二氧化氯預(yù)氧化原水中鐵錳微污染的實(shí)踐

紀(jì)銀傳

(福建省晉江自來(lái)水股份有限公司，福建泉州 362200)

晉江市梅嶺水廠(chǎng)設(shè)計(jì)供水規(guī)模為45萬(wàn)m3/d，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生型二氧化氯消毒系統(tǒng)配置規(guī)模為二氧化氯前加氯4臺(tái)(產(chǎn)能為10 kg/h)、二氧化氯后加氯5臺(tái)(產(chǎn)能為20 kg/h)。隨著國(guó)內(nèi)次氯酸鈉消毒劑在北上廣深等地的大型水廠(chǎng)中大面積推廣，二氧化氯作為消毒劑在大型水廠(chǎng)的應(yīng)用案例有削弱的趨勢(shì)。但近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大量水廠(chǎng)采用單獨(dú)投加次氯酸鈉作為消毒劑時(shí)，發(fā)生了濾后水色度上升、出廠(chǎng)水色度、渾濁度、氯酸鹽超標(biāo)的現(xiàn)象。二氧化氯作為一種高效、廣譜、綠色的消毒劑[1]，不僅具備消毒功能，且具備強(qiáng)氧化預(yù)處理功能[2]，國(guó)內(nèi)已有多位專(zhuān)家學(xué)者深入研究二氧化氯作為預(yù)氧化劑除鐵、錳的作用，其原水特性雖然有地域性差別，但研究結(jié)果方向一致，目前已有相關(guān)成果在其他水廠(chǎng)得到了應(yīng)用[3]。梅嶺水廠(chǎng)是目前國(guó)內(nèi)采用二氧化氯消毒工藝中最大的單體水廠(chǎng)，深入挖掘大型水廠(chǎng)二氧化氯的消毒與氧化協(xié)同價(jià)值，特別是在大型水廠(chǎng)找到二氧化氯在消毒及預(yù)氧化的具體投加參數(shù)指標(biāo)非常重要，這有利于推動(dòng)二氧化氯在供水行業(yè)的延伸使用[4]，給同行特別是大規(guī)模水廠(chǎng)提供深入解決類(lèi)似問(wèn)題的實(shí)踐參考。

梅嶺水廠(chǎng)常年原水水質(zhì)表現(xiàn)出如下特征：春、秋、冬季水源水質(zhì)良好，各類(lèi)指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類(lèi)及以上標(biāo)準(zhǔn)；夏季，特別是暴雨后，水源水質(zhì)體現(xiàn)出高渾濁度、含鐵錳的水質(zhì)特點(diǎn)，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。原水含高鐵錳的水質(zhì)污染特征已明顯影響沿河渠道取水的所有水廠(chǎng)，每年夏季泉州市周邊均有不同程度的水質(zhì)污染，針對(duì)該污染特征的有效工藝解決方案應(yīng)用迫在眉睫。

本文主要針對(duì)梅嶺水廠(chǎng)原水水質(zhì)污染特征，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、工藝中試驗(yàn)等數(shù)據(jù)分析，研究采用二氧化氯作為消毒劑及處理特定微污染原水氧化劑的相關(guān)規(guī)律，該研究未考察原水有機(jī)污染物如腐植酸等物質(zhì)與二氧化氯反應(yīng)生成三氯甲烷等有機(jī)消毒副產(chǎn)物的影響[5]。本文采用平行及正交試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室模擬工藝條件下，通過(guò)改變二氧化氯的投加點(diǎn)及投加量，用來(lái)處理含鐵、錳原水，同時(shí)保障濾后水消毒余二氧化氯指標(biāo)、控制濾后水消毒副產(chǎn)物[6-7]。并將二氧化氯的消毒及氧化功能協(xié)同[8]，可充分發(fā)揮二氧化氯在水廠(chǎng)的消毒及預(yù)氧化作用，以此處理鐵、錳微污染原水。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)背景

