水庫原水的常規與深度處理工藝效果比較

岳宇明，顧煒榮，陶 駿，張駿超，朱肖波

（1.上海城投水務（集團）有限公司制水分公司，上海 200086；2.上海城投水務（集團）有限公司，上海 200002；3.上海城投水務（集團）有限公司長橋水廠，上海 200231；4.上海城投水務（集團）有限公司南市水廠，上海 200011）

某市釆用常規處理工藝的A水廠與釆用深度處理的B水廠均采用某江心水庫原水作制水水源，考慮到水庫水質季節性變化這一特征，為了確保供水安全，研究在藻類暴發期兩廠不同工藝處理水庫水的效果，了解常規處理與深度處理兩者的差距，對該市供水工作有重大意義。本文針對該時段特別關注的兩廠岀廠水質控制指標如：藻類、鋁、三鹵甲烷總量、CODMn、溶解性有機物、pH、濁度測定結果展開討論。通過水質對照，弄清臭氧活性炭深度處理工藝凈化效能較常規工藝的優勢與不足，為水廠凈水工藝升級改造提供借鑒［1-4］。

1 工藝流程

兩水廠處理工藝流程如圖1所示。

圖1 A、B兩水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Charts in Waterworks A and B

2 檢測方法與儀器

藻類檢測采用藻類計數法，儀器：顯微鏡，型號為奧林巴斯cx21；出廠水鋁檢測采用國標ICPMS儀器法，儀器型號：布魯克ICP-MS M50；三鹵甲烷總量-氯化消毒副產物檢測采用國標頂空＋氣相色譜法，儀器型號：安捷倫7890，氣相色譜儀＋頂空進樣器；CODMn測定采用GB 5750—2006酸性高錳酸鹽滴定法；有機物分子量分布檢測采用凝膠滲透色譜法測定，儀器：采用美國安捷倫公司生產的凝膠色譜儀，型號：PL-GPC50；顆粒計數用于檢測水中微小顆粒，采用顆粒計數器，儀器型號：島津SALD-301V激光粒度儀；出廠pH測定采用電極法，在線pH儀型號：HACH DPD1P1。

3 結果與討論

為深入了解藻類暴發期兩水廠不同工藝水質處理效果，對關注率較高的藻類、出廠鋁、有機物、顆粒計數等指標進行了監測，從2016年6月14日起每隔一周左右對出廠鋁、pH值、出廠三鹵甲烷、CODMn進行采樣，共13次?？紤]到檢測的繁瑣性，2016年8月11日起每隔一周對藻類、凝膠滲透色譜、顆粒計數進行采樣，共3次。

3.1 藻類

由于富營養化導致水庫水藻類暴發，給水廠運行帶來不利影響，包括：堵塞濾池，藥耗增加，致臭，藻類還可分泌出藻毒素影響水質安全。A水廠原水、沉淀出水、砂濾出水藻類檢測結果按三次平均值統計，如表1所示。

表1 A水廠過程水藻計數_Tab.1 Algae Counts in Process of Waterworks A

B水廠原水、沉淀出水、砂濾出水、炭濾出水藻類檢測按平均值統計，結果如表2所示。

表2 B水廠過程水計數Tab.2 Algae Counts in Process of Waterworks B

由表1、表2可知，A水廠混凝沉淀藻類細胞總數去除率為85.92%，B水廠為70.60%，原水經混凝沉淀、砂濾后總藻的去除率A廠為99.71%，B廠為95.83%，A水廠去除效果更佳。目前針對富營養化水體的藻類，采用了多種控制技術，主要有：化學藥劑法、微濾機、氣浮、強化混凝沉淀和生物處理及投加粉末活性炭6種。一般水廠較常用的化學藥劑法主要是在沉淀池前投加氧化劑以殺死藻類，使其易于在后續水處理工藝中去除?？紤]到單純的預臭氧消毒會使出廠水AOC值上升，影響管網水的生物穩定性，使管網中細菌生長的問題加劇，同時成本上也高于預氯化，出于經濟、運行管理等方面考慮，目前常規處理水廠慣用的除藻技術仍為預氯化，針對青草沙水庫水在藻類暴發期一般在浦東五號溝泵站投加1.0 mg／L左右次氯酸鈉使進廠總氯控制在0.1～0.2 mg／L或是必要時輔助投加約 10 mg／L 的粉末活性炭，具體視原水污染情況定奪。原水進廠后再投加適量的次氯酸鈉進一步除藻，然后強化混凝使藻類周圍分泌的帶負電荷有機物得以電中和，從而改變原來藻類物質的結構，易于脫穩，然后利用混凝劑水解產物的吸附架橋作用而使其下沉、去除。

