雨季原水水質(zhì)波動條件下的自來水廠系統(tǒng)優(yōu)化-水質(zhì)保障和成本控制

李 杰，袁 霄，趙黃浦

(上海萬獅環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200092)

近年來，受全球氣候變化以及部分地區(qū)特有的旱季/雨季交織等極端氣候條件影響，自來水廠的原水水質(zhì)易出現(xiàn)較大波動。特別是在雨季，雨水沖刷導(dǎo)致原水濁度迅速增高且波動較大，數(shù)小時內(nèi)即從幾十個濁度單位(NTU)上升到近千個濁度單位(NTU)。如此劇烈的濁度變化使水廠在現(xiàn)有的工藝和操作水平下無法穩(wěn)定運行，甚至一度出現(xiàn)因水質(zhì)不達標而導(dǎo)致的供水中斷事故，嚴重影響整個城市的供水保障。因此，這類水廠的系統(tǒng)優(yōu)化勢在必行。

圖1 某水廠現(xiàn)有水處理工藝流程圖

1 系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計

水廠的系統(tǒng)優(yōu)化主要包括工藝優(yōu)化和運行優(yōu)化，其主要目的是在保障供水水質(zhì)安全的前提下努力降低運行成本，做到安全生產(chǎn)和高效運行。系統(tǒng)優(yōu)化理念的提出其初衷也是為了有效避免因設(shè)計工況和實際運行工況的差異而導(dǎo)致的效率低下，甚至處理后水質(zhì)無法達標的情況。就該水廠而言，雨季條件下約1000個濁度單位的高濁度原水水質(zhì)已經(jīng)遠遠超出了水廠的初始設(shè)計工況，而濁度在3～4 h內(nèi)的劇烈波動也超出了現(xiàn)有水處理系統(tǒng)的承受能力和應(yīng)急操作反應(yīng)時間，導(dǎo)致系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行，進而出水水質(zhì)無法達標。

世界上許多地區(qū)包括中國黃河流域以及長江上游的許多自來水廠也面臨處理高濁度水的難題[1]。目前常用的處理方法主要包括：(1)取水工程方面,選擇備用水源或者在處理前增加調(diào)蓄池來穩(wěn)定水質(zhì)；(2)水處理工藝方面，增加預(yù)沉池或者采用多級混凝沉淀工藝確保沉淀水濁度在控制范圍內(nèi)；(3)水處理構(gòu)筑物設(shè)計方面：研發(fā)渦旋低脈動沉淀給水處理技術(shù)、高密度澄清池、斜板技術(shù)、高效輻流式沉淀池等新型水處理單體設(shè)施[2]。以上這些處理方法均需要配套大型的工程設(shè)施或者進行較大的設(shè)施改進，因此，投資較大，不適用于該水廠目前的發(fā)展現(xiàn)狀。

在利用常規(guī)給水處理工藝處理高濁度原水的運行實踐中，控制水處理工況及水處理費用的一個重要參數(shù)就是沉淀水濁度。高濁度水處理與常規(guī)水處理的不同點就在于混凝和沉淀，這兩部分效果的好壞直接決定了后續(xù)過濾的效果?；A(chǔ)數(shù)據(jù)和水廠的運行經(jīng)驗表明，在混凝澄清池出水穩(wěn)定的條件下，經(jīng)濾池過濾的濾后水其濁度基本都能滿足水質(zhì)標準。因此，混凝沉淀問題一直是高濁度水處理重點研究并亟待解決的問題。

混凝過程，主要利用混凝劑水解形成的帶正電荷顆粒與水中帶負電荷顆粒之間的壓縮雙電層，吸附中和，吸附架橋，網(wǎng)補卷掃等綜合作用來促進水中顆粒物的抱團沉降。高濁度水的粘土顆粒的粒徑偏小，具有一定的穩(wěn)定性，自然沉淀在實際中一般不可行[3]。高濁度的混凝是利用混凝劑的電性中和和吸附架橋的雙重作用，來達到加大絮體尺寸，增加絮體密度，從而提高沉降速度的目的。由此可見，高濁度水的混凝表現(xiàn)為凝聚和絮凝兩種過程，混凝劑應(yīng)具有較高的聚合度，較大的分子量和較長的分子鏈，才能更好的實現(xiàn)吸附架橋作用[4]。相比于硫酸鋁，聚合氯化鋁對高濁度水的處理效果均好于硫酸鋁，可以滿足目前濁度波動下的處理要求，建議作為硫酸鋁的替代藥劑使用。

