斜峪關(guān)水廠突發(fā)高濁度來水處理措施及效果研究

拜旭東，袁傲迪，李 輝

（寶雞水投秦渭水務(wù)有限公司斜峪關(guān)水廠,陜西 寶雞 721004）

黃河是我國典型的高濁度河流之一[1],其平均含沙量是世界第一[1,2],其汛期的輸沙量占據(jù)全年輸沙量的絕大部分。對于以黃河流域地表水為飲用水源的地區(qū),除需要常年面對高濁度來水外,還面臨汛期突發(fā)高濁度來水的挑戰(zhàn)。在《高濁度水給水設(shè)計規(guī)范》中給“高濁度”的定義為含沙量或濁度較高,水中泥沙具有分選、干擾和約制沉降特征的原水[3]。高濁度水除以上特征外,其流變特性與清水具有較大差別[4],由于高濁度水中泥沙含量較多,導(dǎo)致泥沙顆粒碰撞機會增多,水體的自凝作用要比清水強烈很多,除此之外,高濁度來水同時伴隨著較高的總氮含量和COD含量[5,6]。高濁水以上的特征帶來許多問題,如不能及時處理,可能導(dǎo)致自來水廠的處理工藝癱瘓[7],還可能導(dǎo)致出廠水水質(zhì)不達標(biāo),對供水用戶帶來潛在的飲用水安全問題[8],因此有必要加強對高濁水處理效果的研究。目前自來水廠常用自來水處理工藝為混凝-沉淀-過濾-消毒工藝[9],但并不一定能滿足給水處理的要求,尤其在汛期常規(guī)工藝更不能滿足要求,因此為了使自來水廠出水達標(biāo)供給,自來水廠在面對突發(fā)進水濁度改變時常選擇增加絮凝劑和助凝劑含量的情況。

斜峪關(guān)水廠位于黃河流域渭河一級支流石頭河水庫下游,距石頭河水庫大壩932 m,占地8.13 hm2,設(shè)計日處理能力13 萬m3。屬于寶雞市石頭河水庫引水項目,于2010 年5 月修建,2014 年5 月投入運營。截止2021 年底已向?qū)氹u市高新區(qū)、陳倉區(qū)虢鎮(zhèn)、蔡家坡城區(qū)和眉縣縣城地區(qū)供水1.3億m3,目前日平均供水量為8萬m3。期間處理過低溫低濁、高耗氧量原水,也處理過突發(fā)高濁原水,特別是2021 年9 月份,石頭河上游流域連降暴雨,入庫流量大,庫水位上升較快,泄洪次數(shù)較多,泄洪量大,致使斜峪關(guān)水廠原水濁度在24 小時之內(nèi)由原8 NTU上升到1400 NTU,斜峪關(guān)水廠積極應(yīng)對,采取有效措施,保證出廠水符合《國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）要求[10]。

1 水廠概況

1.1 工藝介紹

斜峪關(guān)水廠從石頭河水庫斜峪關(guān)電站前池取水,經(jīng)調(diào)流調(diào)壓閥、流量計測流、前加氯預(yù)氧化,進入穩(wěn)壓配水井穩(wěn)壓分配調(diào)節(jié),通過管道輸水至靜態(tài)混合器和加入的絮凝劑（聚合氯化鋁）混合進入小網(wǎng)格反應(yīng)池,在小網(wǎng)格反應(yīng)池前端投加助凝劑（益維凈）,水中的懸浮物、雜質(zhì)等在小網(wǎng)格反應(yīng)池充分混合反應(yīng)、絮凝,形成的絮狀物一部分在小網(wǎng)格反應(yīng)池沉降通過排泥閥排泥,一部分在平流沉淀池（平流深沉池長108 m×18.9 m,在設(shè)計流量1.66 m3/s的情況下,水的水平流速為12.5 mm/s,沉淀時間2.4 小時）沉淀,通過虹吸式吸泥機排泥。沉淀池末端集水槽收集表面上清液流向濾池。濾池共分8組,一組池體長11 m,寬7 m,高5.15 m。通過液位、濁度或時間控制進行反沖洗。過濾后通過暗渠匯集流向清水池,清水池前進行次氯酸鈉投加消毒,完成凈化處理。經(jīng)過60 kmDN1200、DN600 球墨鑄鐵管和鋼管輸水至寶雞市區(qū)及眉縣、蔡家坡、陳倉區(qū)城區(qū)與城市管網(wǎng)相接。斜峪關(guān)水廠清水池5000 m3,寶雞調(diào)蓄水池16000 m3,陳倉調(diào)蓄水池4000 m3,蔡家坡調(diào)蓄水池4000 m3,眉縣調(diào)蓄水池2000 m3,在寶雞、陳倉供水站設(shè)補氯設(shè)施進行二次補氯。

