二氧化氯预氧化原水中铁锰微污染的实践

纪银传

(福建省晋江自来水股份有限公司，福建泉州 362200)

晋江市梅岭水厂设计供水规模为45万m3/d，现场发生型二氧化氯消毒系统配置规模为二氧化氯前加氯4台(产能为10 kg/h)、二氧化氯后加氯5台(产能为20 kg/h)。随着国内次氯酸钠消毒剂在北上广深等地的大型水厂中大面积推广，二氧化氯作为消毒剂在大型水厂的应用案例有削弱的趋势。但近年来，国内大量水厂采用单独投加次氯酸钠作为消毒剂时，发生了滤后水色度上升、出厂水色度、浑浊度、氯酸盐超标的现象。二氧化氯作为一种高效、广谱、绿色的消毒剂[1]，不仅具备消毒功能，且具备强氧化预处理功能[2]，国内已有多位专家学者深入研究二氧化氯作为预氧化剂除铁、锰的作用，其原水特性虽然有地域性差别，但研究结果方向一致，目前已有相关成果在其他水厂得到了应用[3]。梅岭水厂是目前国内采用二氧化氯消毒工艺中最大的单体水厂，深入挖掘大型水厂二氧化氯的消毒与氧化协同价值，特别是在大型水厂找到二氧化氯在消毒及预氧化的具体投加参数指标非常重要，这有利于推动二氧化氯在供水行业的延伸使用[4]，给同行特别是大规模水厂提供深入解决类似问题的实践参考。

梅岭水厂常年原水水质表现出如下特征：春、秋、冬季水源水质良好，各类指标达到《地表水环境质量标准》Ⅱ类及以上标准；夏季，特别是暴雨后，水源水质体现出高浑浊度、含铁锰的水质特点，且持续时间长。原水含高铁锰的水质污染特征已明显影响沿河渠道取水的所有水厂，每年夏季泉州市周边均有不同程度的水质污染，针对该污染特征的有效工艺解决方案应用迫在眉睫。

本文主要针对梅岭水厂原水水质污染特征，通过实验室试验、工艺中试验等数据分析，研究采用二氧化氯作为消毒剂及处理特定微污染原水氧化剂的相关规律，该研究未考察原水有机污染物如腐植酸等物质与二氧化氯反应生成三氯甲烷等有机消毒副产物的影响[5]。本文采用平行及正交试验，在实验室模拟工艺条件下，通过改变二氧化氯的投加点及投加量，用来处理含铁、锰原水，同时保障滤后水消毒余二氧化氯指标、控制滤后水消毒副产物[6-7]。并将二氧化氯的消毒及氧化功能协同[8]，可充分发挥二氧化氯在水厂的消毒及预氧化作用，以此处理铁、锰微污染原水。

1 试验

1.1 试验背景

本试验以梅岭水厂为基地开展研究，梅岭水厂制水工艺流程如图1所示。

图1 梅岭水厂制水工艺流程Fig.1 Water Production Process Flow of Meiling WTP

根据梅岭水厂多年来对原水及出厂水水质指标的长期观测结果，原水主要特征污染物为铁、锰，并且表现出同时出现、同时超标的水质特征。出厂水主要特征污染物为氯酸盐、亚氯酸盐[9]。以多年观测结果为依据，为便于本文的数据论述，将原水受污染程度划分定义为3类：第一类为W+、第二类为W++、第三类为W+++。假定每一类的特征污染物铁、锰指标均同时符合表1相关指标要求，并设定受污染期间的滤后水水质评价标准限值为：铁≤0.3 mg/L，锰≤0.1 mg/L，氯酸盐≤0.7 mg/L，亚氯酸盐≤0.7 mg/L，浑浊度≤1 NTU，色度≤15。

表1 原水受污染类别及相关指标限值Tab.1 Pollution Category of Raw Water and Limits Value of Relevant Indices

1.2 试验条件

为精确模拟制水工艺的现场条件，试验阶段设定以下基础条件。

(1)絮凝条件：采用梅岭水厂年平均液体聚合氯化铝(PAC)投加单耗(18.5 mg/L)。

(2)沉淀条件：采用梅岭水厂沉淀池设计参数(停留时间为90 min)。

(3)过滤条件：采用模拟V型滤池设计参数的过滤条件(滤速为8.0 m/h)。

(4)取二氧化氯发生器出料口原液进行稀释标定，获得质量浓度为1 000 mg/L二氧化氯标准液。

(5)采用标准试剂模拟配置原水水样，分别得到表2中3个标准原水样，单因子试验量为1 L。

表2 3个梯度的标准原水样Tab.2 Standard Raw Water Sample with Three Gradients

1.3 试验效果评定

将W+样、W++样、W+++样分成3组进行独立试验，考察二氧化氯在不同投加点位、不同投加量、同一外界及边界条件下，特征污染物(铁、锰)的去除效果及消毒副产物(氯酸盐、亚氯酸盐)的析出量[10]，以及感官性状指标(浑浊度、色度)等。

