水库原水的常规与深度处理工艺效果比较

2018-03-06岳宇明顾炜荣张骏超朱肖波

净水技术 2018年2期

岳宇明，顾炜荣，陶骏，张骏超，朱肖波

（1.上海城投水务（集团）有限公司制水分公司，上海 200086；2.上海城投水务（集团）有限公司，上海 200002；3.上海城投水务（集团）有限公司长桥水厂，上海 200231；4.上海城投水务（集团）有限公司南市水厂，上海 200011）

某市釆用常规处理工艺的A水厂与釆用深度处理的B水厂均采用某江心水库原水作制水水源，考虑到水库水质季节性变化这一特征，为了确保供水安全，研究在藻类暴发期两厂不同工艺处理水库水的效果，了解常规处理与深度处理两者的差距，对该市供水工作有重大意义。本文针对该时段特别关注的两厂岀厂水质控制指标如：藻类、铝、三卤甲烷总量、CODMn、溶解性有机物、pH、浊度测定结果展开讨论。通过水质对照，弄清臭氧活性炭深度处理工艺净化效能较常规工艺的优势与不足，为水厂净水工艺升级改造提供借鉴［1-4］。

1 工艺流程

两水厂处理工艺流程如图1所示。

图1 A、B两水厂工艺流程图Fig.1 Process Flow Charts in Waterworks A and B

2 检测方法与仪器

藻类检测采用藻类计数法，仪器：显微镜，型号为奥林巴斯cx21；出厂水铝检测采用国标ICPMS仪器法，仪器型号：布鲁克ICP-MS M50；三卤甲烷总量-氯化消毒副产物检测采用国标顶空＋气相色谱法，仪器型号：安捷伦7890，气相色谱仪＋顶空进样器；CODMn测定采用GB 5750—2006酸性高锰酸盐滴定法；有机物分子量分布检测采用凝胶渗透色谱法测定，仪器：采用美国安捷伦公司生产的凝胶色谱仪，型号：PL-GPC50；颗粒计数用于检测水中微小颗粒，采用颗粒计数器，仪器型号：岛津SALD-301V激光粒度仪；出厂pH测定采用电极法，在线pH仪型号：HACH DPD1P1。

3 结果与讨论

为深入了解藻类暴发期两水厂不同工艺水质处理效果，对关注率较高的藻类、出厂铝、有机物、颗粒计数等指标进行了监测，从2016年6月14日起每隔一周左右对出厂铝、pH值、出厂三卤甲烷、CODMn进行采样，共13次。考虑到检测的繁琐性，2016年8月11日起每隔一周对藻类、凝胶渗透色谱、颗粒计数进行采样，共3次。

3.1 藻类

由于富营养化导致水库水藻类暴发，给水厂运行带来不利影响，包括：堵塞滤池，药耗增加，致臭，藻类还可分泌出藻毒素影响水质安全。A水厂原水、沉淀出水、砂滤出水藻类检测结果按三次平均值统计，如表1所示。

表1 A水厂过程水藻计数_Tab.1 Algae Counts in Process of Waterworks A

B水厂原水、沉淀出水、砂滤出水、炭滤出水藻类检测按平均值统计，结果如表2所示。

表2 B水厂过程水计数Tab.2 Algae Counts in Process of Waterworks B

由表1、表2可知，A水厂混凝沉淀藻类细胞总数去除率为85.92%，B水厂为70.60%，原水经混凝沉淀、砂滤后总藻的去除率A厂为99.71%，B厂为95.83%，A水厂去除效果更佳。目前针对富营养化水体的藻类，采用了多种控制技术，主要有：化学药剂法、微滤机、气浮、强化混凝沉淀和生物处理及投加粉末活性炭6种。一般水厂较常用的化学药剂法主要是在沉淀池前投加氧化剂以杀死藻类，使其易于在后续水处理工艺中去除。考虑到单纯的预臭氧消毒会使出厂水AOC值上升，影响管网水的生物稳定性，使管网中细菌生长的问题加剧，同时成本上也高于预氯化，出于经济、运行管理等方面考虑，目前常规处理水厂惯用的除藻技术仍为预氯化，针对青草沙水库水在藻类暴发期一般在浦东五号沟泵站投加1.0 mg／L左右次氯酸钠使进厂总氯控制在0.1～0.2 mg／L或是必要时辅助投加约 10 mg／L 的粉末活性炭，具体视原水污染情况定夺。原水进厂后再投加适量的次氯酸钠进一步除藻，然后强化混凝使藻类周围分泌的带负电荷有机物得以电中和，从而改变原来藻类物质的结构，易于脱稳，然后利用混凝剂水解产物的吸附架桥作用而使其下沉、去除。

