低濁原水導(dǎo)致鋁超標(biāo)的水廠技術(shù)控制措施

陳 虹，張 亮，林春敬，陳海松

(深圳市深水龍崗水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518055)

鋁是一種人體非必須微量元素，但醫(yī)學(xué)研究表明，長期攝入過量的鋁會引發(fā)營養(yǎng)不良、小兒小頭畸形、發(fā)育遲緩、老年癡呆、食欲減退、血液和心腦血管疾病等[1-2]。因此，嚴(yán)格控制出廠水余鋁是保障水質(zhì)安全的重要指標(biāo)之一。

受環(huán)境和地理位置影響，深圳東部原水渾濁度常年較低，每年1月—3月，受冷空氣影響，城鎮(zhèn)供水廠原水溫度降低并處于低濁狀態(tài)，因原水缺少聚核且水溫下降，顆粒物碰撞概率降低，造成混凝效果差，絮體難以沉降，最終導(dǎo)致出水渾濁度、余鋁等參數(shù)偏高，影響供水安全。深圳A水廠為原特區(qū)外村級水廠，原有工藝設(shè)施較落后，經(jīng)供水規(guī)劃調(diào)整為備用水廠。A水廠1993年建成投產(chǎn)，設(shè)計供水能力為3.0×104m3/d，采用常規(guī)水處理工藝，水廠原水取自東部本地水庫，冬季原水水溫下降、低濁現(xiàn)象凸顯，水廠使用固態(tài)聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑，混凝效果欠佳，與其他季節(jié)相比，出廠水常有渾濁度及余鋁偏高現(xiàn)象，尤其在每年1月左右，出廠水出現(xiàn)余鋁偶有超過內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)情況。為應(yīng)對這一水質(zhì)風(fēng)險，A水廠圍繞排泥水回用制定一系列強(qiáng)化混凝措施，并取得顯著成效。文章總結(jié)了該水廠多年應(yīng)對冬季水溫下降后低濁原水的實踐經(jīng)驗，以供同行參考。

1 原水水質(zhì)

每年1月—3月，深圳東部本地水庫原水水溫下降并處于低濁狀態(tài)，原水水質(zhì)如表1所示。其水質(zhì)狀況良好，渾濁度、水溫較低，分別為0.92～2.51 NTU和10.9～21.1 ℃。本地原水平均渾濁度僅為1.57 NTU。低水溫、低渾濁度的原水導(dǎo)致常規(guī)工藝水廠混凝效果不佳，有出水渾濁度和鋁含量升高的風(fēng)險。

表1 原水水質(zhì)

2 出廠水余鋁偏高原因分析

原水水溫分別為17.1、17.5、18.0 ℃，渾濁度分別為1.67、1.35、1.82 NTU時，A水廠共出現(xiàn)3次出廠水鋁指標(biāo)超過內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的情況。措施前鋁出水水質(zhì)最大值如圖1所示，濾前水、濾后水、出廠水鋁含量分別為0.212、0.168、0.174 mg/L，出廠水鋁指標(biāo)最大時超內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)0.024 mg/L。

圖1 措施前鋁出水水質(zhì)指標(biāo)最大值

低水溫、低渾濁度情況下，出廠水余鋁偏高的原因主要有以下兩方面。

(1)絮凝效果差，PAC難以沉降

在原水渾濁度最低僅為0.92 NTU，溫度最低達(dá)10.9 ℃的條件下，水廠投放的混凝劑PAC難以完成電荷中和、吸附架橋等過程，成核效果差，由此在混凝沉淀過程中未能徹底反應(yīng)生成絮體被濾池過濾截留，殘留的鋁離子進(jìn)入清水池，造成出廠水余鋁偏高。

研究表明，原水中的鋁和投加鋁鹽混凝劑后，經(jīng)常規(guī)水處理工藝“混凝-沉淀-過濾-消毒”，仍有約11%的鋁含量殘留于出廠水中，在采用鋁鹽作為混凝劑的水廠中，其出水鋁含量高于原水鋁含量的幾率為40%～50%，含量可達(dá)0.01～2.37 mg/L[3]。

(2)助凝劑成分含鋁，溶解鋁含量增加

水廠預(yù)處理過程常采用石灰作為助凝劑調(diào)節(jié)原水pH和堿度，增強(qiáng)混凝效果。而石灰成分中含鋁，溶于水后會增加溶解鋁的含量，有出廠水余鋁含量升高的風(fēng)險。研究表明，經(jīng)測定石灰成分中含有鋁的化合物，其中Al2O3成分濃度最大值為2.14%，最小值為2.05%。投加石灰后使原水呈堿性，增加了鋁的溶解度，過量的投加還會增加礬的消耗[4-6]。因此，水中溶解鋁含量與石灰投加量相關(guān)。

