基于渾濁度的水廠工藝內控指標的精細化管理

李學榮，姚曉挺，夏 煒，施淑婷，呂騰飛

(永康市錢江水務有限公司，浙江金華 321300)

隨著生活水平的提高，人們對生活飲用水的水質要求越來越高。同時，生活飲用水衛生標準與時俱進，檢測項目增多、標準更加嚴格。2003年，浙江省城市水業協會出臺了《浙江省城市供水現代化水廠評價標準》，對出廠水渾濁度的限值由≤1.00 NTU調整為≤0.10 NTU。為確保低耗、穩定供水，水廠不僅要對凈水工藝建立更加嚴格的內控標準，而且要強化各處理單元運行管理[1]。目前，水廠主要依據各水處理單元的實際設計參數、工作經驗建立內控工藝標準，但不具有普適性。因此，水廠應依據自身水處理工藝及原水水質建立相適應的內控工藝標準。

某水廠于2019年6月通過浙江省現代化水廠評審，水廠內部工藝內控指標只是針對原水渾濁度進行了簡單的劃分(表1)，經多年生產經驗驗證，該指標已無法滿足實際生產的需要。

表1 水廠工藝內控指標Tab.1 Internal Process Control Indices of WTP

為進一步優化內控標準，本文根據原水渾濁度的變化進行生產性試驗，且對影響濾后水水質的濾池參數進行了測定及優化，對內控工藝標準進行了精細化調整。

1 原水及工藝現狀

該水廠以水庫水為原水，除渾濁度外，其余水質指標均穩定達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅲ類水質要求。該水庫原水渾濁度全年大部分時間低于3.00 NTU，但5月—8月受梅雨季節及臺風影響，原水渾濁度可高達30.00 NTU以上。該水廠采用“混凝-沉淀-過濾-消毒”常規處理工藝。

(1)折板絮凝池和平流沉淀池。折板絮凝池分兩期生產線，每條生產線設計規模為10萬m3/d，實際處理能力為6萬m3/d，有效絮凝時間為22.8 min；沉淀池采用平流沉淀池，排泥采用虹吸式吸泥機，可實行遠程編程控制，吸泥周期為48 h，可根據水質實際情況進行調整，以達到最佳制水效果。

(2)濾池。目前有兩組V型濾池，每組濾池分為6格，工作時間為24 h，當水質水量發生變化時，以水頭損失為2.0 m控制濾池反沖洗。單獨空氣反沖洗時強度為15 L/(s·m2)，時間為4 min；氣水同時反沖洗時氣沖強度為15 L/(s·m2)，水沖強度為4 L/(s·m2)，時間為4 min；單獨水反沖洗時強度為4 L/(s·m2)，時間為4 min；表面漂洗強度為1.8～2.2 L/(s·m2)，時間為4 min。濾料的濾料結構為承托層，選用粒徑為2～4 mm的石英粗砂，層厚為50 mm，均勻濾料層厚為1 200 mm。

(3)清水池。清水池有效水深為4 m，總容積為28 000 m3，約占水廠日制水量的14%。

2 試驗方法與步驟

由于原水渾濁度季節性變化很大，結合渾濁度變化規律，在2020年全年分階段進行研究。研究分3步進行：(1)混凝攪拌試驗；(2)生產性試驗；(3)濾池運行效率的影響因素。

2.1 混凝攪拌試驗

在實驗室進行混凝攪拌試驗，確定不同聚合氯化鋁(PAC)投加量條件下，所對應的沉淀池出水渾濁度，并以此結果輔助生產性試驗。同時，密切關注在同樣PAC投加量條件下，混凝攪拌試驗沉淀池出水的渾濁度和生產線沉淀池出水渾濁度的差異。如差異過大，調整混凝試驗攪拌參數。

2.2 生產性試驗

選取該水廠二期生產線進行生產性試驗，觀察在不同的PAC投加量條件下，沉淀池出水渾濁度的變化，并記錄相應濾池濾后水的渾濁度變化。

水廠二期生產線可分為二期一號和二期二號，在保證出廠水渾濁度≤0.10 NTU的條件下，選取二期二號生產線進行生產性試驗，二期一號生產線作為對照組。在試驗期間，所記錄的原水渾濁度、沉淀池出水渾濁度、濾池濾后水渾濁度以生產線上所安裝的在線儀表所顯示的數據為準。同時，每隔4 h對各個儀表進行在線比對，如差異過大，對在線儀表進行校準維護。

