斜峪关水厂突发高浊度原水处理措施与效果研究

袁 静， 拜旭东， 李 辉， 袁傲迪

(宝鸡水投秦渭水务斜峪关水厂，陕西宝鸡721004)

黄河是我国典型的高浊度河流之一，其平均含沙量是世界第一[1]，其汛期的输沙量占全年输沙量的绝大部分。对于以黄河流域地表水为饮用水源的地区，除需要常年面对高浊度来水外，还面临汛期突发高浊度来水的挑战。《高浊度水给水设计规范》(CJJ 40—2011)对“高浊度”的定义为“含沙量或浊度较高，水中泥沙具有分选、干扰和约制沉降特征的原水”[2]。高浊度水除具有以上特征外，其流变特性与清水具有较大差别：由于高浊度水中泥沙含量较多，泥沙颗粒碰撞机会增多，水体的自凝作用要远比清水强烈，高浊度来水同时伴随较高含量的总氮和COD[3]。高浊水若不能及时处理，可能导致自来水厂的处理工艺瘫痪，甚至导致出厂水水质不达标，带来潜在的饮用水安全问题[4]，因此有必要加强对高浊水处理效果的研究。目前自来水厂常用常规处理工艺[5]，并不一定能满足给水处理的要求，尤其在汛期。因此为了使出厂水达标供给，自来水厂在面对突发进水浊度改变时常选择提高絮凝剂和助凝剂投加量的措施。

斜峪关水厂位于黄河流域渭河一级支流石头河水库下游，距石头河水库大坝932 m，占地8.13 hm2，设计日处理能力13×104m3，属于宝鸡市石头河水库引水项目，于2010年5月修建，2014年5月投入运营。截至2021年底，该水厂已向宝鸡市高新区、陈仓区虢镇、蔡家坡城区和眉县县城地区供水1.3×108m3，目前平均供水量为8×104m3/d。水厂原水不仅存在低温低浊、高耗氧量特点，还会突发高浊，特别是2021年9月，石头河上游流域连降暴雨，入库流量大，水库水位上升较快，泄洪次数较多，泄洪量大，原水浊度在24 h之内从8 NTU上升到1 400 NTU。斜峪关水厂积极应对，采取有效措施，保证出厂水符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求[6]。

1 水厂概况

1.1 工艺介绍

斜峪关水厂从石头河水库斜峪关电站前池取水，经调流调压阀、流量计测流、前加氯预氧化，进入稳压配水井稳压分配调节，借助静态混合器与絮凝剂(聚合氯化铝)混合并通过管道输送至小网格反应池，在小网格反应池前端投加助凝剂(益维净)，水中的悬浮物、杂质等在小网格反应池充分混合反应、絮凝，形成的絮状物一部分在小网格反应池沉降通过排泥阀排出，一部分在平流沉淀池沉淀，通过虹吸式吸泥机排出。平流沉淀池长108 m×18.9 m，在设计流量1.66 m3/s的情况下，水的水平流速为12.5 mm/s，沉淀时间2.4 h，沉淀池末端集水槽收集表面上清液流向滤池。滤池共分8组，一组池体尺寸为11 m×7 m×5.15 m，通过液位、浊度或时间控制进行反冲洗。过滤后通过暗渠汇集流向清水池，清水池前进行次氯酸钠投加消毒，完成净化处理。经过60 kmDN1200、DN600球墨铸铁管和钢管，输水至宝鸡市区及眉县、蔡家坡、陈仓区城区与城市管网相接。斜峪关水厂清水池容积为5 000 m3，宝鸡调蓄水池容积为16 000 m3，陈仓调蓄水池容积为4 000 m3，蔡家坡调蓄水池容积为4 000 m3，眉县调蓄水池容积为2 000 m3，在宝鸡、陈仓供水站设补氯设施进行二次补氯。