3 應(yīng)對措施

一般情況下，改善混凝效果的措施有兩類：一是啟用高錳酸鉀預(yù)氧化，通過產(chǎn)生水合二氧化錳改善吸附卷掃能力；二是投加石灰，提高pH和聚核，壓縮雙電層并加速絮凝。前者因需投加高錳酸鉀，運(yùn)營費用大幅度提高，后者過度投加將影響PAC絮凝效果[7-9]。結(jié)合A水廠備用水廠定位及原有工藝設(shè)施實際情況，單獨采用常規(guī)的強(qiáng)化混凝措施均不適配。因低濁原水應(yīng)對問題的核心在于提高聚核含量，可考慮通過回收排泥水，并投加石灰以強(qiáng)化絮凝的方式，改善出水渾濁度及余鋁偏高問題。

3.1 回收排泥水，提高原水渾濁度

對于低水溫、低渾濁度的原水，其水中顆粒物粒徑小、多為膠體，現(xiàn)有工藝難以形成易沉降大粒徑絮體，通過改善沉淀池、提高原水渾濁度可達(dá)到去除污染物的效果。根據(jù)原水渾濁度和10%～15%的回流比，將濾池反沖洗水、沉淀池排泥水回流至反應(yīng)池，提高原水渾濁度，使原水渾濁度由2～5 NTU提高至10 NTU左右，回流污泥作為絮凝劑參與混凝反應(yīng)，增加膠體顆粒運(yùn)動和相互碰撞的幾率，促進(jìn)膠體凝聚成核[10]。

3.2 優(yōu)化藥劑投加量，強(qiáng)化助凝效果

措施前，該水廠石灰投加量約為2.8 mg/L，PAC投加量約為3.2 mg/L。研究表明，石灰對膠體微粒有助凝作用且可使混凝劑處于適宜的pH[11-12]。pH過高不利于混凝反應(yīng)，易造成溶解性鋁離子不能高效利用形成沉淀物，不利于濾前水余鋁控制，不適宜的pH還可能增加礬的消耗。因此，通過燒杯試驗，優(yōu)化得出石灰、PAC的投加量，以確定實際生產(chǎn)過程中混凝劑、助凝劑的最佳投藥量，合理優(yōu)化水處理效果。

最終確定石灰投加量為3.0 mg/L，PAC投加量為5.0～6.0 mg/L，此時混凝效果最好，其反應(yīng)后水處理效果最佳。

3.2.1 確定石灰投加量

石灰投加量優(yōu)化試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知，隨著石灰投加量由1.5 mg/L提高至4.0 mg/L，出水pH值由6.7提高至7.4，反應(yīng)后pH均滿足國標(biāo)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中pH值為6.5～8.5的要求。由圖2(b)可知，當(dāng)石灰投加量為2.0 mg/L時，其反應(yīng)后渾濁度效果最佳，為0.33 NTU。由圖2(c)可知，當(dāng)石灰投加量為1.5、2.0 mg/L時，鋁含量分別為0.046、0.048 mg/L。結(jié)果表明，當(dāng)石灰投加量為2.0 mg/L時，渾濁度、余鋁值處于理想范圍，但pH偏低。因此，結(jié)合實際工藝停留時間較短、投放過程袋裝石灰耗損的情況，綜合考慮其反應(yīng)后pH、渾濁度、鋁含量的值最優(yōu)以及水處理效果最好，最終確定將石灰含量為3.0 mg/L作為生產(chǎn)性試驗的投加量。

圖2 十字交叉燒杯試驗確定石灰投加量

3.2.2 確定PAC投加量

確定投加3.0 mg/L石灰后，原水pH值升高至7.8，此時分別投入不同投加量的PAC，確定混凝劑投加量對出廠水鋁含量的影響，結(jié)果如圖3所示。結(jié)合實際工藝，當(dāng)投加5.8 mg/L左右的PAC(Al2O3含量為28%)時最合理，此時余鋁含量為0.072 mg/L。因此，結(jié)合實際工藝情況，最終將PAC投加量控制在5.0～6.0 mg/L。

圖3 PAC投加量與鋁的關(guān)系

3.3 提高排泥頻次，保障沉淀池出水水質(zhì)

為改善排泥水沉降性能，水廠將沉淀池排泥由常規(guī)24 h/次強(qiáng)制改為8 h/次，以避免沉淀池產(chǎn)生翻泥現(xiàn)象，使泥水更好地分離，增強(qiáng)沉淀效果，保障出水水質(zhì)。

3.4 提高檢測頻次，反饋優(yōu)化工藝參數(shù)

