自來水廠工藝優(yōu)化與水質管理

張 偉，陳志平

(1．上海市自來水市北有限公司閘北水廠，上海 200438;2．上海浦東威立雅自來水有限公司浦東水廠，上海 200120)

水是生命之源，飲用水安全是城市安全體系中的重要一環(huán)，隨著人們對健康意識的增強，人們越來越注重飲用水的質量(人體每天需要飲水2 L)，對水質標準和要求也越來越高。自來水廠現(xiàn)主要面對如下問題:已實施的新版《生活飲用水衛(wèi)生標準》，部分項目限值更加嚴格;長江口青草沙水源為淺水庫，流動性差，隨氮磷、不同季節(jié)和水溫變化可產(chǎn)生各種不同藻類和pH變化，會對供水水質和水量構成壓力;消毒副產(chǎn)物的控制、如何避免管網(wǎng)中水齡長(泵站水庫)而新增亞硝酸鹽等。面對這些問題，需嚴格水質管理和水處理工藝的優(yōu)化，提高和改善自來水水質。

1 原水水質

2011年1月1日開始上海市區(qū)水廠的水源由黃浦江上游原水切換到長江口青草沙原水，水源地位于長江口江心部位，優(yōu)質淡水資源充沛，水質明顯改善，主要評價指標總體達到Ⅱ類水要求，如表1所示。

表1 原水水質數(shù)據(jù)Tab．1 Raw Water Quality Data

青草沙原水的水質改善，提高了供水水質，出廠水耗氧量、色度、嗅和味指標都有明顯改善，耗氧量從3．25 mg/L降到1．38 mg/L，色度從7度降到＜5度，嗅和味從2級降到1級。

2 水處理工藝

常規(guī)水處理工藝主要分為:混凝、沉淀、過濾、消毒，如圖1所示。

圖1 水廠處理常規(guī)工藝Fig．1 Waterworks Regular Water Treatment Processes

黃浦江上游原水改為長江青草沙水源，消毒工藝改為:前加氯為折點加氯，生成游離氯作為主要消毒劑;濾后加氨補氯，出廠水為氯氨［1］消毒?；炷齽榫哿蚵然X(氧化鋁 8．23%，密度1．23 g/cm3);消 毒 劑 為 次 氯 酸 鈉［2］(密 度1．16 g/cm3，有效氯濃度為10%)和硫酸銨(含氮量8%，密度1．22 g/cm3)，替代液氯和液氨。

3 工藝優(yōu)化

3．1 原水預氯化和投加粉炭

青草沙原水源頭建成投加次氯酸鈉(浦東吸水井)和粉炭(5號溝)設施，二者相距2 km，粉炭在輸水管中停留時間＞6 h，藍綠藻產(chǎn)生的致臭物質甲基異莰醇-2(簡稱:MIB)≥30 ng/L時開始投加粉炭，按MIB檢測濃度調整粉炭投加量;葉綠素＞20 μg/L時，或藻密度數(shù)升高(濾池堵塞)，開始投加次氯酸鈉。形成加粉炭除臭和投次氯酸鈉除藻工藝要求，水廠及時調節(jié)加氯量，控制好沉淀池出口余氯，改善出廠水嗅味(粉炭對致臭物質MIB去除率為70% ～80%)，使用戶反應腥味次數(shù)明顯下降。投加粉炭，有效去除水中有機物，降低出廠水的三鹵甲烷指標，如表2所示。

表2 閘北水廠出廠水三鹵甲烷數(shù)值Tab．2 THMs in Effluent of Zhabei Waterworks

3．2 原水pH變化對出廠水鋁含量影響

混凝劑選擇不僅要考慮原水的pH和混凝劑的pH(對設備腐蝕性)，不同混凝劑均有最佳pH混凝效果，同時要考慮混凝劑水解pH的變化。鋁是兩性物質，在較低或較高pH時均有一定溶解度;鋁高低還與水溫有關。水廠根據(jù)不同季節(jié)和水溫，選用不同pH混凝劑，調節(jié)出水pH ＜7．5，降低出水鋁含量，水廠控制目標為 ＜0．1 mg/L(國標為0．2 mg/L)，試驗結果如表3所示。

