北方某城市水廠凈水藥劑投加量的影響因素分析

宋云，劉銘，何康麗，楊宏娟

（銀川中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司，寧夏銀川 750021）

水是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源之一，但隨著城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)化程度的不斷提高，水資源的質(zhì)量受到越來越大的挑戰(zhàn)。水處理作為提高水資源利用價值和保護(hù)水環(huán)境的重要措施，在人們的生活和生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色。在水處理工藝中，混凝過程是重要控制程序之一[1]，凈水藥劑投加作為混凝過程的關(guān)鍵控制參數(shù)，直接影響出廠水水質(zhì)安全及水廠成本控制。在混凝過程中，凈水藥劑的投加不僅能夠降低原水的濁度，而且能夠有效去除附有病原菌的懸浮物。在混凝過程中，凈水藥劑的投加量則需根據(jù)原水水質(zhì)動態(tài)變化情況進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整，然而原水水質(zhì)受諸多因素影響，具有復(fù)雜性、周期性、季節(jié)性、突變性、隨機(jī)性等特點，各水質(zhì)指標(biāo)之間還存在一定的耦合性，且持續(xù)處于不斷變化中，給凈水藥劑的精準(zhǔn)投加帶來了極大困難。分析了凈水藥劑投加影響因素，以確保水處理工藝穩(wěn)定運(yùn)行，且出廠水符合國家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到精準(zhǔn)投加凈水藥劑的目的，為水處理行業(yè)的發(fā)展和水資源的保護(hù)提供新的思路和方法，對于城市供水安全及保障人民身體健康具有重要意義。

1 概況及原水水質(zhì)

北方某市地處黃河水系，地勢南高北低，曾是沿黃城市中守著黃河卻不飲黃河水的省會城市。自2010 年起，某市出現(xiàn)地下源地水質(zhì)超標(biāo)、城市超采區(qū)地下水漏斗、水資源總量不足、供水量不充足等問題。2019 年初，為解決水資源及水安全等問題，以黃河地表水補(bǔ)充和替換區(qū)域現(xiàn)有地下水源，建設(shè)黃河取水泵站，將黃河水提升入渠，通過箱涵遠(yuǎn)距離輸水自流入水庫，經(jīng)調(diào)蓄沉沙后，自流出庫向水廠。

水廠采用強(qiáng)化常規(guī)水處理工藝，包括絮凝、沉淀、過濾、消毒等過程。隨著黃河水系作為原水運(yùn)行，對原水水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，原水水質(zhì)具有季節(jié)性、周期性、突變性等特點，具體表現(xiàn)如下。

1.1 冬季低溫低濁

根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，通常冬季水庫水溫在5 ℃以下。水溫過低，水的動力粘度系數(shù)將增大，并且減慢了水中膠體的顆粒運(yùn)動速度，減少了相互碰撞的概率，不易使顆粒凝聚；混凝絮體質(zhì)量較小，不易下沉，很難形成沉淀，實現(xiàn)固液分離；水濁度較低，水中膠體顆粒較少，相互之間碰撞機(jī)會少，影響凝聚和沉淀效果，需密切關(guān)注混凝絮凝效果。

1.2 pH 值較高

根據(jù)資料顯示，在水中鋁以不同的形態(tài)存在，它存在的形態(tài)受pH 值的影響較大，當(dāng)原水pH 值大于7.5時，凈水藥劑的混凝效果開始變差，可能使鋁溶出量增加，使得出水中鋁的質(zhì)量濃度升高。該水庫原水的pH值波動區(qū)間為7.84～8.80，為典型的高pH 值原水，需要關(guān)注絮凝劑的投加量與出廠水中鋁的殘余質(zhì)量濃度。

1.3 上游污染源

水泵站上游為黃河流域蘭州段，該區(qū)域化工、石油等企業(yè)較多，有可能出現(xiàn)石油、化工產(chǎn)品、原材料等泄露、爆炸等化工污染事故，將危及下游黃河流域水質(zhì)情況，因此，取水泵站需加強(qiáng)對石油類、有機(jī)酚類、重金屬、苯系物等特征污染物的監(jiān)測。