1.2 处理工艺流程

斜峪关水厂净水工艺采用常规处理工艺，即混凝、沉淀、过滤、消毒进行净化处理。工艺流程详见图1。

图1 水厂工艺流程Fig.1 Process flow of waterworks

2 自来水厂运行情况与原水水质变化

2.1 运行情况

斜峪关水厂自2014年5月4日投入运行至今已7年半，保障了60万城乡居民生活及工矿企业用水需求，为宝鸡市经济发展发挥了巨大作用。但由于斜峪关水厂距离石头河水库较近，水库水质的变化直接影响水厂制水工况，对此笔者研究了突发高浊度来水的处理措施及应用效果。

2.2 原水水质变化

运行初期，原水浊度、COD、NH3-N、pH比较稳定，年平均浊度在5 NTU以内，COD小于3 mg/L，NH3-N为0.3 mg/L，pH值在8.0以下。受石头河上游暴雨和水库泄洪影响，进厂原水浊度大于20 NTU的天数2017年为3 d，2018年为38 d，2021年多达118 d。每年泄洪次数、泄洪流量、进厂浊度、高浊水持续时间都会发生变化(见图2和图3)，给制水工作带来很大的考验。

图2 2017—2019年原水浊度的变化Fig.2 Change of raw turbidity from 2017 to 2019

图3 2017—2021年高浊度的天数与泄洪次数Fig.3 Number of days with high turbidity and flood discharge from 2017 to 2021

自2017年开始，原水发生高浊水的天数显著增多，且浊度变化与上游水库泄洪次数有关。2021年泄洪4次，原水浊度大于50 NTU的天数高达72 d，说明来水浊度与泄洪次数具有一定的相关性。

3 处理措施

斜峪关水厂面对高浊水预警反应迅速并积极应对，采取有效措施。当进厂水水质发生突然报警或者接到泄洪通知，启动高浊水应急预案，按照高浊水应急预案程序操作，确保出厂水水质达标。

3.1 调整药剂投加量，确保处理效果

斜峪关水厂采用的絮凝剂为聚合氯化铝，助凝剂为益维净，并根据来水浊度变化调整加药量。2021年来水浊度最高，因此选择2021年9月6日至10月31日的来水与药剂投加为研究对象。

2021年8月13日，石头河水库上游突降暴雨，入库流量增大，进厂水浊度由4 NTU上升到25 NTU，9月6日、 18日、26日和10月6日泄洪四次，进厂水浊度由8 NTU上升至最高1 400 NTU，由于泄洪间隔时间较短，浊度波动较大，高浊水持续时间较长，50 NTU以上浊度持续72 d，给斜峪关水厂带来前所未有的考验。通过及时调整加药量、加强吸排泥、认真观察处理效果、加强水质检测，控制沉后水浊度，加强反冲洗，将出厂水浊度有效控制在0.6 NTU之内。聚合氯化铝和益维净的最大药剂投加单耗分别为159 和24 mg/L，排泥次数为19次/日，吸泥次数为7次/日。11月11日原水浊度降至50 NTU以内，12月10日降至20 NTU以内，聚合氯化铝投加量降至60 mg/L，益维净投加量降至6 mg/L，达到泄洪前药剂投加量，具体统计数据见图4和图5。

图4 聚合氯化铝投加量随浊度的变化情况Fig.4 Variation of PAC dosage with turbidity

图5 助凝剂投加量随浊度的变化情况Fig.5 Variation of coagulant aid dosage with turbidity

每次泄洪或暴雨时无法准确估计进厂水浊度变化，只能先加大投药量，同时观察反应效果，再进行混凝实验，进一步根据反应情况和实验结果及时增减药剂投加比例。待原水浊度稳定后，及时进行混凝实验，进一步确定药剂投加比例，同时根据原水浊度下降程度缓慢减小药剂投加量，确保出水水质。

高浊度进水时聚合氯化铝的用量明显增加，四次泄洪时浊度、药剂用量明显波动，9月27日进水浊度最高达到1 400 NTU，PAC用量增加至143 mg/L，同时益维净投加量也增大至最高21 mg/L。

