南水北調(diào)水源與黃河水源的混合原水混凝工藝試驗

陸建紅，張 晉，劉曉冬

（華北水利水電大學，河南鄭州 450000）

鄭州市現(xiàn)有水廠7座：柿園水廠、白廟水廠（現(xiàn)中法原水公司）、石佛水廠、東周水廠、劉灣水廠、航空港區(qū)一水廠以及羅垌水廠。日供水能力達177萬m3，供水管網(wǎng)長度超 3 100 km，供水面積約500 km2，供水覆蓋范圍包括鄭州市區(qū)、鄭東新區(qū)、航空港區(qū)以及滎陽市區(qū)等區(qū)域，服務(wù)人口達500多萬。南水北調(diào)中線工程向鄭州市5座水廠供水，其中柿園水廠和白廟水廠所處理的原水從黃河水部分轉(zhuǎn)換為南水北調(diào)水，兩座水廠均采用常規(guī)處理加深度處理的工藝［1］。

南水北調(diào)中線工程的建成通水對于鄭州市解決水資源短缺、提高供水保證率具有重要意義。同時，鄭州市的供水格局將發(fā)生重大變化，南水北調(diào)中線工程在緩解水資源緊張的同時，也對現(xiàn)有供水系統(tǒng)的水質(zhì)安全保障提出了挑戰(zhàn)。為應(yīng)對各種突發(fā)事件，保障供水需求，鄭州市形成了“以南水北調(diào)水源為主、以黃河水為補充”的雙水源保障體系。

為了分析南水北調(diào)通水可能帶來的水質(zhì)風險并提出應(yīng)對預案，基于鄭州市將長期處于南水北調(diào)水與黃河水共同使用的供水格局，本文對南水北調(diào)水與黃河水在不同配比下的處理效果進行了中試試驗，得出了不同配比下的優(yōu)化處理工藝與運行參數(shù)，為水廠水源轉(zhuǎn)換前后的生產(chǎn)運行提供指導。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗裝置

該中試試驗裝置的設(shè)計流量為0.5～1.5 m3／h，工藝流程為：混凝-反應(yīng)-沉淀-砂濾。工藝流程如圖1所示。試驗裝置材料均為有機玻璃，濾料為單層石英砂，提升泵型號為BYXG-1Z，轉(zhuǎn)子流量計型號為LZB-10及LZB-15。

圖1 中試試驗工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of the Pilot-Scale Test

1.2 原水水質(zhì)

試驗以取自鄭州某水廠的南水北調(diào)水和黃河水為原水（取自天然水體或蓄水池的水，凈化處理后可用于飲用），試驗期間不同配比原水的水質(zhì)指標如表1所示。由感官性狀指標、一般化學指標以及生物學指標分析可知，南水北調(diào)原水的水質(zhì)好于黃河原水，其中硝酸鹽氮（0.38 mg／L）和菌落總數(shù)（1 100 CFU／100 mL）指標明顯更優(yōu)。黃河水與南水北調(diào)水以不同配比（2∶1、1∶1和1∶2）混合后，原水的各項水質(zhì)指標大部分好于黃河水，但存在部分水質(zhì)指標比黃河水差，如水源混合比例為2∶1時的氨氮、UV254等指標，可能是試驗檢測誤差所致。且黃河水與南水北調(diào)水配比為1∶2時，原水的典型指標（濁度、UV254、CODMn和氨氮）好于其他兩種配比的原水。

1.3 儀器及分析方法

試驗期間測定水質(zhì)指標的方法依據(jù)為《生活飲用水標準檢驗方法》（GB／T 5750.6—2006）和《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）［2］。其中：pH采用玻璃電極法測定，儀器為PHS-2C pH計；濁度采用HACH2100Q便攜式濁度儀進行測定；UV254、氨氮以及鋁均采用UV-2600紫外-分光光度計進行測定，測定方法分別為紫外分光光度法、納氏試劑比色法和鉻天青S分光光度法；CODMn的測定方法為酸性高錳酸鉀法。

表1 不同配比原水的水質(zhì)特征參數(shù)Tab.1 Water Quality Parameters of Raw Water with Different Mixing Ratios

