低浊原水导致铝超标的水厂技术控制措施

陈 虹，张 亮，林春敬，陈海松

(深圳市深水龙岗水务集团有限公司，广东深圳 518055)

铝是一种人体非必须微量元素，但医学研究表明，长期摄入过量的铝会引发营养不良、小儿小头畸形、发育迟缓、老年痴呆、食欲减退、血液和心脑血管疾病等[1-2]。因此，严格控制出厂水余铝是保障水质安全的重要指标之一。

受环境和地理位置影响，深圳东部原水浑浊度常年较低，每年1月—3月，受冷空气影响，城镇供水厂原水温度降低并处于低浊状态，因原水缺少聚核且水温下降，颗粒物碰撞概率降低，造成混凝效果差，絮体难以沉降，最终导致出水浑浊度、余铝等参数偏高，影响供水安全。深圳A水厂为原特区外村级水厂，原有工艺设施较落后，经供水规划调整为备用水厂。A水厂1993年建成投产，设计供水能力为3.0×104m3/d，采用常规水处理工艺，水厂原水取自东部本地水库，冬季原水水温下降、低浊现象凸显，水厂使用固态聚合氯化铝(PAC)作为混凝剂，混凝效果欠佳，与其他季节相比，出厂水常有浑浊度及余铝偏高现象，尤其在每年1月左右，出厂水出现余铝偶有超过内控标准情况。为应对这一水质风险，A水厂围绕排泥水回用制定一系列强化混凝措施，并取得显著成效。文章总结了该水厂多年应对冬季水温下降后低浊原水的实践经验，以供同行参考。

1 原水水质

每年1月—3月，深圳东部本地水库原水水温下降并处于低浊状态，原水水质如表1所示。其水质状况良好，浑浊度、水温较低，分别为0.92～2.51 NTU和10.9～21.1 ℃。本地原水平均浑浊度仅为1.57 NTU。低水温、低浑浊度的原水导致常规工艺水厂混凝效果不佳，有出水浑浊度和铝含量升高的风险。

表1 原水水质

2 出厂水余铝偏高原因分析

原水水温分别为17.1、17.5、18.0 ℃，浑浊度分别为1.67、1.35、1.82 NTU时，A水厂共出现3次出厂水铝指标超过内控标准的情况。措施前铝出水水质最大值如图1所示，滤前水、滤后水、出厂水铝含量分别为0.212、0.168、0.174 mg/L，出厂水铝指标最大时超内控标准0.024 mg/L。

图1 措施前铝出水水质指标最大值

低水温、低浑浊度情况下，出厂水余铝偏高的原因主要有以下两方面。

(1)絮凝效果差，PAC难以沉降

在原水浑浊度最低仅为0.92 NTU，温度最低达10.9 ℃的条件下，水厂投放的混凝剂PAC难以完成电荷中和、吸附架桥等过程，成核效果差，由此在混凝沉淀过程中未能彻底反应生成絮体被滤池过滤截留，残留的铝离子进入清水池，造成出厂水余铝偏高。

研究表明，原水中的铝和投加铝盐混凝剂后，经常规水处理工艺“混凝-沉淀-过滤-消毒”，仍有约11%的铝含量残留于出厂水中，在采用铝盐作为混凝剂的水厂中，其出水铝含量高于原水铝含量的几率为40%～50%，含量可达0.01～2.37 mg/L[3]。

(2)助凝剂成分含铝，溶解铝含量增加

水厂预处理过程常采用石灰作为助凝剂调节原水pH和碱度，增强混凝效果。而石灰成分中含铝，溶于水后会增加溶解铝的含量，有出厂水余铝含量升高的风险。研究表明，经测定石灰成分中含有铝的化合物，其中Al2O3成分浓度最大值为2.14%，最小值为2.05%。投加石灰后使原水呈碱性，增加了铝的溶解度，过量的投加还会增加矾的消耗[4-6]。因此，水中溶解铝含量与石灰投加量相关。

