自來水廠濾前投加次氯酸鈉對出廠水水質(zhì)的影響研究

Study on the Impact of Sodium Hypochlorite Addition Before Filtration on the Quality of Effluent Water in Water Treatment Plants

WANG Ruitian

（College ofEnvironmental Scienceand Engineering， Yangzhou University，Yangzhou 225127，China）

Abstract： Taking the raw water ofa waterworks in Taizhou city， Jiangsu province as the research object， the turbidity，permanganate index，free residual chlorine，and trihalomethanescontent of the treated water were measured bydiffrent pre fltration sodium hypochlorite dosages，and the optimal chlorine dosage was determined based on this.The results showed that when the chlorine dosage was 16kg?h^-1 ， the turbidity and permanganate index significantlydecreased，the fre residualchlorineattheendofthepipelinereachedthe standard，andthe generationof trihalomethanes was significantlyreduced.The total chlorine dosage was moderate，efectivelyreducing the treatment costand the productionof disinfection by-products，providing a scientific basis for the safe and stableoperation of the water plant.

Keywords： drinking water treatment; pre-filtration dosing; disinfection by-products; water quality safety

飲用水加氯消毒是城市供水系統(tǒng)中常用且有效的微生物控制手段，關(guān)系到供水安全和公共健康[1]。傳統(tǒng)加氯消毒工藝的核心在于通過合理控制投氯量，在殺滅致病菌的同時，將化學(xué)風(fēng)險控制在可接受范圍。然而，氯與水中天然有機物反應(yīng)會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，其中最常見的是三鹵甲烷（Trihalomethanes，THMs）和鹵乙酸等鹵代有機物，其濃度和毒性受到嚴格監(jiān)控[2]。如果投氯量不足，可能導(dǎo)致出廠水中殘留致病微生物，存在急性傳染病傳播隱患；但若投氯量過高，THMs等副產(chǎn)物濃度升高，長期飲用可能帶來健康風(fēng)險。因此，在實際應(yīng)用中需權(quán)衡消毒效益與副產(chǎn)物風(fēng)險[3]。我國部分地區(qū)的飲用水源因受微污染影響，水質(zhì)狀況較為復(fù)雜。例如，受季節(jié)性藻類暴發(fā)和工業(yè)排污影響，長江等地表水源常含有較高的有機物和微生物負荷[4。江蘇省泰州市的原水取自長江水系，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其原水高錳酸鹽指數(shù)等有機污染指標偶有升高。這對常規(guī)處理工藝的出廠水質(zhì)提出了更高要求。

濾前預(yù)氯化是常規(guī)凈水工藝（混凝一沉淀一過濾）前投加氯劑的一種強化措施，其目的是利用氯的氧化特性和部分消毒功能，改善后續(xù)凈水過程中的水質(zhì)條件。預(yù)氯化有助于氧化水中的還原性物質(zhì)和部分有機污染物，降低原水的色度和臭味，并可抑制藻類生長，緩解濾池負荷[5]。同時，適量的預(yù)氯化可促進混凝過程形成更穩(wěn)定的絮體，從而提高渾濁度的去除率[。基于此，本研究以泰州市某自來水廠為研究對象，開展現(xiàn)場控制試驗，考察不同預(yù)氯劑量下出廠水的渾濁度、高錳酸鹽指數(shù)、游離余氯以及三鹵甲烷含量的變化，并結(jié)合統(tǒng)計分析確定預(yù)氯化的最佳投加量范圍。

1對象與方法

1.1研究對象

試驗研究對象為泰州市某水廠飲用水原水。該水廠原水取自長江干流，經(jīng)常規(guī)的混凝 $$ 沉淀 $$ 砂濾 $$ 活性炭過濾工藝處理，加氯消毒后出廠。原水水質(zhì)存在一定的季節(jié)性波動，具體指標如下：原水濁度約為 18.9NTU ，色度約為10度，無明顯異臭味，高錳酸鹽指數(shù)約為 2.4mg^.L^-1 ， pH 值約為8.16，氨氮含量低于 1mg^.L^-1 ，屬于中等有機污染水平的地表水。在試驗期間，水廠各項運行工況均保持穩(wěn)定，僅調(diào)整預(yù)氯化加藥量。

