泵站原水水質變化情況探討研究

賈柏櫻， 姚 慧， 路 楨， 馮 濤， 劉曉冰， 張 鵬

(天津水務集團有限公司引江市區分公司，天津300122)

天津某泵站于2015年1月正式運行，主要構筑物包括電站、泵房、調節池等。近幾年引江原水檢測數據表明，其水質基本滿足《地表水質量標準》(GB3838—2002)地表水Ⅲ類水體的標準，絕大部分指標達到Ⅱ類或Ⅰ類標準。但是進入泵站調節池的原水中混雜有大量懸浮物質，造成調節池進口附近區域產生嚴重的淤積問題，對水質產生潛在的隱患，同時耗氧量、堿度、硬度、葉綠素、藻類[1]等指標隨著調節池內不斷的淤積或季節溫度的改變，會有不同程度的變化。為關注原水水質和淤積的變化情況，筆者于2018—2020年對南水北調入津工程沿線不同斷面的原水、水廠出水的主要水質指標及淤積物成分進行檢測試驗，同時結合水廠工藝過程，研究分析不同時期、不同時段水質變化規律及不同水質問題的解決方案或建議，以期為改善水質提供技術支持。

1 試驗材料與方法

對南水北調入津工程沿線不同節點斷面的水質進行檢測分析，取水斷面包括：原水斷面1、原水斷面2、原水斷面3、原水斷面4、王慶坨水庫、西河(曹莊)泵站調節池、水廠出水(1#水廠為凌莊水廠、2#水廠為津濱水廠)，如圖1所示。

圖1 原水沿線取水斷面與出廠水示意Fig.1 Schematic diagram of raw water intake section and treated water

檢測分析原水的溫度、濁度、pH、耗氧量、堿度、硬度、葉綠素、藻類計數[2]等指標，同時對淤積物的成分進行小試和檢測分析，根據分析研究結果提出控藻、降低有機物含量等建議。

2 結果與討論

2.1 沿程水質的變動特征

為了對原水水質沿程變動規律與水廠凈化效果進行分析，采集沿程4個原水斷面、1座泵站調節池和2座水廠出廠水水樣，水質見表1。

表1 原水水質沿程變化Tab.1 Quality of raw water along the route

2.1.1濁度

從原水斷面1至原水斷面4，引江原水濁度較為穩定并維持在較低水平，至原水泵站后有大幅度增長，經水廠處理后又顯著回落。這表明原水經過管渠長距離輸送進入泵站調節池后，池內固有淤積物會引起水體濁度升高，經過水廠凈化處理后顯著降低。

2.1.2pH

從原水斷面1至原水泵站，引江原水pH較為穩定，經水廠處理后下降至7.7左右。出廠水pH較原水大幅降低，分析認為這是由于2座水廠投加酸性的硫酸鐵與聚合氯化鋁所引起，酸化后水體pH符合要求。

2.1.3總堿度

從原水斷面1至原水泵站，引江原水總堿度情況較為穩定，經水廠處理后略有降低，與pH的沿程變化規律相同。

2.1.4高錳酸鹽指數

從原水斷面1至原水泵站，引江原水高錳酸鹽指數較為穩定，經水廠處理后略有降低。這表明2座水廠能夠有效去除原水中的還原性有機物，其中2#水廠的去除效果優于1#水廠。

2.1.5總硬度

原水斷面1至原水斷面3，引江原水總硬度值較為穩定，而從原水斷面3至原水泵站逐漸降低，經水廠處理后略有升高。

從檢測數據看，原水pH、總堿度、總硬度、高猛酸鹽指數在各斷面間變化不大，變化趨勢大體一致，但是在原水斷面4處水質略有變化，高錳酸鹽指數略有升高，堿度、硬度略有下降。

綜合分析得出，引江原水水質沿程略有變化，但各點位均符合地表水Ⅲ類水體標準，各項水質指標基本穩定。經水廠處理后，原水的pH、堿度有所降低，硬度變化不顯著，濁度、高錳酸鹽指數去除效果較明顯，且2#水廠比1#水廠去除效果略好[3]。

2.2 原水水質隨時間的變動特征

采集2018年至2020年西河泵站進口、出口水樣，分析原水水質的逐月變動特征。

2.2.1總硬度

原水總硬度在該3年間受季節性影響且變化趨勢一致，如圖2所示。高溫季節總硬度較低且小于110 mg/L，最低值99 mg/L出現在2019年8月；中低溫季節總硬度較高且在110 mg/L以上，最高值138 mg/L出現在2019年3月。

圖2 2018—2020年原水總硬度的變化Fig.2 Variation of raw water total hardness from 2018 to 2020

