城南水廠除藻與混凝工藝單元協(xié)同控制運(yùn)行試驗(yàn)

葛紹根， 鄭蕾蕾， 楊 欣， 朱一凡， 郭勝程， 宋真明， 甄樹聰

(1.建湖縣自來水有限公司，江蘇建湖224700；2.鹽城工學(xué)院，江蘇鹽城224051)

建湖縣自來水有限公司城南水廠水源以西塘河、戛糧河為主，占比65%；大運(yùn)河水源為輔，占比35%。該水廠處理規(guī)模為12.5×104m3/d，工藝為機(jī)械混合—網(wǎng)格絮凝—平流沉淀—V型濾池—臭氧消毒—生物活性炭濾池—清水池。供水的時(shí)變化系數(shù)約為1.46，最高峰和最低峰用水量相差較大。平流沉淀池分為3組，其中兩組5×104m3/d，一組2.5×104m3/d。平流池進(jìn)水濁度最低約為35 NTU，最高可達(dá)100 NTU，多數(shù)情況進(jìn)水濁度在40～60 NTU，出水濁度要求<1.3 NTU。加藥采用礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)、傳統(tǒng)的人工巡檢控制。由于建湖縣地處里下河下游低洼地區(qū)，內(nèi)河徑流量小，稀釋更新速度慢，整個(gè)夏季水源均表現(xiàn)為高色度、高有機(jī)污染狀態(tài)，呈現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，藻類生長繁殖旺盛。

水源中藻類大量生長繁殖，會給飲用水處理帶來一系列問題[1-2]。不同的藻類會產(chǎn)生不同的分泌物，飲用水處理過程中很難將分泌物所帶的各種氣味完全去除，導(dǎo)致飲用水產(chǎn)生異味[3]。一部分藻類還會產(chǎn)生危害人體健康的藻毒素，且具有很多目前尚不明確的潛在危險(xiǎn)[4]。藻類的增加，一方面阻塞濾池，使過濾周期縮短，間接導(dǎo)致水資源浪費(fèi)和能耗增加[5]；另一方面會使水體中有機(jī)懸浮顆粒物電荷增加，進(jìn)而導(dǎo)致混凝劑藥耗增加，提高生產(chǎn)成本[5-6]。此外，藻類在飲用水處理過程中不能被完全去除，會有少量通過各處理單元進(jìn)入清水池再進(jìn)入供水管網(wǎng)，并在供水管網(wǎng)中生長繁殖，使管網(wǎng)末梢水水質(zhì)惡化，濁度增加，色度上升，管網(wǎng)腐蝕加快，服務(wù)年限縮短[2,7]。因此，采用預(yù)處理工藝去除藻類，對水廠運(yùn)行、飲用水的生產(chǎn)和輸送都具有重要意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器

葉綠素監(jiān)測設(shè)備：Tengine IMP一體化多參數(shù)水質(zhì)分析儀；礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取

通過KEP SERVER實(shí)時(shí)獲取外網(wǎng)葉綠素?cái)?shù)據(jù)，礬花圖像識別由內(nèi)網(wǎng)水廠中控室提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，用開放數(shù)據(jù)庫互連實(shí)現(xiàn)KEP SERVER與NAVICAT(可創(chuàng)建多個(gè)連接的數(shù)據(jù)庫管理工具)互通，以此建立數(shù)據(jù)庫。出于水廠安全考量，外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)不能互通。由此，需要將外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)分開收集并進(jìn)行離線整合。

1.3 試驗(yàn)方案

戛糧河聚硅錳氯化鋁鉀投加由水廠中控室遠(yuǎn)程操作調(diào)節(jié)，其接入外網(wǎng)。礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)接入內(nèi)網(wǎng)。