本試驗(yàn)以梅嶺水廠(chǎng)為基地開(kāi)展研究，梅嶺水廠(chǎng)制水工藝流程如圖1所示。

圖1 梅嶺水廠(chǎng)制水工藝流程Fig.1 Water Production Process Flow of Meiling WTP

根據(jù)梅嶺水廠(chǎng)多年來(lái)對(duì)原水及出廠(chǎng)水水質(zhì)指標(biāo)的長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果，原水主要特征污染物為鐵、錳，并且表現(xiàn)出同時(shí)出現(xiàn)、同時(shí)超標(biāo)的水質(zhì)特征。出廠(chǎng)水主要特征污染物為氯酸鹽、亞氯酸鹽[9]。以多年觀測(cè)結(jié)果為依據(jù)，為便于本文的數(shù)據(jù)論述，將原水受污染程度劃分定義為3類(lèi)：第一類(lèi)為W+、第二類(lèi)為W++、第三類(lèi)為W+++。假定每一類(lèi)的特征污染物鐵、錳指標(biāo)均同時(shí)符合表1相關(guān)指標(biāo)要求，并設(shè)定受污染期間的濾后水水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值為：鐵≤0.3 mg/L，錳≤0.1 mg/L，氯酸鹽≤0.7 mg/L，亞氯酸鹽≤0.7 mg/L，渾濁度≤1 NTU，色度≤15。

表1 原水受污染類(lèi)別及相關(guān)指標(biāo)限值Tab.1 Pollution Category of Raw Water and Limits Value of Relevant Indices

1.2 試驗(yàn)條件

為精確模擬制水工藝的現(xiàn)場(chǎng)條件，試驗(yàn)階段設(shè)定以下基礎(chǔ)條件。

(1)絮凝條件：采用梅嶺水廠(chǎng)年平均液體聚合氯化鋁(PAC)投加單耗(18.5 mg/L)。

(2)沉淀?xiàng)l件：采用梅嶺水廠(chǎng)沉淀池設(shè)計(jì)參數(shù)(停留時(shí)間為90 min)。

(3)過(guò)濾條件：采用模擬V型濾池設(shè)計(jì)參數(shù)的過(guò)濾條件(濾速為8.0 m/h)。

(4)取二氧化氯發(fā)生器出料口原液進(jìn)行稀釋標(biāo)定，獲得質(zhì)量濃度為1 000 mg/L二氧化氯標(biāo)準(zhǔn)液。

(5)采用標(biāo)準(zhǔn)試劑模擬配置原水水樣，分別得到表2中3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原水樣，單因子試驗(yàn)量為1 L。

表2 3個(gè)梯度的標(biāo)準(zhǔn)原水樣Tab.2 Standard Raw Water Sample with Three Gradients

1.3 試驗(yàn)效果評(píng)定

將W+樣、W++樣、W+++樣分成3組進(jìn)行獨(dú)立試驗(yàn)，考察二氧化氯在不同投加點(diǎn)位、不同投加量、同一外界及邊界條件下，特征污染物(鐵、錳)的去除效果及消毒副產(chǎn)物(氯酸鹽、亞氯酸鹽)的析出量[10]，以及感官性狀指標(biāo)(渾濁度、色度)等。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程與討論

1.4.1 對(duì)W+原水樣的試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)基礎(chǔ)條件及方案設(shè)定，對(duì)W+原水樣做了相關(guān)平行及正交試驗(yàn)，如表3所示。

由表3可知，在W+污染程度下：(1)當(dāng)二氧化氯投加在絮凝前及濾后時(shí)，均不能達(dá)到有效去除鐵、錳的目的，且濾后水相關(guān)指標(biāo)均處于較差水平，其中色度明顯超標(biāo)；(2)當(dāng)二氧化氯投加在絮凝前、濾前、濾后時(shí)，鐵、錳去除效果較好；(3)當(dāng)二氧化氯投加在濾前、濾后時(shí)，鐵、錳去除效果較好；(4)當(dāng)二氧化氯總投加量超過(guò)4.0 mg/L時(shí)，氯酸鹽及亞氯酸鹽偏高，有明顯超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；(5)濾后水渾濁度及色度與鐵、錳去除率呈負(fù)相關(guān)；(6)絮凝前投加二氧化氯，對(duì)于鐵、錳的去除沒(méi)有太大的正相關(guān)影響；(7)通過(guò)濾前投加二氧化氯，濾后水鐵、錳的去除效果明顯。

