農(nóng)村安全飲水工程水廠強化除砷工藝探索

夏 偉，彭超群，易高飛

（1. 湘陰縣水利局，湖南 岳陽 414600； 2. 湘陰縣水利水電勘測設(shè)計院，湖南 岳陽 414600；3. 湖南三湘四海水務(wù)有限公司，湖南 岳陽 414600）

砷是重金屬污染物，水中砷污染的來源有：①自然源：礦物及巖石的風化、火山的噴發(fā)、溫泉的上溢水；②人工源：砷化物的開采和冶煉。這些因素對地下水及飲用水都造成了很大的污染。高砷飲水主要為地下水。我國飲用高砷水地區(qū)涉及臺灣、新疆、內(nèi)蒙、西藏、云南、貴州、山西、吉林等10 個?。▍^(qū)）約30 個縣（旗），這些地區(qū)已出現(xiàn)地方性砷中毒患者，且大多為少、邊、貧和缺乏低砷水源地區(qū)。按照WHO 的水砷標準，中國砷中毒危害病區(qū)的暴露人口高達1 500 萬之多；已確診患者超過數(shù)萬人，因此飲水除砷是防治地方性砷中毒的關(guān)鍵措施。2006 年我國頒布生活飲用水衛(wèi)生標準（GB 5749－2006）將飲用水中砷的濃度限值從0.05 mg/L 降低到了0.01 mg/L[1]，砷成為我國優(yōu)先控制的污染物；湘陰縣鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠原水為地下水，原水鐵、錳、砷含量超標，通過原有的加藥系統(tǒng)工藝進行處理后，出廠水水質(zhì)中砷含量較高，超過《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）的要求（10 μg/L），因此需要改造原有工藝，強化對砷的去除。

1 工程背景

1.1 鶴龍湖水廠工藝現(xiàn)狀

鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠廠址位于該鎮(zhèn)龍溪村6 組。原水為地下水，原水中鐵、錳、砷含量超標。水廠的設(shè)計規(guī)模為6 600 m3/d；主要水處理構(gòu)筑物：跌水式曝氣塔、網(wǎng)格反應(yīng)池、斜管沉淀池、快濾池、清水池。

工藝流程如圖1 所示。

圖1 鶴龍湖水廠工藝流程圖

近年來的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，鶴龍湖水廠水源水質(zhì)呈現(xiàn)砷、鐵、錳等指標超標，出廠水砷含量超出《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）的限值要求；原水水質(zhì)及改造前出水水質(zhì)情況見表1。

表1 原水及現(xiàn)有工藝出水主要水質(zhì)特征

1.2 鶴龍湖水廠存在的主要問題

鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠水源為地下水，有4 口井，每口井的出水水質(zhì)、出水量都不一樣，給水處理增加了難度。

1）聚合硫酸鐵投加系統(tǒng)

水廠原有投加聚合硫酸鐵系統(tǒng)為人工手動投加，投加量人為因素很大，不利于砷的去除，原料浪費多，投加設(shè)備陳舊，配電控制柜安裝很不規(guī)范，存在安全隱患。

2）聚合氯化鋁投加系統(tǒng)

水廠原有投加聚合氯化鋁系統(tǒng)為人工手動投加，未與水廠原水濁度與流量進行關(guān)聯(lián)，投加量人工控制不確定因素很多，原料浪費很大，投加設(shè)備陳舊，配電控制柜安裝很不規(guī)范，存在安全隱患。

3）加堿系統(tǒng)

水廠原有加堿系統(tǒng)為人工手動投加，未與反應(yīng)池中水的pH 進行關(guān)聯(lián)，投加量無法準確控制，pH 對反應(yīng)池加礬影響很大，同時pH 對鐵錳砷去除效果有顯著影響。

鶴龍湖水廠現(xiàn)有工藝控制對砷的去除效果差，無法滿足飲用水衛(wèi)生標準，出水中砷化物含量超標；現(xiàn)有加藥系統(tǒng)工藝全為人工投加，并未與進水流量、濁度、pH 等因素關(guān)聯(lián)，導致對砷等重金屬去除效果達不到要求。

2 工藝改造方案

目前針對高砷水處理的基本措施，大多采用吸附、混凝沉淀、離子交換和膜過濾等技術(shù)[2]，但鶴龍湖水廠由于場地有限，無法增設(shè)新的處理構(gòu)筑物，只能在現(xiàn)有工藝上進行改造。

鐵鹽除砷的適宜pH 值為6.5～8.0，F(xiàn)e（Ⅲ）類混凝劑對As（Ⅴ）的去除率基本可達到90%以上，且較為穩(wěn)定，但對于As（Ⅲ）的去除效果不佳。當原水中As（Ⅲ）比例較高時，應(yīng)在混凝前采取適當氧化措施[3]。