2.3 濾池運行效率的影響因素

在進行生產性試驗期間，進行濾池技術參數的測定，并考察相關運行參數對濾后水渾濁度的影響。

3 結果分析與討論

3.1 混凝攪拌試驗

3.1.1 試驗參數的確定

為實現混凝攪拌試驗對實際生產的指導，系統地對生產流程中各工藝參數進行分析，確定了混凝攪拌試驗的參數[2-3](表2)。

表2 混凝攪拌參數Tab.2 Parameters of Coagulation Jar Test

3.1.2 試驗參數的驗證

利用上述攪拌參數進行混凝攪拌試驗，不同加藥量下的渾濁度變化情況如圖1所示。將該曲線結果與實際生產中不同PAC投加量下沉淀池出水渾濁度進行對比(圖2)。

圖1 不同PAC投加量下的渾濁度變化Fig.1 Change of Turbidity under Different PAC Dosages

由圖1和圖2可知，在PAC投加量為15 mg/L和12 mg/L時，該程序的沉淀池出水渾濁度接近實際生產中沉淀池出水的渾濁度。該混凝攪拌試驗的參數可用于輔助生產中PAC的投加，后續的生產性試驗也證明了該指數切實可行。

圖2 生產線沉淀池出水和混凝試驗沉淀池出水渾濁度對比Fig.2 Comparison of Turbidity between Treated Water after Sedimentation of Production Line and Jar Test

3.2 生產性試驗

根據混凝攪拌試驗情況確定不同沉淀池出水渾濁度條件下的藥劑投加量，以此指導實際生產過程中PAC投加量的調整，并記錄沉淀池出水及濾后水的渾濁度變化。該水廠原水渾濁度大部分時間<3.00 NTU，且受季節影響較大，因此，以原水渾濁度<1.00 NTU、在1.00～5.00 NTU及>15.00 NTU為例，介紹該方面工作(表3～表5)。

表3 原水渾濁度<1.00 NTU時結果統計Tab.3 Result Statistics when Raw Water Turbidity <1.00 NTU

3.2.1 原水渾濁度<1.00 NTU條件下生產性試驗

由表3可知，隨著PAC投加量的降低，沉淀池出水渾濁度由0.08～0.10 NTU提高至0.30～0.40 NTU，濾后水渾濁度也由0.03～0.04 NTU上升至0.13～0.18 NTU。表明原水渾濁度小于1.00 NTU時，為使濾后水渾濁度小于0.10 NTU，沉淀池出水渾濁度應控制在0.15～0.23 NTU。另外，在試驗期間，15 mg/L的PAC投加量即可生成較粗大密實的礬花，但PAC投加量為20 mg/L時濾后水渾濁度才達標。推測原因是原水渾濁度過低，15 mg/L的PAC投加量不足以使水中膠體顆粒有效變大，需要提高PAC投加量強化混凝，以利于濾池過濾。因此，該渾濁度條件下對PAC投加控制要求較高。

3.2.2 原水渾濁度>15.00 NTU條件下生產性試驗

未受臺風影響時，原水渾濁度為1.40～1.85 NTU，PAC投加量為21 mg/L，沉淀池出水渾濁度為0.30～0.40 NTU，濾后出水渾濁度為0.06～0.08 NTU。受臺風影響，原水渾濁度突變至17.00～26.50 NTU，生產性試驗結果如表4所示。對比高、低渾濁度原水沉淀池出水渾濁度可知，原水渾濁度升高，沉淀池出水渾濁度將相應提高。推測原因是原水渾濁度高時，原水中雜質顆粒數較多，極大地增加了顆粒間相互碰撞的幾率，將形成較大顆粒，間接強化了過濾效果。該試驗表明，在此原水渾濁度條件下，為保證濾后出水渾濁度達標，沉淀池出水渾濁度應控制在1.72～2.05 NTU，且提高了濾池利用率。進一步降低PAC投加量時，沉淀池出水渾濁度提高，濾后出水水質不達標。因此，應依據原水渾濁度，控制濾池進水渾濁度。

表4 原水渾濁度>15.00 NTU時結果統計Tab.4 Result Statistics when Raw Water Turbidity >15.00 NTU