2.2.2總堿度

原水總堿度的變化與總硬度類似，高溫季節總堿度較低且小于90 mg/L，最低值78 mg/L出現在2020年9月；中低溫季節總堿度較高且在90 mg/L以上，最高值111 mg/L出現在2018年5月。總堿度與總硬度具有相同的變動特征，與原水中藻類微生物代謝活性直接相關。高溫季節，藻類的光合作用強于呼吸作用，水中大量CO2轉變為碳酸根離子，進而形成碳酸鈣沉淀。相反，低溫季節下水中微生物的呼吸作用強于光合作用，釋放大量CO2進入水中，這也是典型的水庫型原水水質變動特征。

圖3 2018—2020年原水總堿度的變化Fig.3 Variation of raw water total alkalinity from 2018 to 2020

2.2.3CODMn

2018年和2020年，西河泵站水樣的CODMn變化趨勢較為一致，均在第二季度達到最高值，第四季度降至最低值。2019年的CODMn水平較為穩定且數值偏低，如圖4所示。最低值1.6 mg/L出現在2018年11月至2019年5月，最高值2.9 mg/L出現在2018年8月和2020年6月。

圖4 2018—2020年原水耗氧量的變化Fig.4 Variation of raw water oxygen consumption from 2018 to 2020

2.2.4總葉綠素

總葉綠素含量受季節性影響較大，2018—2020年每年的變化趨勢較為相同，即隨著溫度升高，水中藻類微生物含量增大，則葉綠素含量明顯增加，同時第二和第三季度表現較為明顯，如圖5所示。最高值40.46 μg/L出現在2020年6月，最低值0.45 μg/L出現在2019年2月。

圖5 2018—2020年原水葉綠素的變化Fig.5 Variation of raw water total chlorophyll from 2018 to 2020

2.2.5藻類計數

原水中藻類[4]含量受季節性影響較大，每年變化趨勢較為相同，即隨著溫度升高，水中生物含量增大，則藻類含量明顯增加，同時第二和第三季度表現較為明顯，如圖6所示。最高值2 153×104個/L出現在2020年6月，最低值55×104個/L出現在2020年1月。

圖6 2018—2020年原水藻類計數的變化Fig.6 Variation of raw water algae counts from 2018 to 2020

2.2.6其他指標

此外，考察了溶解氧、TOC、土臭素、2-甲基異莰醇等指標的逐月變動情況。2018年至2020年間，引江原水中基本未檢測出土臭素與2-甲基異莰醇；溶解氧含量具有顯著的溫度相關性，隨溫度升高而降低，反之則升高；TOC、總磷、鐵、錳總體穩定，總磷通常小于0.01 mg/L。2018年，總氮基本都在1.0 mg/L以上，2020年較2019年有所降低。

研究中還發現，西河泵站原水的溶解氧、菌落總數隨水深增加而降低，CODMn和總氮隨水深增加而增大；不同深度的總有機碳、總堿度、總磷、pH、糞大腸菌群變化不大，基本穩定；pH在8.27～8.60之間；葉綠素、氨氮隨水深不同而有所變化，但變化不穩定；不同深度微囊藻毒素[5]、錳均未檢出。

2.3 泵站淤積特征與處理方法

2.3.1淤積特征分析

原水泵站調節池進口有明顯可見的懸浮物質，在水流的沖擊下更為明顯。泵站調節池經過近幾年的正式運行，進口區域已經產生了很深的淤積物，最深超過7.0 m。上游加大供水量時，原水濁度、葉綠素會有明顯的變化。如2020年6月上游加大供水量期間原水葉綠素最大升高到40.46 μg/L，可通過應急處置投加次氯酸鈉降低其含量。

針對調節池進口處淤積的現象，為保證調節池的安全運行和水質安全，2020年每月對調節池內淤積物進行測量統計，結果見表2。

表2 2020年原水泵站調節池淤積情況Tab.2 Silting situation of regulating tank of raw water pump station in 2020

由勘測統計情況得知，截至2020年12月18日調節池內淤積物總量為117 129.0 m3，其中西北側淤積物總量為68 413.7 m3(約占總淤積量的58.41%)，死水位-2 m以上淤積量為26 414.9 m3，淤積最大高程為2.21m。死水位-2 m以上淤積物總量仍以205.16 m3/d的平均速度增長(取10月至12月增長平均值)，給原水水質帶來安全隱患。

