泵站原水水質(zhì)變化情況探討研究

賈柏櫻， 姚 慧， 路 楨， 馮 濤， 劉曉冰， 張 鵬

(天津水務(wù)集團(tuán)有限公司引江市區(qū)分公司，天津300122)

天津某泵站于2015年1月正式運(yùn)行，主要構(gòu)筑物包括電站、泵房、調(diào)節(jié)池等。近幾年引江原水檢測數(shù)據(jù)表明，其水質(zhì)基本滿足《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)地表水Ⅲ類水體的標(biāo)準(zhǔn)，絕大部分指標(biāo)達(dá)到Ⅱ類或Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。但是進(jìn)入泵站調(diào)節(jié)池的原水中混雜有大量懸浮物質(zhì)，造成調(diào)節(jié)池進(jìn)口附近區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重的淤積問題，對水質(zhì)產(chǎn)生潛在的隱患，同時(shí)耗氧量、堿度、硬度、葉綠素、藻類[1]等指標(biāo)隨著調(diào)節(jié)池內(nèi)不斷的淤積或季節(jié)溫度的改變，會有不同程度的變化。為關(guān)注原水水質(zhì)和淤積的變化情況，筆者于2018—2020年對南水北調(diào)入津工程沿線不同斷面的原水、水廠出水的主要水質(zhì)指標(biāo)及淤積物成分進(jìn)行檢測試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合水廠工藝過程，研究分析不同時(shí)期、不同時(shí)段水質(zhì)變化規(guī)律及不同水質(zhì)問題的解決方案或建議，以期為改善水質(zhì)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

對南水北調(diào)入津工程沿線不同節(jié)點(diǎn)斷面的水質(zhì)進(jìn)行檢測分析，取水?dāng)嗝姘ǎ涸當(dāng)嗝?、原水?dāng)嗝?、原水?dāng)嗝?、原水?dāng)嗝?、王慶坨水庫、西河(曹莊)泵站調(diào)節(jié)池、水廠出水(1#水廠為凌莊水廠、2#水廠為津?yàn)I水廠)，如圖1所示。

圖1 原水沿線取水?dāng)嗝媾c出廠水示意Fig.1 Schematic diagram of raw water intake section and treated water

檢測分析原水的溫度、濁度、pH、耗氧量、堿度、硬度、葉綠素、藻類計(jì)數(shù)[2]等指標(biāo)，同時(shí)對淤積物的成分進(jìn)行小試和檢測分析，根據(jù)分析研究結(jié)果提出控藻、降低有機(jī)物含量等建議。

2 結(jié)果與討論

2.1 沿程水質(zhì)的變動(dòng)特征

為了對原水水質(zhì)沿程變動(dòng)規(guī)律與水廠凈化效果進(jìn)行分析，采集沿程4個(gè)原水?dāng)嗝妗?座泵站調(diào)節(jié)池和2座水廠出廠水水樣，水質(zhì)見表1。

表1 原水水質(zhì)沿程變化Tab.1 Quality of raw water along the route

2.1.1濁度

從原水?dāng)嗝?至原水?dāng)嗝?，引江原水濁度較為穩(wěn)定并維持在較低水平，至原水泵站后有大幅度增長，經(jīng)水廠處理后又顯著回落。這表明原水經(jīng)過管渠長距離輸送進(jìn)入泵站調(diào)節(jié)池后，池內(nèi)固有淤積物會引起水體濁度升高，經(jīng)過水廠凈化處理后顯著降低。

2.1.2pH

從原水?dāng)嗝?至原水泵站，引江原水pH較為穩(wěn)定，經(jīng)水廠處理后下降至7.7左右。出廠水pH較原水大幅降低，分析認(rèn)為這是由于2座水廠投加酸性的硫酸鐵與聚合氯化鋁所引起，酸化后水體pH符合要求。

2.1.3總堿度

從原水?dāng)嗝?至原水泵站，引江原水總堿度情況較為穩(wěn)定，經(jīng)水廠處理后略有降低，與pH的沿程變化規(guī)律相同。

2.1.4高錳酸鹽指數(shù)

從原水?dāng)嗝?至原水泵站，引江原水高錳酸鹽指數(shù)較為穩(wěn)定，經(jīng)水廠處理后略有降低。這表明2座水廠能夠有效去除原水中的還原性有機(jī)物，其中2#水廠的去除效果優(yōu)于1#水廠。

