合工艺参数。

（2）紫外催化氯消毒效能及工艺研究

1）研究紫外线照射时间、紫外光剂量，考察氯的投加顺序、间隔时间等工艺条件时对协同消毒效果的影响及其运行的经济成本。

2）考察pH、浊度、碱度、硬度等水质因素对消毒效果的影响规律，对消毒副产物生成量的影响和调控参数。

（3）超滤膜优化组合工艺研究

1）研究超滤膜对消毒副产物等有机污染物的去除作用，超滤膜与上述两种处理单元的联合处理效果及最优工艺参数。

2）前处理工艺对超滤膜膜污染的影响及调控方法。

（4）技术集成优化及示范工程

1）建设中试基地，根据不同水质状况，控制关键参数，优化整套处理系统；

2）定量表征各个深度处理单元对整体工艺处理效果的强化作用，结合经济分析，综合评价整体工艺能效比。

2.1.2技术关键

（1）优选臭氧催化氧化发生方式，探索与活性炭吸附联合的最优能效比工艺是本课题研究的关键。

（2）定量表征深度处理关键技术对整体处理效果的贡献，并进行综合能效比分析是本项目的重点研究内容。

2.2项目的特色和创新之处

研究深度处理关键技术的集成优化，综合进行能效比分析，为深度处理联用工艺的灵活应用提供实用参数支持是本项目的创新之处。

2.3要达到的技术、经济指标及社会、经济效益

2.3.1主要技术、经济指标

（1）开发一种臭氧催化氧化固定催化剂的一体化反应器；

（2）研发一套臭氧催化氧化－活性炭深度处理技术及相应设备；

（3）开发一种紫外催化氯消毒一体化设备；

（4）采用本集成技术处理后出水达到优质纯净水标准；

（5）量化表征深度处理集成技术各处理单元的贡献率，综合分析能效比，提出针对不同水质的联用工艺及参数；

（6）开发1-3项新技术和2－4个新产品，并申报专利。

发表与本课题研究相关的学术论文1-3篇。

2.3.2主要社会、经济效益

该项目实施将将对珠三角以至北江流域沿线城市用水安全提供保障，对2010广州亚运期间的用水安全提供技术支持。

南方水源水污染日益严重，突发污染事件时有发生。

随着饮用水源污染的日益严重，开发深度处理技术及设备化具有现实意义。

本项目研发技术是在常用深度处理技术上的升级，具有应用基础，易于在现有水厂中使用。

本项目研发一体化设备适合我国水厂实际操作管理水平和工艺水平不高的情况，是高效且可操作性强的深度处理技术，适合广大给水处理厂。

通过相关参数调整，可适应于各种源水水质，易于在实际生产中推广应用，创造可观的经济效益。

在降低运行成本的同时提供高品质的安全出水，能够取得显著的社会效益。

2.4采用的方法、技术路线以及工艺流程

2.4.1研究方法

（1）臭氧催化氧化－活性炭工艺研究及优化

1）利用实验室静态试验研究在不同水质条件下的臭氧催化氧化的最佳工艺参数，对比研究紫外光与固定催化剂的催化方式能效比。

2）考察温度、COD、pH、浊度等水质因素对除污染效果的影响。

开发一体化臭氧催化氧化处理设备。

3）研究催化氧化过程对有机农药等的分解规律，对活性炭吸附的强化效果，摸索联用的最优工况。

（2）紫外催化氯消毒

1）研究紫外催化作用下，病菌对后续氯消毒的反应活性，建立时间－灭活率动力学曲线及模型，对比单纯氯消毒CT值变化，定量协同消毒作用。

2）采用配水的方式，考察温度、DOC、pH、浊度、硬度、氨氮等水质因素对灭活效果的影响。

研究在最不利的水质条件下取得良好消毒效果的调整方案。

3）研究紫外光与氯消毒的最优配合方式，开发紫外催化氯消毒一体化设备。

（3）超滤膜优化组合工艺研究

1）利用中试试验，研究超滤膜单元对消毒后出水中的消毒副产物、小分子高稳定有机污染物等去除的强化作用。

2）考察常规处理与前述几种深度处理工艺的各种组合处理工艺对超滤膜膜污染的影响及调控方法。

（4）集成技术及示范工程