對池內污泥進行表觀分析，均勻晃動盛放泥沙的實驗瓶可以觀察到：污泥經晃動有氣泡產生；沉淀30 min后，底部泥沙為深棕色，可見明顯的沙粒狀物質；上清液為棕色，上部漂浮有細小顆粒物，污泥中混有纖維類物質；嗅覺氣味為腥臭味。底部泥沙中所含的有機成分在微生物代謝作用下會引起水質惡化。檢測分析發現，污泥中含有大量碳酸化合物，是產生氣泡的主要原因。

2.3.2淤積物質分選處理

① 步驟1

取450 mL泥液(圖7.a)，加入2.5 mL藥劑A溶液，反應5 min后加入11.9 mL藥劑B溶液，反應4 h。

一次水洗加水至2 L，沉淀1 h后有機無機組分分選效果如圖7.b所示。觀察發現上清液較為渾濁且含有較多的懸浮物，但能明顯觀察到分層現象。底部沉淀物以無機泥沙為主，脫水性能良好，分離出的無機污泥見圖7.c。

圖7 無機污泥分離過程Fig.7 Separation process of inorganic sludge

② 步驟2

取步驟1所得上清液(有機污泥部分)1.7 L，依次加入藥劑C溶液2 mL、1% PAM約10 mL、10% PAC約13 mL，有絮體沉淀物產生。上清液較步驟1時變得更加清亮，部分懸浮物在藥劑作用下沉淀，沉淀物呈絮狀，含水率約為97%，性狀與市政污泥中的濃縮污泥較為相似，分離效果見圖8。

圖8 有機污泥沉淀效果 Fig.8 Sedimentation effect of organic sludge

③ 步驟3

取步驟2產生的絮體污泥進行過濾處理，可得到污泥與過濾液，其中過濾液澄清且成呈淡黃色，主要是因為該部分濾液中溶解部分有機物質。絮凝上清液COD為99.1 mg/L，氨氮為27.4 mg/L，TN為42.5 mg/L，TP為2.41 mg/L，可達到《天津市污水綜合排放標準》(DB 12/356—2018)中三級排放標準(COD<500 mg/L、氨氮<35 mg/L、磷酸鹽<3 mg/L)。

2.3.3分選后污泥性質

分別對原泥、步驟1中的無機污泥和步驟3中的有機污泥熱值進行檢測，得到厡泥熱值為536.4 kcal/kg，無機污泥熱值為178.7 kcal/kg，有機污泥的熱值為1 015.1 kcal/kg。可見，經過分選處理后，無機泥沙中有機物成分有效減少，可顯著降低后期堆放過程中臭氣產生量；分選得到的有機污泥熱值更高，可用于堆肥或焚燒處理。

實驗結果顯示，原水泵站調節池底部泥沙采用有機無機分選技術進行處理，在技術上可行，能夠有效解決泥沙處理處置問題，不會造成二次污染。調節池底部泥沙經過有機無機分選后，無機泥沙熱值很低，有機成分減少，無機成分含量提高；處理后的泥沙性質更加穩定，不易發臭。無機污泥利用價值高，可作為建材使用；分離得到的有機污泥熱值較高，可用于堆肥或焚燒處理；有機無機污泥脫水產生的濾液達到《天津市污水綜合排放標準》(DB 12/356—2018)中三級標準，可直接排入市政管網。

3 結論與建議

① 引江沿線原水pH、總堿度、總硬度各斷面數值變化不大，變化趨勢大體一致，基本穩定，但是原水斷面4的高錳酸鹽指數略有升高，堿度、硬度略有下降。

② 經水廠處理后，出廠水的pH、堿度有所降低，氯化物、氨氮升高，硬度變化不大，對濁度、高錳酸鹽指數去除效果較明顯，2#水廠優于1#水廠。深度處理工藝[6]對目前的引江原水中的濁度、高錳酸鹽指數的去除要好于常規處理工藝。

③ 調節池底部泥沙經過有機無機分選后，性質更加穩定，不易發臭，可作為建材使用。分離得到的有機污泥，熱值較高，可用于堆肥或焚燒處理。污泥脫水產生的濾液符合《天津市污水綜合排放標準》(DB 12/356—2018)三級標準，可直接排入市政管網。因此，針對原水泵站調節池底部泥沙采用有機無機分選技術進行處理在技術上可行，能夠有效解決泥沙處理處置問題，不會造成二次污染。

④ 水廠應及時關注上游加大供水量時原水葉綠素的變化，必要時采取投加次氯酸鈉的方法降低有機物含量。

⑤ 鑒于調節池淤積情況，目前的清淤方式不能徹底將淤積物清除，建議考慮再建設1個備用調節池，實現調節池的徹底清淤，以確保原水水質安全。

⑥ 數據分析表明，近幾年原水CODMn含量不斷升高。建議上游單位采取一定的措施進行干預，解決CODMn升高與下游淤積等問題。