3 应对措施

一般情况下，改善混凝效果的措施有两类：一是启用高锰酸钾预氧化，通过产生水合二氧化锰改善吸附卷扫能力；二是投加石灰，提高pH和聚核，压缩双电层并加速絮凝。前者因需投加高锰酸钾，运营费用大幅度提高，后者过度投加将影响PAC絮凝效果[7-9]。结合A水厂备用水厂定位及原有工艺设施实际情况，单独采用常规的强化混凝措施均不适配。因低浊原水应对问题的核心在于提高聚核含量，可考虑通过回收排泥水，并投加石灰以强化絮凝的方式，改善出水浑浊度及余铝偏高问题。

3.1 回收排泥水，提高原水浑浊度

对于低水温、低浑浊度的原水，其水中颗粒物粒径小、多为胶体，现有工艺难以形成易沉降大粒径絮体，通过改善沉淀池、提高原水浑浊度可达到去除污染物的效果。根据原水浑浊度和10%～15%的回流比，将滤池反冲洗水、沉淀池排泥水回流至反应池，提高原水浑浊度，使原水浑浊度由2～5 NTU提高至10 NTU左右，回流污泥作为絮凝剂参与混凝反应，增加胶体颗粒运动和相互碰撞的几率，促进胶体凝聚成核[10]。

3.2 优化药剂投加量，强化助凝效果

措施前，该水厂石灰投加量约为2.8 mg/L，PAC投加量约为3.2 mg/L。研究表明，石灰对胶体微粒有助凝作用且可使混凝剂处于适宜的pH[11-12]。pH过高不利于混凝反应，易造成溶解性铝离子不能高效利用形成沉淀物，不利于滤前水余铝控制，不适宜的pH还可能增加矾的消耗。因此，通过烧杯试验，优化得出石灰、PAC的投加量，以确定实际生产过程中混凝剂、助凝剂的最佳投药量，合理优化水处理效果。

最终确定石灰投加量为3.0 mg/L，PAC投加量为5.0～6.0 mg/L，此时混凝效果最好，其反应后水处理效果最佳。

3.2.1 确定石灰投加量

石灰投加量优化试验结果如图2所示。由图2(a)可知，随着石灰投加量由1.5 mg/L提高至4.0 mg/L，出水pH值由6.7提高至7.4，反应后pH均满足国标《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)中pH值为6.5～8.5的要求。由图2(b)可知，当石灰投加量为2.0 mg/L时，其反应后浑浊度效果最佳，为0.33 NTU。由图2(c)可知，当石灰投加量为1.5、2.0 mg/L时，铝含量分别为0.046、0.048 mg/L。结果表明，当石灰投加量为2.0 mg/L时，浑浊度、余铝值处于理想范围，但pH偏低。因此，结合实际工艺停留时间较短、投放过程袋装石灰耗损的情况，综合考虑其反应后pH、浑浊度、铝含量的值最优以及水处理效果最好，最终确定将石灰含量为3.0 mg/L作为生产性试验的投加量。

图2 十字交叉烧杯试验确定石灰投加量

3.2.2 确定PAC投加量

确定投加3.0 mg/L石灰后，原水pH值升高至7.8，此时分别投入不同投加量的PAC，确定混凝剂投加量对出厂水铝含量的影响，结果如图3所示。结合实际工艺，当投加5.8 mg/L左右的PAC(Al2O3含量为28%)时最合理，此时余铝含量为0.072 mg/L。因此，结合实际工艺情况，最终将PAC投加量控制在5.0～6.0 mg/L。

