南水北调水源与黄河水源的混合原水混凝工艺试验

陆建红，张 晋，刘晓冬

（华北水利水电大学，河南郑州 450000）

郑州市现有水厂7座：柿园水厂、白庙水厂（现中法原水公司）、石佛水厂、东周水厂、刘湾水厂、航空港区一水厂以及罗垌水厂。日供水能力达177万m3，供水管网长度超 3 100 km，供水面积约500 km2，供水覆盖范围包括郑州市区、郑东新区、航空港区以及荥阳市区等区域，服务人口达500多万。南水北调中线工程向郑州市5座水厂供水，其中柿园水厂和白庙水厂所处理的原水从黄河水部分转换为南水北调水，两座水厂均采用常规处理加深度处理的工艺［1］。

南水北调中线工程的建成通水对于郑州市解决水资源短缺、提高供水保证率具有重要意义。同时，郑州市的供水格局将发生重大变化，南水北调中线工程在缓解水资源紧张的同时，也对现有供水系统的水质安全保障提出了挑战。为应对各种突发事件，保障供水需求，郑州市形成了“以南水北调水源为主、以黄河水为补充”的双水源保障体系。

为了分析南水北调通水可能带来的水质风险并提出应对预案，基于郑州市将长期处于南水北调水与黄河水共同使用的供水格局，本文对南水北调水与黄河水在不同配比下的处理效果进行了中试试验，得出了不同配比下的优化处理工艺与运行参数，为水厂水源转换前后的生产运行提供指导。

1 试验内容

1.1 试验装置

该中试试验装置的设计流量为0.5～1.5 m3／h，工艺流程为：混凝-反应-沉淀-砂滤。工艺流程如图1所示。试验装置材料均为有机玻璃，滤料为单层石英砂，提升泵型号为BYXG-1Z，转子流量计型号为LZB-10及LZB-15。

图1 中试试验工艺流程图Fig.1 Process Flow Diagram of the Pilot-Scale Test

1.2 原水水质

试验以取自郑州某水厂的南水北调水和黄河水为原水（取自天然水体或蓄水池的水，净化处理后可用于饮用），试验期间不同配比原水的水质指标如表1所示。由感官性状指标、一般化学指标以及生物学指标分析可知，南水北调原水的水质好于黄河原水，其中硝酸盐氮（0.38 mg／L）和菌落总数（1 100 CFU／100 mL）指标明显更优。黄河水与南水北调水以不同配比（2∶1、1∶1和1∶2）混合后，原水的各项水质指标大部分好于黄河水，但存在部分水质指标比黄河水差，如水源混合比例为2∶1时的氨氮、UV254等指标，可能是试验检测误差所致。且黄河水与南水北调水配比为1∶2时，原水的典型指标（浊度、UV254、CODMn和氨氮）好于其他两种配比的原水。

1.3 仪器及分析方法

试验期间测定水质指标的方法依据为《生活饮用水标准检验方法》（GB／T 5750.6—2006）和《水和废水监测分析方法》（第四版）［2］。其中：pH采用玻璃电极法测定，仪器为PHS-2C pH计；浊度采用HACH2100Q便携式浊度仪进行测定；UV254、氨氮以及铝均采用UV-2600紫外-分光光度计进行测定，测定方法分别为紫外分光光度法、纳氏试剂比色法和铬天青S分光光度法；CODMn的测定方法为酸性高锰酸钾法。

表1 不同配比原水的水质特征参数Tab.1 Water Quality Parameters of Raw Water with Different Mixing Ratios

续 表

1.4 试验过程

根据水厂运行经验，中试试验以聚合氯化铝（PAC）为混凝剂，密度为 1.255 g／cm3，以活化硅酸为助凝剂，根据相关研究，活化硅酸加药量为混凝剂的 20%［3］，PAC 加药量定为 15、25、35 mg／L，进行不同配比原水的中试试验。南水北调水与黄河水经配水装置按照一定比例混合后进入原水桶，并经提升泵提升至混合池，再用加药泵向混合池内投加混凝剂和助凝剂，然后经机械搅拌混匀后进入沉淀池，沉淀出水经砂滤柱过滤后出水。取滤后水测定各项指标，考虑水源切换过程中对出水水质影响程度较大的指标，试验选取浊度、UV254、氨氮和CODMn四个净水工艺中的常规监测指标作为评价指标，确定不同配比原水的处理效果。