聚硅錳氯化鋁鉀水解后會生成MnO2，一定濃度的MnO2可使水呈紅色。為防止配水井和沉淀工藝單元水質(zhì)發(fā)紅，聚硅錳氯化鋁鉀的初期投加量平均為0.7 mg/L，確定水質(zhì)不會發(fā)紅后，平均加藥量提高至1 mg/L，采用計(jì)量泵連續(xù)投加。

葉綠素監(jiān)測設(shè)備分別安裝在戛糧河、水廠進(jìn)廠監(jiān)測站以及平流沉淀池末端。其中，戛糧河與水廠進(jìn)廠監(jiān)測站采用探頭插入流通槽的測量方式。平流沉淀池采用直接將探頭插入露天水面的測量方式。葉綠素監(jiān)測設(shè)備配有濁度矯正功能。

城南水廠預(yù)氧化工藝采用投加聚硅錳氯化鋁鉀，配置濃度1%。在水源地戛糧河取水處投加，經(jīng)過17 km管道輸送至水廠，并經(jīng)過氣浮工藝后進(jìn)入混凝工藝單元?；炷に噯卧捎玫\花圖像識別智能加藥系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)是利用基于圖像識別、AI算法實(shí)現(xiàn)水處理混凝工藝無人化的智能控制系統(tǒng)，屬于智慧水務(wù)技術(shù)范疇，可以有效保證出水水質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，減少藥劑投加量。通過預(yù)氧化，測定藻類去除率和混凝劑投加量，分析預(yù)氧化對混凝的影響，并通過常規(guī)水質(zhì)檢測儀器測定的溫度、濁度、流速等參數(shù)，分析預(yù)氧化和混凝協(xié)同控制的影響因素，為水廠實(shí)際運(yùn)行提供參考。

實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)加藥方式，每48 h為一個(gè)運(yùn)行周期。

2 結(jié)果與討論

2.1 加藥量與葉綠素濃度

根據(jù)葉綠素監(jiān)測設(shè)備記錄的葉綠素濃度數(shù)據(jù)，每2 h取平均值。采用聚硅錳氯化鋁鉀平均加藥量為0.7和1.0 mg/L時(shí)各連續(xù)2天的葉綠素監(jiān)測結(jié)果，與未投加聚硅錳氯化鋁鉀預(yù)氧化時(shí)沉淀池出水的葉綠素含量進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖1。

圖1 不同聚硅錳氯化鋁鉀投加量對葉綠素的去除效果Fig.1 Removal effect of chlorophyll under different dosages of polysilicon manganese aluminum potassium chloride

由圖1可以看出，原水葉綠素濃度約為57 μg/L、聚硅錳氯化鋁鉀平均投加量為0.7 mg/L時(shí)，預(yù)氧化后的葉綠素濃度均低于未預(yù)氧化的葉綠素濃度。預(yù)氧化后，平流沉淀池出水葉綠素濃度最低，約為19 μg/L，其次是預(yù)氧化后進(jìn)廠監(jiān)測站的葉綠素濃度，約為35 μg/L。而未預(yù)氧化平流沉淀池出水的葉綠素濃度在40 μg/L左右。聚硅錳氯化鋁鉀平均投加量為1.0 mg/L時(shí)，預(yù)氧化后的葉綠素濃度均低于未預(yù)氧化的葉綠素濃度。預(yù)氧化后，平流沉淀池出水葉綠素濃度最低，約為24 μg/L，其次是預(yù)氧化后進(jìn)廠監(jiān)測站的葉綠素濃度，約為39 μg/L。未經(jīng)預(yù)氧化的混凝沉淀工藝環(huán)節(jié)對藻類有40%左右的去除效果，而預(yù)氧化后則顯著提高至80%左右。