2.1.5總硬度

原水?dāng)嗝?至原水?dāng)嗝?，引江原水總硬度值較為穩(wěn)定，而從原水?dāng)嗝?至原水泵站逐漸降低，經(jīng)水廠處理后略有升高。

從檢測數(shù)據(jù)看，原水pH、總堿度、總硬度、高猛酸鹽指數(shù)在各斷面間變化不大，變化趨勢大體一致，但是在原水?dāng)嗝?處水質(zhì)略有變化，高錳酸鹽指數(shù)略有升高，堿度、硬度略有下降。

綜合分析得出，引江原水水質(zhì)沿程略有變化，但各點(diǎn)位均符合地表水Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)基本穩(wěn)定。經(jīng)水廠處理后，原水的pH、堿度有所降低，硬度變化不顯著，濁度、高錳酸鹽指數(shù)去除效果較明顯，且2#水廠比1#水廠去除效果略好[3]。

2.2 原水水質(zhì)隨時(shí)間的變動(dòng)特征

采集2018年至2020年西河泵站進(jìn)口、出口水樣，分析原水水質(zhì)的逐月變動(dòng)特征。

2.2.1總硬度

原水總硬度在該3年間受季節(jié)性影響且變化趨勢一致，如圖2所示。高溫季節(jié)總硬度較低且小于110 mg/L，最低值99 mg/L出現(xiàn)在2019年8月；中低溫季節(jié)總硬度較高且在110 mg/L以上，最高值138 mg/L出現(xiàn)在2019年3月。

圖2 2018—2020年原水總硬度的變化Fig.2 Variation of raw water total hardness from 2018 to 2020

2.2.2總堿度

原水總堿度的變化與總硬度類似，高溫季節(jié)總堿度較低且小于90 mg/L，最低值78 mg/L出現(xiàn)在2020年9月；中低溫季節(jié)總堿度較高且在90 mg/L以上，最高值111 mg/L出現(xiàn)在2018年5月?？倝A度與總硬度具有相同的變動(dòng)特征，與原水中藻類微生物代謝活性直接相關(guān)。高溫季節(jié)，藻類的光合作用強(qiáng)于呼吸作用，水中大量CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓岣x子，進(jìn)而形成碳酸鈣沉淀。相反，低溫季節(jié)下水中微生物的呼吸作用強(qiáng)于光合作用，釋放大量CO2進(jìn)入水中，這也是典型的水庫型原水水質(zhì)變動(dòng)特征。

圖3 2018—2020年原水總堿度的變化Fig.3 Variation of raw water total alkalinity from 2018 to 2020

2.2.3CODMn

2018年和2020年，西河泵站水樣的CODMn變化趨勢較為一致，均在第二季度達(dá)到最高值，第四季度降至最低值。2019年的CODMn水平較為穩(wěn)定且數(shù)值偏低，如圖4所示。最低值1.6 mg/L出現(xiàn)在2018年11月至2019年5月，最高值2.9 mg/L出現(xiàn)在2018年8月和2020年6月。

圖4 2018—2020年原水耗氧量的變化Fig.4 Variation of raw water oxygen consumption from 2018 to 2020

2.2.4總?cè)~綠素

總?cè)~綠素含量受季節(jié)性影響較大，2018—2020年每年的變化趨勢較為相同，即隨著溫度升高，水中藻類微生物含量增大，則葉綠素含量明顯增加，同時(shí)第二和第三季度表現(xiàn)較為明顯，如圖5所示。最高值40.46 μg/L出現(xiàn)在2020年6月，最低值0.45 μg/L出現(xiàn)在2019年2月。

圖5 2018—2020年原水葉綠素的變化Fig.5 Variation of raw water total chlorophyll from 2018 to 2020

2.2.5藻類計(jì)數(shù)

原水中藻類[4]含量受季節(jié)性影響較大，每年變化趨勢較為相同，即隨著溫度升高，水中生物含量增大，則藻類含量明顯增加，同時(shí)第二和第三季度表現(xiàn)較為明顯，如圖6所示。最高值2 153×104個(gè)/L出現(xiàn)在2020年6月，最低值55×104個(gè)/L出現(xiàn)在2020年1月。

圖6 2018—2020年原水藻類計(jì)數(shù)的變化Fig.6 Variation of raw water algae counts from 2018 to 2020

2.2.6其他指標(biāo)

