斜峪關水廠突發高濁度來水處理措施及效果研究

拜旭東，袁傲迪，李 輝

（寶雞水投秦渭水務有限公司斜峪關水廠,陜西 寶雞 721004）

黃河是我國典型的高濁度河流之一[1],其平均含沙量是世界第一[1,2],其汛期的輸沙量占據全年輸沙量的絕大部分。對于以黃河流域地表水為飲用水源的地區,除需要常年面對高濁度來水外,還面臨汛期突發高濁度來水的挑戰。在《高濁度水給水設計規范》中給“高濁度”的定義為含沙量或濁度較高,水中泥沙具有分選、干擾和約制沉降特征的原水[3]。高濁度水除以上特征外,其流變特性與清水具有較大差別[4],由于高濁度水中泥沙含量較多,導致泥沙顆粒碰撞機會增多,水體的自凝作用要比清水強烈很多,除此之外,高濁度來水同時伴隨著較高的總氮含量和COD含量[5,6]。高濁水以上的特征帶來許多問題,如不能及時處理,可能導致自來水廠的處理工藝癱瘓[7],還可能導致出廠水水質不達標,對供水用戶帶來潛在的飲用水安全問題[8],因此有必要加強對高濁水處理效果的研究。目前自來水廠常用自來水處理工藝為混凝-沉淀-過濾-消毒工藝[9],但并不一定能滿足給水處理的要求,尤其在汛期常規工藝更不能滿足要求,因此為了使自來水廠出水達標供給,自來水廠在面對突發進水濁度改變時常選擇增加絮凝劑和助凝劑含量的情況。

斜峪關水廠位于黃河流域渭河一級支流石頭河水庫下游,距石頭河水庫大壩932 m,占地8.13 hm2,設計日處理能力13 萬m3。屬于寶雞市石頭河水庫引水項目,于2010 年5 月修建,2014 年5 月投入運營。截止2021 年底已向寶雞市高新區、陳倉區虢鎮、蔡家坡城區和眉縣縣城地區供水1.3億m3,目前日平均供水量為8萬m3。期間處理過低溫低濁、高耗氧量原水,也處理過突發高濁原水,特別是2021 年9 月份,石頭河上游流域連降暴雨,入庫流量大,庫水位上升較快,泄洪次數較多,泄洪量大,致使斜峪關水廠原水濁度在24 小時之內由原8 NTU上升到1400 NTU,斜峪關水廠積極應對,采取有效措施,保證出廠水符合《國家生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）要求[10]。

1 水廠概況

1.1 工藝介紹

斜峪關水廠從石頭河水庫斜峪關電站前池取水,經調流調壓閥、流量計測流、前加氯預氧化,進入穩壓配水井穩壓分配調節,通過管道輸水至靜態混合器和加入的絮凝劑（聚合氯化鋁）混合進入小網格反應池,在小網格反應池前端投加助凝劑（益維凈）,水中的懸浮物、雜質等在小網格反應池充分混合反應、絮凝,形成的絮狀物一部分在小網格反應池沉降通過排泥閥排泥,一部分在平流沉淀池（平流深沉池長108 m×18.9 m,在設計流量1.66 m3/s的情況下,水的水平流速為12.5 mm/s,沉淀時間2.4 小時）沉淀,通過虹吸式吸泥機排泥。沉淀池末端集水槽收集表面上清液流向濾池。濾池共分8組,一組池體長11 m,寬7 m,高5.15 m。通過液位、濁度或時間控制進行反沖洗。過濾后通過暗渠匯集流向清水池,清水池前進行次氯酸鈉投加消毒,完成凈化處理。經過60 kmDN1200、DN600 球墨鑄鐵管和鋼管輸水至寶雞市區及眉縣、蔡家坡、陳倉區城區與城市管網相接。斜峪關水廠清水池5000 m3,寶雞調蓄水池16000 m3,陳倉調蓄水池4000 m3,蔡家坡調蓄水池4000 m3,眉縣調蓄水池2000 m3,在寶雞、陳倉供水站設補氯設施進行二次補氯。