為應(yīng)對低水溫、低渾濁度的原水帶來的水質(zhì)風(fēng)險，水廠制定《原水水質(zhì)突變應(yīng)急預(yù)案》，每年1月—3月，水廠參照燒杯試驗結(jié)果，結(jié)合實際情況將石灰投加量控制在3.0 mg/L左右，PAC投加量控制在5.0～6.0 mg/L。水質(zhì)檢測人員對水廠原水、過程水、出廠水、管網(wǎng)水進(jìn)行3次/d的余鋁檢測，對水廠其他水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行2次/d的早晚監(jiān)測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，核算出平均值以便及時提供水質(zhì)信息，以提供調(diào)整投藥量及應(yīng)對措施的依據(jù)，保障供水水質(zhì)安全。

4 實踐效果

原水溫度下降、低渾濁度期間，通過回收排泥水、提高原水渾濁度、強(qiáng)化助凝等一系列應(yīng)對措施，出廠水余鋁及渾濁度偏高的問題得到了全面解決。

4.1 出水渾濁度

原水溫度下降、低渾濁度期間，措施前后全過程水的渾濁度對比如圖4所示。措施后，原水渾濁度升至10 NTU，除濾后水渾濁度略有上升外，濾前水、出廠水及管網(wǎng)末梢水渾濁度均有明顯下降。其中：出廠水渾濁度由措施前的0.28 NTU降至0.25 NTU，降低10.7%；管網(wǎng)末梢水渾濁度由0.89 NTU降至0.13 NTU，降低85.4%。出廠水及管網(wǎng)末梢水完全符合水廠內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限制要求。

圖4 措施前后全過程水的渾濁度對比

4.2 出水余鋁含量

原水溫度下降、低渾濁度期間，措施前后全過程水的余鋁含量對比如圖5所示。濾前、濾后、出廠及管網(wǎng)末梢水余鋁含量均大幅度降低。其中：出廠水余鋁含量由措施前的0.174 mg/L降至0.089 mg/L，降低48.9%；管網(wǎng)末梢水余鋁含量由0.204 mg/L降至0.116 mg/L，降低43.1%。出廠水及管網(wǎng)末梢水完全符合水廠內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限制要求，實踐證明采取的措施合理得當(dāng)，可有效控制出廠水余鋁含量。

圖5 措施前后全過程水余鋁對比

4.3 其他出水指標(biāo)

目前，我國并沒有回用廢水運(yùn)行的規(guī)范指導(dǎo)，原水低水溫、低渾濁度期間，回收排泥水易引起懸浮物、重金屬和有機(jī)物含量高、生物穩(wěn)定性差等風(fēng)險，為考察回用排泥水是否對出水水質(zhì)造成不利影響，其他原水及出廠水水質(zhì)參數(shù)如表2所示。原水中CODMn、氨氮、鐵、錳和菌落總數(shù)指標(biāo)均良好，最高值分別為1.42、0.07、0.16、0.07 mg/L和未檢出，出廠水均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)限制要求。該結(jié)果說明水廠采取的應(yīng)對措施科學(xué)有效，可保障供水水質(zhì)安全。

表2 原水及出廠水水質(zhì)指標(biāo)

5 總結(jié)

針對原水溫度低、渾濁度低，常規(guī)工藝條件下出現(xiàn)出水余鋁、渾濁度等超標(biāo)現(xiàn)象，結(jié)合水廠實際情況，本文提出了以回收排泥水輔助投加石灰為核心的強(qiáng)化混凝措施，取得較為顯著的成效，得到如下結(jié)論。

(1)針對每年1月—3月本地水庫原水呈水溫低、渾濁度低的特征，混凝反應(yīng)單元因缺少聚核難以絮凝，易導(dǎo)致出水余鋁及渾濁度等偏高的問題，利用排泥水顆粒物含量高的特點，通過燒杯試驗優(yōu)化得出適度回流排泥水提高原水渾濁度至10 NTU左右，同時輔助投加石灰至3 mg/L左右，并優(yōu)化PAC投加量為5.0～6.0 mg/L，可有效改善原水絮凝效果。

(2)長期運(yùn)行實踐表明，原水平均渾濁度為1.57 NTU、平均溫度為18.2 ℃的情況下，基于燒杯試驗優(yōu)化參數(shù)，可有效改善出廠水水質(zhì)，在保證各項水質(zhì)指標(biāo)均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)前提下，出廠水和管網(wǎng)末梢鋁濃度分別降低了48.9%和43.1%；渾濁度分別降低了10.7%和85.4%。

(3)回收排泥水易引起懸浮物、重金屬和有機(jī)物含量高、生物穩(wěn)定性差等風(fēng)險，回用排泥水時應(yīng)注意過程水的水質(zhì)監(jiān)測，并考察回用排泥水是否對出水水質(zhì)造成不利影響。