千島湖優(yōu)質(zhì)原水對蕭山水廠水處理工藝的影響

張秋勉，方衛(wèi)國

(杭州蕭山供水有限公司，浙江杭州 311201)

錢塘江是浙江省第一大河，流域面積為41 700 km2，沿岸流經(jīng)杭州、金華、衡州等20多個市、縣。錢塘江不僅是生活飲用水水源，還接納了大量工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)農(nóng)村污水，部分河段和支流污染嚴(yán)重，導(dǎo)致沿線城鎮(zhèn)供水水質(zhì)安全面臨很大壓力。目前,杭州城市供水水源單一，應(yīng)對突發(fā)水源污染能力較弱。國外如紐約、東京等大城市在供水安全保障方面起步早、建設(shè)水平高，其核心策略為：依托相對集中的水庫群作為城市的水源地，集中保護(hù)，以獲得水質(zhì)穩(wěn)定、安全可靠的城市水源；多水源、跨地域向城市供水，建庫蓄水，保證城市供水的長期安全[1]。借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗，杭州市委市政府規(guī)劃實施杭州市第二水源千島湖配水工程[2]，進(jìn)一步保障飲用水安全和提升供水水質(zhì)。根據(jù)杭州市新水源地規(guī)劃和建設(shè)要求，杭州蕭山區(qū)在2019年政府工作報告中提出了“著力提升城市能級，加快國際化建設(shè)步伐”[3]，積極應(yīng)對雙水源供水新格局。由于錢塘江與千島湖水質(zhì)差別很大，一個屬于水質(zhì)較差且變化大的開放性河流，一個屬于水質(zhì)好且穩(wěn)定的封閉型水庫，在切換和混合時必然會對蕭山市各水廠凈水工藝和供水水質(zhì)造成較大的影響和波動。因此，前期對原水供應(yīng)新格局進(jìn)行研究和分析，不僅能掌握新水源的水質(zhì)情況，更能為凈水工藝的常規(guī)應(yīng)對和應(yīng)急處理提供方案。

1 蕭山區(qū)供水現(xiàn)狀

杭州市蕭山區(qū)共有5座水廠。其中，一水廠、二水廠和三水廠的取水口位于三江口(即錢塘江、富春江、浦陽江的交匯處)；南片水廠和江東水廠的取水口位于富春江石門沙；兩處取水口相距約5 km，均屬于錢塘江水系。目前，5座水廠的原水取水量約為92萬t/d，全區(qū)供水量約為90萬t/d，肩負(fù)全區(qū)200萬人口的用水需求(表1)。

表1 蕭山各水廠供水現(xiàn)狀Tab.1 Existing Situation of Water Supply in Xiaoshan

從水量方面考慮，蕭山正處于城市化建設(shè)高速發(fā)展期，用水需求迫切；從水質(zhì)方面考慮，5個水廠的水源全部取自錢塘江水系，應(yīng)對突發(fā)污染事件能力薄弱；未來蕭山的供水水源面臨著水量與水質(zhì)的雙重壓力。

2 千島湖水源情況

2.1 千島湖概況

千島湖(又名新安江水庫)位于浙江省西部與安徽省南部交界的淳安縣境內(nèi)，為1959 年新安江水電站大壩建成蓄水后形成的特大山谷型深水水庫，是長三角地區(qū)最大的淡水水庫。水庫呈分枝狀態(tài)[4]，從大壩至新安江入口縱長為150 km，水面最寬處約為50 km，岸線總長度為1 406 km；水庫水面面積在水位達(dá)到正常蓄水水位108 m時為580 km2，正常蓄水水位庫容為178.4×108m3，平均水深為31 m。

2.2 千島湖水質(zhì)情況

2.2.1 與其他典型湖泊比較

千島湖是首批入選“中國好水”的5個水源地之一，在全國43個重要水庫富營養(yǎng)化評價中，千島湖是富營養(yǎng)化指數(shù)最低的5個水庫之一[5]，為Ⅰ類水體。千島湖與國內(nèi)外重要水體比較如表2所示。

表2 湖泊水質(zhì)比較Tab.2 Water Quality Comparison of Lakes

由表2可知：千島湖在庫容方面接近日本琵琶湖，水質(zhì)方面優(yōu)于日本琵琶湖而與北美五大湖相當(dāng)。琵琶湖是日本第一大淡水湖，也是日本具有象征意義的母親湖、西日本地區(qū)珍貴的水資源[6]；北美五大湖擁有占美國95%、世界20%的地表淡水資源，該地區(qū)約居住著美國總?cè)丝诘?0%、加拿大人口的50%[7]。這兩處均是典型的大型飲用水水源地，由數(shù)據(jù)比較可知，千島湖在水質(zhì)和水量兩方面都具備為人口密集城市提供優(yōu)質(zhì)飲用水源的條件。