1.2試驗方法

1.2.1 預(yù)氯化加氯方案設(shè)計

在常規(guī)工藝流程中，于沉淀池出水進入濾池前設(shè)置次氯酸鈉投加點，并分別按照低劑量 14kg?h^-1 （標記為 T₁ 組）、中劑量 16kg?h^-1 （標記為 T₂ 組）、高劑量 18kg?h^-1 （標記為 T₃ 組）投加次氯酸鈉溶液。所用次氯酸鈉溶液有效氯含量約為 10% 。預(yù)氯化投加以水廠實際運行中的加氯設(shè)施實現(xiàn)，保持加氯量穩(wěn)定。在濾前水和出廠水位置采集對應(yīng)條件下的處理水樣，每次取樣體積為 200mL ，平行樣數(shù)量 n=6 隨后進行水質(zhì)分析。

1.2.2 水質(zhì)指標測定方法

所有水樣采集后均立即進行分析，測定項目包括渾濁度、菌落總數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)、游離余氯和THMs，共5項指標。其中，渾濁度采用散射比濁法測定；高錳酸鹽指數(shù)參照《生活飲用水標準檢驗方法有機物綜合指標》（GB/T5750.7—2006）中的酸性高錳酸鉀法測定，并以酸性條件下高錳酸鉀消耗氧量表示結(jié)果（以 O₂ 計， mg?L^-1 ）；游離余氯采用 _3，3? ，5，5’-四甲基聯(lián)苯胺比色法測定；THMs采用頂空-氣相色譜法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理計算。對于不同預(yù)氯投加量條件下水質(zhì)指標的顯著性差異，依據(jù)數(shù)據(jù)分布特性選擇統(tǒng)計檢驗方法進行分析：對于符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，采用單因素方差分析進行總體差異性檢驗，并在事后比較中使用Duncan法進行多重比較（顯著性水平 p=0.05 ）。所有統(tǒng)計結(jié)論均以顯著性水平 a=0.05 為判斷依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1濾前投氯量對出廠水渾濁度的影響

預(yù)氯化過程中投氯量對水樣渾濁度有顯著影響。由圖1可知， T₂ 組（中等投氯量）在降低水樣渾濁度方面表現(xiàn)最佳。在本試驗所設(shè)定的投氯范圍內(nèi)，出廠水渾濁度與預(yù)氯化投加量之間存在一個“最佳投加閾值”，即適度增加濾前氯投加量能顯著降低混凝沉淀出水的渾濁度，但當投氯量超過該閾值后，渾濁度改善效果不明顯。 T₁ 組（低投氯量）出廠水濁度最高，顯著高于其他兩組 （plt;0.05 ）； T₂ 組（中等投氯量）的出廠水渾濁度最低，略低于 T₃ 組（高投氯量），但二者之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（ ?pgt;0.05 ）。這表明在經(jīng)過濾及最終加氯處理后，中等和高投氯量均能保持較低的出廠水的渾濁度水平，而低投氯量條件下終端出水的濁度相對偏高?？傮w而言，濾前投加次氯酸鈉能夠有效降低出廠水的渾濁度，但其效益在高投加區(qū)間內(nèi)趨于遞減。適量投氯（如16kg?h^-1 ）可獲得最優(yōu)的濁度去除效果，而過量投氯則無明顯附加收益。

