高藻原水应急预处理措施浅析

袁东日

（上海轩浦净化科技有限公司，上海 201108）

0.引言

水是生命之源，提供高品质饮用水是供水人兢兢业业在做的事业，需要做到制水全流程管控，应急措施不留漏点。目前，制水工艺趋近成熟，自动化及人工智能的快速融入对于制水过程的高效管理和安全生产起到很好的辅助作用，影响制水工艺安全稳定运行的因素除工艺本身、科学管理外，原水水质状况是我们关注的又一重点因素，特殊的原水水质足可以瘫痪制水工艺的某个环节，影响供水水质安全。结合专家、学者及相关制水单位取得的研究成果和经验，针对高藻水的应急预处理措施做一个思路梳理，供业内参考交流使用。

1.高藻水产生及影响

1.1 高藻水限值界定

藻类分布范围广泛，生存条件要求低，环境适应性强，即使在地表Ⅱ、Ⅲ类低营养水体条件下、一旦具备适合的光照和温度，藻类也会迅速增多，存在爆发的可能。关于水源藻类问题，世界卫生组织（WHO）和卫生部推荐过饮用水水源藻类三级限值分别为：安全限值：1.0×104个/L；警戒限值：2.1×105个/L；危险限值：1.2×106个/L，其中警戒限值是针对致癌性而设定的下限值，危险限值是避免产生急性毒作用的限值[1]。此限值主要从毒理学指标分析，实际水厂生产还要考虑嗅觉和感官指标，根据一些水厂的生产经验，警戒限值以下的原水只是对制水工艺过程存在一定影响，对出厂水水质指标变化影响不大，但超过警戒限值则会造成毒理学问题，还会伴随着嗅觉和感官等水质问题的出现，要求制水过程中必须施加必要的应对措施予以解决，本文以警戒限值为高藻水的最低参考值，探讨高藻水带来的水质问题和解决办法。

1.2 水质问题及影响

从目前调查情况看，高藻水主要来源为内河、水深较浅的小型水库、流动性差的湖泊等，光照充足温度适宜的大型水库也会偶尔有藻类爆发的可能。高藻水引发的直接水质问题常见的有藻类数量剧增、水体异味、色度增高、pH值昼夜异常变化等；带来的次生问题：杀藻产生的消毒副产物问题、死藻释放藻毒素问题、絮凝效果差、堵塞滤池缩短过滤周期、饮用口感差、出厂水铝易超标等问题。

一般情况藻类爆发期原水pH值会波动较大，白天光照充足的情况pH值会大幅度升高，同时伴有溶解氧DO值升高现象发生，夜晚pH值有所回落，特殊情况回落幅度较大pH<7.0，单一藻类占主体时这一现象表现较为突出。高pH值原水会带来一系列的问题发生，如降低消毒剂的使用效率，影响制水工艺絮凝效果，出厂水铝超标等问题。

2.对应性应急措施解析

业内关于高藻水带来的某一指标变化研究较多，本文主要针对高藻水在制水过程中产生的关联性问题做综合分析，采取分步或综合性应对措施解决高藻水带来的一系列问题。应对措施需要遵循一定时间空间顺序，根据药剂投加目的、药剂相互作用及影响确定合适的投加时间和位置。常规应急处置措施一般选择投加二氧化碳（CO2）或石灰（Ca(OH)2）、次氯酸钠（NaClO2）、粉炭等药剂的一种或几种，以达到高藻期间应急处理效果，药剂相互影响有如下描述：

（1）石灰（Ca(OH)2）或CO2调节原水pH值至7～7.5之间，可以提高后续絮凝剂的使用效果；

（2）合适的pH值范围，次氯酸钠（NaClO2）才能有效地灭活藻类或抑制藻类的繁殖；

（3）次氯酸钠（NaClO2）投加产生的消毒副产物或藻毒素等有害物质，则通过投加粉炭进行吸附去除。

因此药剂投加时间和位置的选择应该遵循一定的先后顺序：

Ca(OH)2或CO2→NaClO2→粉末活性炭

2.1 pH值调节措施

2.1.1 pH值调节方法概述

pH值调节方法很多，常用的方法使用盐酸、硫酸、氢氧化钠等强酸强碱调节，强酸强碱使用存在两个问题：（1）强酸强碱均属于危险化学品，取得手续较为繁琐，安全隐患较大；（2）强酸强碱不具缓冲性，容易造成水质突变，技术控制方面存在一定安全隐患。近些年二氧化碳（CO2）或石灰（Ca(OH)2）调节pH值的研究逐渐增多，这两种药剂均不属于危险化学品。二氧化碳（CO2）溶于水后生成了具有良好酸碱缓冲作用的弱酸，其中起到主要缓冲作用的是HCO3-离子，其缓冲区间位于HCO3-所在pH值区段（图1）。