表3 對(duì)W+原水樣的綜合試驗(yàn)Tab.3 Comprehensive Test on W+ Raw Water Samples

根據(jù)以上結(jié)論，控制二氧化氯總投加量為3.0 mg/L，做延伸擴(kuò)展驗(yàn)證試驗(yàn)[11]，結(jié)果如表4所示。

表4 對(duì)W+原水樣的驗(yàn)證試驗(yàn)Tab.4 Verification Test of W+ Raw Water Samples

表4數(shù)據(jù)表明，在W+污染程度下：(1)二氧化氯投加在濾前可以有效去除鐵、錳污染物，原水中鐵、錳污染物的去除率可≥80%，通過(guò)控制投加量可以有效控制氯酸鹽及亞氯酸鹽消毒副產(chǎn)物的生成量，同時(shí)保障濾后水各項(xiàng)指標(biāo)處于良好水平；(2)最佳投加方案為二氧化氯濾前投加量為1.0～2.0 mg/L，控制總二氧化氯投加量為3.0 mg/L，由此計(jì)算濾后二氧化氯投加量。

1.4.2 對(duì)W++原水樣的試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)基礎(chǔ)條件及方案設(shè)定，對(duì)W++原水樣做了相關(guān)平行及正交試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5數(shù)據(jù)表明，在W++污染程度下：(1)二氧化氯投加在絮凝前及濾后時(shí)均不能達(dá)到有效去除鐵、錳的作用，且濾后水各項(xiàng)指標(biāo)明顯超標(biāo)；(2)二氧化氯投加量與氯酸鹽及亞氯酸鹽含量呈正相關(guān)；(3)二氧化氯投加點(diǎn)位設(shè)定在濾前及濾后時(shí)，鐵、錳去除效果較為明顯，但因?yàn)V前控制投加量為1.0 mg/L，未能考察投加變化量對(duì)相關(guān)指標(biāo)的去除影響。

表5 對(duì)W++原水樣的綜合試驗(yàn)Tab.5 Comprehensive Test on W++ Raw Water Samples

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合W+樣的試驗(yàn)成果，控制二氧化氯總投加量不超過(guò)4.0 mg/L，對(duì)W++樣進(jìn)行延伸擴(kuò)展驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

表6 對(duì)W++原水樣的驗(yàn)證試驗(yàn)Tab.6 Verification Test of W++ Raw Water Samples

表6數(shù)據(jù)表明，在W++污染程度下：(1)通過(guò)在濾前投加適量的二氧化氯，可以有效去除鐵、錳；(2)隨著濾前二氧化氯投加量的增大，鐵、錳的去除效果越好，當(dāng)投加量≥2.0 mg/L時(shí)去除效果良好；(3)當(dāng)投加總量達(dá)到4.0 mg/L時(shí)，氯酸鹽及亞氯酸鹽均存在明顯超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；(4)嚴(yán)格控制二氧化氯在濾前及濾后的投加配比能進(jìn)一步減少消毒副產(chǎn)物氯酸鹽及亞氯酸鹽的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)；(5)在W++污染程度下，最佳投加方案為二氧化氯濾前投加量為2.0～2.5 mg/L，控制總二氧化氯投加量為3.5 mg/L，由此計(jì)算濾后二氧化氯投加量，但該情況下無(wú)法充分保障消毒副產(chǎn)物完全達(dá)標(biāo)。

1.4.3 對(duì)W+++原水樣的試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)基礎(chǔ)條件及方案設(shè)定，對(duì)W+++原水樣做了相關(guān)平行及正交試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

表7 對(duì)W+++原水樣的綜合試驗(yàn)Tab.7 Comprehensive Test of W+++ Raw Water Samples

表7數(shù)據(jù)表明，在W+++污染程度下，以上投加方案均不能有效去除鐵、錳，濾后水相關(guān)指標(biāo)均不達(dá)標(biāo)。結(jié)合W+樣、W++樣的試驗(yàn)結(jié)果，控制二氧化氯總投加量不超過(guò)4.0 mg/L，采用濾前投加為主，濾后水投加為輔，對(duì)W+++樣進(jìn)行延伸擴(kuò)展驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