1.2 處理工藝流程

斜峪關(guān)水廠凈水工藝采用常規(guī)處理工藝,即混凝、沉淀、過濾、消毒進行凈化處理。工藝流程見圖1。

圖1 水廠工藝流程圖

2 自來水廠運行情況與原水水質(zhì)變化

2.1 運行情況

斜峪關(guān)水廠2014 年5 月4 日投入運行至今已7 年半時間,已向眉縣縣城、蔡家坡地區(qū)、陳倉區(qū)虢鎮(zhèn)地區(qū)和寶雞市高新區(qū)供水1.3 億m3,保障了60萬城鄉(xiāng)居民生活及工礦企業(yè)用水需求,為寶雞市經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。但由于斜峪關(guān)水廠距離石頭河水庫較近,水庫水質(zhì)的變化直接影響水廠制水工況的調(diào)整,其中遇到過低溫低濁、高耗氧量、高濁度水處理等諸多難題,但均成功處理,滿足出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),本文重點研究突發(fā)高濁度來水處理措施及處理效果。

2.2 原水水質(zhì)變化

運行初期,原水濁度、COD、NH3-N、pH值都比較穩(wěn)定,年平均濁度在5 NTU以內(nèi),COD為3 mg/L以內(nèi),NH3-N為0.3 mg/L、pH值為8.0 以下。受石頭河上游暴雨和水庫泄洪影響,進廠原水濁度大于20 NTU的天數(shù)2017 年為3 天,2018 年38天,2021 年多達118 天。每年泄洪次數(shù)、泄洪流量、進廠濁度、高濁水持續(xù)時間的不同,給制水工作帶來很大的考驗。見圖2和圖3。

圖2 2017年～2019年濁度變化天數(shù)統(tǒng)計

圖3 2017年～2019年濁度變化天數(shù)與泄洪次數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出自2017 年開始,原水中高濁水發(fā)生天數(shù)顯著增加,至2021 年原水中濁度＞20 NTU的天數(shù)達到了120 天,且濁度變化與上游水庫泄洪次數(shù)有關(guān),根據(jù)表3 的統(tǒng)計結(jié)果可以看出,2021 年泄洪次數(shù)為4 次,原水中濁度＞50NTU的天數(shù)高達72 天,說明來水濁度與泄洪次數(shù)具有一定的相關(guān)性。

3 處理措施

斜峪關(guān)水廠面對高濁水預(yù)警,反應(yīng)迅速,積極應(yīng)對,采取有效措施,保證出廠水符合《國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）要求。

當(dāng)進廠水水質(zhì)發(fā)生突然報警或者接到泄洪通知,啟動高濁水應(yīng)急預(yù)案,按照高濁水應(yīng)急預(yù)案程序操作,積極行動,相互配合,聽從指揮。

3.1 通過調(diào)整藥劑投加量,確保處理效果

斜峪關(guān)水廠采用的絮凝劑為聚合氯化鋁、助凝劑為益維凈、根據(jù)來水濁度變化,調(diào)整加藥量,根據(jù)圖2和圖3的濁度變化,可以看出2021年來水的濁度最高,因此選擇2021年9月6日至10月31日的來水與藥劑投加為研究對象。

2021年8月13 日,石頭河水庫上游突降暴雨,入庫流量增大,進廠水濁度由4 NTU上升到25 NTU,9月6日、 18日、26日、10月6日泄洪四次,進廠水濁度由8 NTU上升至最高1400 NTU,由于泄洪間隔時間較短,濁度波動較大,高濁水持續(xù)時間較長,50 NTU以上濁度持續(xù)72天,給斜峪關(guān)水廠制水帶來前所未有的考驗。全體職工認真對待,及時調(diào)整加藥量、加強吸排泥、認真觀察處理效果、加強水質(zhì)檢測,控制沉后水濁度,加強反沖洗,出廠水濁度有效控制在0.6 NTU之內(nèi),保證出廠水質(zhì)符合國家標(biāo)準(zhǔn),滿足60萬城鄉(xiāng)居民用水需求。最大藥劑投加單耗聚合氯化鋁達到159 mg/L,益維凈達到24 mg/L,排泥次數(shù)19 次/d,吸泥次數(shù)7 次/d。至11月11日原水濁度降至50 NTU以內(nèi),12月10日降至20 NTU以內(nèi),藥劑投加聚合氯化鋁降至60 mg/L,益維凈降至6 mg/L,達到泄洪前藥劑投加量,具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析見圖4和圖5。

圖4 濁度變化聚合氯化鋁投加量統(tǒng)計圖

圖5 濁度變化與益維凈投加量統(tǒng)計圖

每次泄洪或暴雨,無法估計進廠水濁度變化,只能先采取加大投加藥量,觀察反應(yīng)效果,再做混凝實驗,根據(jù)反應(yīng)情況和混凝實驗結(jié)果及時增減藥劑投加比例,待原水濁度穩(wěn)定后,及時做混凝實驗,進一步確定藥劑投加比例,隨著原水濁度下降,緩慢減小藥劑投加量,確保出水水質(zhì)。

通過以上統(tǒng)計圖可以明顯看出,高濁度進水時聚合氯化鋁的用量明顯增加,在9月6日、18日、26日、10月6日四次泄洪時,濁度、藥劑用量明顯波動,至9月27日進水濁度最高達到1400 NTU,聚合氯化鋁的用量在9月27日增加至143 mg/L,同時益維凈的投加量也增加至最高21 mg/L。