1.4 试验过程与讨论

1.4.1 对W+原水样的试验

根据上述试验基础条件及方案设定，对W+原水样做了相关平行及正交试验，如表3所示。

由表3可知，在W+污染程度下：(1)当二氧化氯投加在絮凝前及滤后时，均不能达到有效去除铁、锰的目的，且滤后水相关指标均处于较差水平，其中色度明显超标；(2)当二氧化氯投加在絮凝前、滤前、滤后时，铁、锰去除效果较好；(3)当二氧化氯投加在滤前、滤后时，铁、锰去除效果较好；(4)当二氧化氯总投加量超过4.0 mg/L时，氯酸盐及亚氯酸盐偏高，有明显超标风险；(5)滤后水浑浊度及色度与铁、锰去除率呈负相关；(6)絮凝前投加二氧化氯，对于铁、锰的去除没有太大的正相关影响；(7)通过滤前投加二氧化氯，滤后水铁、锰的去除效果明显。

表3 对W+原水样的综合试验Tab.3 Comprehensive Test on W+ Raw Water Samples

根据以上结论，控制二氧化氯总投加量为3.0 mg/L，做延伸扩展验证试验[11]，结果如表4所示。

表4 对W+原水样的验证试验Tab.4 Verification Test of W+ Raw Water Samples

表4数据表明，在W+污染程度下：(1)二氧化氯投加在滤前可以有效去除铁、锰污染物，原水中铁、锰污染物的去除率可≥80%，通过控制投加量可以有效控制氯酸盐及亚氯酸盐消毒副产物的生成量，同时保障滤后水各项指标处于良好水平；(2)最佳投加方案为二氧化氯滤前投加量为1.0～2.0 mg/L，控制总二氧化氯投加量为3.0 mg/L，由此计算滤后二氧化氯投加量。

1.4.2 对W++原水样的试验

根据上述试验基础条件及方案设定，对W++原水样做了相关平行及正交试验，结果如表5所示。

表5数据表明，在W++污染程度下：(1)二氧化氯投加在絮凝前及滤后时均不能达到有效去除铁、锰的作用，且滤后水各项指标明显超标；(2)二氧化氯投加量与氯酸盐及亚氯酸盐含量呈正相关；(3)二氧化氯投加点位设定在滤前及滤后时，铁、锰去除效果较为明显，但因滤前控制投加量为1.0 mg/L，未能考察投加变化量对相关指标的去除影响。

表5 对W++原水样的综合试验Tab.5 Comprehensive Test on W++ Raw Water Samples

根据试验结果，结合W+样的试验成果，控制二氧化氯总投加量不超过4.0 mg/L，对W++样进行延伸扩展验证试验，结果如表6所示。

表6 对W++原水样的验证试验Tab.6 Verification Test of W++ Raw Water Samples

表6数据表明，在W++污染程度下：(1)通过在滤前投加适量的二氧化氯，可以有效去除铁、锰；(2)随着滤前二氧化氯投加量的增大，铁、锰的去除效果越好，当投加量≥2.0 mg/L时去除效果良好；(3)当投加总量达到4.0 mg/L时，氯酸盐及亚氯酸盐均存在明显超标风险；(4)严格控制二氧化氯在滤前及滤后的投加配比能进一步减少消毒副产物氯酸盐及亚氯酸盐的超标风险；(5)在W++污染程度下，最佳投加方案为二氧化氯滤前投加量为2.0～2.5 mg/L，控制总二氧化氯投加量为3.5 mg/L，由此计算滤后二氧化氯投加量，但该情况下无法充分保障消毒副产物完全达标。

1.4.3 对W+++原水样的试验

根据上述试验基础条件及方案设定，对W+++原水样做了相关平行及正交试验，结果如表7所示。

表7 对W+++原水样的综合试验Tab.7 Comprehensive Test of W+++ Raw Water Samples

表7数据表明，在W+++污染程度下，以上投加方案均不能有效去除铁、锰，滤后水相关指标均不达标。结合W+样、W++样的试验结果，控制二氧化氯总投加量不超过4.0 mg/L，采用滤前投加为主，滤后水投加为辅，对W+++样进行延伸扩展验证试验，结果如表8所示。

表8 对W+++原水样的验证试验Tab.8 Verification Test of W+++ Raw Water Samples

表8数据表明，在W+++污染程度下：(1)通过在滤前投加适量的二氧化氯，可以有效去除铁、锰；(2)随着滤前二氧化氯投加量的增大，铁、锰的去除效果越好，当达到3.5 mg/L时去除率达到最佳；(3)提升滤前二氧化氯投加量可有效去除铁、锰，但本试验下均未能找到滤后水所有指标达标的投加方案，呈现出的数据特点为铁、锰去除率与消毒副产物出水含量呈正相关，与滤后水二氧化氯含量呈负相关；(4)为了保障出厂水保有余氯含量，并确保消毒副产物不超标，二氧化氯仅能作为去除铁、锰的氧化剂，未能达到同时作为消毒剂的作用。