3.2 调整吸排泥次数

高浊水进入平流池沉淀时属于拥挤沉降，泥沙颗粒是以群体形式下沉，在沉降过程中会形成一个清水和浑水交界面，即浑液面。浑液面沉降缓慢，絮凝剂和助凝剂混凝反应激烈且快，沉降加速，淤泥多数沉淀在小网格反应池和平流池前端。水厂采取小网格反应池每1 h排泥1次，平流池每2 h吸泥1次，保证沉降有效空间，确保絮体沉降效果，将沉后水浊度控制在3 NTU之内，吸泥次数与原水浊度的变化见图6。

图6 原水浊度与吸泥次数统计Fig.6 Turbidity of raw water and sludge suction times

通过图6 可以看出，进水浊度较高时每天的吸泥次数明显增加，吸泥次数最高发生在9月28日，共7次。而原水最高浊度为9月27日，这是因为投加药剂后絮凝和沉淀环节需要一定的时间。

3.3 其他措施

3.3.1增加水质监测频率

水质监测是确保水质合格的重要手段，在高浊水进水期间，加强人员检测与在线仪表观测相结合。检测人员分为两组，在取水口进行原水浊度和水厂内进行沉后水和滤后水检测，原水每30 min检测一次，沉后、滤后每2 h检测一次，现场采样、现场检测、及时反馈，并与水厂内各工艺在线仪表数据进行比较，进一步指导生产。

3.3.2加强反冲洗

高浊水期间，8组滤池全部运行，水量不变的情况下降低过滤速度。沉后水浊度较高会加大滤池压力，根据滤后水检测结果，对出水浊度超过1 NTU的滤池及时进行反冲洗，确保出厂水浊度控制在0.6 NTU以下。

4 处理效果

为了更好地研究在进水浊度突变条件下所采取措施的效果，严格监测出厂水水质变化情况，分别测定了进、出水浊度与CODMn的变化情况，见图7和图8。

图7 2021年汛期进出水浊度的变化Fig.7 Changes of turbidity of raw water and treated water in flood season in 2021

图8 2021年汛期进出水CODMn的变化Fig.8 Changes of CODMn of raw water and treated water in flood season in 2021

汛期进水浊度变化较大，在9月27日达到1 400 NTU。虽然进水浊度变化较大，但是通过改变加药量和吸排泥次数，可以将汛期出厂水浊度控制在0.6 NTU以下。进水CODMn在3～8 mg/L变化，但是通过改变絮凝剂和助凝剂的投加量以及吸排泥次数，出厂水CODMn显著降低，平均值仅为1.70 mg/L，浊度和CODMn完全符合饮用水水质标准。

5 结语与展望

突发高浊度进水是自来水厂需要面对的周期性问题，若不能及时处理，一方面会对自来水厂现有的处理工艺造成冲击，另一方面可能使出水水质不达标，对饮用水安全造成潜在影响。斜峪关水厂自2016年以来，主要通过改变絮凝剂和助凝剂的投加量，以及增加吸排泥次数等方式，有效处理突发进水浊度变化(升高)，使出水水质满足饮用水水质标准。

在降低水体浊度的过程中，主要起作用的是混凝和沉淀工艺，因此在研究过程中应：

① 加强混凝和沉淀机理的研究，从而更为精确地控制絮凝剂和助凝剂的投加。

② 加强在实际高浊度水处理过程中来水浊度变化的图像研究，并反馈至加药车间，帮助操作人员及时改变加药量。

③ 对于高浊度原水的处理，目前大多依靠人工的观察和浊度的检测，往往造成实际加药时间滞后。因此在实际处理中应该加强人工智能和数学模型的研究，及时对来水浊度进行预测，有助于做到精准加药。

④ 及时排除泥沙的研究。高浊度水沉淀产生的大量泥沙，不及时排走会影响沉淀池的正常运行。