CO2應用于中小型水廠原水pH值調控生產性試驗

黃孟斌，呂 華，王梅芳，楊 峰，武 洋，向 偉

(深圳市深水寶安水務集團有限公司，廣東深圳 518001)

凈水廠原水pH的控制對于水質穩定性非常重要，對水化學有較大的影響，適宜的pH可以使凈水工藝中的混凝、消毒等處理效果和效率達到最優。目前，水體富營養化導致的藻類問題越發嚴峻，而原水的pH往往由于藻類等因素而上下浮動[1]。因此，需要在凈水處理前對原水進行pH的調整與控制。

碳酸是一種環保型酸化劑，無需進行危險性、侵蝕性酸的防護與處理，可以直接注入到管道、水池和淺渠中。因此，利用CO2制備碳酸溶液的投加系統被廣泛應用于北美洲、亞洲凈水廠的pH控制[2]。國內用CO2處理飲用水尚處于起始和初步研究階段，本文選擇石巖水庫水源的深圳市上南水廠，探討CO2調控原水pH的特點和優勢。

1 試驗背景

上南水廠是一家集常規工藝和深度處理工藝于一體的中小型水廠(圖1)，設計規模為10萬m3/d，首期建設于1987年，分為4期，實際供水量為5.5萬m3/d。

圖1 水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow of the WTP

水廠原水取自石巖水庫(表1)，茅洲河上游干流，水質受周邊環境及季節影響，pH值波動較大，一般在5.8～9.7(圖2)。藻類季節性暴發，最高為107個/L，易引起鋁離子、消毒副產物、2-甲基異莰醇(2-MIB)等物質的升高，帶來出廠水水質風險。

表1 石巖水庫主要水質的變化Tab.1 Variation of Water Quality in Shiyan Reservoir

圖2 水廠原水pH變化Fig.2 Variation of pH Value of Raw Water in WTP

2 試驗方法

2.1 試驗流程

本次試驗設備選用上海軒鋪的全自動CO2投加系統，設計投加量為10 kg/h，CO2溶于水會生成碳酸，將預反應生成的碳酸注入到待處理的水中，碳酸與堿迅速發生化學反應，達到了降低且穩定水中pH的目的。

水廠CO2投加方式如圖3所示，CO2從鋼瓶出來后，經減壓閥由液態變為氣態，利用氣態CO2釋放高效混合碳酸系統，在水射器的帶動下，投加入DN900原水管中，在投加CO2前后各安裝在線pH儀表，確定投加量。

圖3 CO2投加系統工藝流程Fig.3 Process Flow of CO2 Dosing System

2.2 CO2釋放高效混合碳酸系統

本套系統由氣化CO2系統、載體增壓水系統、旋流混合反應系統、水射器投加裝置組成。CO2罐體儲存為低溫高壓液態，通過電加熱調節閥加熱氣化為常溫低壓氣態投加，增壓水泵將混合水體升壓到0.45 MPa，與CO2氣體在旋流混合反應管內高效混合，形成碳酸溶液，注入到水體中，調節水體pH。此方式運行穩定，可將CO2利用率提高到95%以上。CO2可用于調節pH值、水體再礦化調節堿度以及強化絮凝等，其特點在于不會造成水體pH突變，強化絮凝時多余CO2也易吹脫。

3 結果分析

CO2投加系統于2020年8月正式投入試驗性生產，水廠定期對鋁離子和消毒副產物、有機物進行檢測，評價其對水質的作用效果。試驗數據累積時間為2020年6月—9月。

3.1 不同pH對應流程水鋁離子的變化

試驗期間，持續檢測CO2投加后不同pH對應的沉后水和濾后水鋁離子的濃度，如圖4所示。一、二期和三、四期廊道pH取樣點為CO2投加后與投加堿鋁之間，為反饋pH取樣點。

圖4 不同pH對應的鋁離子變化Fig.4 Aluminum Ion Variation Corresponding to Different pH Values

由圖4可知，投加CO2后的沉后水，其鋁離子基本在0.15～0.28 mg/L，濾后水的鋁離子為0.10～0.20 mg/L。其中，當pH值為7.40～7.80時，沉后水鋁離子濃度為0.15～0.18 mg/L，濾后水鋁離子為0.10～0.13 mg/L，符合水廠水質控制標準，同時滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。因此，控制CO2投加后pH值在7.40～7.80即可。

由表2可知，CO2投加前后的pH改善明顯，基本控制在最佳混凝沉淀pH值(7.4～7.8)。CO2投加進原水后，對低區段pH值(8.0～9.0)的反應明顯，對高區段pH值(>9)的反應較為困難。分析原因，pH所對應的原水溫度和水質有關，CO2的溶解度也隨水溫變化，溫度升高，CO2溶解混合反應效率越低。

