低濁原水導致鋁超標的水廠技術控制措施

陳 虹，張 亮，林春敬，陳海松

(深圳市深水龍崗水務集團有限公司，廣東深圳 518055)

鋁是一種人體非必須微量元素，但醫學研究表明，長期攝入過量的鋁會引發營養不良、小兒小頭畸形、發育遲緩、老年癡呆、食欲減退、血液和心腦血管疾病等[1-2]。因此，嚴格控制出廠水余鋁是保障水質安全的重要指標之一。

受環境和地理位置影響，深圳東部原水渾濁度常年較低，每年1月—3月，受冷空氣影響，城鎮供水廠原水溫度降低并處于低濁狀態，因原水缺少聚核且水溫下降，顆粒物碰撞概率降低，造成混凝效果差，絮體難以沉降，最終導致出水渾濁度、余鋁等參數偏高，影響供水安全。深圳A水廠為原特區外村級水廠，原有工藝設施較落后，經供水規劃調整為備用水廠。A水廠1993年建成投產，設計供水能力為3.0×104m3/d，采用常規水處理工藝，水廠原水取自東部本地水庫，冬季原水水溫下降、低濁現象凸顯，水廠使用固態聚合氯化鋁(PAC)作為混凝劑，混凝效果欠佳，與其他季節相比，出廠水常有渾濁度及余鋁偏高現象，尤其在每年1月左右，出廠水出現余鋁偶有超過內控標準情況。為應對這一水質風險，A水廠圍繞排泥水回用制定一系列強化混凝措施，并取得顯著成效。文章總結了該水廠多年應對冬季水溫下降后低濁原水的實踐經驗，以供同行參考。

1 原水水質

每年1月—3月，深圳東部本地水庫原水水溫下降并處于低濁狀態，原水水質如表1所示。其水質狀況良好，渾濁度、水溫較低，分別為0.92～2.51 NTU和10.9～21.1 ℃。本地原水平均渾濁度僅為1.57 NTU。低水溫、低渾濁度的原水導致常規工藝水廠混凝效果不佳，有出水渾濁度和鋁含量升高的風險。

表1 原水水質

2 出廠水余鋁偏高原因分析

原水水溫分別為17.1、17.5、18.0 ℃，渾濁度分別為1.67、1.35、1.82 NTU時，A水廠共出現3次出廠水鋁指標超過內控標準的情況。措施前鋁出水水質最大值如圖1所示，濾前水、濾后水、出廠水鋁含量分別為0.212、0.168、0.174 mg/L，出廠水鋁指標最大時超內控標準0.024 mg/L。

圖1 措施前鋁出水水質指標最大值

低水溫、低渾濁度情況下，出廠水余鋁偏高的原因主要有以下兩方面。

(1)絮凝效果差，PAC難以沉降

在原水渾濁度最低僅為0.92 NTU，溫度最低達10.9 ℃的條件下，水廠投放的混凝劑PAC難以完成電荷中和、吸附架橋等過程，成核效果差，由此在混凝沉淀過程中未能徹底反應生成絮體被濾池過濾截留，殘留的鋁離子進入清水池，造成出廠水余鋁偏高。

研究表明，原水中的鋁和投加鋁鹽混凝劑后，經常規水處理工藝“混凝-沉淀-過濾-消毒”，仍有約11%的鋁含量殘留于出廠水中，在采用鋁鹽作為混凝劑的水廠中，其出水鋁含量高于原水鋁含量的幾率為40%～50%，含量可達0.01～2.37 mg/L[3]。

(2)助凝劑成分含鋁，溶解鋁含量增加

水廠預處理過程常采用石灰作為助凝劑調節原水pH和堿度，增強混凝效果。而石灰成分中含鋁，溶于水后會增加溶解鋁的含量，有出廠水余鋁含量升高的風險。研究表明，經測定石灰成分中含有鋁的化合物，其中Al2O3成分濃度最大值為2.14%，最小值為2.05%。投加石灰后使原水呈堿性，增加了鋁的溶解度，過量的投加還會增加礬的消耗[4-6]。因此，水中溶解鋁含量與石灰投加量相關。