1.2 處理工藝流程

斜峪關水廠凈水工藝采用常規處理工藝,即混凝、沉淀、過濾、消毒進行凈化處理。工藝流程見圖1。

圖1 水廠工藝流程圖

2 自來水廠運行情況與原水水質變化

2.1 運行情況

斜峪關水廠2014 年5 月4 日投入運行至今已7 年半時間,已向眉縣縣城、蔡家坡地區、陳倉區虢鎮地區和寶雞市高新區供水1.3 億m3,保障了60萬城鄉居民生活及工礦企業用水需求,為寶雞市經濟發展發揮了巨大作用。但由于斜峪關水廠距離石頭河水庫較近,水庫水質的變化直接影響水廠制水工況的調整,其中遇到過低溫低濁、高耗氧量、高濁度水處理等諸多難題,但均成功處理,滿足出水水質標準,本文重點研究突發高濁度來水處理措施及處理效果。

2.2 原水水質變化

運行初期,原水濁度、COD、NH3-N、pH值都比較穩定,年平均濁度在5 NTU以內,COD為3 mg/L以內,NH3-N為0.3 mg/L、pH值為8.0 以下。受石頭河上游暴雨和水庫泄洪影響,進廠原水濁度大于20 NTU的天數2017 年為3 天,2018 年38天,2021 年多達118 天。每年泄洪次數、泄洪流量、進廠濁度、高濁水持續時間的不同,給制水工作帶來很大的考驗。見圖2和圖3。

圖2 2017年～2019年濁度變化天數統計

圖3 2017年～2019年濁度變化天數與泄洪次數統計

根據統計結果可以看出自2017 年開始,原水中高濁水發生天數顯著增加,至2021 年原水中濁度＞20 NTU的天數達到了120 天,且濁度變化與上游水庫泄洪次數有關,根據表3 的統計結果可以看出,2021 年泄洪次數為4 次,原水中濁度＞50NTU的天數高達72 天,說明來水濁度與泄洪次數具有一定的相關性。

3 處理措施

斜峪關水廠面對高濁水預警,反應迅速,積極應對,采取有效措施,保證出廠水符合《國家生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）要求。

當進廠水水質發生突然報警或者接到泄洪通知,啟動高濁水應急預案,按照高濁水應急預案程序操作,積極行動,相互配合,聽從指揮。

3.1 通過調整藥劑投加量,確保處理效果

斜峪關水廠采用的絮凝劑為聚合氯化鋁、助凝劑為益維凈、根據來水濁度變化,調整加藥量,根據圖2和圖3的濁度變化,可以看出2021年來水的濁度最高,因此選擇2021年9月6日至10月31日的來水與藥劑投加為研究對象。

2021年8月13 日,石頭河水庫上游突降暴雨,入庫流量增大,進廠水濁度由4 NTU上升到25 NTU,9月6日、 18日、26日、10月6日泄洪四次,進廠水濁度由8 NTU上升至最高1400 NTU,由于泄洪間隔時間較短,濁度波動較大,高濁水持續時間較長,50 NTU以上濁度持續72天,給斜峪關水廠制水帶來前所未有的考驗。全體職工認真對待,及時調整加藥量、加強吸排泥、認真觀察處理效果、加強水質檢測,控制沉后水濁度,加強反沖洗,出廠水濁度有效控制在0.6 NTU之內,保證出廠水質符合國家標準,滿足60萬城鄉居民用水需求。最大藥劑投加單耗聚合氯化鋁達到159 mg/L,益維凈達到24 mg/L,排泥次數19 次/d,吸泥次數7 次/d。至11月11日原水濁度降至50 NTU以內,12月10日降至20 NTU以內,藥劑投加聚合氯化鋁降至60 mg/L,益維凈降至6 mg/L,達到泄洪前藥劑投加量,具體統計數據分析見圖4和圖5。

圖4 濁度變化聚合氯化鋁投加量統計圖

圖5 濁度變化與益維凈投加量統計圖

每次泄洪或暴雨,無法估計進廠水濁度變化,只能先采取加大投加藥量,觀察反應效果,再做混凝實驗,根據反應情況和混凝實驗結果及時增減藥劑投加比例,待原水濁度穩定后,及時做混凝實驗,進一步確定藥劑投加比例,隨著原水濁度下降,緩慢減小藥劑投加量,確保出水水質。

通過以上統計圖可以明顯看出,高濁度進水時聚合氯化鋁的用量明顯增加,在9月6日、18日、26日、10月6日四次泄洪時,濁度、藥劑用量明顯波動,至9月27日進水濁度最高達到1400 NTU,聚合氯化鋁的用量在9月27日增加至143 mg/L,同時益維凈的投加量也增加至最高21 mg/L。