表3 陸家嘴分廠水溫、pH和鋁檢測數(shù)據(jù)Tab．3 Temperature，pH，and Aluminum Concentration of Water in Lujiazui Waterworks

數(shù)據(jù)顯示:水溫＞20℃，出廠水pH＞7．5作為選擇低值pH(2．5)混凝劑工藝要求。調節(jié)水中pH有限，幅度小，當出廠水pH＜7．5，出水鋁含量不易升高(濾池對鋁去除率在50%左右)。合理調節(jié)pH方法:投加硫酸，夏季，在混凝劑加藥點前投加硫酸，根據(jù)鋁溶解度與pH關系曲線，調整pH在7．0～7．2，其鋁溶解度較低，Al(OH)3不易溶解。

3．3 濾池工藝參數(shù)優(yōu)化

濾池去除率和反洗水率是評價過濾性能綜合指標，按出廠水濁度目標值合理調整過濾周期及運行參數(shù)。通過對水頭損失、濾后水濁度、濾后水顆粒數(shù)三項指標的綜合分析確定合理的過濾周期，如表4所示。

表4 居家橋分廠水頭損失、濾后水濁度、濾后水顆粒數(shù)分布變化關系Tab．4 Head Loss，Turbidity and Particle Number of Filtrated Water in JuJiaqiao Waterworks

考慮到過濾周期太長，使濾料表面積泥厚實，影響單水反洗質量，選擇合理運行周期為32 h。

根據(jù)生產(chǎn)性試驗結果分析，濾池實際運行中反沖洗強度設為17～18 L/(m2·s)、歷時4～5 min較為合理，膨脹率為40% ～50%，相應的反沖洗水量約為250～300 m3。由于初濾水需經(jīng)30～60 min恢復穩(wěn)定，初濾水濁度才能控制在＜0．2NTU，需控制好初始濾速。青草沙原水水質好，平均去除率為90%，洗水率1．9%。

3．4 混凝沉淀除藻類

2013年2月下旬以來，青草沙原水硅藻(主要為顆粒直鏈藻2．0×107)大量爆發(fā)，濾池過濾周期由32 h縮短至2 h，嚴重影響了水廠供水量，直到3月底硅藻才開始呈下降趨勢。

見實驗室攪拌試驗結果，低pH聚硫氯化鋁對藻的去除效果較好，相同投加量下，去除率可提高2倍。水廠將混凝劑切換為夏季低pH聚硫氯化鋁，同時逐步提高加注量，達到5 mg/L左右，澄清池礬花易于沉降，同時控制澄清池出口游離氯0．7～1．1 mg/L，濾池過濾周期逐漸延長，過濾性能改善。直至3月28日，10格濾池反沖洗周期全部恢復，達到32 h。

3．5 自動加氯加氨工藝優(yōu)化

優(yōu)化后自動加藥模式:前加氯按水量比投加，后加氨/加氯按照出廠水一氯胺和游離氨目標值、加藥點進水流量來自動控制整個消毒工藝的加氯和加氨量。以游離氯、一氯胺和游離氨的反饋數(shù)值，自動調整加氯/加氨投加量［3］。

通過優(yōu)化后，游離氨可達最小值，使加氯量最大限度轉化為一氯胺，達到減少加氯/加氨量，穩(wěn)定余氯，改善自來水口味，提升國內氯氨消毒自動加藥控制工藝，使自控變得簡單、實用和可操作性。

4 水質管理

4．1 余氯目標值設置

消毒作用以余氯C(mg/L)和接觸時間T(min)乘積CT來衡量，按余氯接觸時間確定余氯值，CT越大，消毒作用越好。當氯與水接觸時間短，可按CT來調整余氯值，使出廠余氯設置科學合理。不同水源、不同季節(jié)、不同工藝采用科學合理的消毒方法。在確保管網(wǎng)水微生物衛(wèi)生指標合格同時，嚴格控制消毒副產(chǎn)物。