2 试验结果与分析

2.1 混合原水浊度的处理效果分析

图2为三种混合原水在不同加药量下的浊度处理效果图。由图2可知，混凝剂为PAC时，不同加药量对不同配比原水的浊度去除率均达到90%以上。对于黄河水与南水北调水配比为2∶1的混合原水，当PAC加药量为35 mg／L时，浊度去除率为96.55%，此时去除率最高，所以当配比为2∶1时，单从浊度指标来看推荐的加药量为PAC 35 mg／L、活化硅酸7 mg／L。同理，对于配比为1∶1和1∶2的混合原水，推荐的PAC加药量分别为25 mg／L和15 mg／L，活化硅酸分别为5 mg／L 和3 mg／L，浊度去除率最高分别为96.5%和96.16%。由此可以得出，随着南水北调水水量的增加，混凝剂（PAC）和助凝剂（活化硅酸）的加药量越来越少，而浊度去除率基本维持在同一水平。

图2 不同配比原水的浊度去除效果Fig.2 Turbidity Removal Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios

2.2 混合原水UV254的处理效果分析

UV254是指在波长254 nm处单位比色皿光程下的紫外吸光度，反映的是水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含C＝C双键和C＝O双键的芳香族化合物的多少。

图3为不同配比原水在不同加药量下的UV254去除效果。由图3可知，当混凝剂为PAC时，不同加药量对不同配比混合原水的UV254去除率差异较大。当黄河水与南水北调水的配比为2∶1、PAC加药量为35 mg／L、活化硅酸为7 mg／L时，浊度去除率即可达96.55%，而UV254的去除率仅为23.68%，说明铝盐对UV254的去除效果有限［4］。因此不把UV254去除率作为选择混凝剂的主要指标，仅把其作为辅助性指标。

图3 不同配比原水的UV254去除效果Fig.3 UV254Removal Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios

所以当配比为2∶1时，推荐PAC的加药量为35 mg／L、活化硅酸为 7 mg／L；当配比为 1 ∶1 时，推荐PAC的加药量为 25 mg／L、活化硅酸为 5 mg／L，此时UV254的去除率可达到40%左右；当配比为1∶2时，三种加药量条件下的UV254去除率均在25%左右，相差不大，去除效果不理想。结合浊度去除效果，配比为 1∶2时，推荐的加药量为 PAC 15 mg／L、活化硅酸 3 mg／L。

2.3 混合原水氨氮的处理效果分析

图4为不同配比原水在不同加药量下的氨氮去除效果图。由图4可知，当混凝剂为PAC时，不同加药量对不同配比混合原水的氨氮去除效果有所差别。对于黄河水与南水北调水配比为2∶1的混合原水，当PAC的加药量为35 mg／L、活化硅酸为7 mg／L时，氨氮去除率可达85.71%左右，为三个投药量的最高值，且混凝剂加药量的改变对氨氮去除率的影响不大。原因是黄河水和丹江口水的氨氮并不高，氨氮的去除效果很难进一步提升，故氨氮仅作为混凝剂剂量优化的一项参考性指标。因此，当配比为2∶1时，综合考虑浊度和氨氮指标，推荐的加药量为PAC 35 mg／L、活化硅酸7 mg／L。对于配比为1∶1的混合原水，PAC加药量为25 mg／L、活化硅酸为 5 mg／L时，氨氮去除率在50%左右，此加药量下浊度去除率最高，且混凝剂投加量在 35 mg／L时，氨氮去除率仍不到70%。所以当配比为1∶1时，考虑加药量成本问题，推荐的加药量为 PAC 25 mg／L、活化硅酸5 mg／L。对于配比为1∶2的混合原水，PAC加药量为 15 mg／L、活化硅酸为 3 mg／L时，氨氮的去除率达到了100%，去除效果非常理想。所以当配比为1∶2时，推荐的加药量为PAC 15 mg／L、活化硅酸 3 mg／L。

图4 不同配比原水的氨氮去除效果Fig.4 NH3N Removal Efficiency of Raw Water with Different Mixing Ratios

