高藻原水應(yīng)急預(yù)處理措施淺析

袁東日

（上海軒浦凈化科技有限公司，上海 201108）

0.引言

水是生命之源，提供高品質(zhì)飲用水是供水人兢兢業(yè)業(yè)在做的事業(yè)，需要做到制水全流程管控，應(yīng)急措施不留漏點。目前，制水工藝趨近成熟，自動化及人工智能的快速融入對于制水過程的高效管理和安全生產(chǎn)起到很好的輔助作用，影響制水工藝安全穩(wěn)定運行的因素除工藝本身、科學管理外，原水水質(zhì)狀況是我們關(guān)注的又一重點因素，特殊的原水水質(zhì)足可以癱瘓制水工藝的某個環(huán)節(jié)，影響供水水質(zhì)安全。結(jié)合專家、學者及相關(guān)制水單位取得的研究成果和經(jīng)驗，針對高藻水的應(yīng)急預(yù)處理措施做一個思路梳理，供業(yè)內(nèi)參考交流使用。

1.高藻水產(chǎn)生及影響

1.1 高藻水限值界定

藻類分布范圍廣泛，生存條件要求低，環(huán)境適應(yīng)性強，即使在地表Ⅱ、Ⅲ類低營養(yǎng)水體條件下、一旦具備適合的光照和溫度，藻類也會迅速增多，存在爆發(fā)的可能。關(guān)于水源藻類問題，世界衛(wèi)生組織（WHO）和衛(wèi)生部推薦過飲用水水源藻類三級限值分別為：安全限值：1.0×104個/L；警戒限值：2.1×105個/L；危險限值：1.2×106個/L，其中警戒限值是針對致癌性而設(shè)定的下限值，危險限值是避免產(chǎn)生急性毒作用的限值[1]。此限值主要從毒理學指標分析，實際水廠生產(chǎn)還要考慮嗅覺和感官指標，根據(jù)一些水廠的生產(chǎn)經(jīng)驗，警戒限值以下的原水只是對制水工藝過程存在一定影響，對出廠水水質(zhì)指標變化影響不大，但超過警戒限值則會造成毒理學問題，還會伴隨著嗅覺和感官等水質(zhì)問題的出現(xiàn)，要求制水過程中必須施加必要的應(yīng)對措施予以解決，本文以警戒限值為高藻水的最低參考值，探討高藻水帶來的水質(zhì)問題和解決辦法。

1.2 水質(zhì)問題及影響

從目前調(diào)查情況看，高藻水主要來源為內(nèi)河、水深較淺的小型水庫、流動性差的湖泊等，光照充足溫度適宜的大型水庫也會偶爾有藻類爆發(fā)的可能。高藻水引發(fā)的直接水質(zhì)問題常見的有藻類數(shù)量劇增、水體異味、色度增高、pH值晝夜異常變化等；帶來的次生問題：殺藻產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物問題、死藻釋放藻毒素問題、絮凝效果差、堵塞濾池縮短過濾周期、飲用口感差、出廠水鋁易超標等問題。

一般情況藻類爆發(fā)期原水pH值會波動較大，白天光照充足的情況pH值會大幅度升高，同時伴有溶解氧DO值升高現(xiàn)象發(fā)生，夜晚pH值有所回落，特殊情況回落幅度較大pH<7.0，單一藻類占主體時這一現(xiàn)象表現(xiàn)較為突出。高pH值原水會帶來一系列的問題發(fā)生，如降低消毒劑的使用效率，影響制水工藝絮凝效果，出廠水鋁超標等問題。

2.對應(yīng)性應(yīng)急措施解析

業(yè)內(nèi)關(guān)于高藻水帶來的某一指標變化研究較多，本文主要針對高藻水在制水過程中產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性問題做綜合分析，采取分步或綜合性應(yīng)對措施解決高藻水帶來的一系列問題。應(yīng)對措施需要遵循一定時間空間順序，根據(jù)藥劑投加目的、藥劑相互作用及影響確定合適的投加時間和位置。常規(guī)應(yīng)急處置措施一般選擇投加二氧化碳（CO2）或石灰（Ca(OH)2）、次氯酸鈉（NaClO2）、粉炭等藥劑的一種或幾種，以達到高藻期間應(yīng)急處理效果，藥劑相互影響有如下描述：