1）以目标污染物去除率为关键指标，对集成系统的关键参数和控制方法进行整体优化。

进行组合工艺的整体运行调试，结合组合工艺整体能耗情况，发展出集成系统的最优化运行及控制方案。

2）建立处理量200吨/天的中试示范基地，考察季节性变化下系统的水质适应性。

2.4.2技术路线

采取由分散到统一、由单元到整体的研究路线。

首先分别研究臭氧催化氧化、臭氧催化氧化－活性炭、紫外催化氯消毒、超滤膜等各个单元的最优运行模式，采用“运行－反馈－调整”的研究方法摸索各个单元的适配方法，最后进行技术集成优化和示范工程的建设及运行调试，建成北江流域饮用水深度处理关键技术集成体系。

3.工作基础和条件

3.1承担单位概况（人员、资产、业务与管理状况）

佛山市水业集团有限公司是一家以供水和污水处理为主，集工程设计、水厂和污水处理厂建设、管道安装、自控系统开发、水质检测、水信息技术开发等多元化经营的大型国有独资企业。

公司注册资本6455.2万元，总资产25.41亿元人民币。

总营业收入约4.2亿元。

职工总人数1171人，各类技术人员558人，占职工总数约50％。

其中具有职称的专业工程技术人员286人。

集团于2000年建立ISO9001：

2000质量管理体系并通过认证。

集团现设11个职能部门、5个分别以供水生产、污水处理、管网维护、客户服务为核心的下属公司和13个参控股或代管公司，包括：

供水分公司、客户服务分公司、管网维修分公司、南庄分公司、新之源污水处理有限公司、三水供水有限公司、自来水工程有限公司、南科水处理工程有限公司、迅洁供水服务有限公司、迅科管道探测有限公司、德讯水务信息技术有限公司、新泉供水有限公司、汇之源城北污水处理有限公司、汇之源南庄污水处理有限公司、汇之源西樵污水处理有限公司、汇之源大沥污水处理有限公司、汇之源驿岗污水处理有限公司等。

集团现有石湾水厂、沙口水厂、紫洞水厂、西南水厂、石塘水厂、松园水厂、金本水厂、迳口水厂等8个水厂，日供水能力达135万立方米，供水范围覆盖禅城、三水两区，服务面积530平方公里，服务人口150万，供水管网总长度2100公里。

佛山水业集团依靠自身科技力量，吸收国际先进技术，自行设计、安装了日供水能力为50万立方米的沙口水厂，整体技术处于国内领先水平，先后获得中国市政工程金杯奖及国家建设部、广东省、佛山市颁发的多项殊荣，并被国家建设部有关领导誉为水厂建设的“佛山模式”。

集团的新城区优质水厂于2006年6月投产，佛山由此成为广东省继广州、深圳后，第三个建成直饮水厂的城市。

佛山水业集团的自来水生产实施三级水质管理，确保出厂水水质符合并优于国家饮用水水质标准。

依托佛山水业集团所组建的国家城市供水水质监测网佛山监测站是我国第一家通过供排水一体化计量认证的国家级监测站，拥有价值一千多万元的大型水质检测仪器和一流的检测环境，目前检测项目达七大类，370个参数，保障了城市优质供水。

佛山水业集团在北江镉污染事故中凭着先进技术实力、优秀人才队伍和良好应变能力，出色地完成了应对北江镉污染事故的任务，切实地保障了佛山市民的饮用水安全，受到国家建设部、广东省建设厅和佛山市委、市政府的充分肯定，在全市、全省乃至全国打响了佛水品牌。

3.2本项目现有的研究工作基础（包括现有科研装备条件）

3.2.1佛山市水业集团公司水工程技术研究开发中心

该中心是在原佛山市自来水公司中心化验室的基础上逐步发展建立起来，1986年8月组建中心化验室；1995年组建水质监测站，于1995年12月通过省建委和省质量技术监督局的评审，成为广东省城市供水水质监测网第一个通过省级计量认证的水质监测站；2004年10月通过国家认证认可委员会专家的计量认证现场评审，2004年12月被批准成为国家级供排水一体化的水质监测站；2005年10月批准为佛山市水工程技术研究开发中心（以下简称中心）。