图1 CO2水解平衡随pH值变化曲线

水解平衡式：

使用CO2回调高pH值水，当pH值控制在HCO3-所在区间段时，则水体缓冲性好不易造成水质突变问题，药剂絮凝效果显著提高。

石灰（Ca(OH)2）属弱碱，调节低pH值水体时较氢氧化钠投加有更大的流量变化空间，也不易造成水质突变，石灰能够也会起到一定的助凝效果。

2.1.2 二氧化碳（CO2）水中应用

CO2应用于制水工艺调节pH值，在强化絮凝、增强消毒效果、控制消毒副产物、生产安全管理等方面均优于工业强酸。高pH值是导致出厂水铝超标主要原因，pH值高于8.5时，A1(OH)3逐渐溶解转而生成溶于水的偏铝酸盐、铝酸盐，控制pH值在8左右，才生成难溶且带正电的A1(OH)3胶体。CO2调节pH值至7.5～7.6之间水体缓冲性好，絮凝剂水解相对稳定絮凝效果得到增强，同时，阻止了高pH值时溶解性铝盐的转化过程，有效控制出厂水铝超标问题。

案例：深圳光明新区某水厂生产性运行数据[2]，该厂夏季原水pH值最高达9.04，通过投加二氧化碳将原水pH控制在7左右，混凝剂（PAC）能够达到较好的絮凝效果，并较好地抑制沉淀池跑矾现象，沉后水浊度可控制在0.18NTU～0.30NTU，出厂水浊度在0.10NTU～0.15NTU，出厂水铝平均值为0.025mg/L，数据显示投加CO2调节原水pH值，控制出厂水铝超标效果良好。

高藻水对制水工艺影响较大，进入制水工艺之前需要进行藻体灭活，防止藻类活体进入滤池影响滤池正常运行。一般采用次氯酸钠（NaClO2）预氧化杀藻，但次氯酸钠（NaClO2）在高pH值条件下杀藻效果较差，通过CO2对pH值的调节可有效提高次氯酸钠（NaClO2）杀藻效果，还一定程度控制消毒副产物的生成，CO2投加对消毒副产物的控制研究来源于美国环保署一案例，资料显示水中投加CO2碳酸溶液，可使TOC的去除率从25%增至40%，消毒副产物前体物量得到降低，使得消毒副产物的量相应减少[3]。

2.1.3 二氧化碳（CO2）利用率分析

CO2使用具有安全性、环保性、精准性、便捷性，但二氧化碳在水中溶解度较小，水合过程和脱水过程比较缓慢，以往二氧化碳利用率比较低，主要与采用的投加方式有关，以往国内的投加方式主要有两种：一种是利用膜片曝气盘进行水下投加(图2)，另一种是采用射流器投加(图3)，这两种投加方式二氧化碳利用率均只有20%～30%，低利用率限制了二氧化碳在水处理领域的推广应用。

图2 膜片曝气盘

图3 射流器

近年来国内一些厂家开始研究高效二氧化碳投加装置(图4)，其二氧化碳利用率可达97%，激发了需求单位对二氧化碳使用的热情。高效二氧化碳投加装置主要通过专用混合部件加速二氧化碳分子水合速度，提高二氧化碳对碳酸的转化率，碳酸生成后注入水中，装置稳定性高、可控性好，pH值调节迅速。

图4 高效二氧化碳投加装置

2.2 藻类灭活措施

目前，藻类灭活主要采取投加氧化剂的方式进行，如高锰酸钾杀藻、臭氧预氧化杀藻、次氯酸钠氧化杀藻等，从经济、技术、运行成本等方面考虑则各有利弊，使用最为普遍是次氯酸钠预氧化杀藻。次氯酸钠预氧化杀藻效果受pH值影响较大，杀藻之前需要调节pH值，许杰龙等关于《pH值及浓度对次氯酸钠除藻效果的影响》的文章数据表明pH值4.7～9.4时次氯酸钠都有杀藻效果，但随着pH值的增高杀藻效果逐渐降低，当pH值9.4时其杀藻非常微弱[3]，因此，结合水厂运行的实际情况，控制pH值在7.5左右时灭藻较为合适。

次氯酸钠预氧化杀藻会带来三个问题值得重视：（1）藻类死亡藻毒素的释放；（2）氯酸盐含量的控制；（3）消毒副产物的控制。第一个问题可采取投加粉末活性炭的予以调控，第二、三个问题的控制需要从次氯酸钠消毒剂品质着眼考虑。附近次氯酸钠消毒剂供应方便的水厂，可使用有效氯浓度为10%成品次氯酸钠溶液，建设时储液池容积可放大，但一般情况日常储量不宜过多，满足3d～5d使用即可，因夏季高温次氯酸钠分解较快，易产生氯酸盐。储液池位置宜选择避光低温为佳，能做地下式不做地上式。成品次氯酸钠供应不便的水厂，建议使用次氯酸钠发生器电解食盐水现场制备0.8%低浓度次氯酸钠溶液（图5），一次性投资虽大，但运行成本较使用成品次氯酸钠低，边生产边使用不会产生氯酸盐，还可有效控制消除副产物的产生。