由圖1可以看出，聚硅錳氯化鋁鉀預(yù)氧化可以有效降低進(jìn)廠監(jiān)測站和沉淀池出水的葉綠素含量，但聚硅錳氯化鋁鉀高投加量并未使葉綠素產(chǎn)生高的去除率。該結(jié)果與馬軍[8]、Zhu等[9]的研究結(jié)果相似：存在一個(gè)最佳投藥量，達(dá)到一定的投加量后，藻類去除率則不再隨加藥量的增加而增加，雖然此時(shí)仍然有約20%左右的葉綠素未能去除。由此可見，精準(zhǔn)的預(yù)氧化劑投加量，既節(jié)省了預(yù)氧化劑的消耗，也會使藻類的去除達(dá)到最佳效果。

2.2 加藥量與葉綠素濃度的相關(guān)性分析

IMP一體化多參數(shù)水質(zhì)分析儀監(jiān)測的流量、濁度、溫度、水源葉綠素濃度等數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)Tab.1 Water quality of experiment

分析聚硅錳氯化鋁鉀加藥量與葉綠素濃度相關(guān)性分析，結(jié)果見圖2。

圖2 不同聚硅錳氯化鋁鉀投加量下各水質(zhì)因素的相關(guān)性Fig.2 Correlation of various water quality factors under different dosages of polysilicon manganese aluminum potassium chloride

可以看出，0.7 mg/L投加量下，影響葉綠素濃度的因素依次為溫度、原水葉綠素濃度、加藥量、流量、濁度，其中與溫度和原水葉綠素濃度均高度相關(guān)，與加藥量具有一定的相關(guān)性，而與流量和濁度基本無關(guān)；1.0 mg/L投加量下，影響葉綠素濃度的因素依次為溫度、濁度、原水葉綠素濃度、加藥量、流量，其中與溫度高度相關(guān)，與濁度負(fù)相關(guān)，和水源葉綠素濃度具有一定的相關(guān)性，而與流量和加藥量基本無關(guān)。

根據(jù)圖2.a和圖2.b的相關(guān)性分析可知，該結(jié)果與2.1的結(jié)果是一致的，在聚硅錳氯化鋁鉀低投加量時(shí)，葉綠素的去除率受溫度、原水葉綠素濃度和加藥量的影響，而在高投加量時(shí)，葉綠素的去除則與溫度高度相關(guān)，與濁度負(fù)相關(guān)，此時(shí)與加藥量無關(guān)。兩種情況下均與溫度高度相關(guān)，這是因?yàn)闇囟纫环矫嬗绊懺宓纳L繁殖，另一方面與藥劑的溶解水解直接相關(guān)。由圖2.a的相關(guān)性分析可知，此時(shí)增加加藥量，仍然會使葉綠素的去除率升高，但根據(jù)圖2.b的相關(guān)性分析可知，增加加藥量對葉綠素去除率的影響已經(jīng)不再明顯。

2.3 聚硅錳氯化鋁鉀投加對礬花的影響分析

常規(guī)的礬花絮體識別是采用人工巡檢的方式，通過肉眼觀察、憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷存在很多弊端，比如不及時(shí)、觀察不全面、判斷失誤等。鑒于此，該系統(tǒng)在礬花觀察階段利用機(jī)器眼取代人工，適應(yīng)水質(zhì)波動，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、不間斷收集礬花表觀數(shù)據(jù)，再通過大數(shù)據(jù)程序?qū)崟r(shí)推薦加藥量，按需按質(zhì)進(jìn)行混凝劑的投加，以保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。該系統(tǒng)具備自主學(xué)習(xí)優(yōu)化能力，在保證水質(zhì)的情況下，能不斷提升藥劑節(jié)省比例，無人化智能控制也可節(jié)省大量人力，引領(lǐng)加藥系統(tǒng)向人工智能化的方向發(fā)展。

對兩種劑量投加聚硅錳氯化鋁鉀期間礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與未預(yù)氧化時(shí)數(shù)據(jù)相比，沉淀池出水濁度未發(fā)現(xiàn)顯著性差異，葉綠素剩余濃度差別也較小。這表明混凝沉淀工藝單元對于不同水質(zhì)來水的處理能力存在一個(gè)極限值，不會由于來水水質(zhì)的變化導(dǎo)致出水相關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)較大幅度的提高或降低。