（1）石灰（Ca(OH)2）或CO2調(diào)節(jié)原水pH值至7～7.5之間，可以提高后續(xù)絮凝劑的使用效果；

（2）合適的pH值范圍，次氯酸鈉（NaClO2）才能有效地滅活藻類或抑制藻類的繁殖；

（3）次氯酸鈉（NaClO2）投加產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物或藻毒素等有害物質(zhì)，則通過投加粉炭進行吸附去除。

因此藥劑投加時間和位置的選擇應(yīng)該遵循一定的先后順序：

Ca(OH)2或CO2→NaClO2→粉末活性炭

2.1 pH值調(diào)節(jié)措施

2.1.1 pH值調(diào)節(jié)方法概述

pH值調(diào)節(jié)方法很多，常用的方法使用鹽酸、硫酸、氫氧化鈉等強酸強堿調(diào)節(jié)，強酸強堿使用存在兩個問題：（1）強酸強堿均屬于危險化學品，取得手續(xù)較為繁瑣，安全隱患較大；（2）強酸強堿不具緩沖性，容易造成水質(zhì)突變，技術(shù)控制方面存在一定安全隱患。近些年二氧化碳（CO2）或石灰（Ca(OH)2）調(diào)節(jié)pH值的研究逐漸增多，這兩種藥劑均不屬于危險化學品。二氧化碳（CO2）溶于水后生成了具有良好酸堿緩沖作用的弱酸，其中起到主要緩沖作用的是HCO3-離子，其緩沖區(qū)間位于HCO3-所在pH值區(qū)段（圖1）。

圖1 CO2水解平衡隨pH值變化曲線

水解平衡式：

使用CO2回調(diào)高pH值水，當pH值控制在HCO3-所在區(qū)間段時，則水體緩沖性好不易造成水質(zhì)突變問題，藥劑絮凝效果顯著提高。

石灰（Ca(OH)2）屬弱堿，調(diào)節(jié)低pH值水體時較氫氧化鈉投加有更大的流量變化空間，也不易造成水質(zhì)突變，石灰能夠也會起到一定的助凝效果。

2.1.2 二氧化碳（CO2）水中應(yīng)用

CO2應(yīng)用于制水工藝調(diào)節(jié)pH值，在強化絮凝、增強消毒效果、控制消毒副產(chǎn)物、生產(chǎn)安全管理等方面均優(yōu)于工業(yè)強酸。高pH值是導致出廠水鋁超標主要原因，pH值高于8.5時，A1(OH)3逐漸溶解轉(zhuǎn)而生成溶于水的偏鋁酸鹽、鋁酸鹽，控制pH值在8左右，才生成難溶且?guī)д姷腁1(OH)3膠體。CO2調(diào)節(jié)pH值至7.5～7.6之間水體緩沖性好，絮凝劑水解相對穩(wěn)定絮凝效果得到增強，同時，阻止了高pH值時溶解性鋁鹽的轉(zhuǎn)化過程，有效控制出廠水鋁超標問題。

案例：深圳光明新區(qū)某水廠生產(chǎn)性運行數(shù)據(jù)[2]，該廠夏季原水pH值最高達9.04，通過投加二氧化碳將原水pH控制在7左右，混凝劑（PAC）能夠達到較好的絮凝效果，并較好地抑制沉淀池跑礬現(xiàn)象，沉后水濁度可控制在0.18NTU～0.30NTU，出廠水濁度在0.10NTU～0.15NTU，出廠水鋁平均值為0.025mg/L，數(shù)據(jù)顯示投加CO2調(diào)節(jié)原水pH值，控制出廠水鋁超標效果良好。

高藻水對制水工藝影響較大，進入制水工藝之前需要進行藻體滅活，防止藻類活體進入濾池影響濾池正常運行。一般采用次氯酸鈉（NaClO2）預(yù)氧化殺藻，但次氯酸鈉（NaClO2）在高pH值條件下殺藻效果較差，通過CO2對pH值的調(diào)節(jié)可有效提高次氯酸鈉（NaClO2）殺藻效果，還一定程度控制消毒副產(chǎn)物的生成，CO2投加對消毒副產(chǎn)物的控制研究來源于美國環(huán)保署一案例，資料顯示水中投加CO2碳酸溶液，可使TOC的去除率從25%增至40%，消毒副產(chǎn)物前體物量得到降低，使得消毒副產(chǎn)物的量相應(yīng)減少[3]。