續(xù) 表

1.4 試驗過程

根據(jù)水廠運行經(jīng)驗，中試試驗以聚合氯化鋁（PAC）為混凝劑，密度為 1.255 g／cm3，以活化硅酸為助凝劑，根據(jù)相關(guān)研究，活化硅酸加藥量為混凝劑的 20%［3］，PAC 加藥量定為 15、25、35 mg／L，進行不同配比原水的中試試驗。南水北調(diào)水與黃河水經(jīng)配水裝置按照一定比例混合后進入原水桶，并經(jīng)提升泵提升至混合池，再用加藥泵向混合池內(nèi)投加混凝劑和助凝劑，然后經(jīng)機械攪拌混勻后進入沉淀池，沉淀出水經(jīng)砂濾柱過濾后出水。取濾后水測定各項指標，考慮水源切換過程中對出水水質(zhì)影響程度較大的指標，試驗選取濁度、UV254、氨氮和CODMn四個凈水工藝中的常規(guī)監(jiān)測指標作為評價指標，確定不同配比原水的處理效果。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混合原水濁度的處理效果分析

圖2為三種混合原水在不同加藥量下的濁度處理效果圖。由圖2可知，混凝劑為PAC時，不同加藥量對不同配比原水的濁度去除率均達到90%以上。對于黃河水與南水北調(diào)水配比為2∶1的混合原水，當PAC加藥量為35 mg／L時，濁度去除率為96.55%，此時去除率最高，所以當配比為2∶1時，單從濁度指標來看推薦的加藥量為PAC 35 mg／L、活化硅酸7 mg／L。同理，對于配比為1∶1和1∶2的混合原水，推薦的PAC加藥量分別為25 mg／L和15 mg／L，活化硅酸分別為5 mg／L 和3 mg／L，濁度去除率最高分別為96.5%和96.16%。由此可以得出，隨著南水北調(diào)水水量的增加，混凝劑（PAC）和助凝劑（活化硅酸）的加藥量越來越少，而濁度去除率基本維持在同一水平。

圖2 不同配比原水的濁度去除效果Fig.2 Turbidity Removal Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios

2.2 混合原水UV254的處理效果分析

UV254是指在波長254 nm處單位比色皿光程下的紫外吸光度，反映的是水中天然存在的腐殖質(zhì)類大分子有機物以及含C＝C雙鍵和C＝O雙鍵的芳香族化合物的多少。

圖3為不同配比原水在不同加藥量下的UV254去除效果。由圖3可知，當混凝劑為PAC時，不同加藥量對不同配比混合原水的UV254去除率差異較大。當黃河水與南水北調(diào)水的配比為2∶1、PAC加藥量為35 mg／L、活化硅酸為7 mg／L時，濁度去除率即可達96.55%，而UV254的去除率僅為23.68%，說明鋁鹽對UV254的去除效果有限［4］。因此不把UV254去除率作為選擇混凝劑的主要指標，僅把其作為輔助性指標。

圖3 不同配比原水的UV254去除效果Fig.3 UV254Removal Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios

所以當配比為2∶1時，推薦PAC的加藥量為35 mg／L、活化硅酸為 7 mg／L；當配比為 1 ∶1 時，推薦PAC的加藥量為 25 mg／L、活化硅酸為 5 mg／L，此時UV254的去除率可達到40%左右；當配比為1∶2時，三種加藥量條件下的UV254去除率均在25%左右，相差不大，去除效果不理想。結(jié)合濁度去除效果，配比為 1∶2時，推薦的加藥量為 PAC 15 mg／L、活化硅酸 3 mg／L。

2.3 混合原水氨氮的處理效果分析

圖4為不同配比原水在不同加藥量下的氨氮去除效果圖。由圖4可知，當混凝劑為PAC時，不同加藥量對不同配比混合原水的氨氮去除效果有所差別。對于黃河水與南水北調(diào)水配比為2∶1的混合原水，當PAC的加藥量為35 mg／L、活化硅酸為7 mg／L時，氨氮去除率可達85.71%左右，為三個投藥量的最高值，且混凝劑加藥量的改變對氨氮去除率的影響不大。原因是黃河水和丹江口水的氨氮并不高，氨氮的去除效果很難進一步提升，故氨氮僅作為混凝劑劑量優(yōu)化的一項參考性指標。因此，當配比為2∶1時，綜合考慮濁度和氨氮指標，推薦的加藥量為PAC 35 mg／L、活化硅酸7 mg／L。對于配比為1∶1的混合原水，PAC加藥量為25 mg／L、活化硅酸為 5 mg／L時，氨氮去除率在50%左右，此加藥量下濁度去除率最高，且混凝劑投加量在 35 mg／L時，氨氮去除率仍不到70%。所以當配比為1∶1時，考慮加藥量成本問題，推薦的加藥量為 PAC 25 mg／L、活化硅酸5 mg／L。對于配比為1∶2的混合原水，PAC加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為 3 mg／L時，氨氮的去除率達到了100%，去除效果非常理想。所以當配比為1∶2時，推薦的加藥量為PAC 15 mg／L、活化硅酸 3 mg／L。