2 試驗設(shè)計

2.1 儀器與試劑

儀器：六聯(lián)混凝試驗攪拌機，光電濁度儀。

試劑：硫酸鋁，聚合氯化鋁(PAC)。

2.2 試驗方法

燒杯實驗：將1000 mL原水分別加入六個燒杯中，中速攪拌，投加一定量的混凝劑后再進行快速(400 r/min)、中速(200 r/min)、慢速(100 r/min)攪拌，取上清液測定濁度。

生產(chǎn)實驗：根據(jù)原水水質(zhì)和燒杯實驗?zāi)M結(jié)果，調(diào)節(jié)最佳投藥量，測定濾后水濁度和色度。PAC和硫酸鋁分別在該水廠一期和三期工程同時使用，分別比較兩種混凝劑對濁度和色度的去除效果以及相應(yīng)濾池的反沖洗次數(shù)。

3 結(jié)果討論

3.1 投加量

圖2 PAC和硫酸鋁在不同原水濁度下的最佳投加量

如前所述，原水濁度波動較大，水質(zhì)差異顯著。理論上應(yīng)該根據(jù)水質(zhì)參數(shù)實時調(diào)整混凝劑的投加量才能即滿足水處理的要求，同時降低水處理成本。但考慮到現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟條件、設(shè)備狀況(手動控制加藥系統(tǒng))和員工操作水平，藥劑投加量不宜做密集更改，寬范圍的投加量調(diào)節(jié)機制比較容易實現(xiàn)。如圖2所示：在原水濁度范圍在小于300 NTU，介于300～600 NTU之間和大于600 NTU時，PAC的投加量分別為15，20和30 mg/L，明顯小于硫酸鋁的投加量。

3.2 處理效果

圖3 PAC和硫酸鋁對不同濁度原水的去除效果

如圖3所示，連續(xù)120 h的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：1)盡管原水水質(zhì)波動較大，但一期(混凝劑為PAC)工藝的出水水質(zhì)明顯好于三期(混凝劑為硫酸鋁)，出水濁度均低于三期出水濁度。2)使用PAC做混凝劑時，出水濁度基本穩(wěn)定在2 NTU以內(nèi)，而使用硫酸鋁時，不僅會有出水不達標的情況，而且大部分出水濁度臨近標準上限，沒有足夠的安全余量，不能為安全供水提供有效保障。3)在原水濁度飆升至1000 NTU前后，出水濁度雖有增加，但都在安全范圍以內(nèi)，如果能歸納震蕩時間的周期性，提前反應(yīng)，及時調(diào)整藥劑投加量是可以有效應(yīng)對水質(zhì)變化突發(fā)情況的。

圖4表明，投加PAC后的出水色度也明顯低于使用硫酸鋁時的出水色度，甚至能降為0。濁度，色度的高效去除則在一定程度上為飲用水供水安全提供了保障。國家供水水質(zhì)檢測中心已經(jīng)證實：降低飲用水濁度有利于控制水中有機物含量，降低Ames致突變率和病毒傳染病的發(fā)病概率，對保障飲用水安全有重大作用[5]。

圖4 PAC和硫酸鋁對不同色度原水的去除效果

3.3 濾池反沖洗次數(shù)

圖5 使用PAC和硫酸鋁對濾池反沖洗次數(shù)的影響

如圖5所示，使用PAC替代硫酸鋁之后，濾池的日平均反沖洗次數(shù)由原來的9.9次降為2.3次，不僅降低了濾池的工作負荷，也節(jié)省了大量的反沖洗水和能耗。按每次反沖洗耗水160 m3、耗電20 kW·h計算，年可節(jié)約反沖洗水約130萬t，節(jié)約用電約160000 kW·h。

3.4 成本核算

按連續(xù)120 h運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，PAC和硫酸鋁的平均投加量分別為16.78×10-6和30.20×10-6。硫酸鋁的價格雖然低于PAC，但由于投加量較高，導(dǎo)致每噸處理水的綜合成本仍明顯高于使用PAC的處理成本。按現(xiàn)在的供水規(guī)模計算，綜合考慮藥劑成本和反沖洗水成本，反沖洗電耗成本，年可節(jié)約綜合成本超過500萬元。

4 結(jié)論

(1)使用聚合氯化鋁(PAC)代替硫酸鋁做混凝劑可以有效應(yīng)對雨季原水濁度劇烈波動的工況，并且可以顯著降低出水濁度及色度，為供水安全提供保障，避免因水質(zhì)濁度超標而停止供水。

(2)使用PAC不僅可以減少藥劑投加量，降低處理水的藥劑成本。還可以減少反沖洗次數(shù)，節(jié)省反沖洗水，降低能耗和勞動成本，降低水廠的綜合處理成本。

(3)在一定技術(shù)經(jīng)濟條件下的給水處理系統(tǒng)優(yōu)化需要綜合考慮處理效益，工程投資，管理操作水平等條件，努力實現(xiàn)最優(yōu)化運行。