3.2 出廠水中鋁

有研究表明，攝入過多鋁會導致老年癡呆，飲用水是人體攝入鋁的途徑之一。生產實踐發現當pH值較高的含藻水進入常規處理水廠后，投鋁混凝劑時出廠水鋁將面臨超標的風險，因此，給水處理中鋁鹽混凝劑的投加成為共同關注的焦點。A、B兩廠水質監測期間投加硫酸鋁劑量如圖2所示。

A、B兩水廠出廠鋁含量及pH值如圖3所示。

圖2 A、B兩水廠硫酸鋁投加量及A水廠沉淀池出水濁度Fig.2 Dosages of Aluminum Sulfate in Waterworks A and B and Turbidity of Sedimentation Tank Effluent in Waterworks A

圖3 A、B兩水廠出廠水鋁含量、出廠pH值Fig.3 Effluent Aluminum Contents and pH Values in Waterworks A and B

出廠鋁鹽在水解過程中生成的膠體物質氫氧化鋁屬于兩性化合物，當其水解時能生成帶正電的陽離子，也能生成帶負電的陰離子，這主要取決于水的pH值。

如pH值＞8.5，氫氧化鋁離解成帶負電、溶于水的鋁酸鹽，反應如式（1）。

如水中堿度大（即 OH－濃度高），則式（1）向右進行。如在酸性溶液中，式（1）則向左進行。但如酸性太強時，氫氧化鋁也會溶解，反應如式（2）。

因此，pH就成為混凝沉淀工藝中決定投藥種類及數量的重要因素。A、B兩水廠均采用硫酸鋁為混凝劑，原水均采用青草沙水庫水，水質較穩定且兩水廠進廠水質較接近。由圖2數據中不難發現，監測期間A水廠混凝劑投加量平均為29.34 mg／L，B 水廠為 23.45 mg／L，A 水廠要高出B水廠25.12%。同時，A水廠在前時段6月14日～7月26日的混凝劑平均投加量為21.17 mg／L，在后時段8月2日～9月20日混凝劑平均投加量為36.34 mg／L，較前時段增加了71.66%。沉淀出口濁度從平均0.50 NTU降低為0.24 NTU。相對應出廠pH平均值僅從7.53降低為7.46，降低幅度為0.93%。出廠鋁從前時段平均值0.097 mg／L 降低為后時段平均值 0.077 mg／L，下降了0.02 mg／L。以上分析表明，通過增加混凝劑投加量來降低pH從而達到降低出廠鋁的效果欠佳。根據國內一些常規處理工藝水廠生產實踐經驗，一般來說控制出廠鋁含量（尤其在藻類暴發期）主要的處理工藝為混凝沉淀，主要控制指標為沉淀出水濁度和pH，一般沉淀池出水pH值控制在≤7.6，沉淀池出口濁度＜0.5 NTU。圖3中A水廠出廠鋁平均為0.09 mg／L，出廠 pH值平均為7.5，B水廠出廠鋁平均為0.025 mg／L，出廠pH值為7.3。B水廠出廠鋁平均值比A水廠低72.22%，這主要由于B水廠臭氧生物活性炭的生物降解作用，炭池中生成較多的有機酸，直接導致出廠水pH值較常規處理A水廠出水低。由實際出廠鋁數據可知，控制出廠pH值在7.2～7.4，對鋁的控制更有利，這是A水廠現存工藝所未及的，所以從經濟角度，為達到降低出廠鋁的目的，沉淀池出水濁度的控制值并不是越低越好，A水廠應合理調整混凝劑本身的投加量。有水廠小試曾嘗試在混凝沉淀過程投加濃鹽酸或濃硫酸降低沉淀池出口pH，但經生產實踐證明此法不可行，主要是鹽酸或硫酸均屬于危險化學藥品，腐蝕性極強，且不易大量儲存。目前控制出廠鋁行之有效的方法是采用臭氧生物活性炭工藝，另外需要補充說明的是，由于B水廠混凝沉淀工藝采用高密度澄清池／斜板沉淀池，通常認為混凝沉淀效果較好，生產實際運行中一般控制沉淀池出口濁度＜1 NTU即可，由在線濁度儀實時監控，日常數據統計不包括沉淀池出水濁度，因而該指標在圖2中未曾體現。