2.2.2 富營養(yǎng)化指標(biāo)

依據(jù)生態(tài)環(huán)境部《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術(shù)規(guī)定》中湖泊和水庫營養(yǎng)狀態(tài)評價方式，對5項水質(zhì)指標(biāo)：葉綠素a(chl-a)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)進(jìn)行統(tǒng)計，2016年—2018年的平均值為-5.11，小于30(表3)，為貧營養(yǎng)型。

表3 千島湖各監(jiān)測斷面歷年數(shù)據(jù)均值Tab.3 Average Data of Each Monitoring Section of Qiandaohu Lake over the Years

千島湖水庫存在熱分層情況，浮游植物密度的峰值出現(xiàn)在距離表層6 m的區(qū)域，水下5～10 m為浮游植物高密度區(qū)域，而水面下25 m的PAR(光合有效輻射)基本接近于0[8]。因此，雖然夏季千島湖部分湖區(qū)表面有浮游植物水華現(xiàn)象，但其對深層水體的影響很小。由于千島湖輸配水工程取水口(金竹牌)的正常取水深度為26 m，該處水體中水溫、pH等指標(biāo)常年穩(wěn)定，浮游植物基本無蹤跡。

2.2.3 取水口深層水水質(zhì)

對某水廠千島湖原水(取自湖中心區(qū)水下20～25 m處)和目前蕭山錢塘江三江口原水水質(zhì)進(jìn)行比較。

圖1 兩水源TN現(xiàn)狀Fig.1 Current Situation of TN in Two Water Sources

如圖1、圖2所示，千島湖原水TN平均值為1.03 mg/L，TP平均值為0.01 mg/L，均低于地表水Ⅰ類水限值。三江口原水TN平均值為2.14 mg/L，TP平均值為0.06 mg/L，遠(yuǎn)高于千島湖水源。如切換水源，TN濃度低51.9%，TP濃度低83.3%。根據(jù)文獻(xiàn)，藻類生長適宜的氮磷比為16∶1[9]，由目前的數(shù)值，即三江口原水氮磷比為35.7、千島湖原水氮磷比為86.5可知，兩水源TP濃度是藻類生長的限制條件，特別是千島湖原水中磷的濃度非常低，大大限制了藻類的大量增殖。

如圖3所示，千島湖原水耗氧量平均值為1.16mg/L，三江口原水耗氧量平均值為2.42 mg/L，濃度低52.1%，主要原因是錢塘江的有機(jī)微污染狀況長期存在，微量的有機(jī)污染通過常規(guī)工藝難以解決。千島湖水源的有機(jī)物含量相當(dāng)?shù)?，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)出廠水限制(3 mg/L)，對供水處理工藝的要求大大降低。

圖2 兩水源TP現(xiàn)狀Fig.2 Current Situation of TP in Two Water Sources

圖3 兩水源CODMn狀況Fig.3 Current Situation of CODMn in Two Water Sources

如圖4所示，千島湖水歷年耗氧量(CODMn)幾乎是一條重合的曲線，而三江口的數(shù)值波動較大，最大、最小值相差一倍，有明顯的季節(jié)波動，每年春秋季，變化非常劇烈，對供水廠的處理工藝沖擊很大。這也反映了千島湖水CODMn非常穩(wěn)定，不存在季節(jié)影響，對工藝幾乎沒有影響。

圖4 CODMn時空分布分析Fig.4 Temporal-Spacial Distribution of CODMn

水中NH3-N是含氮化合物受微生物作用的分解產(chǎn)物，能夠反映水被污染的狀態(tài)和程度。如圖5所示，2016年—2018年，千島湖原水NH3-N平均值為0.01 mg/L，遠(yuǎn)低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)一類水標(biāo)準(zhǔn)(0.15 mg/L)；三江口原水NH3-N平均值為0.25 mg/L，波動較大，最大值為0.63 mg/L。如完全切換水源水質(zhì)，原水NH3-N濃度將下降96%。

圖5 兩水源NH3-N現(xiàn)狀Fig.5 Current Situation of NH3-N in Two Water Sources

綜上，從常規(guī)指標(biāo)來看，千島湖水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于蕭山區(qū)現(xiàn)有水源，引入千島湖原水后將極大提升原水水質(zhì)，減輕供水水質(zhì)隱患。

3 對供水水廠的影響

3.1 低溫低濁的影響

目前，蕭山區(qū)各水廠所取水源錢塘江為江河水，水質(zhì)特點是水質(zhì)波動大、有機(jī)物指標(biāo)略高、泥沙含量高；而千島湖原水則是湖庫水的典型代表，水質(zhì)清潔、穩(wěn)定。目前，水廠原水進(jìn)廠后，全部采用混凝-沉淀工藝，對于這種工藝來說，適當(dāng)?shù)母邼岫人懈玫幕炷恋硇Ч?dāng)原水渾濁度過低時，可能發(fā)生低溫低濁的情況。

