農村安全飲水工程水廠強化除砷工藝探索

夏 偉，彭超群，易高飛

（1. 湘陰縣水利局，湖南 岳陽 414600； 2. 湘陰縣水利水電勘測設計院，湖南 岳陽 414600；3. 湖南三湘四海水務有限公司，湖南 岳陽 414600）

砷是重金屬污染物，水中砷污染的來源有：①自然源：礦物及巖石的風化、火山的噴發、溫泉的上溢水；②人工源：砷化物的開采和冶煉。這些因素對地下水及飲用水都造成了很大的污染。高砷飲水主要為地下水。我國飲用高砷水地區涉及臺灣、新疆、內蒙、西藏、云南、貴州、山西、吉林等10 個省（區）約30 個縣（旗），這些地區已出現地方性砷中毒患者，且大多為少、邊、貧和缺乏低砷水源地區。按照WHO 的水砷標準，中國砷中毒危害病區的暴露人口高達1 500 萬之多；已確診患者超過數萬人，因此飲水除砷是防治地方性砷中毒的關鍵措施。2006 年我國頒布生活飲用水衛生標準（GB 5749－2006）將飲用水中砷的濃度限值從0.05 mg/L 降低到了0.01 mg/L[1]，砷成為我國優先控制的污染物；湘陰縣鶴龍湖鎮中心水廠原水為地下水，原水鐵、錳、砷含量超標，通過原有的加藥系統工藝進行處理后，出廠水水質中砷含量較高，超過《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）的要求（10 μg/L），因此需要改造原有工藝，強化對砷的去除。

1 工程背景

1.1 鶴龍湖水廠工藝現狀

鶴龍湖鎮中心水廠廠址位于該鎮龍溪村6 組。原水為地下水，原水中鐵、錳、砷含量超標。水廠的設計規模為6 600 m3/d；主要水處理構筑物：跌水式曝氣塔、網格反應池、斜管沉淀池、快濾池、清水池。

工藝流程如圖1 所示。

圖1 鶴龍湖水廠工藝流程圖

近年來的水質監測結果表明，鶴龍湖水廠水源水質呈現砷、鐵、錳等指標超標，出廠水砷含量超出《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）的限值要求；原水水質及改造前出水水質情況見表1。

表1 原水及現有工藝出水主要水質特征

1.2 鶴龍湖水廠存在的主要問題

鶴龍湖鎮中心水廠水源為地下水，有4 口井，每口井的出水水質、出水量都不一樣，給水處理增加了難度。

1）聚合硫酸鐵投加系統

水廠原有投加聚合硫酸鐵系統為人工手動投加，投加量人為因素很大，不利于砷的去除，原料浪費多，投加設備陳舊，配電控制柜安裝很不規范，存在安全隱患。

2）聚合氯化鋁投加系統

水廠原有投加聚合氯化鋁系統為人工手動投加，未與水廠原水濁度與流量進行關聯，投加量人工控制不確定因素很多，原料浪費很大，投加設備陳舊，配電控制柜安裝很不規范，存在安全隱患。

3）加堿系統

水廠原有加堿系統為人工手動投加，未與反應池中水的pH 進行關聯，投加量無法準確控制，pH 對反應池加礬影響很大，同時pH 對鐵錳砷去除效果有顯著影響。

鶴龍湖水廠現有工藝控制對砷的去除效果差，無法滿足飲用水衛生標準，出水中砷化物含量超標；現有加藥系統工藝全為人工投加，并未與進水流量、濁度、pH 等因素關聯，導致對砷等重金屬去除效果達不到要求。

2 工藝改造方案

目前針對高砷水處理的基本措施，大多采用吸附、混凝沉淀、離子交換和膜過濾等技術[2]，但鶴龍湖水廠由于場地有限，無法增設新的處理構筑物，只能在現有工藝上進行改造。

鐵鹽除砷的適宜pH 值為6.5～8.0，Fe（Ⅲ）類混凝劑對As（Ⅴ）的去除率基本可達到90%以上，且較為穩定，但對于As（Ⅲ）的去除效果不佳。當原水中As（Ⅲ）比例較高時，應在混凝前采取適當氧化措施[3]。