3.2.3 原水渾濁度在1.00～5.00 NTU條件下生產性試驗

(1)生產線PAC投加量試驗

原水渾濁度在1.00～5.00 NTU條件下的生產性試驗結果如表5所示，在此條件下，沉淀池出水渾濁度由0.16～0.18 NTU提高至0.36～0.40 NTU，仍可保證濾后水渾濁度≤0.10 NTU。根據《現代化凈水廠技術手冊》中關于絮體大小描述，0.6 mm的絮體為合適的大小，但實際生產中，經肉眼觀察，絮體尺寸在2 mm左右，可能存在PAC投加過量的情況。因此，進一步降低PAC投加量為5 mg/L，此時懸浮顆粒物少，缺少凝聚核，顆粒物無法通過沉淀被除去，導致沉淀池出水與原水的渾濁度接近，沉淀池出水渾濁度為1.20～1.55 NTU，濾后水渾濁度達到0.24～0.35 NTU。

表5 原水渾濁度在1.00～5.00 NTU時結果統計Tab.5 Result Statistics at Raw Water Turbidity 1.00～5.00 NTU

(2)絮凝沉淀池中礬花變化

結合表5與表6可知，隨著加藥量增加，礬花越來越大，沉降性能越來越好。加藥量為5 mg/L時，低渾濁度水中膠體未完全脫穩，且膠體顆粒碰撞、凝聚難度大，影響礬花生成，極易穿透濾池導致濾后水渾濁度升高。加藥量為10 mg/L時，雖有細小礬花生成，但仍有部分膠體顆粒未有效變大，容易穿透濾池導致濾后水渾濁度升高。當加藥量為12 mg/L時，細小礬花進一步脫穩、吸附架橋形成較大顆粒，生成的礬花較粗大密實，平流沉淀池可見深度較大，可保障濾后水渾濁度≤0.10 NTU。這表明水中顆粒物應充分脫穩變大，才易于被濾池截留、吸附。

表6 試驗期間絮凝沉淀池絮體現象Tab.6 Flocs in Flocculation and Sedimentation Tank during the Test

3.2.4 濾后水水質變化

不同PAC投加量條件下，濾后水水質對比如表7所示。PAC投加量由20 mg/L降低到12 mg/L，相應沉淀池出水渾濁度由0.17 NTU升高至0.40 NTU，濾后水渾濁度由0.03～0.04 NTU升高至0.07～0.09 NTU。同時，濾后水CODMn、Al檢測值均略微升高，但仍優于國家水質標準。

表7 濾后水水質對比Tab.7 Comparison of Filtered Water Quality

3.3 濾池運行效率影響的研究

濾池是常規水處理工藝的最終屏障[4-6]，可通過優化濾池運行參數達到強化濾池過濾性能的目的，以進一步提高沉淀池出水渾濁度。在原水渾濁度為1.00～5.00 NTU條件下的生產性試驗期間，進行濾池技術參數的測定，并考察運行周期、濾料級配對過濾效果的影響。

3.3.1 濾池技術參數的檢測結果

濾料反沖洗時膨脹率檢測：單獨氣沖時，濾料的膨脹率為40.0%；氣水混沖時，濾料的膨脹率為43.2%；單獨水沖時，濾料的膨脹率為2.0%。以上數據符合運行規程的要求。

濾料含泥率檢測：濾池整體的含泥率反沖洗前為0.243%、反沖洗后為0.182%，兩者之差為0.061%。反沖洗前后的含泥率均符合浙江省城市供水現代化水廠的評價標準(含泥率≤3.000%)。

濾料級配試驗：設計參數不均勻系數K80=1.2～1.4，有效粒徑d10=0.95 mm。由級配試驗可知，二期的4#、5#濾池的濾砂級配試驗符合設計參數，1#、2#、3#、6#濾池的濾砂級配試驗結果不符合設計參數。

3.3.2 濾池運行參數對過濾效果的影響

由濾池過濾效果影響因素可知，濾層厚度L與d10之比的大小將會直接影響濾池出水水質，4#、5#、6#號濾池濾砂d10=0.96、L=1 200 mm。同時，在生產性試驗過程中進行了濾筒中試試驗，濾筒中試試驗取4#和6#濾池砂子模擬濾池，該試驗表明級配對過濾效果沒有明顯影響。因此，以4#、5#、6#號濾池進行生產性試驗。