此外，考察了溶解氧、TOC、土臭素、2-甲基異莰醇等指標(biāo)的逐月變動(dòng)情況。2018年至2020年間，引江原水中基本未檢測出土臭素與2-甲基異莰醇；溶解氧含量具有顯著的溫度相關(guān)性，隨溫度升高而降低，反之則升高；TOC、總磷、鐵、錳總體穩(wěn)定，總磷通常小于0.01 mg/L。2018年，總氮基本都在1.0 mg/L以上，2020年較2019年有所降低。

研究中還發(fā)現(xiàn)，西河泵站原水的溶解氧、菌落總數(shù)隨水深增加而降低，CODMn和總氮隨水深增加而增大；不同深度的總有機(jī)碳、總堿度、總磷、pH、糞大腸菌群變化不大，基本穩(wěn)定；pH在8.27～8.60之間；葉綠素、氨氮隨水深不同而有所變化，但變化不穩(wěn)定；不同深度微囊藻毒素[5]、錳均未檢出。

2.3 泵站淤積特征與處理方法

2.3.1淤積特征分析

原水泵站調(diào)節(jié)池進(jìn)口有明顯可見的懸浮物質(zhì)，在水流的沖擊下更為明顯。泵站調(diào)節(jié)池經(jīng)過近幾年的正式運(yùn)行，進(jìn)口區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生了很深的淤積物，最深超過7.0 m。上游加大供水量時(shí)，原水濁度、葉綠素會有明顯的變化。如2020年6月上游加大供水量期間原水葉綠素最大升高到40.46 μg/L，可通過應(yīng)急處置投加次氯酸鈉降低其含量。

針對調(diào)節(jié)池進(jìn)口處淤積的現(xiàn)象，為保證調(diào)節(jié)池的安全運(yùn)行和水質(zhì)安全，2020年每月對調(diào)節(jié)池內(nèi)淤積物進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

表2 2020年原水泵站調(diào)節(jié)池淤積情況Tab.2 Silting situation of regulating tank of raw water pump station in 2020

由勘測統(tǒng)計(jì)情況得知，截至2020年12月18日調(diào)節(jié)池內(nèi)淤積物總量為117 129.0 m3，其中西北側(cè)淤積物總量為68 413.7 m3(約占總淤積量的58.41%)，死水位-2 m以上淤積量為26 414.9 m3，淤積最大高程為2.21m。死水位-2 m以上淤積物總量仍以205.16 m3/d的平均速度增長(取10月至12月增長平均值)，給原水水質(zhì)帶來安全隱患。

對池內(nèi)污泥進(jìn)行表觀分析，均勻晃動(dòng)盛放泥沙的實(shí)驗(yàn)瓶可以觀察到：污泥經(jīng)晃動(dòng)有氣泡產(chǎn)生；沉淀30 min后，底部泥沙為深棕色，可見明顯的沙粒狀物質(zhì)；上清液為棕色，上部漂浮有細(xì)小顆粒物，污泥中混有纖維類物質(zhì)；嗅覺氣味為腥臭味。底部泥沙中所含的有機(jī)成分在微生物代謝作用下會引起水質(zhì)惡化。檢測分析發(fā)現(xiàn)，污泥中含有大量碳酸化合物，是產(chǎn)生氣泡的主要原因。

2.3.2淤積物質(zhì)分選處理

① 步驟1

取450 mL泥液(圖7.a)，加入2.5 mL藥劑A溶液，反應(yīng)5 min后加入11.9 mL藥劑B溶液，反應(yīng)4 h。

一次水洗加水至2 L，沉淀1 h后有機(jī)無機(jī)組分分選效果如圖7.b所示。觀察發(fā)現(xiàn)上清液較為渾濁且含有較多的懸浮物，但能明顯觀察到分層現(xiàn)象。底部沉淀物以無機(jī)泥沙為主，脫水性能良好，分離出的無機(jī)污泥見圖7.c。

圖7 無機(jī)污泥分離過程Fig.7 Separation process of inorganic sludge

② 步驟2

取步驟1所得上清液(有機(jī)污泥部分)1.7 L，依次加入藥劑C溶液2 mL、1% PAM約10 mL、10% PAC約13 mL，有絮體沉淀物產(chǎn)生。上清液較步驟1時(shí)變得更加清亮，部分懸浮物在藥劑作用下沉淀，沉淀物呈絮狀，含水率約為97%，性狀與市政污泥中的濃縮污泥較為相似，分離效果見圖8。