因鶴龍湖水廠曝氣系統對砷的氧化作用不夠充分，增加預加氯措施，將原水中的As（Ⅲ）轉化為易于去除的As（Ⅴ）；鶴龍湖水廠投加鐵鹽后pH 值會降低，會導致除砷效果不佳，因此需增加全自動加堿系統，調節進水pH 提升除砷效果。

具體改造措施如下：

1）加聚合硫酸鐵

標準型全自動聚合硫酸鐵投加裝置控制系統由1臺變頻器、2 臺計量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC等組成。全自動聚合硫酸鐵投加裝置控制系統以原水流量為主要依據，針對現場的具體情況，通過數學建模的方式達到最優的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信號及一些關聯信號通過分析、計算得一路控制信號控制變頻器的運行，通過變頻來調節計量泵轉速，從而控制計量泵的輸出流量。實現閉環控制方式，并可根據工況和用戶的要求，方便靈活地實現控制。

藥劑投加量通過控制系統根據原水進水流量等調節計量泵的頻率，以確定最佳投加比例，并達到理想的水處理效果。

2）聚合氯化鋁投加系統

標準型全自動聚合氯化鋁投加裝置控制系統由1臺變頻器、2 臺計量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC等組成。全自動聚合氯化鋁投加裝置控制系統以原水流量和濁度為主要依據，針對現場的具體情況，通過數學建模的方式達到最優的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信號及濁度信號通過分析、PID 計算得出每1 000 t 的耗礬量，隨流量和濁度變化通過變頻控制來調節計量泵投加量。實現閉環控制方式，并可根據工況和用戶的要求，方便靈活地實現控制。

藥劑投加量通過控制系統根據原水進水流量和濁度調節計量泵的頻率，以確定最佳投加比例，并達到理想的水處理效果。

3）加燒堿

標準型全自動燒堿鐵投加裝置控制系統由1 臺變頻器、2 臺計量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC 等組成。全自動燒堿投加裝置控制系統以反應池入口pH 值為主要參數，保持pH 值在7.5～8.0 之間。通過調節燒堿投加量來實現pH 值的穩定。其主要控制原理如下：

控制方式采用以反應池入口pH 值信號及一些關聯信號通過分析、計算得一路控制信號控制變頻器的運行，通過變頻來調節計量泵轉速，從而控制計量泵的輸出流量。

3 改造效果分析

3.1 砷去除效果分析

鶴龍湖水廠強化除砷工程改造后經連續運行，進水及出水砷含量變化如圖2 所示。

圖2 工藝改造后除砷效果

鶴龍湖水廠在進行工藝改造前，出水砷含量在16～30 μg/L（見表1），超過現行《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）的限值要求（10 μg/L）；在進行工藝改造后如圖2 所示，出水砷含量較改造前顯著降低，鶴龍湖水廠進水砷含量較高，且變化幅度大，進行工藝改造連續運行后，出廠水砷含量受進水水質影響波動較小，出廠水砷含量基本穩定在7 μg/L 左右，達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）的限值要求。

3.2 鐵錳去除效果分析

鶴龍湖水廠強化除砷工程改造后經連續運行，進水及出水鐵、錳含量變化如圖3、圖4 所示。

圖3 工藝改造后除鐵效果

根據圖3、圖4 可以看出，鶴龍湖水廠原水地下水中鐵、錳含量較高（特別是鐵），且進水含量波動較大，經過工藝改造后，強化了鐵、錳的去除效果，出水中鐵錳含量均滿足《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）的要求。

圖4 工藝改造后除錳效果

4 結 論

實施鶴龍湖鎮中心水廠加藥改造工程，加強自動化控制，根據數字化模型合理調節投加量，可有效減少人力成本和材料成本；經過工藝改造后可以較好地滿足鶴龍湖水廠對砷的去除要求，出廠水砷含量穩定在7 μg/L 左右，同時也加強了對鐵、錳的去除效果；出水中鐵、錳、砷均含量滿足《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）的要求。