3 應對措施

一般情況下，改善混凝效果的措施有兩類：一是啟用高錳酸鉀預氧化，通過產生水合二氧化錳改善吸附卷掃能力；二是投加石灰，提高pH和聚核，壓縮雙電層并加速絮凝。前者因需投加高錳酸鉀，運營費用大幅度提高，后者過度投加將影響PAC絮凝效果[7-9]。結合A水廠備用水廠定位及原有工藝設施實際情況，單獨采用常規的強化混凝措施均不適配。因低濁原水應對問題的核心在于提高聚核含量，可考慮通過回收排泥水，并投加石灰以強化絮凝的方式，改善出水渾濁度及余鋁偏高問題。

3.1 回收排泥水，提高原水渾濁度

對于低水溫、低渾濁度的原水，其水中顆粒物粒徑小、多為膠體，現有工藝難以形成易沉降大粒徑絮體，通過改善沉淀池、提高原水渾濁度可達到去除污染物的效果。根據原水渾濁度和10%～15%的回流比，將濾池反沖洗水、沉淀池排泥水回流至反應池，提高原水渾濁度，使原水渾濁度由2～5 NTU提高至10 NTU左右，回流污泥作為絮凝劑參與混凝反應，增加膠體顆粒運動和相互碰撞的幾率，促進膠體凝聚成核[10]。

3.2 優化藥劑投加量，強化助凝效果

措施前，該水廠石灰投加量約為2.8 mg/L，PAC投加量約為3.2 mg/L。研究表明，石灰對膠體微粒有助凝作用且可使混凝劑處于適宜的pH[11-12]。pH過高不利于混凝反應，易造成溶解性鋁離子不能高效利用形成沉淀物，不利于濾前水余鋁控制，不適宜的pH還可能增加礬的消耗。因此，通過燒杯試驗，優化得出石灰、PAC的投加量，以確定實際生產過程中混凝劑、助凝劑的最佳投藥量，合理優化水處理效果。

最終確定石灰投加量為3.0 mg/L，PAC投加量為5.0～6.0 mg/L，此時混凝效果最好，其反應后水處理效果最佳。

3.2.1 確定石灰投加量

石灰投加量優化試驗結果如圖2所示。由圖2(a)可知，隨著石灰投加量由1.5 mg/L提高至4.0 mg/L，出水pH值由6.7提高至7.4，反應后pH均滿足國標《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)中pH值為6.5～8.5的要求。由圖2(b)可知，當石灰投加量為2.0 mg/L時，其反應后渾濁度效果最佳，為0.33 NTU。由圖2(c)可知，當石灰投加量為1.5、2.0 mg/L時，鋁含量分別為0.046、0.048 mg/L。結果表明，當石灰投加量為2.0 mg/L時，渾濁度、余鋁值處于理想范圍，但pH偏低。因此，結合實際工藝停留時間較短、投放過程袋裝石灰耗損的情況，綜合考慮其反應后pH、渾濁度、鋁含量的值最優以及水處理效果最好，最終確定將石灰含量為3.0 mg/L作為生產性試驗的投加量。

圖2 十字交叉燒杯試驗確定石灰投加量

3.2.2 確定PAC投加量

確定投加3.0 mg/L石灰后，原水pH值升高至7.8，此時分別投入不同投加量的PAC，確定混凝劑投加量對出廠水鋁含量的影響，結果如圖3所示。結合實際工藝，當投加5.8 mg/L左右的PAC(Al2O3含量為28%)時最合理，此時余鋁含量為0.072 mg/L。因此，結合實際工藝情況，最終將PAC投加量控制在5.0～6.0 mg/L。