表8 對(duì)W+++原水樣的驗(yàn)證試驗(yàn)Tab.8 Verification Test of W+++ Raw Water Samples

表8數(shù)據(jù)表明，在W+++污染程度下：(1)通過(guò)在濾前投加適量的二氧化氯，可以有效去除鐵、錳；(2)隨著濾前二氧化氯投加量的增大，鐵、錳的去除效果越好，當(dāng)達(dá)到3.5 mg/L時(shí)去除率達(dá)到最佳；(3)提升濾前二氧化氯投加量可有效去除鐵、錳，但本試驗(yàn)下均未能找到濾后水所有指標(biāo)達(dá)標(biāo)的投加方案，呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)特點(diǎn)為鐵、錳去除率與消毒副產(chǎn)物出水含量呈正相關(guān)，與濾后水二氧化氯含量呈負(fù)相關(guān)；(4)為了保障出廠(chǎng)水保有余氯含量，并確保消毒副產(chǎn)物不超標(biāo)，二氧化氯僅能作為去除鐵、錳的氧化劑，未能達(dá)到同時(shí)作為消毒劑的作用。

2 實(shí)踐應(yīng)用

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的大量數(shù)據(jù)論證，梅嶺水廠(chǎng)對(duì)消毒工藝進(jìn)行了實(shí)地工藝技改(梅嶺水廠(chǎng)消毒工藝提升改造第一階段)，具體為：(1)在沉淀池末端(V型濾池過(guò)濾前端)增設(shè)二氧化氯預(yù)氧化投加系統(tǒng)；(2)在清水池末端增加出廠(chǎng)水二氧化氯投加系統(tǒng)，作為出廠(chǎng)余二氧化氯保有量應(yīng)急補(bǔ)充使用。

將實(shí)驗(yàn)室模擬投加方案實(shí)地應(yīng)用于梅嶺水廠(chǎng)消毒系統(tǒng)，并整理了相關(guān)工藝運(yùn)行投加及水質(zhì)數(shù)據(jù)，實(shí)踐數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表9 梅嶺水廠(chǎng)消毒系統(tǒng)實(shí)踐數(shù)據(jù)Tab.9 Practice Data of Disinfection System in Meiling WTP

梅嶺水廠(chǎng)消毒系統(tǒng)實(shí)際投加數(shù)據(jù)表明：(1)通過(guò)濾前投加二氧化氯改造，針對(duì)原水不同鐵、錳含量，相應(yīng)調(diào)整二氧化氯濾前及濾后投加配比，可以保證原水鐵、錳得到很好的去除效果，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，同時(shí)保障濾后水余二氧化氯質(zhì)量濃度不低于0.2 mg/L，符合梅嶺水廠(chǎng)余二氧化氯內(nèi)控指標(biāo)要求；(2)當(dāng)原水鐵質(zhì)量濃度大于1.33 mg/L、錳質(zhì)量濃度大于0.54 mg/L時(shí)，單獨(dú)采用二氧化氯作為氧化劑及消毒劑存在消毒副產(chǎn)物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，該實(shí)際應(yīng)用與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論基本符合；(3)當(dāng)原水受到W+及以下污染條件時(shí)，該技術(shù)方案可以有效處理微污染原水,當(dāng)原水受到W++及W+++以上污染時(shí)，不建議采用單獨(dú)二氧化氯消毒法解決原水污染問(wèn)題，應(yīng)尋求其他方法和途徑聯(lián)合處理該污染條件下的原水。

3 總結(jié)與展望

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)及梅嶺水廠(chǎng)對(duì)消毒工藝實(shí)地技改，結(jié)合試驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)二氧化氯投加消毒法的現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及尚需進(jìn)一步研究的問(wèn)題總結(jié)如下。