3.3 消毒副產物-三鹵甲烷

三鹵甲烷是用氯消毒劑處理過的飲用水中產生的有機氯化合物，包括三氯甲烷、三溴甲烷、一溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷。其中三氯甲烷動物試驗被證明其有毒性和致癌性，其他成分也可能影響人體健康，我國生活飲用水標準GB 5749—2006規定該類化合物中各種化合物的實測濃度與其各自限值的比值和＜1。水質監測期間的三鹵甲烷總量變化情況如圖4所示。

圖4 A、B兩水廠出廠水THMs，Cl2及A水廠沉淀池出口余氯Fig.4 THMs and Residual Chlorine Values of Effluent in Waterworks A and B，Residual Chlorine Values of Sedimentation Tank Efflent in Waterworks A

氯消毒是為了降低微生物風險，但消毒劑會和水中未去除的部分有機物生成消毒副產物給人體健康帶來化學風險。三鹵甲烷含量反映水處理工藝對水中三鹵甲烷生成勢的處理效果，也反映水質的安全與否。由圖4可知，在兩水廠出廠水余氯控制相近的情況下，A水廠三鹵甲烷總量平均為0.31 mg／L，B水 廠 三 鹵 甲 烷 總 量 平 均 為0.15 mg／L，B水廠出水三鹵甲烷生成量明顯低于常規處理A水廠。為進一步了解三鹵甲烷消毒副產物的形成，對兩水廠次氯酸鈉的投加量進行了統計，采樣期間兩水廠消毒劑次氯酸鈉的投加量情況如圖5所示。

圖5 A、B兩水廠次氯酸鈉投加量Fig.5 Sodium Hypochlorite Dosages in Waterworks A and B

A、B兩水廠的進廠水質基本相同，出廠余氯基本接近，由圖5可知，A水廠次氯酸鈉投加量平均為2.09 mg／L，與B水廠1.98 mg／L相比兩者相近。而從上述數據統計可得，B水廠出廠水三鹵甲烷總量比A水廠平均少51.6%，主要是因為B水廠采用臭氧活性炭工藝，預臭氧和后臭氧均可以部分氧化并降低三鹵甲烷前體物，活性炭工藝也可對其發揮生物降解作用，導致消毒副產物三鹵甲烷生成量大幅度減少，同時臭氧生物活性炭工藝對已生成的三鹵甲烷也有一定的去除作用。而A水廠雖然沉淀池出口余氯控制較好，平均值為0.14 mg／L（圖4），但由于預氯化為游離氯消毒致使出廠水有較多的三鹵甲烷生成。

3.4 CODMn

CODMn也稱為高錳酸鉀指數，是指水中可被高錳酸鉀氧化的還原性物質和有機物，這里所指的還原性物質是亞硝酸鹽、亞鐵鹽和硫化物等。由于大多數水體受到有機物污染，故耗氧量可作為水的有機物污染程度的間接指示指標。由于CODMn檢測不需要配備大型儀器，且操作簡便易控，所以一般該項目作為制水廠每日檢測的水質指標。這里選取與藻類暴發期水質監測相對應的時間段作研究。A、B兩水廠出廠CODMn及工藝去除率的情況如圖6所示。

圖6 A、B兩水廠出廠CODMn值及工藝去除率Fig.6 Effluent CODMnValues in Waterworks A and B and Process Removal Rates

由圖6可知，監測期間A水廠出廠水CODMn平均值為 1.31 mg／L，B 水廠平均為 0.85 mg／L，而國標GB 5749—2006的限值為3 mg／L。各水廠工藝對CODMn的去除率平均值分別為36.28%和60.68%，B水廠臭氧活性炭工藝對CODMn的去除率高出A水廠24.4%。

3.5 有機物分子量分布

凝膠色譜圖將水中有機物按分子量從大到小先后排出，高低與量相關，鐘形曲線所包面積代表有機物總量，通過對面積進行積分處理可較全面地了解兩種不同凈水工藝對溶解性有機物去除情況，檢測結果如圖7所示。