圖3 PAC投加量與鋁的關系

3.3 提高排泥頻次，保障沉淀池出水水質

為改善排泥水沉降性能，水廠將沉淀池排泥由常規24 h/次強制改為8 h/次，以避免沉淀池產生翻泥現象，使泥水更好地分離，增強沉淀效果，保障出水水質。

3.4 提高檢測頻次，反饋優化工藝參數

為應對低水溫、低渾濁度的原水帶來的水質風險，水廠制定《原水水質突變應急預案》，每年1月—3月，水廠參照燒杯試驗結果，結合實際情況將石灰投加量控制在3.0 mg/L左右，PAC投加量控制在5.0～6.0 mg/L。水質檢測人員對水廠原水、過程水、出廠水、管網水進行3次/d的余鋁檢測，對水廠其他水質指標進行2次/d的早晚監測，并對檢測結果進行對比分析，核算出平均值以便及時提供水質信息，以提供調整投藥量及應對措施的依據，保障供水水質安全。

4 實踐效果

原水溫度下降、低渾濁度期間，通過回收排泥水、提高原水渾濁度、強化助凝等一系列應對措施，出廠水余鋁及渾濁度偏高的問題得到了全面解決。

4.1 出水渾濁度

原水溫度下降、低渾濁度期間，措施前后全過程水的渾濁度對比如圖4所示。措施后，原水渾濁度升至10 NTU，除濾后水渾濁度略有上升外，濾前水、出廠水及管網末梢水渾濁度均有明顯下降。其中：出廠水渾濁度由措施前的0.28 NTU降至0.25 NTU，降低10.7%；管網末梢水渾濁度由0.89 NTU降至0.13 NTU，降低85.4%。出廠水及管網末梢水完全符合水廠內控標準和《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)限制要求。

圖4 措施前后全過程水的渾濁度對比

4.2 出水余鋁含量

原水溫度下降、低渾濁度期間，措施前后全過程水的余鋁含量對比如圖5所示。濾前、濾后、出廠及管網末梢水余鋁含量均大幅度降低。其中：出廠水余鋁含量由措施前的0.174 mg/L降至0.089 mg/L，降低48.9%；管網末梢水余鋁含量由0.204 mg/L降至0.116 mg/L，降低43.1%。出廠水及管網末梢水完全符合水廠內控標準和《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)限制要求，實踐證明采取的措施合理得當，可有效控制出廠水余鋁含量。

圖5 措施前后全過程水余鋁對比

4.3 其他出水指標

目前，我國并沒有回用廢水運行的規范指導，原水低水溫、低渾濁度期間，回收排泥水易引起懸浮物、重金屬和有機物含量高、生物穩定性差等風險，為考察回用排泥水是否對出水水質造成不利影響，其他原水及出廠水水質參數如表2所示。原水中CODMn、氨氮、鐵、錳和菌落總數指標均良好，最高值分別為1.42、0.07、0.16、0.07 mg/L和未檢出，出廠水均滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)限制要求。該結果說明水廠采取的應對措施科學有效，可保障供水水質安全。

表2 原水及出廠水水質指標

5 總結

針對原水溫度低、渾濁度低，常規工藝條件下出現出水余鋁、渾濁度等超標現象，結合水廠實際情況，本文提出了以回收排泥水輔助投加石灰為核心的強化混凝措施，取得較為顯著的成效，得到如下結論。

(1)針對每年1月—3月本地水庫原水呈水溫低、渾濁度低的特征，混凝反應單元因缺少聚核難以絮凝，易導致出水余鋁及渾濁度等偏高的問題，利用排泥水顆粒物含量高的特點，通過燒杯試驗優化得出適度回流排泥水提高原水渾濁度至10 NTU左右，同時輔助投加石灰至3 mg/L左右，并優化PAC投加量為5.0～6.0 mg/L，可有效改善原水絮凝效果。

(2)長期運行實踐表明，原水平均渾濁度為1.57 NTU、平均溫度為18.2 ℃的情況下，基于燒杯試驗優化參數，可有效改善出廠水水質，在保證各項水質指標均滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)前提下，出廠水和管網末梢鋁濃度分別降低了48.9%和43.1%；渾濁度分別降低了10.7%和85.4%。

(3)回收排泥水易引起懸浮物、重金屬和有機物含量高、生物穩定性差等風險，回用排泥水時應注意過程水的水質監測，并考察回用排泥水是否對出水水質造成不利影響。