斜峪關(guān)水廠突發(fā)高濁度原水處理措施與效果研究

袁 靜， 拜旭東， 李 輝， 袁傲迪

(寶雞水投秦渭水務(wù)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，其平均含沙量是世界第一[1]，其汛期的輸沙量占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)?！陡邼岫人o水設(shè)計規(guī)范》(CJJ 40—2011)對“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”[2]。高濁度水除具有以上特征外，其流變特性與清水具有較大差別：由于高濁度水中泥沙含量較多，泥沙顆粒碰撞機會增多，水體的自凝作用要遠比清水強烈，高濁度來水同時伴隨較高含量的總氮和COD[3]。高濁水若不能及時處理，可能導(dǎo)致自來水廠的處理工藝癱瘓，甚至導(dǎo)致出廠水水質(zhì)不達標(biāo)，帶來潛在的飲用水安全問題[4]，因此有必要加強對高濁水處理效果的研究。目前自來水廠常用常規(guī)處理工藝[5]，并不一定能滿足給水處理的要求，尤其在汛期。因此為了使出廠水達標(biāo)供給，自來水廠在面對突發(fā)進水濁度改變時常選擇提高絮凝劑和助凝劑投加量的措施。

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13×104m3，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。截至2021年底，該水廠已向?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1.3×108m3，目前平均供水量為8×104m3/d。水廠原水不僅存在低溫低濁、高耗氧量特點，還會突發(fā)高濁，特別是2021年9月，石頭河上游流域連降暴雨，入庫流量大，水庫水位上升較快，泄洪次數(shù)較多，泄洪量大，原水濁度在24 h之內(nèi)從8 NTU上升到1 400 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《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求[6]。

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)，借助靜態(tài)混合器與絮凝劑(聚合氯化鋁)混合并通過管道輸送至小網(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出，一部分在平流沉淀池沉淀，通過虹吸式吸泥機排出。平流沉淀池長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 h，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，一組池體尺寸為11 m×7 m×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)水廠清水池容積為5 000 m3，寶雞調(diào)蓄水池容積為16 000 m3，陳倉調(diào)蓄水池容積為4 000 m3，蔡家坡調(diào)蓄水池容積為4 000 m3，眉縣調(diào)蓄水池容積為2 000 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。工藝流程詳見圖1。

圖1 水廠工藝流程Fig.1 Process flow of waterworks

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)水廠自2014年5月4日投入運行至今已7年半，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，對此筆者研究了突發(fā)高濁度來水的處理措施及應(yīng)用效果。

2.2 原水水質(zhì)變化

運行初期，原水濁度、COD、NH3-N、pH比較穩(wěn)定，年平均濁度在5 NTU以內(nèi)，COD小于3 mg/L，NH3-N為0.3 mg/L，pH值在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 d，2018年為38 d，2021年多達118 d。每年泄洪次數(shù)、泄洪流量、進廠濁度、高濁水持續(xù)時間都會發(fā)生變化(見圖2和圖3)，給制水工作帶來很大的考驗。

圖2 2017—2019年原水濁度的變化Fig.2 Change of raw turbidity from 2017 to 2019

圖3 2017—2021年高濁度的天數(shù)與泄洪次數(shù)Fig.3 Number of days with high turbidity and flood discharge from 2017 to 2021

自2017年開始，原水發(fā)生高濁水的天數(shù)顯著增多，且濁度變化與上游水庫泄洪次數(shù)有關(guān)。2021年泄洪4次，原水濁度大于50 NTU的天數(shù)高達72 d，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)迅速并積極應(yīng)對，采取有效措施。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，確保出廠水水質(zhì)達標(biāo)。

3.1 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，并根據(jù)來水濁度變化調(diào)整加藥量。2021年來水濁度最高，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日和10月6日泄洪四次，進廠水濁度由8 NTU上升至最高1 400 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 d，給斜峪關(guān)水廠帶來前所未有的考驗。通過及時調(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，將出廠水濁度有效控制在0.6 NTU之內(nèi)。聚合氯化鋁和益維凈的最大藥劑投加單耗分別為159 和24 mg/L，排泥次數(shù)為19次/日，吸泥次數(shù)為7次/日。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)，聚合氯化鋁投加量降至60 mg/L，益維凈投加量降至6 mg/L，達到泄洪前藥劑投加量，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖4和圖5。

圖4 聚合氯化鋁投加量隨濁度的變化情況Fig.4 Variation of PAC dosage with turbidity

圖5 助凝劑投加量隨濁度的變化情況Fig.5 Variation of coagulant aid dosage with turbidity

每次泄洪或暴雨時無法準(zhǔn)確估計進廠水濁度變化，只能先加大投藥量，同時觀察反應(yīng)效果，再進行混凝實驗，進一步根據(jù)反應(yīng)情況和實驗結(jié)果及時增減藥劑投加比例。待原水濁度穩(wěn)定后，及時進行混凝實驗，進一步確定藥劑投加比例，同時根據(jù)原水濁度下降程度緩慢減小藥劑投加量，確保出水水質(zhì)。

高濁度進水時聚合氯化鋁的用量明顯增加，四次泄洪時濁度、藥劑用量明顯波動，9月27日進水濁度最高達到1 400 NTU，PAC用量增加至143 mg/L，同時益維凈投加量也增大至最高21 mg/L。

3.2 調(diào)整吸排泥次數(shù)

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。水廠采取小網(wǎng)格反應(yīng)池每1 h排泥1次，平流池每2 h吸泥1次，保證沉降有效空間，確保絮體沉降效果，將沉后水濁度控制在3 NTU之內(nèi)，吸泥次數(shù)與原水濁度的變化見圖6。

圖6 原水濁度與吸泥次數(shù)統(tǒng)計Fig.6 Turbidity of raw water and sludge suction times

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，共7次。而原水最高濁度為9月27日，這是因為投加藥劑后絮凝和沉淀環(huán)節(jié)需要一定的時間。

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，原水每30 min檢測一次，沉后、濾后每2 h檢測一次，現(xiàn)場采樣、現(xiàn)場檢測、及時反饋，并與水廠內(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，水量不變的情況下降低過濾速度。沉后水濁度較高會加大濾池壓力，根據(jù)濾后水檢測結(jié)果，對出水濁度超過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以下。

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，見圖7和圖8。

圖7 2021年汛期進出水濁度的變化Fig.7 Changes of turbidity of raw water and treated water in flood season in 2021

圖8 2021年汛期進出水CODMn的變化Fig.8 Changes of CODMn of raw water and treated water in flood season in 2021

汛期進水濁度變化較大，在9月27日達到1 400 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)，可以將汛期出廠水濁度控制在0.6 NTU以下。進水CODMn在3～8 mg/L變化，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)，出廠水CODMn顯著降低，平均值僅為1.70 mg/L，濁度和CODMn完全符合飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語與展望

突發(fā)高濁度進水是自來水廠需要面對的周期性問題，若不能及時處理，一方面會對自來水廠現(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，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，有效處理突發(fā)進水濁度變化(升高)，使出水水質(zhì)滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

在降低水體濁度的過程中，主要起作用的是混凝和沉淀工藝，因此在研究過程中應(yīng)：

① 加強混凝和沉淀機理的研究，從而更為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，并反饋至加藥車間，幫助操作人員及時改變加藥量。

③ 對于高濁度原水的處理，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，及時對來水濁度進行預(yù)測，有助于做到精準(zhǔn)加藥。

④ 及時排除泥沙的研究。高濁度水沉淀產(chǎn)生的大量泥沙，不及時排走會影響沉淀池的正常運行。