表8、表9分別為濾池運行周期及濾料級配對過濾效果的影響。由表8可知，在同一進水渾濁度條件下，改變濾池的運行時間對濾池的過濾效果無明顯影響。原濾池運行周期為24 h，由于運行周期為70 h時水頭損失升高明顯，經此試驗后確定濾池運行時間可延長至52 h，比之前延長28 h，可節省能耗。

表8 運行周期對濾后水渾濁度的影響Tab.8 Effect of Operation Cycle on Turbidity of Filtered Water Quality

表9 級配對濾后水渾濁度的影響(單位：NTU)Tab.9 Effect of Filter Sand Grading on Turbidity of Filtered Water Quality (Unit：NTU)

由表9可知，所對應濾池的濾后水渾濁度在0.20 NTU左右，濾后水渾濁度>0.10 NTU，濾料級配并未對濾池的過濾效果起到改善的作用[7-8]。

綜合濾池的試驗結果發現，V型濾池的運行周期及濾料級配并不會對過濾效果造成影響。結合生產線PAC投加量試驗與水廠工藝現狀，要保證濾后水渾濁度<0.10 NTU，應該合理控制濾前水渾濁度。

3.4 工藝內控指標的合理調整

系統性分析生產性試驗結果和濾池運行效率影響因素，濾池的濾后水渾濁度與沉淀池出水的渾濁度有緊密的聯系。因此，不能將沉淀池出水渾濁度依據原水渾濁度進行簡單劃分。

總結分析沉淀池出水渾濁度變化對濾后水渾濁度的影響，將沉淀池出水渾濁度內控標準依原水渾濁度變化進行精細化劃分(表10)。由表10可知，在保證濾后水渾濁度≤0.10 NTU的前提下，沉淀池出水渾濁度依據原水渾濁度有著不同的控制范圍[9-10]。該工藝內控標準可極大地提高水廠運行管理水平。

表10 沉淀池出水渾濁度工藝指標的合理調整Tab.10 Reasonable Adjustment of Process Index for Sedimentation Tank Outflow Turbidity

4 運行監測數據

將修改后的內控工藝標準用于實際生產，其運行結果如表11所示。結合生產性試驗結果，按原內控標準進行控制，無法實現濾后水渾濁度<0.10 NTU的要求。對比新舊標準可知，原內控標準沉淀池出水實際出水渾濁度與設計標準相差很大，對實際生產無指導意義。新的內控標準沉淀池出水渾濁度設定值與實際控制相符。新標準實現了PAC的合理投加，可降低平均礬耗10%左右，節約制水成本14萬元左右。

表11 新舊內控指標用于實際生產的運行結果對比Tab.11 Comparison of Operation Results of Old and New Internal Control Indics for Pratical Operation

調整沉淀池出水內控工藝標準之后，濾后水和出廠水渾濁度由<0.04 NTU升高至0.04～0.08 NTU，但濾池的渾濁度去除率提高了8%～35%，極大提高了濾池的利用率。同時，濾池仍可使用現用的反沖洗強度。

5 結論

(1)本研究對采用常規處理工藝、以水庫水為原水的水廠，提出了沉淀池出水渾濁度的內控標準：當原水渾濁度<1.00 NTU時，控制沉淀池出水渾濁度<0.20 NTU；當原水渾濁度為1.00～5.00 NTU時，控制沉淀池出水渾濁度為0.30～0.50 NTU；當原水渾濁度為5.00～15.00 NTU時，控制沉淀池出水渾濁度為0.60～0.90 NTU；當原水渾濁度為15.00～30.00 NTU時，控制沉淀池出水渾濁度為1.70～2.00 NTU。經驗證，該內控標準可有效保證出廠水渾濁度<0.10 NTU。

(2)經實際生產驗證，該工藝內控標準不僅實現了對不同原水渾濁度條件下對PAC投加的精細化控制，礬耗可節省10%左右，而且濾池的渾濁度去除率提高了8%～35%。

(3)在保證濾后水<0.10 NTU的前提下，濾池的運行周期由24 h提高至52 h，濾池反沖洗頻率下降，極大地降低了電耗、水耗。

(4)本文依據原水渾濁度的變化提出了沉淀池出水內控標準，而原水的藻類、雜質、堿度及水處理工藝的水力條件等均有一定影響。因此，需進一步研究其他因素對沉淀池出水內控標準的影響，以達到節能降耗的目的。