3.2 調整吸排泥次數,保證絮體沉降效果

高濁水進入平流池沉淀時屬于擁擠沉降,泥沙顆粒是以群體形式下沉,在沉降過程中會形成一個清水和渾水交界面,即稱渾液面。渾液面沉降緩慢,絮凝劑和助凝劑混凝反應激烈且快,沉降加速,淤泥多數沉淀在小網格反應池和平流池前端。我們采取每小時小網格反應池排泥一次,兩小時平流池吸泥一次,保證沉降有效空間,確保沉后水濁度控制在3NTU之內,吸排泥次數與原水濁度變化見圖6。

圖6 原水濁度與吸泥次數統計圖

通過圖6 可以看出,進水濁度較高時每天的吸泥次數明顯增加,吸泥次數最高發生在9月28日,而原水最高濁度為9月27日,這是因為投加藥劑后經過絮凝和沉淀需要一定的時間,因此在9月28日吸泥次數最高為7次。

3.3 其他措施

3.3.1 增加水質監測頻率

水質監測是確保水質合格的重要手段,在高濁水進水期間,加強人員檢測與在線儀表觀測相結合,檢測人員分為兩組,在取水口進行原水濁度和水廠內進行沉后水和濾后水檢測,原水30 min檢測一次,沉后、濾后2小時檢測一次,現場采樣、現場檢測、及時反饋,與水廠內各工藝在線儀表數據進行比較,進一步指導生產。

3.3.2 加強反沖洗

高濁水期間,8 組濾池全部運行,水量不變降低過濾速度,若沉后水濁度較高,濾池壓力就大,根據濾后水檢測結果,對超過1 NTU的濾池及時進行反沖洗,確保出廠水濁度控制在0.6 NTU范圍內。

4 處理效果

為了更好地研究在進水濁度突變條件下所采取措施的效果,嚴格監測出廠水水質變化情況。分別測定了進出水濁度與CODMn的變化情況。

圖8 2021年汛期進出水CODMn變化

通過圖7 可以看出,汛期進水濁度變化較大,在9 月27日濁度達到1400 NTU。雖然進水濁度變化較大,但是通過改變加藥量和吸排泥次數,可以明顯降低汛期自來水廠出水的濁度,可以看出出水的濁度均低于0.6 NTU。其次,通過CODMn的變化可以看出,進水CODMn的變化范圍在3 mg/L～8 mg/L,但是通過改變絮凝劑和助凝劑的投加量以及吸排泥次數可以看出出水的CODMn顯著降低,出水平均CODMn僅為1.70 mg/L。濁度和COD完全符合飲用水水質標準。

圖7 2021年汛期進出水濁度變化

5 小結與展望

5.1 小結

突發高濁度進水是自來水廠需要面對的周期性問題,高濁水會使進水水質發生變化,如不能及時處理,一方面對自來水廠現有的處理工藝造成沖擊,另一方面可能使出水水質不達標,對飲用水安全造成潛在影響。斜峪關水廠自2016年以來,在處理突發進水濁度變化（升高）方面積累了大量的經驗,主要通過改變絮凝劑和助凝劑的投加量,以及增加吸排泥次數等方式,使出水水質滿足飲用水水質標準。

5.2 展望

高濁度水處理是給水處理中重要的研究領域,目前關于高濁度水的處理工藝較多,但主要是通過投加混凝劑和助凝劑降低來水的濁度。因此在降低高濁度水的過程中,主要起作用的是混凝和沉淀工藝,因此在研究過程中應加強：

（1）混凝和沉淀機理的研究。對于混凝和沉淀機理的研究,可以更好地幫助理解混凝和沉淀的過程,以幫助在處理過程中更精確地控制絮凝劑和助凝劑的投加。

（2）加強在實際高濁度水處理過程中來水濁度變化的圖像研究。通過濁度變化的圖像反饋至加藥車間,可以幫助操作人員及時的改變加藥量。

（3）對于高濁度來水的來水處理,目前大多依靠人工的觀察和濁度的檢測,往往造成實際加藥時間滯后,因此在實際處理中應該加強人工智能和數學模型的研究,通過數學模型及時對來水濁度進行預測,加大人工智能的研究和應用有助于做到精準加藥。

（4）泥沙及時排除的研究。高濁度水沉淀產生的大量泥沙,如果不及時排走,會影響到沉淀池的正常運行。