所謂低溫低濁指的是原水渾濁度較低、雜質(zhì)細(xì)小均勻時，混凝劑加入后形成的絮凝體細(xì)、少、輕且難以沉淀的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是自來水廠處理的難題，混凝劑投量低不起作用，投量多了處理效果不明顯，增加處理費用，有時還會使出水pH降低[10]，進(jìn)而引起出廠水鋁含量升高。嚴(yán)格來說，低溫低濁是指冬季水溫為0～4 ℃、渾濁度為30 NTU以下的江河水及水庫水。圖6、圖7為近3年蕭山區(qū)與千島湖水廠原水的水溫及渾濁度狀況。

圖6 兩水源水溫狀況Fig.6 Current Situation of Water Temperature of Two Water Sources

圖7 兩水源渾濁度狀況Fig.7 Current Situation of Turbidity in Two Water Sources

歷年水溫平均值：千島湖為16.6 ℃,三江口為20.8 ℃，相差4 ℃。歷年水溫最低值均出現(xiàn)在2月，最高值在7月—9月。三江口水溫波動在6.8～29.2 ℃，千島湖原水水溫在12.1～22.6 ℃。在冬季水溫最低時，千島湖原水比三江口高5 ℃左右。千島湖原水渾濁度穩(wěn)定在0.55 NTU左右，幾乎沒有波動，三江口原水的渾濁度在3～1 000 NTU，被平均后，約為32.6 NTU。經(jīng)水廠調(diào)研實證，三江口水源取水的水廠目前不存在低溫低濁情況；千島湖取水的某縣級水廠，在冬季有低溫低濁情況出現(xiàn)。千島湖低溫低濁最嚴(yán)重是出現(xiàn)在2月，原水平均水溫為10 ℃、渾濁度為0.5 NTU；而三江口在2月時，水溫為9 ℃，渾濁度為16 NTU。

綜上，輸配水工程建成后，千島湖原水經(jīng)過100多km的地下管道運(yùn)輸，引入蕭山區(qū)水廠取水口與三江口原水，如果按3∶1的比例混合，在冬季2月時，原水最低溫度將會比原來略有升高、渾濁度略有降低。因與高濁度江水混合使用，處理難度低于目前的千島湖水廠。

表4是千島湖某縣水廠的處理工藝及出水效果，選取近兩年水溫最低月份的運(yùn)行數(shù)據(jù)。由表4可知，在冬季低溫低濁時期，該水廠采用傳統(tǒng)混凝-沉淀-過濾工藝、加礬加氯量水平較低的情況下，出廠水渾濁度、pH均理想，鋁含量也遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)限制(0.2 mg/L)。目前，蕭山主供水廠已有較先進(jìn)的臭氧活性炭深度處理工藝，有砂濾池和炭濾池的雙重保障，炭濾池中含有一定的嗜低溫種群，對低溫環(huán)境有一定的適應(yīng)性。國內(nèi)有生物活性炭濾池直接過濾處理低溫低濁水的研究[11]，當(dāng)混合使用千島湖水后，預(yù)計能夠應(yīng)付溫度和渾濁度的波動。

表4 千島湖湖區(qū)某水廠凈水效果Tab.4 Water Purification Effect of Qiandaohu Waterworks

3.2 對藥劑投加的影響

3.2.1 對消毒劑投加的影響

水廠消毒劑的投加，首先是為了滿足人民群眾飲用水衛(wèi)生安全。《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)中對出廠水及管網(wǎng)末梢水的消毒劑含量均有明確的要求。水廠為保證管網(wǎng)末梢水達(dá)標(biāo)，消毒劑一般會過量投加，而過量投加消毒劑的自來水，通常有較濃的氯臭味，這是自來水被認(rèn)為不好喝的一個非常重要的原因，且過量消毒還會有看不見摸不著的消毒副產(chǎn)物問題。如何在采用簡單傳統(tǒng)工藝的情況下，同時滿足管網(wǎng)末梢水的達(dá)標(biāo)及最優(yōu)口感，與進(jìn)廠原水中細(xì)菌學(xué)指標(biāo)有很大的關(guān)系(圖8、表5)。

圖8 兩水源菌落總數(shù)Fig.8 Current Situation of Total Number of Colonies in Two Water Sources

表5 微生物指標(biāo)比對Tab.5 Comparison of Microbial Indicators

糞大腸菌群是總大腸菌群的一部分，存在于溫血動物腸道中，能夠真實地代表水體受糞便污染的程度，糞大腸菌出現(xiàn)，意味著有疾病傳播的風(fēng)險。由表5可知，千島湖取水口原水不僅滿足地表水Ⅰ類，還滿足生活飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