2.1.3 二氧化碳（CO2）利用率分析

CO2使用具有安全性、環(huán)保性、精準性、便捷性，但二氧化碳在水中溶解度較小，水合過程和脫水過程比較緩慢，以往二氧化碳利用率比較低，主要與采用的投加方式有關(guān)，以往國內(nèi)的投加方式主要有兩種：一種是利用膜片曝氣盤進行水下投加(圖2)，另一種是采用射流器投加(圖3)，這兩種投加方式二氧化碳利用率均只有20%～30%，低利用率限制了二氧化碳在水處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

圖2 膜片曝氣盤

圖3 射流器

近年來國內(nèi)一些廠家開始研究高效二氧化碳投加裝置(圖4)，其二氧化碳利用率可達97%，激發(fā)了需求單位對二氧化碳使用的熱情。高效二氧化碳投加裝置主要通過專用混合部件加速二氧化碳分子水合速度，提高二氧化碳對碳酸的轉(zhuǎn)化率，碳酸生成后注入水中，裝置穩(wěn)定性高、可控性好，pH值調(diào)節(jié)迅速。

圖4 高效二氧化碳投加裝置

2.2 藻類滅活措施

目前，藻類滅活主要采取投加氧化劑的方式進行，如高錳酸鉀殺藻、臭氧預(yù)氧化殺藻、次氯酸鈉氧化殺藻等，從經(jīng)濟、技術(shù)、運行成本等方面考慮則各有利弊，使用最為普遍是次氯酸鈉預(yù)氧化殺藻。次氯酸鈉預(yù)氧化殺藻效果受pH值影響較大，殺藻之前需要調(diào)節(jié)pH值，許杰龍等關(guān)于《pH值及濃度對次氯酸鈉除藻效果的影響》的文章數(shù)據(jù)表明pH值4.7～9.4時次氯酸鈉都有殺藻效果，但隨著pH值的增高殺藻效果逐漸降低，當pH值9.4時其殺藻非常微弱[3]，因此，結(jié)合水廠運行的實際情況，控制pH值在7.5左右時滅藻較為合適。

次氯酸鈉預(yù)氧化殺藻會帶來三個問題值得重視：（1）藻類死亡藻毒素的釋放；（2）氯酸鹽含量的控制；（3）消毒副產(chǎn)物的控制。第一個問題可采取投加粉末活性炭的予以調(diào)控，第二、三個問題的控制需要從次氯酸鈉消毒劑品質(zhì)著眼考慮。附近次氯酸鈉消毒劑供應(yīng)方便的水廠，可使用有效氯濃度為10%成品次氯酸鈉溶液，建設(shè)時儲液池容積可放大，但一般情況日常儲量不宜過多，滿足3d～5d使用即可，因夏季高溫次氯酸鈉分解較快，易產(chǎn)生氯酸鹽。儲液池位置宜選擇避光低溫為佳，能做地下式不做地上式。成品次氯酸鈉供應(yīng)不便的水廠，建議使用次氯酸鈉發(fā)生器電解食鹽水現(xiàn)場制備0.8%低濃度次氯酸鈉溶液（圖5），一次性投資雖大，但運行成本較使用成品次氯酸鈉低，邊生產(chǎn)邊使用不會產(chǎn)生氯酸鹽，還可有效控制消除副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

圖5 次氯酸鈉發(fā)生器制備系統(tǒng)

2.3 異味或副產(chǎn)物應(yīng)急處置措施

高藻水會帶來各類水質(zhì)問題，藻類分泌物或藻死亡會引起水體異味或釋放藻毒素，次氯酸鈉預(yù)氧化殺藻會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，這些情況對于水廠的水質(zhì)控制或飲用者的身體健康均造成不利影響。吸附去除是有必要采取的一項應(yīng)對措施。

2.3.1 吸附藥劑性能確定

目前，使用粉末活性炭吸附是最常用的去除水中異味及藻毒素的應(yīng)急處置辦法，粉末活性炭品質(zhì)要求可參考（表1）。建議使用孔隙率較豐富的煤質(zhì)活性炭，除色除味可按8mg/L～15mg/L控制投加量，CODmn去可除按30mg/L～40mg/L控制投加量。