3.2 出厂水中铝

有研究表明，摄入过多铝会导致老年痴呆，饮用水是人体摄入铝的途径之一。生产实践发现当pH值较高的含藻水进入常规处理水厂后，投铝混凝剂时出厂水铝将面临超标的风险，因此，给水处理中铝盐混凝剂的投加成为共同关注的焦点。A、B两厂水质监测期间投加硫酸铝剂量如图2所示。

A、B两水厂出厂铝含量及pH值如图3所示。

图2 A、B两水厂硫酸铝投加量及A水厂沉淀池出水浊度Fig.2 Dosages of Aluminum Sulfate in Waterworks A and B and Turbidity of Sedimentation Tank Effluent in Waterworks A

图3 A、B两水厂出厂水铝含量、出厂pH值Fig.3 Effluent Aluminum Contents and pH Values in Waterworks A and B

出厂铝盐在水解过程中生成的胶体物质氢氧化铝属于两性化合物，当其水解时能生成带正电的阳离子，也能生成带负电的阴离子，这主要取决于水的pH值。

如pH值＞8.5，氢氧化铝离解成带负电、溶于水的铝酸盐，反应如式（1）。

如水中碱度大（即 OH－浓度高），则式（1）向右进行。如在酸性溶液中，式（1）则向左进行。但如酸性太强时，氢氧化铝也会溶解，反应如式（2）。

因此，pH就成为混凝沉淀工艺中决定投药种类及数量的重要因素。A、B两水厂均采用硫酸铝为混凝剂，原水均采用青草沙水库水，水质较稳定且两水厂进厂水质较接近。由图2数据中不难发现，监测期间A水厂混凝剂投加量平均为29.34 mg／L，B 水厂为 23.45 mg／L，A 水厂要高出B水厂25.12%。同时，A水厂在前时段6月14日～7月26日的混凝剂平均投加量为21.17 mg／L，在后时段8月2日～9月20日混凝剂平均投加量为36.34 mg／L，较前时段增加了71.66%。沉淀出口浊度从平均0.50 NTU降低为0.24 NTU。相对应出厂pH平均值仅从7.53降低为7.46，降低幅度为0.93%。出厂铝从前时段平均值0.097 mg／L 降低为后时段平均值 0.077 mg／L，下降了0.02 mg／L。以上分析表明，通过增加混凝剂投加量来降低pH从而达到降低出厂铝的效果欠佳。根据国内一些常规处理工艺水厂生产实践经验，一般来说控制出厂铝含量（尤其在藻类暴发期）主要的处理工艺为混凝沉淀，主要控制指标为沉淀出水浊度和pH，一般沉淀池出水pH值控制在≤7.6，沉淀池出口浊度＜0.5 NTU。图3中A水厂出厂铝平均为0.09 mg／L，出厂 pH值平均为7.5，B水厂出厂铝平均为0.025 mg／L，出厂pH值为7.3。B水厂出厂铝平均值比A水厂低72.22%，这主要由于B水厂臭氧生物活性炭的生物降解作用，炭池中生成较多的有机酸，直接导致出厂水pH值较常规处理A水厂出水低。由实际出厂铝数据可知，控制出厂pH值在7.2～7.4，对铝的控制更有利，这是A水厂现存工艺所未及的，所以从经济角度，为达到降低出厂铝的目的，沉淀池出水浊度的控制值并不是越低越好，A水厂应合理调整混凝剂本身的投加量。有水厂小试曾尝试在混凝沉淀过程投加浓盐酸或浓硫酸降低沉淀池出口pH，但经生产实践证明此法不可行，主要是盐酸或硫酸均属于危险化学药品，腐蚀性极强，且不易大量储存。目前控制出厂铝行之有效的方法是采用臭氧生物活性炭工艺，另外需要补充说明的是，由于B水厂混凝沉淀工艺采用高密度澄清池／斜板沉淀池，通常认为混凝沉淀效果较好，生产实际运行中一般控制沉淀池出口浊度＜1 NTU即可，由在线浊度仪实时监控，日常数据统计不包括沉淀池出水浊度，因而该指标在图2中未曾体现。

