自來水廠工藝優化與水質管理

張 偉，陳志平

(1．上海市自來水市北有限公司閘北水廠，上海 200438;2．上海浦東威立雅自來水有限公司浦東水廠，上海 200120)

水是生命之源，飲用水安全是城市安全體系中的重要一環，隨著人們對健康意識的增強，人們越來越注重飲用水的質量(人體每天需要飲水2 L)，對水質標準和要求也越來越高。自來水廠現主要面對如下問題:已實施的新版《生活飲用水衛生標準》，部分項目限值更加嚴格;長江口青草沙水源為淺水庫，流動性差，隨氮磷、不同季節和水溫變化可產生各種不同藻類和pH變化，會對供水水質和水量構成壓力;消毒副產物的控制、如何避免管網中水齡長(泵站水庫)而新增亞硝酸鹽等。面對這些問題，需嚴格水質管理和水處理工藝的優化，提高和改善自來水水質。

1 原水水質

2011年1月1日開始上海市區水廠的水源由黃浦江上游原水切換到長江口青草沙原水，水源地位于長江口江心部位，優質淡水資源充沛，水質明顯改善，主要評價指標總體達到Ⅱ類水要求，如表1所示。

表1 原水水質數據Tab．1 Raw Water Quality Data

青草沙原水的水質改善，提高了供水水質，出廠水耗氧量、色度、嗅和味指標都有明顯改善，耗氧量從3．25 mg/L降到1．38 mg/L，色度從7度降到＜5度，嗅和味從2級降到1級。

2 水處理工藝

常規水處理工藝主要分為:混凝、沉淀、過濾、消毒，如圖1所示。

圖1 水廠處理常規工藝Fig．1 Waterworks Regular Water Treatment Processes

黃浦江上游原水改為長江青草沙水源，消毒工藝改為:前加氯為折點加氯，生成游離氯作為主要消毒劑;濾后加氨補氯，出廠水為氯氨［1］消毒。混凝劑為聚硫氯化鋁(氧化鋁 8．23%，密度1．23 g/cm3);消 毒 劑 為 次 氯 酸 鈉［2］(密 度1．16 g/cm3，有效氯濃度為10%)和硫酸銨(含氮量8%，密度1．22 g/cm3)，替代液氯和液氨。

3 工藝優化

3．1 原水預氯化和投加粉炭

青草沙原水源頭建成投加次氯酸鈉(浦東吸水井)和粉炭(5號溝)設施，二者相距2 km，粉炭在輸水管中停留時間＞6 h，藍綠藻產生的致臭物質甲基異莰醇-2(簡稱:MIB)≥30 ng/L時開始投加粉炭，按MIB檢測濃度調整粉炭投加量;葉綠素＞20 μg/L時，或藻密度數升高(濾池堵塞)，開始投加次氯酸鈉。形成加粉炭除臭和投次氯酸鈉除藻工藝要求，水廠及時調節加氯量，控制好沉淀池出口余氯，改善出廠水嗅味(粉炭對致臭物質MIB去除率為70% ～80%)，使用戶反應腥味次數明顯下降。投加粉炭，有效去除水中有機物，降低出廠水的三鹵甲烷指標，如表2所示。

表2 閘北水廠出廠水三鹵甲烷數值Tab．2 THMs in Effluent of Zhabei Waterworks

3．2 原水pH變化對出廠水鋁含量影響

混凝劑選擇不僅要考慮原水的pH和混凝劑的pH(對設備腐蝕性)，不同混凝劑均有最佳pH混凝效果，同時要考慮混凝劑水解pH的變化。鋁是兩性物質，在較低或較高pH時均有一定溶解度;鋁高低還與水溫有關。水廠根據不同季節和水溫，選用不同pH混凝劑，調節出水pH ＜7．5，降低出水鋁含量，水廠控制目標為 ＜0．1 mg/L(國標為0．2 mg/L)，試驗結果如表3所示。

表3 陸家嘴分廠水溫、pH和鋁檢測數據Tab．3 Temperature，pH，and Aluminum Concentration of Water in Lujiazui Waterworks

數據顯示:水溫＞20℃，出廠水pH＞7．5作為選擇低值pH(2．5)混凝劑工藝要求。調節水中pH有限，幅度小，當出廠水pH＜7．5，出水鋁含量不易升高(濾池對鋁去除率在50%左右)。合理調節pH方法:投加硫酸，夏季，在混凝劑加藥點前投加硫酸，根據鋁溶解度與pH關系曲線，調整pH在7．0～7．2，其鋁溶解度較低，Al(OH)3不易溶解。

3．3 濾池工藝參數優化

濾池去除率和反洗水率是評價過濾性能綜合指標，按出廠水濁度目標值合理調整過濾周期及運行參數。通過對水頭損失、濾后水濁度、濾后水顆粒數三項指標的綜合分析確定合理的過濾周期，如表4所示。

表4 居家橋分廠水頭損失、濾后水濁度、濾后水顆粒數分布變化關系Tab．4 Head Loss，Turbidity and Particle Number of Filtrated Water in JuJiaqiao Waterworks