(1)當(dāng)原水遭受鐵≤0.60 mg/L、錳≤0.20 mg/L的微污染時(shí)，通過(guò)在濾前投加二氧化氯(<2.5 mg/L)，可有效去除鐵、錳污染物，且能保障濾后水中鐵≤0.15 mg/L、錳≤0.06 mg/L、氯酸鹽≤0.30 mg/L、亞氯酸鹽≤0.35 mg/L、余二氧化氯≥0.20 mg/L。該污染條件下，通過(guò)投加二氧化氯可解決鐵、錳超標(biāo)問(wèn)題，同時(shí)確保消毒副產(chǎn)物與余二氧化氯達(dá)標(biāo)。本環(huán)境下二氧化氯的最佳投加方案為：濾前投加量為1.0～2.0 mg/L，濾前與濾后投加總量控制≤3.0 mg/L。

(2)當(dāng)原水遭受鐵質(zhì)量濃度在0.60～1.20 mg/L、錳在0.20～0.40 mg/L的中度污染時(shí)，通過(guò)在濾前投加二氧化氯，可有效去除鐵、錳污染物，但氯酸鹽、亞氯酸鹽質(zhì)量濃度接近0.70 mg/L，余二氧化氯≥0.20 mg/L。該污染條件下，通過(guò)投加二氧化氯可解決鐵、錳超標(biāo)問(wèn)題，但氯酸鹽及亞氯酸鹽指標(biāo)處于臨界值。本環(huán)境下二氧化氯的最佳投加方案為：濾前投加量為2.0～2.5 mg/L，濾前與濾后投加總量控制≤3.5 mg/L。

(3)當(dāng)原水遭受鐵≥1.20 mg/L、錳≥0.40 mg/L的重度污染時(shí)，通過(guò)在濾前投加二氧化氯，仍可有效去除鐵、錳污染物，但氯酸鹽、亞氯酸鹽指標(biāo)存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。在該污染條件下，本文不推薦單獨(dú)采用二氧化氯進(jìn)行消毒及預(yù)氧化除鐵、錳，應(yīng)尋求聯(lián)合消毒等其他方案協(xié)同解決。

(4)本文試驗(yàn)設(shè)定數(shù)據(jù)基于原水同時(shí)存在鐵、錳污染指標(biāo)的最不利情況，當(dāng)原水出現(xiàn)鐵≤0.6 mg/L或錳≤0.2 mg/L的單一污染情況時(shí)，仍可適用本文采用的方法；當(dāng)原水鐵指標(biāo)處于W+污染程度、錳指標(biāo)處于W++污染程度時(shí)，或者鐵指標(biāo)處于W++污染程度、錳指標(biāo)處于W+污染程度時(shí)，本文未進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證，但實(shí)踐運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，無(wú)論原水鐵、錳處于何種程度的污染，當(dāng)兩者污染指標(biāo)加和<1.0 mg/L時(shí)可采用二氧化氯進(jìn)行消毒及預(yù)氧化法，同時(shí)控制二氧化氯投加總量≤4.0 mg/L。因地域或季節(jié)性原水鐵、錳指標(biāo)的異同，具體實(shí)操數(shù)據(jù)將略有異同，當(dāng)原水鐵、錳任一指標(biāo)達(dá)到W+++污染程度時(shí)，不建議采用本文的方法進(jìn)行消毒及預(yù)氧化。

(5)針對(duì)國(guó)內(nèi)采用二氧化氯消毒的中大型水廠(chǎng)，單獨(dú)采用二氧化氯同時(shí)作為消毒劑及與氧化劑，在原水受鐵、錳微污染環(huán)境下是可行的，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程只需對(duì)二氧化氯投加系統(tǒng)做局部改造即可實(shí)現(xiàn)；但當(dāng)原水受到鐵、錳重度污染時(shí)，可單獨(dú)采用二氧化氯作為鐵、錳去除劑，但不宜同時(shí)作為消毒劑使用。鑒于此，本文推薦尋求其他消毒劑作為聯(lián)合消毒及預(yù)氧化劑，進(jìn)而與二氧化氯協(xié)同，達(dá)到去除鐵、錳、控制消毒副產(chǎn)物、保有消毒余氯指標(biāo)的目的，最大化發(fā)揮二氧化氯在水廠(chǎng)的消毒與氧化功能。