3.3 消毒副产物-三卤甲烷

三卤甲烷是用氯消毒剂处理过的饮用水中产生的有机氯化合物，包括三氯甲烷、三溴甲烷、一溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷。其中三氯甲烷动物试验被证明其有毒性和致癌性，其他成分也可能影响人体健康，我国生活饮用水标准GB 5749—2006规定该类化合物中各种化合物的实测浓度与其各自限值的比值和＜1。水质监测期间的三卤甲烷总量变化情况如图4所示。

图4 A、B两水厂出厂水THMs，Cl2及A水厂沉淀池出口余氯Fig.4 THMs and Residual Chlorine Values of Effluent in Waterworks A and B，Residual Chlorine Values of Sedimentation Tank Efflent in Waterworks A

氯消毒是为了降低微生物风险，但消毒剂会和水中未去除的部分有机物生成消毒副产物给人体健康带来化学风险。三卤甲烷含量反映水处理工艺对水中三卤甲烷生成势的处理效果，也反映水质的安全与否。由图4可知，在两水厂出厂水余氯控制相近的情况下，A水厂三卤甲烷总量平均为0.31 mg／L，B水厂三卤甲烷总量平均为0.15 mg／L，B水厂出水三卤甲烷生成量明显低于常规处理A水厂。为进一步了解三卤甲烷消毒副产物的形成，对两水厂次氯酸钠的投加量进行了统计，采样期间两水厂消毒剂次氯酸钠的投加量情况如图5所示。

图5 A、B两水厂次氯酸钠投加量Fig.5 Sodium Hypochlorite Dosages in Waterworks A and B

A、B两水厂的进厂水质基本相同，出厂余氯基本接近，由图5可知，A水厂次氯酸钠投加量平均为2.09 mg／L，与B水厂1.98 mg／L相比两者相近。而从上述数据统计可得，B水厂出厂水三卤甲烷总量比A水厂平均少51.6%，主要是因为B水厂采用臭氧活性炭工艺，预臭氧和后臭氧均可以部分氧化并降低三卤甲烷前体物，活性炭工艺也可对其发挥生物降解作用，导致消毒副产物三卤甲烷生成量大幅度减少，同时臭氧生物活性炭工艺对已生成的三卤甲烷也有一定的去除作用。而A水厂虽然沉淀池出口余氯控制较好，平均值为0.14 mg／L（图4），但由于预氯化为游离氯消毒致使出厂水有较多的三卤甲烷生成。

3.4 CODMn

CODMn也称为高锰酸钾指数，是指水中可被高锰酸钾氧化的还原性物质和有机物，这里所指的还原性物质是亚硝酸盐、亚铁盐和硫化物等。由于大多数水体受到有机物污染，故耗氧量可作为水的有机物污染程度的间接指示指标。由于CODMn检测不需要配备大型仪器，且操作简便易控，所以一般该项目作为制水厂每日检测的水质指标。这里选取与藻类暴发期水质监测相对应的时间段作研究。A、B两水厂出厂CODMn及工艺去除率的情况如图6所示。

图6 A、B两水厂出厂CODMn值及工艺去除率Fig.6 Effluent CODMnValues in Waterworks A and B and Process Removal Rates

由图6可知，监测期间A水厂出厂水CODMn平均值为 1.31 mg／L，B 水厂平均为 0.85 mg／L，而国标GB 5749—2006的限值为3 mg／L。各水厂工艺对CODMn的去除率平均值分别为36.28%和60.68%，B水厂臭氧活性炭工艺对CODMn的去除率高出A水厂24.4%。

3.5 有机物分子量分布

凝胶色谱图将水中有机物按分子量从大到小先后排出，高低与量相关，钟形曲线所包面积代表有机物总量，通过对面积进行积分处理可较全面地了解两种不同净水工艺对溶解性有机物去除情况，检测结果如图7所示。

