千島湖優質原水對蕭山水廠水處理工藝的影響

張秋勉，方衛國

(杭州蕭山供水有限公司，浙江杭州 311201)

錢塘江是浙江省第一大河，流域面積為41 700 km2，沿岸流經杭州、金華、衡州等20多個市、縣。錢塘江不僅是生活飲用水水源，還接納了大量工業廢水和城鎮農村污水，部分河段和支流污染嚴重，導致沿線城鎮供水水質安全面臨很大壓力。目前,杭州城市供水水源單一，應對突發水源污染能力較弱。國外如紐約、東京等大城市在供水安全保障方面起步早、建設水平高，其核心策略為：依托相對集中的水庫群作為城市的水源地，集中保護，以獲得水質穩定、安全可靠的城市水源；多水源、跨地域向城市供水，建庫蓄水，保證城市供水的長期安全[1]。借鑒國內外先進經驗，杭州市委市政府規劃實施杭州市第二水源千島湖配水工程[2]，進一步保障飲用水安全和提升供水水質。根據杭州市新水源地規劃和建設要求，杭州蕭山區在2019年政府工作報告中提出了“著力提升城市能級，加快國際化建設步伐”[3]，積極應對雙水源供水新格局。由于錢塘江與千島湖水質差別很大，一個屬于水質較差且變化大的開放性河流，一個屬于水質好且穩定的封閉型水庫，在切換和混合時必然會對蕭山市各水廠凈水工藝和供水水質造成較大的影響和波動。因此，前期對原水供應新格局進行研究和分析，不僅能掌握新水源的水質情況，更能為凈水工藝的常規應對和應急處理提供方案。

1 蕭山區供水現狀

杭州市蕭山區共有5座水廠。其中，一水廠、二水廠和三水廠的取水口位于三江口(即錢塘江、富春江、浦陽江的交匯處)；南片水廠和江東水廠的取水口位于富春江石門沙；兩處取水口相距約5 km，均屬于錢塘江水系。目前，5座水廠的原水取水量約為92萬t/d，全區供水量約為90萬t/d，肩負全區200萬人口的用水需求(表1)。

表1 蕭山各水廠供水現狀Tab.1 Existing Situation of Water Supply in Xiaoshan

從水量方面考慮，蕭山正處于城市化建設高速發展期，用水需求迫切；從水質方面考慮，5個水廠的水源全部取自錢塘江水系，應對突發污染事件能力薄弱；未來蕭山的供水水源面臨著水量與水質的雙重壓力。

2 千島湖水源情況

2.1 千島湖概況

千島湖(又名新安江水庫)位于浙江省西部與安徽省南部交界的淳安縣境內，為1959 年新安江水電站大壩建成蓄水后形成的特大山谷型深水水庫，是長三角地區最大的淡水水庫。水庫呈分枝狀態[4]，從大壩至新安江入口縱長為150 km，水面最寬處約為50 km，岸線總長度為1 406 km；水庫水面面積在水位達到正常蓄水水位108 m時為580 km2，正常蓄水水位庫容為178.4×108m3，平均水深為31 m。

2.2 千島湖水質情況

2.2.1 與其他典型湖泊比較

千島湖是首批入選“中國好水”的5個水源地之一，在全國43個重要水庫富營養化評價中，千島湖是富營養化指數最低的5個水庫之一[5]，為Ⅰ類水體。千島湖與國內外重要水體比較如表2所示。

表2 湖泊水質比較Tab.2 Water Quality Comparison of Lakes

由表2可知：千島湖在庫容方面接近日本琵琶湖，水質方面優于日本琵琶湖而與北美五大湖相當。琵琶湖是日本第一大淡水湖，也是日本具有象征意義的母親湖、西日本地區珍貴的水資源[6]；北美五大湖擁有占美國95%、世界20%的地表淡水資源，該地區約居住著美國總人口的20%、加拿大人口的50%[7]。這兩處均是典型的大型飲用水水源地，由數據比較可知，千島湖在水質和水量兩方面都具備為人口密集城市提供優質飲用水源的條件。