圖8 有機(jī)污泥沉淀效果 Fig.8 Sedimentation effect of organic sludge

③ 步驟3

取步驟2產(chǎn)生的絮體污泥進(jìn)行過濾處理，可得到污泥與過濾液，其中過濾液澄清且成呈淡黃色，主要是因?yàn)樵摬糠譃V液中溶解部分有機(jī)物質(zhì)。絮凝上清液COD為99.1 mg/L，氨氮為27.4 mg/L，TN為42.5 mg/L，TP為2.41 mg/L，可達(dá)到《天津市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/356—2018)中三級排放標(biāo)準(zhǔn)(COD<500 mg/L、氨氮<35 mg/L、磷酸鹽<3 mg/L)。

2.3.3分選后污泥性質(zhì)

分別對原泥、步驟1中的無機(jī)污泥和步驟3中的有機(jī)污泥熱值進(jìn)行檢測，得到厡泥熱值為536.4 kcal/kg，無機(jī)污泥熱值為178.7 kcal/kg，有機(jī)污泥的熱值為1 015.1 kcal/kg。可見，經(jīng)過分選處理后，無機(jī)泥沙中有機(jī)物成分有效減少，可顯著降低后期堆放過程中臭氣產(chǎn)生量；分選得到的有機(jī)污泥熱值更高，可用于堆肥或焚燒處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，原水泵站調(diào)節(jié)池底部泥沙采用有機(jī)無機(jī)分選技術(shù)進(jìn)行處理，在技術(shù)上可行，能夠有效解決泥沙處理處置問題，不會造成二次污染。調(diào)節(jié)池底部泥沙經(jīng)過有機(jī)無機(jī)分選后，無機(jī)泥沙熱值很低，有機(jī)成分減少，無機(jī)成分含量提高；處理后的泥沙性質(zhì)更加穩(wěn)定，不易發(fā)臭。無機(jī)污泥利用價(jià)值高，可作為建材使用；分離得到的有機(jī)污泥熱值較高，可用于堆肥或焚燒處理；有機(jī)無機(jī)污泥脫水產(chǎn)生的濾液達(dá)到《天津市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/356—2018)中三級標(biāo)準(zhǔn)，可直接排入市政管網(wǎng)。

3 結(jié)論與建議

① 引江沿線原水pH、總堿度、總硬度各斷面數(shù)值變化不大，變化趨勢大體一致，基本穩(wěn)定，但是原水?dāng)嗝?的高錳酸鹽指數(shù)略有升高，堿度、硬度略有下降。

② 經(jīng)水廠處理后，出廠水的pH、堿度有所降低，氯化物、氨氮升高，硬度變化不大，對濁度、高錳酸鹽指數(shù)去除效果較明顯，2#水廠優(yōu)于1#水廠。深度處理工藝[6]對目前的引江原水中的濁度、高錳酸鹽指數(shù)的去除要好于常規(guī)處理工藝。

③ 調(diào)節(jié)池底部泥沙經(jīng)過有機(jī)無機(jī)分選后，性質(zhì)更加穩(wěn)定，不易發(fā)臭，可作為建材使用。分離得到的有機(jī)污泥，熱值較高，可用于堆肥或焚燒處理。污泥脫水產(chǎn)生的濾液符合《天津市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 12/356—2018)三級標(biāo)準(zhǔn)，可直接排入市政管網(wǎng)。因此，針對原水泵站調(diào)節(jié)池底部泥沙采用有機(jī)無機(jī)分選技術(shù)進(jìn)行處理在技術(shù)上可行，能夠有效解決泥沙處理處置問題，不會造成二次污染。

④ 水廠應(yīng)及時(shí)關(guān)注上游加大供水量時(shí)原水葉綠素的變化，必要時(shí)采取投加次氯酸鈉的方法降低有機(jī)物含量。

⑤ 鑒于調(diào)節(jié)池淤積情況，目前的清淤方式不能徹底將淤積物清除，建議考慮再建設(shè)1個(gè)備用調(diào)節(jié)池，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)池的徹底清淤，以確保原水水質(zhì)安全。

⑥ 數(shù)據(jù)分析表明，近幾年原水CODMn含量不斷升高。建議上游單位采取一定的措施進(jìn)行干預(yù)，解決CODMn升高與下游淤積等問題。