图7 A、B两水厂出水凝胶色谱图Fig.7 Effluent Gel Chromatograms in Waterworks A and B

其中a、b、c分别代表取样时间为2016年8月11日、2016年8月18日和2016年8月25日的GPC检测图谱，各曲线所包面积为有机物总量。图7经过数据换算后得出如下结论：图a显示A水厂常规处理工艺溶解性有机物的去除率为42.86%，B水厂深度处理工艺溶解性有机物去除率为64.29%；图b显示A水厂常规处理工艺溶解性有机物的去除率为42.86%，B水厂深度处理工艺溶解性有机物去除率为62.57%；图c显示 A水厂常规处理工艺溶解性有机物的去除率为46.67%，B水厂深度处理工艺溶解性有机物去除率为65.07%。总的来说，A水厂工艺溶解性有机物去除率平均为44.13%，B水厂去除率则平均为63.97%，B水厂对溶解性有机物的去除率要高出A水厂19.84%。

由以上分析可知，B水厂采用臭氧生物活性炭工艺对消毒副产物三卤甲烷、CODMn等有机物指标的去除效果较常规处理显示出较强的优越性，通过凝胶色谱分析得出的分子量分布曲线图谱也从另一侧面验证了该工艺的强势。

3.6 颗粒计数

由于水中某些致病原生动物（如贾第虫、隐孢子虫）的大小为2～10 μm，故仅以浊度作为出水水质监控参数，难以有效保证出水的致病原生动物的卫生安全，针对上述问题，一些厂家采用敏感度较高的颗粒物计数器，其采用光阻法原理，可分别测定规定大小颗粒阻光信号。A、B水厂砂滤出水、出厂水按三次平均值统计数据如表3所示。

表3 A、B两水厂砂滤、出厂颗粒计数Tab.3 Particle Counts in Filtered and Finished Water in Waterworks A and B

续表

有研究认为水中致病微生物主要附着在颗粒表面或近表面，若控制了各类颗粒物质的总数量，就相当于限制了病原微生物的总数量。美国研究结果表明，为确保水质，滤池出水中粒径大于2 μm的颗粒物的数量需控制在50个／mL以下。试验研究表明：大于2 μm的颗粒物浓度小于50个／mL时，可以保证两虫的危害极低。虽然水质监测时段A、B两水厂出厂浊度平均值分别为0.04 NTU和0.07 NTU，均小于0.10 NTU，但两水厂均面临着出水粒径大于2 μm数量超标的风险。由表3数据统计可知，B水厂砂滤出水颗粒大于2 μm的数量较A水厂多16.88%，而出厂水大于2 μm的颗粒数量则高出A厂77.36%。出厂总颗粒数B水厂高出A水厂49.01%，可能与炭池出现微生物泄漏有关。以上数据表明B水厂深度处理对水中颗粒的去除效果不及A水厂常规处理。

3.7 二甲基异莰醇和藻毒素及溴酸盐

由于监测期间水库来水出库连续投加10 mg／L粉末活性炭和0.7～1.0 mg／L的次氯酸钠使进厂原水二甲基异莰醇含量较低，微囊藻毒素均小于检测限，故未对A、B两水厂出厂水进行这两项检测。另外经跟踪检测，在水质监测时段B出厂水溴酸盐值均小于检测限。

4 结论

由三次藻类检测结果可知：A水厂原水经混凝、砂滤后对藻类细胞总数的去除率达99.71%，B厂的去除率为95.83%，A水厂除藻效果较好，主要手段是强化混凝，监测期间混凝剂投加量平均要高出B水厂约25.12%；B水厂臭氧活性炭工艺出厂铝平均值为0.025 mg／L，A水厂常规处理工艺出水则为0.09 mg／L；B水厂出厂水三卤甲烷生成量为0.15 mg／L，A 水厂则为 0.31 mg／L；B 水厂工艺对CODMn的去除率高出A水厂24.4%，对溶解性有机物的去除率较A水厂要高19.84%。

总的来说，A、B两水厂出水水质均基本符合国标GB 5749—2006，B水厂工艺较A水厂常规处理工艺的优势在于对有机物及铝的去除效果要好。然而B水厂出厂水颗粒计数和浊度检测数值均显示高于A水厂，对管网水会带来二次污染的风险可能较A水厂要大。