圖7 A、B兩水廠出水凝膠色譜圖Fig.7 Effluent Gel Chromatograms in Waterworks A and B

其中a、b、c分別代表取樣時間為2016年8月11日、2016年8月18日和2016年8月25日的GPC檢測圖譜，各曲線所包面積為有機物總量。圖7經過數據換算后得出如下結論：圖a顯示A水廠常規處理工藝溶解性有機物的去除率為42.86%，B水廠深度處理工藝溶解性有機物去除率為64.29%；圖b顯示A水廠常規處理工藝溶解性有機物的去除率為42.86%，B水廠深度處理工藝溶解性有機物去除率為62.57%；圖c顯示 A水廠常規處理工藝溶解性有機物的去除率為46.67%，B水廠深度處理工藝溶解性有機物去除率為65.07%?？偟膩碚f，A水廠工藝溶解性有機物去除率平均為44.13%，B水廠去除率則平均為63.97%，B水廠對溶解性有機物的去除率要高出A水廠19.84%。

由以上分析可知，B水廠采用臭氧生物活性炭工藝對消毒副產物三鹵甲烷、CODMn等有機物指標的去除效果較常規處理顯示出較強的優越性，通過凝膠色譜分析得出的分子量分布曲線圖譜也從另一側面驗證了該工藝的強勢。

3.6 顆粒計數

由于水中某些致病原生動物（如賈第蟲、隱孢子蟲）的大小為2～10 μm，故僅以濁度作為出水水質監控參數，難以有效保證出水的致病原生動物的衛生安全，針對上述問題，一些廠家采用敏感度較高的顆粒物計數器，其采用光阻法原理，可分別測定規定大小顆粒阻光信號。A、B水廠砂濾出水、出廠水按三次平均值統計數據如表3所示。

表3 A、B兩水廠砂濾、出廠顆粒計數Tab.3 Particle Counts in Filtered and Finished Water in Waterworks A and B

續 表

有研究認為水中致病微生物主要附著在顆粒表面或近表面，若控制了各類顆粒物質的總數量，就相當于限制了病原微生物的總數量。美國研究結果表明，為確保水質，濾池出水中粒徑大于2 μm的顆粒物的數量需控制在50個／mL以下。試驗研究表明：大于2 μm的顆粒物濃度小于50個／mL時，可以保證兩蟲的危害極低。雖然水質監測時段A、B兩水廠出廠濁度平均值分別為0.04 NTU和0.07 NTU，均小于0.10 NTU，但兩水廠均面臨著出水粒徑大于2 μm數量超標的風險。由表3數據統計可知，B水廠砂濾出水顆粒大于2 μm的數量較A水廠多16.88%，而出廠水大于2 μm的顆粒數量則高出A廠77.36%。出廠總顆粒數B水廠高出A水廠49.01%，可能與炭池出現微生物泄漏有關。以上數據表明B水廠深度處理對水中顆粒的去除效果不及A水廠常規處理。

3.7 二甲基異莰醇和藻毒素及溴酸鹽

由于監測期間水庫來水出庫連續投加10 mg／L粉末活性炭和0.7～1.0 mg／L的次氯酸鈉使進廠原水二甲基異莰醇含量較低，微囊藻毒素均小于檢測限，故未對A、B兩水廠出廠水進行這兩項檢測。另外經跟蹤檢測，在水質監測時段B出廠水溴酸鹽值均小于檢測限。

4 結論

由三次藻類檢測結果可知：A水廠原水經混凝、砂濾后對藻類細胞總數的去除率達99.71%，B廠的去除率為95.83%，A水廠除藻效果較好，主要手段是強化混凝，監測期間混凝劑投加量平均要高出B水廠約25.12%；B水廠臭氧活性炭工藝出廠鋁平均值為0.025 mg／L，A水廠常規處理工藝出水則為0.09 mg／L；B水廠出廠水三鹵甲烷生成量為0.15 mg／L，A 水廠則為 0.31 mg／L；B 水廠工藝對CODMn的去除率高出A水廠24.4%，對溶解性有機物的去除率較A水廠要高19.84%。

總的來說，A、B兩水廠出水水質均基本符合國標GB 5749—2006，B水廠工藝較A水廠常規處理工藝的優勢在于對有機物及鋁的去除效果要好。然而B水廠出廠水顆粒計數和濁度檢測數值均顯示高于A水廠，對管網水會帶來二次污染的風險可能較A水廠要大。

5 建議

（1）出水濁度與顆粒物數量呈一定的正相關，且顆粒物數量水質變化的指示較濁度更為敏感，為保證對兩蟲的有效實時監控，建議A、B水廠在砂濾池出口安裝在線顆粒計數儀。

（2）為確保供水水質安全，B水廠可在活性炭池后增設膜處理工藝，通過超濾膜的物理篩分作用強化對顆粒物的去除，進一步提升供水水質。而A水廠生產工藝可升級改造為臭氧活性炭＋超濾膜工藝。

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