4．1．1 濾前余氯

沉淀水余氯為游離氯，前加氯在水中形成活氯時間為45 min(冬天)，消毒作用時間短，消毒徹底，效果好，但維持時間短。水處理工藝中，一般優(yōu)先考慮游離氯作為首要消毒劑。游離氯消毒必須符合CT＞15，能殺滅所有細菌和致病微生物，余氯控制范圍0．3～0．5 mg/L。夏季，游離氯形成時間短，可控制在0．2～0．3 mg/L，冬季，除硅藻等，游離氯可調整為0．8 mg/L，這樣可減少THMs生成。

4．1．2 濾后余氯

濾后水余氯和出廠水余氯為一氯胺(濾后加氨加氯形成)，氯氨反應時間一般為3 min，與游離氯相比，一氯胺的消毒作用不大，但更具穩(wěn)定和持續(xù)消毒能力，可改善飲用水的口感，減少消毒副產(chǎn)物THMs的增加。上海地區(qū)出廠水消毒普遍采取的是氯胺消毒。閘北水廠出廠水余氯目標值控制在1．1 mg/L，居家橋水廠CT為94(新國標CT≥60)。

4．2 出廠游離氨控制

游離氨指水中NH3/NH4+，要考慮出廠水中有少量游離氨余量，一方面少量游離氨存在，可消除加氯過量所產(chǎn)生二氯胺。另一方面，可減少(當水溫＞15℃)亞硝酸鹽生成而使余氯降低。所以，要重視出廠水游離氨控制，避免管網(wǎng)水停留時間長，水中自養(yǎng)型氨氧化菌的硝化作用下，使亞硝酸鹽升高(新國標0．3 mg/L，以 N 計)。

4．3 濁度指標

濁度是評價自來水的綜合指標，濁度低，自來水中有害物質及細菌也少。

4．3．1 沉淀水濁度

沉淀水濁度控制幅度參照出廠水目標值和濾池濁度去除率來確定，也就是說，進水濁度為多少時，濾池出水濁度達到0．2 NTU，該進水濁度為上限值，沉淀池濁度控制目標值低于上限值。水廠沉淀水濁度幅度設定為0．6 ～1．0 NTU。

4．3．2 濾后濁度

濾后濁度受進水濁度、濾速和濾料厚度等影響，相對來說，進水濁度高低，會直接影響濾后濁度，要求當班員工平穩(wěn)運行，即濾池分配水量要均勻，濾前水位要相對恒定，使濾速波動小，特別濾池反洗或水庫水位低情況，考慮各濾池運行時間長短，合理調節(jié)好各濾池清水閥開啟度，使濾后濁度穩(wěn)定。設置濾后濁度目標為0．15 NTU(新國標 1．0 NTU)。

4．3．3 出廠濁度

出廠濁度受濾后水濁度影響。一般出廠濁度要低于濾后濁度，因清水庫本身好似個大的沉淀池，清水沿池內擋板流動而沉淀。當濾后濁度低時，清水庫內積泥就少一些。特別是清洗水庫時，要注意設該池最低水位。出廠濁度目標＜0．15 NTU。當濁度控制在0．1 NTU以下，賈鞭毛蟲、隱孢子蟲去除率達99．9%以上，因而控制濁度很重要。

4．4 水廠供水調度

水廠運行班長根據(jù)調度指令，合理調度進出水量。結合早夜高峰供水時間段，調配好清水庫庫存水，發(fā)揮清水庫調節(jié)功能?？紤]余氯接觸時間，合理設置清水庫水位控制范圍，確保清水庫水新鮮度。

4．5 加礬量控制

不同水源和水質(藻類)，不同混合反應條件和沉淀水濁度，加礬量是不相同的。加礬量還受低溫、低濁和原水中有機污染程度影響。需定期或原水變化時，做好攪拌試驗。根據(jù)沉淀水濁度和原水進水量，科學合理調整加藥量。