表2 投加CO2前后pH變化Tab.2 pH Value Variation before and after Dosing CO2

3.2 對渾濁度的去除效果

對比分析不同工況下渾濁度的變化，如表3所示。

表3 CO2對渾濁度去除效果的對比(原水pH值為8.0～9.0)Tab.3 Comparison of Effect of CO2 on Turbidity Removal (pH Value 8.0～9.0 of Raw Water)

(1)工況1和工況2：在不開啟CO2的前提下，通過增加堿鋁的投加量達到控制流程水渾濁度的目的，堿鋁單耗增加1.0 mg/L，沉后水渾濁度降低了52%，濾后水渾濁度降低了62%，出廠水渾濁度達標。

(2)工況1和工況3：在開啟CO2的前提下，堿鋁單耗不變，控制原水廊道pH值在7.4～7.8，流程水渾濁度的去除效果提升明顯，出廠水渾濁度達標，沉后水鋁離子均值由0.17 mg/L下降至0.15 mg/L，濾后水鋁離子均值從0.14 mg/L下降至0.12 mg/L，達到水廠內控標準(≤0.12 mg/L)，可被有效控制。試驗證明，CO2投加系統效果明顯，可應對原水pH升高帶來的鋁離子超標問題，達到試驗預期。

在原水pH較高的情況下，通過單獨增加堿鋁單耗的方式控制渾濁度，存在鋁離子超標的風險。其中，沉后水鋁離子檢出的平均值為0.35 mg/L，超過生活飲用水衛生標準；濾后水鋁離子檢出的平均值為0.16 mg/L，且斜管沉淀池積泥速度增加，工藝池清洗間隔時間縮短。

3.3 對有機物及副產物的影響

(1)水廠一、二期為臭氧-活性炭短流程深度處理工藝。在CO2投加系統未運行前，該工藝在原水pH值為8.0～9.0時，對耗氧量的去除率在37.5%左右，對氨氮的去除率為38%；開啟CO2投加后，對耗氧量的去除率達到48.5%，對氨氮的去除率為40%，提升效果明顯。

(2)對于一、二期的深度處理工藝，投加CO2后的深度處理工藝對2-MIB的去除率比未投加CO2時增長12%，如表4所示。

表4 CO2對2-MIB去除效果的對比Tab.4 Comparison of Removal Effect of CO2 on 2-MIB

分析原因：通過投加CO2，強化混凝沉淀效果，提升深度處理前水質效果，消毒副產物的前體物得到有效去除；經過深度處理工藝后，消毒副產物得到有效控制[2]，導致2-MIB的去除率升高，濾后水2-MIB濃度遠低于10.1 ng/L，出廠水低于《深圳市生活飲用水水質標準》的限值。

4 創新點分析

(1)運行CO2投加系統：液態CO2凈重為400 kg，總價為2 000元，單價為5元/kg。按照2 m3/h的平均投加量，密度為1.826 g/L，水廠進水量為2 400 m3/h，計算增加的CO2制水成本為0.008元/m3。通過增加堿鋁單耗調控原水pH：堿鋁單價為906元/t，按照增加1.0 mg/L的堿鋁投加量，計算增加的堿鋁制水成本為0.009 1元/m3。CO2的單位制水成本略低于堿鋁。

(2)從運行管理和危害性分析，堿鋁的腐蝕性對管材、設備要求高，維修保養頻次高；對運行人員的安全操作要求高；堿鋁投入工藝池水體中易引起出廠水中鋁離子超標，不利于居民飲用水安全。碳酸作為環保型弱酸，具有經濟、安全、易儲存、對環境無腐蝕等特點，在調控水質pH方面具有絕對優勢。

5 結論

(1)由CO2投加系統運行前后數據分析可知，CO2作為環保型弱酸劑，可以有效地調控原水pH。混凝沉淀pH值在7.40～7.80，且保證鋁離子不超標的前提下，濾后水渾濁度可控制在0.12 NTU左右，pH調控效果明顯。

(2)針對石巖水庫原水pH波動較大，水廠投加CO2，不但極大地改善了pH升高帶來的混凝沉淀效果差的問題，而且對比深度處理工藝和常規處理工藝，出水有機物和2-MIB的去除率均有明顯的提升，充分保障了水質安全。

(3)水廠實際運行水量較小，CO2使用量不大，單位制水成本為0.008元/m3，處理成本較低。本套系統采用的是氣態溶解高效混合投加方式，對大型水廠應用CO2氣體調控原水pH有借鑒價值。