1.4 底泥可能成為地表水體污染的主要污染源

底泥一般指江河湖海的沉積物，是自然水域的重要組成部分。水中的部分污染物會通過沉淀或者由顆粒物吸附而蓄存于底泥中，從而使底泥成為地表水體污染物的重要蓄積庫。底泥作為地表水體巨大的潛在污染源，適當(dāng)條件下污染物可能又會被重新釋放出來，成為二次污染源，特別是當(dāng)外源污染得到有效控制或者完全被截斷后，底泥可能會成為地表水體污染的重要污染源。

2 實驗方法

2.1 確定研究對象

研究對象為北方某城市的一個地表水廠，該水廠采用化學(xué)處理方法進(jìn)行水質(zhì)凈化，主要投加凈水藥劑進(jìn)行處理。

2.2 數(shù)據(jù)篩選

研究數(shù)據(jù)來自于該水廠長期的運(yùn)營數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和投加藥劑量等相關(guān)信息。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，研究凈水藥劑投加量的影響因素。

為分析研究凈水藥劑的投加情況，探討原水水質(zhì)對凈水藥劑投加量的影響，選用2022 年全年水廠凈水藥劑聚合氧化鋁（PAC）的投加量數(shù)據(jù)，與原水水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

通過對比分析，探討凈水藥劑投加量與原水水質(zhì)的相關(guān)性，為日后水廠高效運(yùn)行提供有力支撐。根據(jù)逐月凈水藥劑投加量和逐月原水水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，將凈水藥劑月度投加量、原水溫度、原水pH 值、原水渾濁度、出廠水渾濁度、出廠水中鋁的質(zhì)量濃度、出廠水pH 值列于表1。由表1 可知，凈水藥劑投加量與部分水質(zhì)數(shù)據(jù)存在一定關(guān)系。

表1 2022 年水廠凈水藥劑PAC 投加量和部分水質(zhì)數(shù)據(jù)（月平均）

3 結(jié)果與分析

3.1 原水渾濁度對凈水藥劑投加量的影響分析

在水處理工藝中混凝的主要目的是去除水中的懸浮顆粒物，以降低水中的渾濁度，而渾濁度是反映水中懸浮物和膠體雜質(zhì)的重要指標(biāo)。由混凝機(jī)理和實際生產(chǎn)運(yùn)行中的經(jīng)驗可知，原水渾濁度的大小直接關(guān)系凈水藥劑投加量。目前所建立的智慧藥劑投加系統(tǒng)即為自動化投藥數(shù)學(xué)模型，此模型可根據(jù)原水水質(zhì)情況實現(xiàn)精準(zhǔn)藥劑投加，達(dá)到降本增效的作用。

在水處理工藝中將濁度去除率作為判斷混凝效果的指標(biāo)之一，根據(jù)水廠2022 年全年P(guān)AC 投加量、原水渾濁度及出廠水渾濁度監(jiān)測數(shù)據(jù)計算濁度去除率，原水渾濁度與凈水劑的投加量呈現(xiàn)較大的正偏態(tài)和較高的峰度，分布較為集中，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢。原水渾濁度為5 NTU 以上，且原水濁度增加時，水中的顆粒將更多受到水解作用而發(fā)生沉降，這會使出水水質(zhì)變差，所以隨著原水濁度的增加，應(yīng)適當(dāng)增加凈水藥劑的投加量，且能保持較好的濁度去除率。

如果凈水藥劑不足，在水中形成的絮體很小，顆粒間距離大，不能快速沉淀下來，而沉降到池底時又可能堵塞管道。但應(yīng)注意，過量投加凈水藥劑會導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。原水渾濁度為5 NTU 以下時，隨著原水渾濁度降低，PAC 投加量呈現(xiàn)上升趨勢，且濁度去除率并沒有隨著PAC 投加量增加而升高，并處于65%～85%。

在實際生產(chǎn)中，若原水水質(zhì)發(fā)生較大變化時，應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)的變化情況適當(dāng)調(diào)整凈水藥劑的投加量。且水廠應(yīng)結(jié)合原水渾濁度情況適當(dāng)調(diào)整凈水藥劑的投加量，以確保出產(chǎn)水水質(zhì)安全。