中心建筑面积2819平方米，包括1910平方米的监测站办公实验楼，配备国际一流的检测环境。

拥有价值一千多万元的大型水质检测仪器近二十台套。

仪器包括FiniganTraceMS气相色谱-质谱联用仪、HP6890气相色谱仪、HP5890Ⅱ气相色谱仪、VARIANAA-640原子吸收分光光度计、VARIANAA-220Z原子吸收分光光度计、北二光WFX-1F2B原子吸收分光光度计、VARIANHPLC9012高效液相色谱仪、DIONEXDX-120离子色谱仪、SHIMADZUTOC-5000总有机碳测定仪、AFS-230原子荧光分光光度计、H1217A总α、β放射性测量仪、ZYMARK自动固相萃取装置、奥林巴斯微生物显微镜，VARIAN电感耦合等离子体质谱仪、流动注射分析仪、红外测油仪等。

中心下设5个职能室：

业务管理室、质量管理室、仪器检验室、理化检验室、微生物检验室。

专业技术人员包括博士1名、硕士研究生21名、本科生216名。

检验工作严格按照国家质量技术监督局计量认证/审查认可评审考核细则开展。

既满足一类水司水质检测需要，又面向水质检测的发展方向，科学合理、先进实用，在仪器设备、实验环境、安全防护等方面体现出高起点、高水平。

佛山市水工程技术研究开发中心有一套完整的质量保证体系，公正、科学、准确、高效是佛山监测站的质量方针。

通过计量认证的项目共计七大类370个参数，分别为：

生活饮用水102项、地表水99项、地下水38项、饮用天然矿泉水27项、饮用净水39项、城镇污水48项、水处理剂聚合氯化铝11项、水处理剂硫酸铝6项。

中心科研人员熟练掌握了各项国内外公认成熟的分析方法，包括：

《生活饮用水标准检验法》（GB5750-85）、《饮用天然矿泉水检验法》（GB8538-1995）、《生活饮用水检验规范》（2001）、美国《水和废水标准检验法》、美国EPA方法等。

3.2.2中山大学环境科学与工程学院

中山大学环境学院中心实验室在教育部"211工程"和"985工程"一期、二期重点学科建设经费的支持下配置了先进的水质分析仪器。

2005年获得广东省“环境污染控制与修复技术重点实验室”立项，将继续投入资金进行实验室建设。

现有仪器包括：

6890-5973N气相色谱质谱联用仪；6890N气相色谱；10A-Vp岛津液相色谱；4500I离子色谱；ICP发射光谱；PF5000荧光光度计；TOC-V/CPN分析仪；DL6MC低速大容量离心机；GL-22M高速冷冻离心机；海尔BD-156LT超低温冰箱；FD-1冷冻干燥机；Olympus-BX41生物显微镜；ZD-8802III大容量摇床等等。

技术条件优良，可为本项目研究提供良好的工作条件。

中山大学环境科学与工程学院在饮用水安全保障技术领域处于国内领先地位。

主持完成主持国家自然科学基金、国家863高科技计划项目、广东省科技计划百项工程项目、广东省自然科学基金科研项目等共计二十多个。

针对水源污染造成的饮用水安全问题，开发了两相催化氧化助凝技术，紫外催化氯消毒技术。

申请专利5项，紫外光催化氯消毒技术已经在医疗废水处理上得到成功应用。

以上研究基础有利于本项目深度处理关键技术集成的研发。

3.2.3试验基地

集团建有三个水处理中试基地，设计规模为5立方米/小时。

该中试基地具有三个突出特点：

第一、采用常规处理与深度处理工艺相结合，利用臭氧与活性炭对水进行深度处理，在同行的技术水平中处于领先地位；第二、各组工艺设施之间通过连通管可自由组合成多种净水工艺，有利于净水技术的不断改进；第三、采用多种新型净水工艺技术。

目前，佛山水业集团正在利用中试基地为新水厂建设和旧水厂改造收集数据，并将逐步把基地建成水处理技术试验平台、深度处理技术经济运行试验平台、工程技术人员与员工业务培训的平台。

在2005底发生的北江镉污染事故中，佛山水业集团利用中试基地开展中试试验，制定出效果良好、安全可靠的除镉工艺方案，为佛山市成功抗击北江镉污染事故提供了强有力的技术支持。

3.3对环境的影响