表1 自來水用粉末活性炭性能參數(shù)表

2.3.2 粉炭投加設(shè)施形式

粉炭投加設(shè)施的形式直接影響到藥劑投加效果、經(jīng)濟指標、環(huán)境衛(wèi)生等。投加設(shè)施按儲料形式分：散裝簡易投加系統(tǒng)、噸袋投加系統(tǒng)、料倉式計量投加系統(tǒng)。（1）散裝簡易投加系統(tǒng)采用25kg編織袋儲存粉炭，使用時人工拆包，將粉炭倒入制漿罐，然后用潛水泵將炭將送至投加點，設(shè)備投資低，但粉炭投加精度差，環(huán)境衛(wèi)生非常惡劣，長期操作會對工作人員造成健康傷害，原水水質(zhì)好的小微型水廠可酌情選擇。（2）料倉式計量投加系統(tǒng)通過槽車將散裝粉炭直接輸送至料倉，再經(jīng)過計量輸送機自動制漿，由螺桿泵等漿液輸送泵計量投加，此種方式可實現(xiàn)精確投加，加藥間環(huán)境整潔無任何粉塵污染，長期投加粉炭或中大型水廠需按此方式建設(shè)，雖然一次性投資較大，但可大大降低工人勞動強度，保護工作環(huán)境衛(wèi)生整潔。

投加設(shè)施按粉炭輸送形式分：濕法投加和干法投加兩種。（1）濕法投加是將粉料通過制備裝置制成漿液，通過螺桿泵等漿液輸送泵計量輸送至投加點（圖6），濕法投加系統(tǒng)由于輸送的是制備好的漿液，一般適合各種水處理工藝，效果比較理想。（2）干法投加是將粉料經(jīng)過螺旋輸送機計量后，通過高速射流器直接輸送至投加點的投加方式（圖7），目前主要適用在粉炭投加，由于干法投加過程中粉料要攜帶一定量氣體，氣體在有壓的管道里很難迅速釋放，對于粉炭的利用效率，及后期反應(yīng)池的礬花沉降都會產(chǎn)生不利影響，干法投加系統(tǒng)對投加點的選擇及水廠工藝有一定的要求。

圖6 濕法投加系統(tǒng)

圖7 干法投加系統(tǒng)

2.3.3 粉炭項目建設(shè)實例

上海原水公司五號溝泵站設(shè)計供水量700萬t/d，屬超大型原水泵站，粉炭投加量按20mg/L設(shè)計，最大投炭量140t/d，投炭設(shè)施只能選擇倉儲式全自動粉炭投加系統(tǒng)，按滿負荷運行3d的用量設(shè)計存儲料倉系統(tǒng)，粉炭存儲倉設(shè)置4套，總儲炭量約為500t，配備8臺法國sodimate大輸送量計量輸送機，3套炭漿制備系統(tǒng)，通過12臺計量投加泵高壓輸送至各個方向原水管。整套系統(tǒng)建設(shè)要滿足必須技術(shù)領(lǐng)先、必須環(huán)境整潔，必須無人值守全自動運行的三“必須”目標要求。

粉炭應(yīng)急投加位置之所以選在五號溝泵站：（1）實現(xiàn)集中投加一次管理，較分散建設(shè)節(jié)約成本；（2）五號溝泵站離各制水廠距離從十幾公里到幾十公里不等，水力停留時間長，可以充分發(fā)揮粉炭對異味、殺藻副產(chǎn)物及有機污染物的吸附攔截作用，充分發(fā)揮時間和位置優(yōu)勢。

3.結(jié)論

高藻水只是引起原水水質(zhì)變化的一個原因，水污染應(yīng)急處置措施建設(shè)應(yīng)納入各地安全供水、高品質(zhì)供水的總體建設(shè)規(guī)劃之中，無論何時何種水質(zhì)污染都必須有相應(yīng)的應(yīng)急處置措施予以解決，以人為本的公益事業(yè)不能依靠僥幸。工藝設(shè)計及設(shè)備選擇要充分考慮其邏輯性、實用性、先進性、時代性，及對環(huán)境安全的影響性。采用高效碳酸制備裝置將CO2投入水中調(diào)節(jié)pH值是對新工藝新設(shè)備的科學嘗試，CO2高效利用技術(shù)的出現(xiàn)將會加快CO2在水治理方面廣泛應(yīng)用的步伐，工業(yè)生產(chǎn)碳的排放可不必上天而直接入水，CO2在水治理方面廣泛應(yīng)用或?qū)⒊蔀閲?030年碳達峰實現(xiàn)過程的重要補充，因此，新工藝新設(shè)備必須做到用CO2而不排CO2的高效利用水平，具備一定先進性和時代特色。CO2或石灰、次氯酸鈉、粉炭三者聯(lián)合使用應(yīng)對高藻水所帶來的水質(zhì)問題在很長一個時期內(nèi)會得到廣泛應(yīng)用。