3.2 溫度對凈水藥劑投加量的影響分析

根據(jù)提供凈水藥劑投加量及水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，運(yùn)用原水渾濁度與出廠水渾濁度計算濁度去除率，具體情況如表2 所示。

表2 水廠PAC 投加量與水溫、原水濁度及濁度去除率的關(guān)系

水溫對凈水藥劑的投加量會產(chǎn)生一定影響[2]。在實際操作中，水廠需要結(jié)合水源水溫變化情況，調(diào)整凈水藥劑的投加量和加藥時間，來確保水的處理效果和水質(zhì)的穩(wěn)定性。

由表2 可知，2022 年原水水溫的變化區(qū)間為0.5～28.6 ℃，原水溫度冬季低于夏季；原水渾濁度為1.25～12.60 NTU，且1—3 月為低溫低濁，5—10 月的渾濁度偏高于其他月份；濁度去除率為80.00%～98.25%，基本上隨著投加量的增加有所升高。

其中，1—3 月冬季低溫低濁時投加量為6.35 mg/L，濁度去除率明顯低于7—9 月同樣投加量的渾濁度去除率，說明低溫低濁對混凝效果影響較大，主要原因是低溫時凝聚劑的水解速率變慢、凝聚時間延長，絮體生長緩慢。

溫度降低后，水中的有機(jī)物分解成了較小的分子團(tuán)顆粒。這些小顆粒在沉降過程中受到水流阻力的影響，沉降速度明顯減慢。同時水溫低導(dǎo)致水中微生物種類、數(shù)量減少，從而使得絮體生長緩慢。混凝效果較差，需增加PAC 投加量以增強(qiáng)混凝效果，確保水質(zhì)安全。

3.3 出廠水中鋁質(zhì)量濃度對凈水藥劑投加量的影響

水廠PAC 投加量與出廠水中鋁的質(zhì)量濃度的關(guān)系如表3 所示。

表3 水廠PAC 投加量與出廠水中鋁的質(zhì)量濃度的關(guān)系

為了保障飲用水安全和人體健康，目前中國對飲用水中殘留鋁的質(zhì)量濃度制定了嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)，要求飲用水中的殘留鋁質(zhì)量濃度不大于0.2 mg/L。水廠選用PAC 為凈水藥劑，若PAC 投加量控制不好，不但不會消除原水中的鋁，有時將會使出廠水中鋁質(zhì)量濃度增加。

根據(jù)表3 可知，在投加PAC 后，出廠水pH 值明顯低于原水pH 值，保持在7.77～8.32，此時，水廠出廠水中鋁的質(zhì)量濃度為0.02～0.09 mg/L，明顯低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值0.2 mg/L，且濁度去除率為80.00%～98.25%，說明保證混凝效果的同時能夠確保出廠水中鋁的質(zhì)量濃度。

3.4 凈水藥劑過量投加對處理效果的影響

凈水藥劑過量投加會導(dǎo)致水處理效果下降。當(dāng)凈水藥劑投加量在一定范圍內(nèi)時，濁度去除率和降低渾濁度的效果會逐漸增加。但是，當(dāng)凈水藥劑投加量超過一定值時，水質(zhì)將會變差。這是因為凈水藥劑過量投加會對水體產(chǎn)生負(fù)面影響，造成水質(zhì)惡化。因此，水廠在進(jìn)行凈水藥劑投加時，必須注意投加量的控制，確保在合理范圍內(nèi)，以保證水處理效果最優(yōu)化。

4 結(jié)論

凈水藥劑的投加量是影響水處理效果的重要因素之一。在實際操作中，應(yīng)根據(jù)水質(zhì)情況、水溫及凈水藥劑的特性和用途等因素，更加全面地探究影響水質(zhì)的因素，靈活調(diào)整投加量。建議在投加凈水藥劑時，應(yīng)定期監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)，確保水質(zhì)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和水廠自身的要求。此外，由于凈水藥劑的投加量對水處理效果有直接影響，因此在投加量的確定過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，避免過量或不足投加。只有確保凈水藥劑的投加量合理，才能保證水質(zhì)穩(wěn)定安全。