2.2.2 富營養化指標

依據生態環境部《湖泊(水庫)富營養化評價方法及分級技術規定》中湖泊和水庫營養狀態評價方式，對5項水質指標：葉綠素a(chl-a)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(CODMn)進行統計，2016年—2018年的平均值為-5.11，小于30(表3)，為貧營養型。

表3 千島湖各監測斷面歷年數據均值Tab.3 Average Data of Each Monitoring Section of Qiandaohu Lake over the Years

千島湖水庫存在熱分層情況，浮游植物密度的峰值出現在距離表層6 m的區域，水下5～10 m為浮游植物高密度區域，而水面下25 m的PAR(光合有效輻射)基本接近于0[8]。因此，雖然夏季千島湖部分湖區表面有浮游植物水華現象，但其對深層水體的影響很小。由于千島湖輸配水工程取水口(金竹牌)的正常取水深度為26 m，該處水體中水溫、pH等指標常年穩定，浮游植物基本無蹤跡。

2.2.3 取水口深層水水質

對某水廠千島湖原水(取自湖中心區水下20～25 m處)和目前蕭山錢塘江三江口原水水質進行比較。

圖1 兩水源TN現狀Fig.1 Current Situation of TN in Two Water Sources

如圖1、圖2所示，千島湖原水TN平均值為1.03 mg/L，TP平均值為0.01 mg/L，均低于地表水Ⅰ類水限值。三江口原水TN平均值為2.14 mg/L，TP平均值為0.06 mg/L，遠高于千島湖水源。如切換水源，TN濃度低51.9%，TP濃度低83.3%。根據文獻，藻類生長適宜的氮磷比為16∶1[9]，由目前的數值，即三江口原水氮磷比為35.7、千島湖原水氮磷比為86.5可知，兩水源TP濃度是藻類生長的限制條件，特別是千島湖原水中磷的濃度非常低，大大限制了藻類的大量增殖。

如圖3所示，千島湖原水耗氧量平均值為1.16mg/L，三江口原水耗氧量平均值為2.42 mg/L，濃度低52.1%，主要原因是錢塘江的有機微污染狀況長期存在，微量的有機污染通過常規工藝難以解決。千島湖水源的有機物含量相當低，遠低于國家標準出廠水限制(3 mg/L)，對供水處理工藝的要求大大降低。

圖2 兩水源TP現狀Fig.2 Current Situation of TP in Two Water Sources

圖3 兩水源CODMn狀況Fig.3 Current Situation of CODMn in Two Water Sources

如圖4所示，千島湖水歷年耗氧量(CODMn)幾乎是一條重合的曲線，而三江口的數值波動較大，最大、最小值相差一倍，有明顯的季節波動，每年春秋季，變化非常劇烈，對供水廠的處理工藝沖擊很大。這也反映了千島湖水CODMn非常穩定，不存在季節影響，對工藝幾乎沒有影響。

圖4 CODMn時空分布分析Fig.4 Temporal-Spacial Distribution of CODMn

水中NH3-N是含氮化合物受微生物作用的分解產物，能夠反映水被污染的狀態和程度。如圖5所示，2016年—2018年，千島湖原水NH3-N平均值為0.01 mg/L，遠低于地表水環境質量標準(GB 3838—2002)一類水標準(0.15 mg/L)；三江口原水NH3-N平均值為0.25 mg/L，波動較大，最大值為0.63 mg/L。如完全切換水源水質，原水NH3-N濃度將下降96%。

圖5 兩水源NH3-N現狀Fig.5 Current Situation of NH3-N in Two Water Sources

綜上，從常規指標來看，千島湖水質遠遠優于蕭山區現有水源，引入千島湖原水后將極大提升原水水質，減輕供水水質隱患。

3 對供水水廠的影響

3.1 低溫低濁的影響

目前，蕭山區各水廠所取水源錢塘江為江河水，水質特點是水質波動大、有機物指標略高、泥沙含量高；而千島湖原水則是湖庫水的典型代表，水質清潔、穩定。目前，水廠原水進廠后，全部采用混凝-沉淀工藝，對于這種工藝來說，適當的高濁度水有更好的混凝沉淀效果，當原水渾濁度過低時，可能發生低溫低濁的情況。