考慮到過濾周期太長，使濾料表面積泥厚實，影響單水反洗質量，選擇合理運行周期為32 h。

根據生產性試驗結果分析，濾池實際運行中反沖洗強度設為17～18 L/(m2·s)、歷時4～5 min較為合理，膨脹率為40% ～50%，相應的反沖洗水量約為250～300 m3。由于初濾水需經30～60 min恢復穩定，初濾水濁度才能控制在＜0．2NTU，需控制好初始濾速。青草沙原水水質好，平均去除率為90%，洗水率1．9%。

3．4 混凝沉淀除藻類

2013年2月下旬以來，青草沙原水硅藻(主要為顆粒直鏈藻2．0×107)大量爆發，濾池過濾周期由32 h縮短至2 h，嚴重影響了水廠供水量，直到3月底硅藻才開始呈下降趨勢。

見實驗室攪拌試驗結果，低pH聚硫氯化鋁對藻的去除效果較好，相同投加量下，去除率可提高2倍。水廠將混凝劑切換為夏季低pH聚硫氯化鋁，同時逐步提高加注量，達到5 mg/L左右，澄清池礬花易于沉降，同時控制澄清池出口游離氯0．7～1．1 mg/L，濾池過濾周期逐漸延長，過濾性能改善。直至3月28日，10格濾池反沖洗周期全部恢復，達到32 h。

3．5 自動加氯加氨工藝優化

優化后自動加藥模式:前加氯按水量比投加，后加氨/加氯按照出廠水一氯胺和游離氨目標值、加藥點進水流量來自動控制整個消毒工藝的加氯和加氨量。以游離氯、一氯胺和游離氨的反饋數值，自動調整加氯/加氨投加量［3］。

通過優化后，游離氨可達最小值，使加氯量最大限度轉化為一氯胺，達到減少加氯/加氨量，穩定余氯，改善自來水口味，提升國內氯氨消毒自動加藥控制工藝，使自控變得簡單、實用和可操作性。

4 水質管理

4．1 余氯目標值設置

消毒作用以余氯C(mg/L)和接觸時間T(min)乘積CT來衡量，按余氯接觸時間確定余氯值，CT越大，消毒作用越好。當氯與水接觸時間短，可按CT來調整余氯值，使出廠余氯設置科學合理。不同水源、不同季節、不同工藝采用科學合理的消毒方法。在確保管網水微生物衛生指標合格同時，嚴格控制消毒副產物。

4．1．1 濾前余氯

沉淀水余氯為游離氯，前加氯在水中形成活氯時間為45 min(冬天)，消毒作用時間短，消毒徹底，效果好，但維持時間短。水處理工藝中，一般優先考慮游離氯作為首要消毒劑。游離氯消毒必須符合CT＞15，能殺滅所有細菌和致病微生物，余氯控制范圍0．3～0．5 mg/L。夏季，游離氯形成時間短，可控制在0．2～0．3 mg/L，冬季，除硅藻等，游離氯可調整為0．8 mg/L，這樣可減少THMs生成。

4．1．2 濾后余氯

濾后水余氯和出廠水余氯為一氯胺(濾后加氨加氯形成)，氯氨反應時間一般為3 min，與游離氯相比，一氯胺的消毒作用不大，但更具穩定和持續消毒能力，可改善飲用水的口感，減少消毒副產物THMs的增加。上海地區出廠水消毒普遍采取的是氯胺消毒。閘北水廠出廠水余氯目標值控制在1．1 mg/L，居家橋水廠CT為94(新國標CT≥60)。

4．2 出廠游離氨控制

游離氨指水中NH3/NH4+，要考慮出廠水中有少量游離氨余量，一方面少量游離氨存在，可消除加氯過量所產生二氯胺。另一方面，可減少(當水溫＞15℃)亞硝酸鹽生成而使余氯降低。所以，要重視出廠水游離氨控制，避免管網水停留時間長，水中自養型氨氧化菌的硝化作用下，使亞硝酸鹽升高(新國標0．3 mg/L，以 N 計)。

4．3 濁度指標

濁度是評價自來水的綜合指標，濁度低，自來水中有害物質及細菌也少。

4．3．1 沉淀水濁度

沉淀水濁度控制幅度參照出廠水目標值和濾池濁度去除率來確定，也就是說，進水濁度為多少時，濾池出水濁度達到0．2 NTU，該進水濁度為上限值，沉淀池濁度控制目標值低于上限值。水廠沉淀水濁度幅度設定為0．6 ～1．0 NTU。

4．3．2 濾后濁度

濾后濁度受進水濁度、濾速和濾料厚度等影響，相對來說，進水濁度高低，會直接影響濾后濁度，要求當班員工平穩運行，即濾池分配水量要均勻，濾前水位要相對恒定，使濾速波動小，特別濾池反洗或水庫水位低情況，考慮各濾池運行時間長短，合理調節好各濾池清水閥開啟度，使濾后濁度穩定。設置濾后濁度目標為0．15 NTU(新國標 1．0 NTU)。