3.2 調(diào)整吸排泥次數(shù),保證絮體沉降效果

高濁水進入平流池沉淀時屬于擁擠沉降,泥沙顆粒是以群體形式下沉,在沉降過程中會形成一個清水和渾水交界面,即稱渾液面。渾液面沉降緩慢,絮凝劑和助凝劑混凝反應(yīng)激烈且快,沉降加速,淤泥多數(shù)沉淀在小網(wǎng)格反應(yīng)池和平流池前端。我們采取每小時小網(wǎng)格反應(yīng)池排泥一次,兩小時平流池吸泥一次,保證沉降有效空間,確保沉后水濁度控制在3NTU之內(nèi),吸排泥次數(shù)與原水濁度變化見圖6。

圖6 原水濁度與吸泥次數(shù)統(tǒng)計圖

通過圖6 可以看出,進水濁度較高時每天的吸泥次數(shù)明顯增加,吸泥次數(shù)最高發(fā)生在9月28日,而原水最高濁度為9月27日,這是因為投加藥劑后經(jīng)過絮凝和沉淀需要一定的時間,因此在9月28日吸泥次數(shù)最高為7次。

3.3 其他措施

3.3.1 增加水質(zhì)監(jiān)測頻率

水質(zhì)監(jiān)測是確保水質(zhì)合格的重要手段,在高濁水進水期間,加強人員檢測與在線儀表觀測相結(jié)合,檢測人員分為兩組,在取水口進行原水濁度和水廠內(nèi)進行沉后水和濾后水檢測,原水30 min檢測一次,沉后、濾后2小時檢測一次,現(xiàn)場采樣、現(xiàn)場檢測、及時反饋,與水廠內(nèi)各工藝在線儀表數(shù)據(jù)進行比較,進一步指導(dǎo)生產(chǎn)。

3.3.2 加強反沖洗

高濁水期間,8 組濾池全部運行,水量不變降低過濾速度,若沉后水濁度較高,濾池壓力就大,根據(jù)濾后水檢測結(jié)果,對超過1 NTU的濾池及時進行反沖洗,確保出廠水濁度控制在0.6 NTU范圍內(nèi)。

4 處理效果

為了更好地研究在進水濁度突變條件下所采取措施的效果,嚴格監(jiān)測出廠水水質(zhì)變化情況。分別測定了進出水濁度與CODMn的變化情況。

圖8 2021年汛期進出水CODMn變化

通過圖7 可以看出,汛期進水濁度變化較大,在9 月27日濁度達到1400 NTU。雖然進水濁度變化較大,但是通過改變加藥量和吸排泥次數(shù),可以明顯降低汛期自來水廠出水的濁度,可以看出出水的濁度均低于0.6 NTU。其次,通過CODMn的變化可以看出,進水CODMn的變化范圍在3 mg/L～8 mg/L,但是通過改變絮凝劑和助凝劑的投加量以及吸排泥次數(shù)可以看出出水的CODMn顯著降低,出水平均CODMn僅為1.70 mg/L。濁度和COD完全符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 2021年汛期進出水濁度變化

5 小結(jié)與展望

5.1 小結(jié)

突發(fā)高濁度進水是自來水廠需要面對的周期性問題,高濁水會使進水水質(zhì)發(fā)生變化,如不能及時處理,一方面對自來水廠現(xiàn)有的處理工藝造成沖擊,另一方面可能使出水水質(zhì)不達標(biāo),對飲用水安全造成潛在影響。斜峪關(guān)水廠自2016年以來,在處理突發(fā)進水濁度變化（升高）方面積累了大量的經(jīng)驗,主要通過改變絮凝劑和助凝劑的投加量,以及增加吸排泥次數(shù)等方式,使出水水質(zhì)滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 展望

高濁度水處理是給水處理中重要的研究領(lǐng)域,目前關(guān)于高濁度水的處理工藝較多,但主要是通過投加混凝劑和助凝劑降低來水的濁度。因此在降低高濁度水的過程中,主要起作用的是混凝和沉淀工藝,因此在研究過程中應(yīng)加強：

（1）混凝和沉淀機理的研究。對于混凝和沉淀機理的研究,可以更好地幫助理解混凝和沉淀的過程,以幫助在處理過程中更精確地控制絮凝劑和助凝劑的投加。

（2）加強在實際高濁度水處理過程中來水濁度變化的圖像研究。通過濁度變化的圖像反饋至加藥車間,可以幫助操作人員及時的改變加藥量。

（3）對于高濁度來水的來水處理,目前大多依靠人工的觀察和濁度的檢測,往往造成實際加藥時間滯后,因此在實際處理中應(yīng)該加強人工智能和數(shù)學(xué)模型的研究,通過數(shù)學(xué)模型及時對來水濁度進行預(yù)測,加大人工智能的研究和應(yīng)用有助于做到精準(zhǔn)加藥。

（4）泥沙及時排除的研究。高濁度水沉淀產(chǎn)生的大量泥沙,如果不及時排走,會影響到沉淀池的正常運行。