2.2濾前投氯量對出廠水高錳酸鹽指數(shù)的影響

高錳酸鹽指數(shù)作為反映水中可氧化有機物含量的綜合指標，對預(yù)氯化處理非常敏感。由圖2可知，隨著濾前投氯量的增加，水樣的高錳酸鹽指數(shù)下降。具體而言，在預(yù)氯化條件下，碳濾出水的高錳酸鹽指數(shù)由 T₁ 組的 1.00mg?L^-1 降至 T₂ 組的 0.86mg?L^-1 ，降低幅度 14% ；當繼續(xù)提高投氯量（ T₃ 組）時，碳濾水高錳酸鹽指數(shù)進一步降至0.80mg^.L^-1 ，但與 T₂ 組相比降幅較小，且二者差異無統(tǒng)計學(xué)意義（ ?pgt;0.05 ）。由此可見，中等預(yù)氯投加量已能有效降低水中可氧化有機物含量，進一步增加氯化物投加量雖然可繼續(xù)降低高錳酸鹽指數(shù)，但其效果呈現(xiàn)出邊際效益遞減的特征。

2.3濾前投氯量對出廠水游離余氯的影響

游離余氯是衡量水中消毒劑殘留量及其持續(xù)消毒能力的重要指標。本研究在不同預(yù)氯投加條件下，測定了出廠水中的游離氯濃度，以評估預(yù)氯化對氯保有量的影響。由圖3可知，經(jīng)過濾及接觸反應(yīng)后的出廠水中，余氯濃度隨預(yù)氯投加量的增加呈先升高后降低的趨勢： T₁ 組出廠水余氯最低，為 0.55mgL^-1 T₂ 組最高，為 0.78mg^.L^-1 ： T₃ 組略低于 T₂ ，為0.68mg^-L^-1 。單因素方差分析結(jié)果顯示，3組出廠水中的余氯差異顯著（ plt;0.05 ），其中 T₂ 組顯著高于 T₁ 和 T₃ 組（ plt;0.05 ）， T₃ 組也顯著高于 T₁ 組（ plt;0.05 ），表明 T₂ 組（ 16kg?h^-1 ）投氯量最有利于保障末梢水質(zhì)中余氯的合格水平。該非線性趨勢可能歸因于高預(yù)氯投加條件下氯的耗損增加，導(dǎo)致余氯減少。具體而言，在投氯量較高（ T₃ 組）時，濾池中未反應(yīng)完的氯進一步與水中有機物或濾料表面發(fā)生反應(yīng)，使出廠水中的自由氯濃度有所下降[7]。

2.4濾前投氯量對出廠水THMs的影響

THMs是評價氯消毒副產(chǎn)物的重要指標之一，其生成量對加氯量具有高度敏感性。由圖4可知，在濾前高投氯量條件（ T₃ 組）下出廠水THMs含量最高。具體而言， T₃ 組顯著高于 T₁ 和 T₂ 組 （plt;0.05 ），而 T₁ 與 T₂ 組差異不顯著 （pgt;0.05 ）。

水廠宜選擇類似 T₁ 組或 T₂ 組的低至中等投氯量策略；綜合考慮消毒效果與副產(chǎn)物控制， T₂ 組（中等投氯量）應(yīng)為最優(yōu)選擇，既有效控制了微生物和有機物污染，又抑制了副產(chǎn)物的過量生成。

3結(jié)論

研究結(jié)果表明，當濾前投加量為 16kg?h^-1 時，出廠水渾濁度由 T₁ 組的 0.13NTU 降至 0.10NTU 高錳酸鹽指數(shù)由 1.00mg^.L^-1 降至 0.86mg^-L^-1 ，異養(yǎng)菌去除率明顯提高，可氧化有機物含量明顯減少，各項指標均得到明顯改善；然而，當投氯量進一步增至18kg?h^-1 時，渾濁度和有機物去除的邊際效益趨于飽和，而三鹵甲烷生成量顯著上升，表明過量投氯不利于出廠水安全。因此，建議將預(yù)氯化投加量設(shè)定為 16kg?h^-1 ，同時適當降低末端加氯量。該組合策略既能強化前端混凝氧化效果，又可減少管網(wǎng)中消毒副產(chǎn)物累積，從而有助于降低運行成本并滿足余氯和副產(chǎn)物雙重合規(guī)要求。該預(yù)氯化方案兼顧了水質(zhì)提升、消毒副產(chǎn)物控制和經(jīng)濟效益，對于提高城市供水安全性、滿足日益嚴格的飲用水標準具有重要意義。

參考文獻

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