2.4 藥耗分析

很多研究顯示，原水藻類會使凈水混凝劑藥耗增加[10-11]，試驗(yàn)中將未加預(yù)氧化劑時(shí)的常規(guī)工藝、常規(guī)工藝+礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)、預(yù)氧化+常規(guī)工藝、預(yù)氧化+常規(guī)工藝+礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)組合等不同情況的礬耗量進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯A(yù)氧化+常規(guī)工藝+礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)組合情況下礬耗最小，約為61 mg/L；常規(guī)工藝礬耗最大，約為90 mg/L；常規(guī)工藝+礬花視鏡組合情況的礬耗量約為65 mg/L，而預(yù)氧化+常規(guī)工藝的礬耗量約為80 mg/L。預(yù)氧化和礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)都能降低礬耗量，但預(yù)氧化對礬耗的降低效果有限，礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)更有效。一方面預(yù)氧化可以去除部分藻類，使礬耗量降低；另一方面，聚硅錳氯化鋁鉀被還原后產(chǎn)生的二氧化錳發(fā)揮了混凝作用，降低了礬的耗量。由此可見，聚硅錳氯化鋁鉀除藻可能存在氧化和混凝沉淀等多重機(jī)制，且在聚硅錳氯化鋁鉀低劑量時(shí)更加明顯。

圖3 不同水處理工藝下的礬耗量Fig.3 Alum consumption under different water treatment processes

2.5 葉綠素濃度預(yù)測

為積極應(yīng)對藻類濃度變化對出廠水水質(zhì)的影響，及早干預(yù)，協(xié)同控制各工藝環(huán)節(jié)，選取進(jìn)廠監(jiān)測站葉綠素濃度數(shù)據(jù)，采用LightGBM(light gradient boosting machine)對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，預(yù)測葉綠素濃度。由圖4可以看出，LightGBM擬合的結(jié)果較好，能夠反映出進(jìn)廠水葉綠素濃度的大小和變化，可以用于指導(dǎo)水廠實(shí)際運(yùn)行。

圖4 LightGBM模型對葉綠素濃度的預(yù)測值與實(shí)際值對比Fig.4 Comparison of predicted value by the LightGBM model and actual value of chlorophyll concentration

3 結(jié)論與建議

① 采用聚硅錳氯化鋁鉀預(yù)氧化可以降低原水葉綠素濃度，從而實(shí)現(xiàn)對藻類的控制。由于聚硅錳氯化鋁鉀對藻類的作用以氧化為主，混凝為輔，不會促進(jìn)藻類細(xì)胞破壞釋放藻毒素，是一種風(fēng)險(xiǎn)低且有效的控藻手段。

② 聚硅錳氯化鋁鉀的投加間接充當(dāng)了混凝劑的作用，可以降低對PAC等混凝劑的需求，從而降低礬耗，與礬花圖像識別智能加藥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng)。

③ 本試驗(yàn)與生產(chǎn)運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行，原水水質(zhì)存在變化，涉及因素多且只選取了2組加藥量，所得到的結(jié)果和結(jié)論有一定的局限性。應(yīng)該在水源水質(zhì)相同情況下，進(jìn)一步細(xì)化加藥量，得出最佳加藥量，對生產(chǎn)運(yùn)行更具指導(dǎo)意義。

④ 聚硅錳氯化鋁鉀預(yù)氧化除藻的作用機(jī)制可能較為多元化，且除藻與礬花視鏡存在協(xié)同效應(yīng)。

⑤ 如何采用機(jī)器智能控制，使葉綠素濃度預(yù)測與預(yù)氧化劑投加和混凝劑投加實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，在投藥量最優(yōu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水處理效果最佳，是下一步試驗(yàn)研究的方向。