2 实践应用

根据实验室的大量数据论证，梅岭水厂对消毒工艺进行了实地工艺技改(梅岭水厂消毒工艺提升改造第一阶段)，具体为：(1)在沉淀池末端(V型滤池过滤前端)增设二氧化氯预氧化投加系统；(2)在清水池末端增加出厂水二氧化氯投加系统，作为出厂余二氧化氯保有量应急补充使用。

将实验室模拟投加方案实地应用于梅岭水厂消毒系统，并整理了相关工艺运行投加及水质数据，实践数据汇总如表9所示。

表9 梅岭水厂消毒系统实践数据Tab.9 Practice Data of Disinfection System in Meiling WTP

梅岭水厂消毒系统实际投加数据表明：(1)通过滤前投加二氧化氯改造，针对原水不同铁、锰含量，相应调整二氧化氯滤前及滤后投加配比，可以保证原水铁、锰得到很好的去除效果，各项指标达标，同时保障滤后水余二氧化氯质量浓度不低于0.2 mg/L，符合梅岭水厂余二氧化氯内控指标要求；(2)当原水铁质量浓度大于1.33 mg/L、锰质量浓度大于0.54 mg/L时，单独采用二氧化氯作为氧化剂及消毒剂存在消毒副产物超标风险，该实际应用与试验数据结论基本符合；(3)当原水受到W+及以下污染条件时，该技术方案可以有效处理微污染原水,当原水受到W++及W+++以上污染时，不建议采用单独二氧化氯消毒法解决原水污染问题，应寻求其他方法和途径联合处理该污染条件下的原水。

3 总结与展望

本文通过实验室模拟试验及梅岭水厂对消毒工艺实地技改，结合试验及实际生产数据分析，对二氧化氯投加消毒法的现状、存在问题及尚需进一步研究的问题总结如下。

(1)当原水遭受铁≤0.60 mg/L、锰≤0.20 mg/L的微污染时，通过在滤前投加二氧化氯(<2.5 mg/L)，可有效去除铁、锰污染物，且能保障滤后水中铁≤0.15 mg/L、锰≤0.06 mg/L、氯酸盐≤0.30 mg/L、亚氯酸盐≤0.35 mg/L、余二氧化氯≥0.20 mg/L。该污染条件下，通过投加二氧化氯可解决铁、锰超标问题，同时确保消毒副产物与余二氧化氯达标。本环境下二氧化氯的最佳投加方案为：滤前投加量为1.0～2.0 mg/L，滤前与滤后投加总量控制≤3.0 mg/L。

(2)当原水遭受铁质量浓度在0.60～1.20 mg/L、锰在0.20～0.40 mg/L的中度污染时，通过在滤前投加二氧化氯，可有效去除铁、锰污染物，但氯酸盐、亚氯酸盐质量浓度接近0.70 mg/L，余二氧化氯≥0.20 mg/L。该污染条件下，通过投加二氧化氯可解决铁、锰超标问题，但氯酸盐及亚氯酸盐指标处于临界值。本环境下二氧化氯的最佳投加方案为：滤前投加量为2.0～2.5 mg/L，滤前与滤后投加总量控制≤3.5 mg/L。

(3)当原水遭受铁≥1.20 mg/L、锰≥0.40 mg/L的重度污染时，通过在滤前投加二氧化氯，仍可有效去除铁、锰污染物，但氯酸盐、亚氯酸盐指标存在超标风险。在该污染条件下，本文不推荐单独采用二氧化氯进行消毒及预氧化除铁、锰，应寻求联合消毒等其他方案协同解决。

(4)本文试验设定数据基于原水同时存在铁、锰污染指标的最不利情况，当原水出现铁≤0.6 mg/L或锰≤0.2 mg/L的单一污染情况时，仍可适用本文采用的方法；当原水铁指标处于W+污染程度、锰指标处于W++污染程度时，或者铁指标处于W++污染程度、锰指标处于W+污染程度时，本文未进行试验数据论证，但实践运行数据表明，无论原水铁、锰处于何种程度的污染，当两者污染指标加和<1.0 mg/L时可采用二氧化氯进行消毒及预氧化法，同时控制二氧化氯投加总量≤4.0 mg/L。因地域或季节性原水铁、锰指标的异同，具体实操数据将略有异同，当原水铁、锰任一指标达到W+++污染程度时，不建议采用本文的方法进行消毒及预氧化。

(5)针对国内采用二氧化氯消毒的中大型水厂，单独采用二氧化氯同时作为消毒剂及与氧化剂，在原水受铁、锰微污染环境下是可行的，实际生产过程只需对二氧化氯投加系统做局部改造即可实现；但当原水受到铁、锰重度污染时，可单独采用二氧化氯作为铁、锰去除剂，但不宜同时作为消毒剂使用。鉴于此，本文推荐寻求其他消毒剂作为联合消毒及预氧化剂，进而与二氧化氯协同，达到去除铁、锰、控制消毒副产物、保有消毒余氯指标的目的，最大化发挥二氧化氯在水厂的消毒与氧化功能。