所謂低溫低濁指的是原水渾濁度較低、雜質細小均勻時，混凝劑加入后形成的絮凝體細、少、輕且難以沉淀的現象。這種現象是自來水廠處理的難題，混凝劑投量低不起作用，投量多了處理效果不明顯，增加處理費用，有時還會使出水pH降低[10]，進而引起出廠水鋁含量升高。嚴格來說，低溫低濁是指冬季水溫為0～4 ℃、渾濁度為30 NTU以下的江河水及水庫水。圖6、圖7為近3年蕭山區與千島湖水廠原水的水溫及渾濁度狀況。

圖6 兩水源水溫狀況Fig.6 Current Situation of Water Temperature of Two Water Sources

圖7 兩水源渾濁度狀況Fig.7 Current Situation of Turbidity in Two Water Sources

歷年水溫平均值：千島湖為16.6 ℃,三江口為20.8 ℃，相差4 ℃。歷年水溫最低值均出現在2月，最高值在7月—9月。三江口水溫波動在6.8～29.2 ℃，千島湖原水水溫在12.1～22.6 ℃。在冬季水溫最低時，千島湖原水比三江口高5 ℃左右。千島湖原水渾濁度穩定在0.55 NTU左右，幾乎沒有波動，三江口原水的渾濁度在3～1 000 NTU，被平均后，約為32.6 NTU。經水廠調研實證，三江口水源取水的水廠目前不存在低溫低濁情況；千島湖取水的某縣級水廠，在冬季有低溫低濁情況出現。千島湖低溫低濁最嚴重是出現在2月，原水平均水溫為10 ℃、渾濁度為0.5 NTU；而三江口在2月時，水溫為9 ℃，渾濁度為16 NTU。

綜上，輸配水工程建成后，千島湖原水經過100多km的地下管道運輸，引入蕭山區水廠取水口與三江口原水，如果按3∶1的比例混合，在冬季2月時，原水最低溫度將會比原來略有升高、渾濁度略有降低。因與高濁度江水混合使用，處理難度低于目前的千島湖水廠。

表4是千島湖某縣水廠的處理工藝及出水效果，選取近兩年水溫最低月份的運行數據。由表4可知，在冬季低溫低濁時期，該水廠采用傳統混凝-沉淀-過濾工藝、加礬加氯量水平較低的情況下，出廠水渾濁度、pH均理想，鋁含量也遠低于國家標準限制(0.2 mg/L)。目前，蕭山主供水廠已有較先進的臭氧活性炭深度處理工藝，有砂濾池和炭濾池的雙重保障，炭濾池中含有一定的嗜低溫種群，對低溫環境有一定的適應性。國內有生物活性炭濾池直接過濾處理低溫低濁水的研究[11]，當混合使用千島湖水后，預計能夠應付溫度和渾濁度的波動。

表4 千島湖湖區某水廠凈水效果Tab.4 Water Purification Effect of Qiandaohu Waterworks

3.2 對藥劑投加的影響

3.2.1 對消毒劑投加的影響

水廠消毒劑的投加，首先是為了滿足人民群眾飲用水衛生安全。《生活飲用水衛生標準》(GB5749—2006)中對出廠水及管網末梢水的消毒劑含量均有明確的要求。水廠為保證管網末梢水達標，消毒劑一般會過量投加，而過量投加消毒劑的自來水，通常有較濃的氯臭味，這是自來水被認為不好喝的一個非常重要的原因，且過量消毒還會有看不見摸不著的消毒副產物問題。如何在采用簡單傳統工藝的情況下，同時滿足管網末梢水的達標及最優口感，與進廠原水中細菌學指標有很大的關系(圖8、表5)。

圖8 兩水源菌落總數Fig.8 Current Situation of Total Number of Colonies in Two Water Sources