4．6 加氯/加氨量控制

4．6．1 前加氯量

折點加氯會產(chǎn)生致癌物的消毒副產(chǎn)物(三鹵甲烷)。三鹵甲烷(THMs)包括氯仿、溴仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷。如果濃度高時，長期會對健康產(chǎn)生影響。消毒過程應避免和減少THMs。THMs的生成量與加氯量、水中有機物濃度、水溫和pH有關。游離氯含量過高，會增加THMs超標風險。所以要限制折點加氯量(特別當水溫＞20℃)，游離氯要控制在合適范圍。

前加氯量與原水中氨氮和水量所決定，且青草沙原水中耗氯量和氨氮低，變化穩(wěn)定，波動很小，所以，余氯高低直接和投加比相關，通常各水廠前加氯投加比值控制在1．5～1．8為宜，沉淀水活氯控制目標在0．3～0．5 mg/L。當原水公司源頭加氯和粉末活性炭時，沉淀水中活氯控制在下限(0．2～0．3 mg/L)，以濾后氯胺消毒為主。

4．6．2 后加氯/加氨量

按出廠余氯目標值和氯氨投加比(3．5～4)控制加氨量和加氯量［4］，也就是說，先確定出廠余氯目標值(1．3 mg/L)，沉淀水余氯也知道，當班員工就定量知道濾后加氨量和加氯量，計算如下。

出廠游離氨與管網(wǎng)水亞鹽控制(8月份數(shù)據(jù)如下):

居家橋分廠:出廠水游離氨:0．06～0．24 mg/L，管網(wǎng)水平均亞鹽濃度:0．037 mg/L

陸家嘴分廠:出廠水游離氨:0．06～0．12 mg/L，管網(wǎng)水平均亞鹽濃度:0．004 mg/L

4．6．3 三鹵甲烷

夏季，隨著水溫和pH變化，特別要嚴格控制前加氯量和沉淀水游離氯，水廠THMs控制目標＜0．5。陸家嘴分廠 7 月份總加氯量 1．5 ～3．4 mg/L，三鹵甲烷總量0．17 ～0．33。

6 存在問題及措施建議

藍綠藻(硅藻)大量爆發(fā)時，原水中葉綠素、混濁度和耗氧量等水質有較大變化，增加水廠制水難度，使結成絮凝礬花顆粒細小，濁度難去除，影響出廠水濁度，使加礬量成倍增加。需通過多次攪拌試驗，估測混凝劑和絮凝劑混合投加量或決定混凝劑最大投加比率的方法。摸索和總結不同加氯/加礬量在混凝沉淀中，對不同硅藻或藍綠藻數(shù)(106至107)去除效果。氯化/絮凝/混凝/沉淀步驟可減少90%藻類數(shù)，去除水中藻類重點是強化混凝沉淀工藝控制。

7 結語

做好凈水原材料驗收和檢測，提高當班工操作技能，掌握正確加藥方法;做好過程水質量監(jiān)控，通過在線水質儀表，分析考評每天加藥質量和生產(chǎn)運行狀況，開展班組水質競賽;做好在線水質儀表日常維護，每天巡檢，數(shù)據(jù)比對，定期校驗，確保其數(shù)據(jù)真實性，指導生產(chǎn)。

目前，青草沙原水系統(tǒng)承擔了上海中心城區(qū)80%的原水供應，每天有1 300萬市民喝著從這里輸出的飲用水，需嚴格水質管理，研究和完善應對青草沙原水突發(fā)情況預警機制和多種有效方法，確保市民喝上放心、安全飲用水。

［1］張麗麗，張群，陳志平．氯化銨在浦東水廠消毒中的應用［J］．給水排水，2009，35(11):11-14．

［2］陳志平．次氯酸鈉消毒在水廠中應用［J］．城鎮(zhèn)供水，2009，29(4):37．

［3］陳志平．居家橋水廠自動加氯工藝優(yōu)化［J］．凈水技術，2013，32(1):93-98．

［4］劉建華，尚書銓，陳志平．青草沙原水加氯消毒工藝的優(yōu)化［J］．凈水技術，2012，30(5):102-106．