2.4 混合原水CODMn的处理效果分析

CODMn是指在一定条件下，用强氧化剂（高锰酸钾）处理水样时所消耗氧化剂的量，它能反映水体受还原性物质污染的程度，水中还原性物质包括有机物、硫化物、亚硝酸盐和亚铁盐等。

图5为不同配比原水在不同加药量下的CODMn处理效果。由图5可知，当混凝剂为PAC时，不同加药量对不同配比混合原水中CODMn的去除效果不同。对于黄河水与南水北调水配比为2∶1的混合原水，当 PAC加药量为 15 mg／L、活化硅酸为3 mg／L时，浊度去除率可达94.2%，CODMn的去除率却不到10%；当PAC加药量为25 mg／L、活化硅酸为5 mg／L时，浊度去除率可达94%，此时CODMn的去除率为32.2%。对于配比为1∶1的混合原水，当PAC 加药量为 15 mg／L、活化硅酸为 3 mg／L 时，浊度去除率可达94.98%，CODMn去除率达55%左右，去除效果最好。所以当配比为1∶1的时候，对于去除CODMn推荐的加药量为PAC 15 mg／L、活化硅酸3 mg／L。对于配比为1∶2的混合原水，当PAC的加药量为 15 mg／L、活化硅酸为 3 mg／L时，浊度去除率和CODMn去除率分别为96.2%和31.2%，相对于其他两种投药量均达到最大值。所以当配比为1∶2的时候，推荐的加药量为PAC 15 mg／L、活化硅酸 3 mg／L。

图5 不同配比原水的CODMn处理效果Fig.5 CODMnRemoval Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios

2.5 混合原水铝的处理效果分析

试验还研究了黄河水和南水北调水在不同配比和不同混凝剂投加量下，出水中的铝含量情况。由图6分析可知，当黄河水和南水北调水配比为2∶1、1∶1和1∶2时，原水中铝的含量非常少，均小于0.05 mg／L，故原水中的铝含量可以忽略。在不同的混凝剂投加量下，出水中铝的浓度均低于0.1 mg／L，不超过国家《生活饮用水卫生标准》（GB 5947—2006）中规定的铝浓度上限值0.2 mg／L。所以黄河水和南水北调水以该三种比例混合时，出水铝含量超标的风险较小。

3 结论

由试验结果可知，黄河水与南水北调水配比为1∶2的原水浊度为4.7 NTU，色度为6，UV254为

图6 不同配比原水中铝含量的变化情况［黄河水 ∶南水北调水为（a）2∶1；（b）1∶1；（c）1∶2］Fig.6 Variation of Al3＋ Content in Raw Water with Different Mixing Ratios［Yellow River Water∶South-North Diversion Water＝（a）2 ∶1；（b）1 ∶1；（c）1 ∶2］

0.055 cm－1，CODMn为 2.32 mg／L， 氨 氮 为0.18 mg／L，硝酸盐氮为 0.87 mg／L，整体水质情况较好。当黄河水与南水北调水配比为1∶2时，聚合氯化铝（PAC）的最佳投加量为15 mg／L，活化硅酸为3 mg／L，此时浊度去除率为96.16%，UV254去除率为25%，氨氮去除率为100%，CODMn去除率为31.2%；配比为 2∶1时，PAC的最佳投加量为35 mg／L，活化硅酸为 7 mg／L，此时浊度去除率为96.55%，UV254去除率为 23.68%，氨氮去除率为85.71%，CODMn去除率为28.4%；配比为1∶1时，PAC的最佳投加量为35 mg／L，活化硅酸为7 mg／L，此时浊度去除率为96.5%，UV254去除率为40%，氨氮去除率为50%，CODMn去除率为50%。

在水源调配比例的选择上，根据不同配比原水的试验结果，考虑尽量充分利用南水北调水源，合理选择黄河过境水，有效地开发和保护地下水资源，进行多水源之间的优化配置和合理调配，确保城市水资源的可持续发展。

［1］王朝玉.河南省南水北调中线工程建设管理有关问题探讨［J］.南水北调与水利科技，2003，1（2）：17-19.

［2］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002：258-279.

［3］胡辉.低温低浊黄河水强化混凝研究［D］.郑州：郑州大学，2013.

［4］周玲玲，张永吉，孙丽华，等.铁盐和铝盐混凝对水中天然有机物 的 去 除 特 性 研 究 ［J］.环 境 科 学，2008，29（5）：1187-1191.