图5 次氯酸钠发生器制备系统

2.3 异味或副产物应急处置措施

高藻水会带来各类水质问题，藻类分泌物或藻死亡会引起水体异味或释放藻毒素，次氯酸钠预氧化杀藻会产生消毒副产物，这些情况对于水厂的水质控制或饮用者的身体健康均造成不利影响。吸附去除是有必要采取的一项应对措施。

2.3.1 吸附药剂性能确定

目前，使用粉末活性炭吸附是最常用的去除水中异味及藻毒素的应急处置办法，粉末活性炭品质要求可参考（表1）。建议使用孔隙率较丰富的煤质活性炭，除色除味可按8mg/L～15mg/L控制投加量，CODmn去可除按30mg/L～40mg/L控制投加量。

表1 自来水用粉末活性炭性能参数表

2.3.2 粉炭投加设施形式

粉炭投加设施的形式直接影响到药剂投加效果、经济指标、环境卫生等。投加设施按储料形式分：散装简易投加系统、吨袋投加系统、料仓式计量投加系统。（1）散装简易投加系统采用25kg编织袋储存粉炭，使用时人工拆包，将粉炭倒入制浆罐，然后用潜水泵将炭将送至投加点，设备投资低，但粉炭投加精度差，环境卫生非常恶劣，长期操作会对工作人员造成健康伤害，原水水质好的小微型水厂可酌情选择。（2）料仓式计量投加系统通过槽车将散装粉炭直接输送至料仓，再经过计量输送机自动制浆，由螺杆泵等浆液输送泵计量投加，此种方式可实现精确投加，加药间环境整洁无任何粉尘污染，长期投加粉炭或中大型水厂需按此方式建设，虽然一次性投资较大，但可大大降低工人劳动强度，保护工作环境卫生整洁。

投加设施按粉炭输送形式分：湿法投加和干法投加两种。（1）湿法投加是将粉料通过制备装置制成浆液，通过螺杆泵等浆液输送泵计量输送至投加点（图6），湿法投加系统由于输送的是制备好的浆液，一般适合各种水处理工艺，效果比较理想。（2）干法投加是将粉料经过螺旋输送机计量后，通过高速射流器直接输送至投加点的投加方式（图7），目前主要适用在粉炭投加，由于干法投加过程中粉料要携带一定量气体，气体在有压的管道里很难迅速释放，对于粉炭的利用效率，及后期反应池的矾花沉降都会产生不利影响，干法投加系统对投加点的选择及水厂工艺有一定的要求。

图6 湿法投加系统

图7 干法投加系统

2.3.3 粉炭项目建设实例

上海原水公司五号沟泵站设计供水量700万t/d，属超大型原水泵站，粉炭投加量按20mg/L设计，最大投炭量140t/d，投炭设施只能选择仓储式全自动粉炭投加系统，按满负荷运行3d的用量设计存储料仓系统，粉炭存储仓设置4套，总储炭量约为500t，配备8台法国sodimate大输送量计量输送机，3套炭浆制备系统，通过12台计量投加泵高压输送至各个方向原水管。整套系统建设要满足必须技术领先、必须环境整洁，必须无人值守全自动运行的三“必须”目标要求。

粉炭应急投加位置之所以选在五号沟泵站：（1）实现集中投加一次管理，较分散建设节约成本；（2）五号沟泵站离各制水厂距离从十几公里到几十公里不等，水力停留时间长，可以充分发挥粉炭对异味、杀藻副产物及有机污染物的吸附拦截作用，充分发挥时间和位置优势。

3.结论

高藻水只是引起原水水质变化的一个原因，水污染应急处置措施建设应纳入各地安全供水、高品质供水的总体建设规划之中，无论何时何种水质污染都必须有相应的应急处置措施予以解决，以人为本的公益事业不能依靠侥幸。工艺设计及设备选择要充分考虑其逻辑性、实用性、先进性、时代性，及对环境安全的影响性。采用高效碳酸制备装置将CO2投入水中调节pH值是对新工艺新设备的科学尝试，CO2高效利用技术的出现将会加快CO2在水治理方面广泛应用的步伐，工业生产碳的排放可不必上天而直接入水，CO2在水治理方面广泛应用或将成为国家2030年碳达峰实现过程的重要补充，因此，新工艺新设备必须做到用CO2而不排CO2的高效利用水平，具备一定先进性和时代特色。CO2或石灰、次氯酸钠、粉炭三者联合使用应对高藻水所带来的水质问题在很长一个时期内会得到广泛应用。