在水處理中，為了氧化水中的有機(jī)物并殺滅細(xì)菌，需消耗的氯量被稱為需氯量[12]。加氯量的多少首先要保證殺死原水中的細(xì)菌和大腸桿菌；其次，還需維持一定的剩余氯，用來抑制水中殘留細(xì)菌的再度繁殖。由于千島湖原水中的細(xì)菌和大腸桿菌含量非常低，蕭山區(qū)水廠在引入千島湖原水后，可以減少消毒劑投加，逐步開展精準(zhǔn)加氯，以此極大提升飲用水品質(zhì)。

3.2.2 對礬耗、氯耗的影響

引入清潔的千島湖水后，水廠藥劑投加需做相應(yīng)的調(diào)整。目前，蕭山各制水廠礬耗指標(biāo)在12～22 kg/km3，氯耗在1.0～2.9 kg/km3。出廠水水質(zhì)106項指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。使用千島湖水后，藥劑投加勢必要減少，從水質(zhì)相當(dāng)和規(guī)模相當(dāng)兩方面調(diào)研相關(guān)水廠的藥劑投加指標(biāo)，如表6所示。

表6 不同水源水廠藥劑指標(biāo)對比Tab.6 Comparison of Chemical Indicators for Different Raw Water in WTPs

由表6可知，使用千島湖原水后，礬耗大幅下降，考慮到深度處理工藝有臭氧輔助消毒，只需在清水池處有一道后加氯，氯耗就會相應(yīng)的下降，但是氯耗的調(diào)整還需考慮管網(wǎng)末梢的狀況，綜合考慮，氯耗會有所降低。同時，制水廠是企業(yè)經(jīng)營，節(jié)能降耗是重要的考核依據(jù)，從這個角度來說，水廠經(jīng)濟(jì)壓力將會減輕。

3.3 高水質(zhì)水源對供水管網(wǎng)的影響

水的化學(xué)穩(wěn)定性主要由金屬離子的釋放引起。在水源周期性切換后，短時期內(nèi)水中離子組分發(fā)生較大變化，極有可能破壞管網(wǎng)內(nèi)管垢表面原有的穩(wěn)定保護(hù)層，加速管道腐蝕，促進(jìn)鐵等金屬元素釋放，引發(fā)“黃水”等問題。根據(jù)資料[13]顯示，出現(xiàn)“黃水”問題的地區(qū)主要是在水源切換前長期使用硫酸鹽、氯離子濃度較低地下水的地區(qū)，并位于管網(wǎng)末梢，管網(wǎng)水中余氯、溶解氧濃度較低，該地區(qū)管垢致密殼層較薄且脆弱，當(dāng)水質(zhì)條件發(fā)生變化時易被破壞。對于硫酸根、氯離子等中性離子的侵蝕主要利用拉森指數(shù)，如式(1)。

(1)

其中：LR——拉森指數(shù)；

{CI-}——CI-活度，mg/L；

拉森指數(shù)是在對新管進(jìn)行腐蝕試驗的基礎(chǔ)上提出的，可使用離子活度進(jìn)行計算。當(dāng)拉森指數(shù)>1 時，水具有嚴(yán)重腐蝕性。根據(jù)千島湖原水和蕭山三江口原水2018年數(shù)據(jù)計算，千島湖水源拉森指數(shù)為0.59，三江口拉森指數(shù)為1.19。從拉森指數(shù)來看，千島湖水源的拉森指數(shù)比三江口低很多，水源切換后發(fā)生金屬離子等過量釋放的化學(xué)穩(wěn)定性問題的風(fēng)險較小。

4 結(jié)論

(1)實施千島湖輸配水工程，對解決城市供水水源單一、應(yīng)對突發(fā)水源污染事故能力較低的問題，以及保障飲用水供水安全和改善供水水質(zhì)有重大意義。

(2)千島湖取水口深層水，在富營養(yǎng)化指標(biāo)、有機(jī)物、無機(jī)物綜合指標(biāo)等各方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有錢塘江水源，其中，TN濃度低51.9%，TP濃度低83.3%，CODMn低52.1%，NH3-N低96%。

(3)引入千島湖水后，蕭山主供水廠的凈水工藝完全可以應(yīng)對切換水源可能出現(xiàn)的低溫低濁現(xiàn)象。

(4)隨著優(yōu)質(zhì)水源的引入及消毒劑減量投加管理，蕭山區(qū)飲用水品質(zhì)將得到提升。

(5)水源切換后，發(fā)生金屬離子等過量釋放的化學(xué)穩(wěn)定性問題的風(fēng)險較小。