表5 微生物指標比對Tab.5 Comparison of Microbial Indicators

糞大腸菌群是總大腸菌群的一部分，存在于溫血動物腸道中，能夠真實地代表水體受糞便污染的程度，糞大腸菌出現，意味著有疾病傳播的風險。由表5可知，千島湖取水口原水不僅滿足地表水Ⅰ類，還滿足生活飲用水的衛生標準。

在水處理中，為了氧化水中的有機物并殺滅細菌，需消耗的氯量被稱為需氯量[12]。加氯量的多少首先要保證殺死原水中的細菌和大腸桿菌；其次，還需維持一定的剩余氯，用來抑制水中殘留細菌的再度繁殖。由于千島湖原水中的細菌和大腸桿菌含量非常低，蕭山區水廠在引入千島湖原水后，可以減少消毒劑投加，逐步開展精準加氯，以此極大提升飲用水品質。

3.2.2 對礬耗、氯耗的影響

引入清潔的千島湖水后，水廠藥劑投加需做相應的調整。目前，蕭山各制水廠礬耗指標在12～22 kg/km3，氯耗在1.0～2.9 kg/km3。出廠水水質106項指標均達標。使用千島湖水后，藥劑投加勢必要減少，從水質相當和規模相當兩方面調研相關水廠的藥劑投加指標，如表6所示。

表6 不同水源水廠藥劑指標對比Tab.6 Comparison of Chemical Indicators for Different Raw Water in WTPs

由表6可知，使用千島湖原水后，礬耗大幅下降，考慮到深度處理工藝有臭氧輔助消毒，只需在清水池處有一道后加氯，氯耗就會相應的下降，但是氯耗的調整還需考慮管網末梢的狀況，綜合考慮，氯耗會有所降低。同時，制水廠是企業經營，節能降耗是重要的考核依據，從這個角度來說，水廠經濟壓力將會減輕。

3.3 高水質水源對供水管網的影響

水的化學穩定性主要由金屬離子的釋放引起。在水源周期性切換后，短時期內水中離子組分發生較大變化，極有可能破壞管網內管垢表面原有的穩定保護層，加速管道腐蝕，促進鐵等金屬元素釋放，引發“黃水”等問題。根據資料[13]顯示，出現“黃水”問題的地區主要是在水源切換前長期使用硫酸鹽、氯離子濃度較低地下水的地區，并位于管網末梢，管網水中余氯、溶解氧濃度較低，該地區管垢致密殼層較薄且脆弱，當水質條件發生變化時易被破壞。對于硫酸根、氯離子等中性離子的侵蝕主要利用拉森指數，如式(1)。

(1)

其中：LR——拉森指數；

{CI-}——CI-活度，mg/L；

拉森指數是在對新管進行腐蝕試驗的基礎上提出的，可使用離子活度進行計算。當拉森指數>1 時，水具有嚴重腐蝕性。根據千島湖原水和蕭山三江口原水2018年數據計算，千島湖水源拉森指數為0.59，三江口拉森指數為1.19。從拉森指數來看，千島湖水源的拉森指數比三江口低很多，水源切換后發生金屬離子等過量釋放的化學穩定性問題的風險較小。

4 結論

(1)實施千島湖輸配水工程，對解決城市供水水源單一、應對突發水源污染事故能力較低的問題，以及保障飲用水供水安全和改善供水水質有重大意義。

(2)千島湖取水口深層水，在富營養化指標、有機物、無機物綜合指標等各方面均遠遠優于現有錢塘江水源，其中，TN濃度低51.9%，TP濃度低83.3%，CODMn低52.1%，NH3-N低96%。

(3)引入千島湖水后，蕭山主供水廠的凈水工藝完全可以應對切換水源可能出現的低溫低濁現象。

(4)隨著優質水源的引入及消毒劑減量投加管理，蕭山區飲用水品質將得到提升。

(5)水源切換后，發生金屬離子等過量釋放的化學穩定性問題的風險較小。