圖4 不同配比原水的氨氮去除效果Fig.4 NH3N Removal Efficiency of Raw Water with Different Mixing Ratios

2.4 混合原水CODMn的處理效果分析

CODMn是指在一定條件下，用強氧化劑（高錳酸鉀）處理水樣時所消耗氧化劑的量，它能反映水體受還原性物質(zhì)污染的程度，水中還原性物質(zhì)包括有機物、硫化物、亞硝酸鹽和亞鐵鹽等。

圖5為不同配比原水在不同加藥量下的CODMn處理效果。由圖5可知，當混凝劑為PAC時，不同加藥量對不同配比混合原水中CODMn的去除效果不同。對于黃河水與南水北調(diào)水配比為2∶1的混合原水，當 PAC加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為3 mg／L時，濁度去除率可達94.2%，CODMn的去除率卻不到10%；當PAC加藥量為25 mg／L、活化硅酸為5 mg／L時，濁度去除率可達94%，此時CODMn的去除率為32.2%。對于配比為1∶1的混合原水，當PAC 加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為 3 mg／L 時，濁度去除率可達94.98%，CODMn去除率達55%左右，去除效果最好。所以當配比為1∶1的時候，對于去除CODMn推薦的加藥量為PAC 15 mg／L、活化硅酸3 mg／L。對于配比為1∶2的混合原水，當PAC的加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為 3 mg／L時，濁度去除率和CODMn去除率分別為96.2%和31.2%，相對于其他兩種投藥量均達到最大值。所以當配比為1∶2的時候，推薦的加藥量為PAC 15 mg／L、活化硅酸 3 mg／L。

圖5 不同配比原水的CODMn處理效果Fig.5 CODMnRemoval Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios

2.5 混合原水鋁的處理效果分析

試驗還研究了黃河水和南水北調(diào)水在不同配比和不同混凝劑投加量下，出水中的鋁含量情況。由圖6分析可知，當黃河水和南水北調(diào)水配比為2∶1、1∶1和1∶2時，原水中鋁的含量非常少，均小于0.05 mg／L，故原水中的鋁含量可以忽略。在不同的混凝劑投加量下，出水中鋁的濃度均低于0.1 mg／L，不超過國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5947—2006）中規(guī)定的鋁濃度上限值0.2 mg／L。所以黃河水和南水北調(diào)水以該三種比例混合時，出水鋁含量超標的風險較小。

3 結(jié)論

由試驗結(jié)果可知，黃河水與南水北調(diào)水配比為1∶2的原水濁度為4.7 NTU，色度為6，UV254為

圖6 不同配比原水中鋁含量的變化情況［黃河水 ∶南水北調(diào)水為（a）2∶1；（b）1∶1；（c）1∶2］Fig.6 Variation of Al3＋ Content in Raw Water with Different Mixing Ratios［Yellow River Water∶South-North Diversion Water＝（a）2 ∶1；（b）1 ∶1；（c）1 ∶2］

0.055 cm－1，CODMn為 2.32 mg／L， 氨 氮 為0.18 mg／L，硝酸鹽氮為 0.87 mg／L，整體水質(zhì)情況較好。當黃河水與南水北調(diào)水配比為1∶2時，聚合氯化鋁（PAC）的最佳投加量為15 mg／L，活化硅酸為3 mg／L，此時濁度去除率為96.16%，UV254去除率為25%，氨氮去除率為100%，CODMn去除率為31.2%；配比為 2∶1時，PAC的最佳投加量為35 mg／L，活化硅酸為 7 mg／L，此時濁度去除率為96.55%，UV254去除率為 23.68%，氨氮去除率為85.71%，CODMn去除率為28.4%；配比為1∶1時，PAC的最佳投加量為35 mg／L，活化硅酸為7 mg／L，此時濁度去除率為96.5%，UV254去除率為40%，氨氮去除率為50%，CODMn去除率為50%。

在水源調(diào)配比例的選擇上，根據(jù)不同配比原水的試驗結(jié)果，考慮盡量充分利用南水北調(diào)水源，合理選擇黃河過境水，有效地開發(fā)和保護地下水資源，進行多水源之間的優(yōu)化配置和合理調(diào)配，確保城市水資源的可持續(xù)發(fā)展。

［1］王朝玉.河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理有關(guān)問題探討［J］.南水北調(diào)與水利科技，2003，1（2）：17-19.

［2］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：258-279.

［3］胡輝.低溫低濁黃河水強化混凝研究［D］.鄭州：鄭州大學，2013.

［4］周玲玲，張永吉，孫麗華，等.鐵鹽和鋁鹽混凝對水中天然有機物 的 去 除 特 性 研 究 ［J］.環(huán) 境 科 學，2008，29（5）：1187-1191.