图3 PAC投加量与铝的关系

3.3 提高排泥频次，保障沉淀池出水水质

为改善排泥水沉降性能，水厂将沉淀池排泥由常规24 h/次强制改为8 h/次，以避免沉淀池产生翻泥现象，使泥水更好地分离，增强沉淀效果，保障出水水质。

3.4 提高检测频次，反馈优化工艺参数

为应对低水温、低浑浊度的原水带来的水质风险，水厂制定《原水水质突变应急预案》，每年1月—3月，水厂参照烧杯试验结果，结合实际情况将石灰投加量控制在3.0 mg/L左右，PAC投加量控制在5.0～6.0 mg/L。水质检测人员对水厂原水、过程水、出厂水、管网水进行3次/d的余铝检测，对水厂其他水质指标进行2次/d的早晚监测，并对检测结果进行对比分析，核算出平均值以便及时提供水质信息，以提供调整投药量及应对措施的依据，保障供水水质安全。

4 实践效果

原水温度下降、低浑浊度期间，通过回收排泥水、提高原水浑浊度、强化助凝等一系列应对措施，出厂水余铝及浑浊度偏高的问题得到了全面解决。

4.1 出水浑浊度

原水温度下降、低浑浊度期间，措施前后全过程水的浑浊度对比如图4所示。措施后，原水浑浊度升至10 NTU，除滤后水浑浊度略有上升外，滤前水、出厂水及管网末梢水浑浊度均有明显下降。其中：出厂水浑浊度由措施前的0.28 NTU降至0.25 NTU，降低10.7%；管网末梢水浑浊度由0.89 NTU降至0.13 NTU，降低85.4%。出厂水及管网末梢水完全符合水厂内控标准和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限制要求。

图4 措施前后全过程水的浑浊度对比

4.2 出水余铝含量

原水温度下降、低浑浊度期间，措施前后全过程水的余铝含量对比如图5所示。滤前、滤后、出厂及管网末梢水余铝含量均大幅度降低。其中：出厂水余铝含量由措施前的0.174 mg/L降至0.089 mg/L，降低48.9%；管网末梢水余铝含量由0.204 mg/L降至0.116 mg/L，降低43.1%。出厂水及管网末梢水完全符合水厂内控标准和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限制要求，实践证明采取的措施合理得当，可有效控制出厂水余铝含量。

图5 措施前后全过程水余铝对比

4.3 其他出水指标

目前，我国并没有回用废水运行的规范指导，原水低水温、低浑浊度期间，回收排泥水易引起悬浮物、重金属和有机物含量高、生物稳定性差等风险，为考察回用排泥水是否对出水水质造成不利影响，其他原水及出厂水水质参数如表2所示。原水中CODMn、氨氮、铁、锰和菌落总数指标均良好，最高值分别为1.42、0.07、0.16、0.07 mg/L和未检出，出厂水均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)限制要求。该结果说明水厂采取的应对措施科学有效，可保障供水水质安全。

表2 原水及出厂水水质指标

5 总结

针对原水温度低、浑浊度低，常规工艺条件下出现出水余铝、浑浊度等超标现象，结合水厂实际情况，本文提出了以回收排泥水辅助投加石灰为核心的强化混凝措施，取得较为显著的成效，得到如下结论。

(1)针对每年1月—3月本地水库原水呈水温低、浑浊度低的特征，混凝反应单元因缺少聚核难以絮凝，易导致出水余铝及浑浊度等偏高的问题，利用排泥水颗粒物含量高的特点，通过烧杯试验优化得出适度回流排泥水提高原水浑浊度至10 NTU左右，同时辅助投加石灰至3 mg/L左右，并优化PAC投加量为5.0～6.0 mg/L，可有效改善原水絮凝效果。

(2)长期运行实践表明，原水平均浑浊度为1.57 NTU、平均温度为18.2 ℃的情况下，基于烧杯试验优化参数，可有效改善出厂水水质，在保证各项水质指标均满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)前提下，出厂水和管网末梢铝浓度分别降低了48.9%和43.1%；浑浊度分别降低了10.7%和85.4%。

(3)回收排泥水易引起悬浮物、重金属和有机物含量高、生物稳定性差等风险，回用排泥水时应注意过程水的水质监测，并考察回用排泥水是否对出水水质造成不利影响。