4．3．3 出廠濁度

出廠濁度受濾后水濁度影響。一般出廠濁度要低于濾后濁度，因清水庫本身好似個大的沉淀池，清水沿池內擋板流動而沉淀。當濾后濁度低時，清水庫內積泥就少一些。特別是清洗水庫時，要注意設該池最低水位。出廠濁度目標＜0．15 NTU。當濁度控制在0．1 NTU以下，賈鞭毛蟲、隱孢子蟲去除率達99．9%以上，因而控制濁度很重要。

4．4 水廠供水調度

水廠運行班長根據調度指令，合理調度進出水量。結合早夜高峰供水時間段，調配好清水庫庫存水，發揮清水庫調節功能。考慮余氯接觸時間，合理設置清水庫水位控制范圍，確保清水庫水新鮮度。

4．5 加礬量控制

不同水源和水質(藻類)，不同混合反應條件和沉淀水濁度，加礬量是不相同的。加礬量還受低溫、低濁和原水中有機污染程度影響。需定期或原水變化時，做好攪拌試驗。根據沉淀水濁度和原水進水量，科學合理調整加藥量。

4．6 加氯/加氨量控制

4．6．1 前加氯量

折點加氯會產生致癌物的消毒副產物(三鹵甲烷)。三鹵甲烷(THMs)包括氯仿、溴仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷。如果濃度高時，長期會對健康產生影響。消毒過程應避免和減少THMs。THMs的生成量與加氯量、水中有機物濃度、水溫和pH有關。游離氯含量過高，會增加THMs超標風險。所以要限制折點加氯量(特別當水溫＞20℃)，游離氯要控制在合適范圍。

前加氯量與原水中氨氮和水量所決定，且青草沙原水中耗氯量和氨氮低，變化穩定，波動很小，所以，余氯高低直接和投加比相關，通常各水廠前加氯投加比值控制在1．5～1．8為宜，沉淀水活氯控制目標在0．3～0．5 mg/L。當原水公司源頭加氯和粉末活性炭時，沉淀水中活氯控制在下限(0．2～0．3 mg/L)，以濾后氯胺消毒為主。

4．6．2 后加氯/加氨量

按出廠余氯目標值和氯氨投加比(3．5～4)控制加氨量和加氯量［4］，也就是說，先確定出廠余氯目標值(1．3 mg/L)，沉淀水余氯也知道，當班員工就定量知道濾后加氨量和加氯量，計算如下。

出廠游離氨與管網水亞鹽控制(8月份數據如下):

居家橋分廠:出廠水游離氨:0．06～0．24 mg/L，管網水平均亞鹽濃度:0．037 mg/L

陸家嘴分廠:出廠水游離氨:0．06～0．12 mg/L，管網水平均亞鹽濃度:0．004 mg/L

4．6．3 三鹵甲烷

夏季，隨著水溫和pH變化，特別要嚴格控制前加氯量和沉淀水游離氯，水廠THMs控制目標＜0．5。陸家嘴分廠 7 月份總加氯量 1．5 ～3．4 mg/L，三鹵甲烷總量0．17 ～0．33。

6 存在問題及措施建議

藍綠藻(硅藻)大量爆發時，原水中葉綠素、混濁度和耗氧量等水質有較大變化，增加水廠制水難度，使結成絮凝礬花顆粒細小，濁度難去除，影響出廠水濁度，使加礬量成倍增加。需通過多次攪拌試驗，估測混凝劑和絮凝劑混合投加量或決定混凝劑最大投加比率的方法。摸索和總結不同加氯/加礬量在混凝沉淀中，對不同硅藻或藍綠藻數(106至107)去除效果。氯化/絮凝/混凝/沉淀步驟可減少90%藻類數，去除水中藻類重點是強化混凝沉淀工藝控制。

7 結語

做好凈水原材料驗收和檢測，提高當班工操作技能，掌握正確加藥方法;做好過程水質量監控，通過在線水質儀表，分析考評每天加藥質量和生產運行狀況，開展班組水質競賽;做好在線水質儀表日常維護，每天巡檢，數據比對，定期校驗，確保其數據真實性，指導生產。

目前，青草沙原水系統承擔了上海中心城區80%的原水供應，每天有1 300萬市民喝著從這里輸出的飲用水，需嚴格水質管理，研究和完善應對青草沙原水突發情況預警機制和多種有效方法，確保市民喝上放心、安全飲用水。

［1］張麗麗，張群，陳志平．氯化銨在浦東水廠消毒中的應用［J］．給水排水，2009，35(11):11-14．

［2］陳志平．次氯酸鈉消毒在水廠中應用［J］．城鎮供水，2009，29(4):37．

［3］陳志平．居家橋水廠自動加氯工藝優化［J］．凈水技術，2013，32(1):93-98．

［4］劉建華，尚書銓，陳志平．青草沙原水加氯消毒工藝的優化［J］．凈水技術，2012，30(5):102-106．