因鶴龍湖水廠曝氣系統(tǒng)對砷的氧化作用不夠充分，增加預(yù)加氯措施，將原水中的As（Ⅲ）轉(zhuǎn)化為易于去除的As（Ⅴ）；鶴龍湖水廠投加鐵鹽后pH 值會降低，會導致除砷效果不佳，因此需增加全自動加堿系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進水pH 提升除砷效果。

具體改造措施如下：

1）加聚合硫酸鐵

標準型全自動聚合硫酸鐵投加裝置控制系統(tǒng)由1臺變頻器、2 臺計量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC等組成。全自動聚合硫酸鐵投加裝置控制系統(tǒng)以原水流量為主要依據(jù)，針對現(xiàn)場的具體情況，通過數(shù)學建模的方式達到最優(yōu)的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信號及一些關(guān)聯(lián)信號通過分析、計算得一路控制信號控制變頻器的運行，通過變頻來調(diào)節(jié)計量泵轉(zhuǎn)速，從而控制計量泵的輸出流量。實現(xiàn)閉環(huán)控制方式，并可根據(jù)工況和用戶的要求，方便靈活地實現(xiàn)控制。

藥劑投加量通過控制系統(tǒng)根據(jù)原水進水流量等調(diào)節(jié)計量泵的頻率，以確定最佳投加比例，并達到理想的水處理效果。

2）聚合氯化鋁投加系統(tǒng)

標準型全自動聚合氯化鋁投加裝置控制系統(tǒng)由1臺變頻器、2 臺計量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC等組成。全自動聚合氯化鋁投加裝置控制系統(tǒng)以原水流量和濁度為主要依據(jù)，針對現(xiàn)場的具體情況，通過數(shù)學建模的方式達到最優(yōu)的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信號及濁度信號通過分析、PID 計算得出每1 000 t 的耗礬量，隨流量和濁度變化通過變頻控制來調(diào)節(jié)計量泵投加量。實現(xiàn)閉環(huán)控制方式，并可根據(jù)工況和用戶的要求，方便靈活地實現(xiàn)控制。

藥劑投加量通過控制系統(tǒng)根據(jù)原水進水流量和濁度調(diào)節(jié)計量泵的頻率，以確定最佳投加比例，并達到理想的水處理效果。

3）加燒堿

標準型全自動燒堿鐵投加裝置控制系統(tǒng)由1 臺變頻器、2 臺計量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC 等組成。全自動燒堿投加裝置控制系統(tǒng)以反應(yīng)池入口pH 值為主要參數(shù)，保持pH 值在7.5～8.0 之間。通過調(diào)節(jié)燒堿投加量來實現(xiàn)pH 值的穩(wěn)定。其主要控制原理如下：

控制方式采用以反應(yīng)池入口pH 值信號及一些關(guān)聯(lián)信號通過分析、計算得一路控制信號控制變頻器的運行，通過變頻來調(diào)節(jié)計量泵轉(zhuǎn)速，從而控制計量泵的輸出流量。

3 改造效果分析

3.1 砷去除效果分析

鶴龍湖水廠強化除砷工程改造后經(jīng)連續(xù)運行，進水及出水砷含量變化如圖2 所示。

圖2 工藝改造后除砷效果

鶴龍湖水廠在進行工藝改造前，出水砷含量在16～30 μg/L（見表1），超過現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）的限值要求（10 μg/L）；在進行工藝改造后如圖2 所示，出水砷含量較改造前顯著降低，鶴龍湖水廠進水砷含量較高，且變化幅度大，進行工藝改造連續(xù)運行后，出廠水砷含量受進水水質(zhì)影響波動較小，出廠水砷含量基本穩(wěn)定在7 μg/L 左右，達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）的限值要求。

3.2 鐵錳去除效果分析

鶴龍湖水廠強化除砷工程改造后經(jīng)連續(xù)運行，進水及出水鐵、錳含量變化如圖3、圖4 所示。

圖3 工藝改造后除鐵效果

根據(jù)圖3、圖4 可以看出，鶴龍湖水廠原水地下水中鐵、錳含量較高（特別是鐵），且進水含量波動較大，經(jīng)過工藝改造后，強化了鐵、錳的去除效果，出水中鐵錳含量均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）的要求。

圖4 工藝改造后除錳效果

4 結(jié) 論

實施鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠加藥改造工程，加強自動化控制，根據(jù)數(shù)字化模型合理調(diào)節(jié)投加量，可有效減少人力成本和材料成本；經(jīng)過工藝改造后可以較好地滿足鶴龍湖水廠對砷的去除要求，出廠水砷含量穩(wěn)定在7 μg/L 左右，同時也加強了對鐵、錳的去除效果；出水中鐵、錳、砷均含量滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）的要求。