原水廠集水井溶解氧過低原因分析及應對控制措施

袁 君，焦 潔，胡淑圓，陸納新，笪躍武，陳 燚

(無錫市水務集團有限公司，江蘇無錫 214031)

溶解氧(dissolved oxygen，DO)是指以分子狀態溶存于水中的氧氣單質。水體中溶解氧可作為指示水體污染狀態的重要指標。清潔地表水的溶解氧含量接近飽和，當水體受到污染時溶解氧降低[1]。溶解氧降低可能是由于物理、化學、生物的消耗影響，其中，化學消耗主要包括有機物及無機物的氧化，生物消耗主要包括動植物及微生物維持新陳代謝所消耗的氧氣[1]。

某原水廠集水井原水溶解氧的長期監測結果顯示，2009年—2014年夏季溶解氧持續降低，2014年夏季集水井溶解氧達到最低值(3.8 mg/L)，而在集水井前端相距2 510 m的取水口溶解氧含量為6.14 mg/L。本課題結合實際生產運行情況對溶解氧下降的原因進行分析與探摸驗證，制定改進方案并實施。

該原水廠取水設計規模為100萬m3/d，取水頭部位于離岸3 km的湖心處。取水頭部是外形為菱形的桶狀鋼結構，側面開設進水孔，孔口處設格柵阻擋漂浮物。2根長為2 510 m的DN2600自流管與4根長為230 m的DN1600虹吸管采用集水井形式相連，如圖1所示。DN2600自流管進集水井處設圓閘門，控制取水；集水井進水面上設4處閘門，起到遠、近取水口切換取水的作用。

圖1 某原水廠取水頭部及取水管示意圖

1 存在問題及原因分析

1.1 存在問題

原水廠取水自流管2008年投產運行，2011年后的夏季出現了集水井原水溶解氧偏低現象，2014年溶解氧最低值為3.8 mg/L(夏季)，為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ類～Ⅳ類。為確保供水安全穩定優質，避免因階段性的水體中溶解氧過低造成其他次生問題，如取水水體厭氧導致的水質惡化進而影響后續水處理構筑物的正常運行，對這一現象進行了深入分析。

自流管投運后不同年份集水井、取水口年均溶解氧值及其差異如表1所示。

由表1可知，投運后的兩年，水源廠集水井原水與湖區年平均溶解氧基本一致，從2011年開始，差值逐年增大。為進一步了解這一現象，統計了2011年—2014年9月(即集水井溶解氧低未得以解決)水溫、自流管運行工況(管道內流速)以及取水口、集水井內溶解氧差值的逐月對比情況，如圖2所示。在水溫較低的情況下，無論自流管內流速快慢，取水口和集水井的溶解氧基本不存在差值；但在氣溫較高的月份，差值較大。

表1 集水井、取水口年均溶解氧值及其差異

圖2 取水口、集水井溶解氧差值及水溫、自流管內流速逐月變化情況

1.2 原因分析

原水廠在清理調節池等構筑物中曾發現，池壁內附著一些類似貝類生物。根據上述現象分析推測，在自流管中極有可能存在類似貝類的水生生物，如淡水殼菜、河蜆等，其生長過程可消耗大量溶解氧。

為驗證這一推測，進行了取水頭部和管道內壁的水下探摸工作，發現整個取水箱底有30～40 cm的淤積泥；壁板緊靠管道位置有少量貽貝，范圍較小，厚度在1 cm左右；取水格柵上局部有少量貽貝，厚度在1 cm左右。其附著數量與管道內流速關系如表2所示[2]。

表2 淡水殼菜附著數量與管道內流速關系

淡水殼菜附著生活，常形成非常稠密層層堆疊的群體，生長厚度可達3～5 cm，以濾食水體中的硅藻、原生動物和有機碎屑等為生。淡水殼菜屬于耗氧生物，對水中溶解氧影響較大，在繁殖生長期間內，水溫、溶解氧是幼體的主要影響因素，生長過程可消耗大量溶解氧，同時，成熟個體的死亡也加速了溶解氧的下降速度。越高的種群密度，越能加快溶解氧整體的下降速度[3]。

原水廠取水口的格柵無法攔截成年淡水殼菜，極小的淡水殼菜幼蟲(體長只有數百微米)更能順利進入管道，附著在內壁生長。因此，造成集水井內原水低于取水口水體溶解氧的主要原因是管壁內零散分布淡水殼菜群落等好氧微生物，在水溫合適時大量繁殖過度耗氧；此外，自流管管道流速過低，加劇了這一過程。水廠生產過程中出現階段性的水體中溶解氧過低，且在沒有實施任何措施的情況下，自流管內水體的溶解氧隨著時間的推移將愈來愈低，給供水水質安全帶來挑戰。另外，管壁內淡水殼菜等耗氧生物的生長和繁殖也必然會減小管道的過水斷面，增大管道糙率，從而降低管道輸水能力。雖然目前的取水量較小，淡水殼菜等好氧生物的生長尚不滿1 cm，未出現此現象，但隨著附著好氧生物的生長加厚，會影響設計負荷下的生產運行。針對此，制定了相應的方案與措施，以抑制或滅活管道內好氧生物的生長繁殖等活動并將其從管壁內去除。

2 應對措施制定與實施

2.1 應對措施

目前，控制淡水殼菜的方法主要有生物、物理及化學方法[4]。深圳水務協同哈爾濱工業大學及南昌大學在“十一五”期間進行了淡水殼菜控制的實驗室和生產性試驗，分析比較不同藥劑的氧化殺滅效果，結果顯示次氯酸鈉是經濟性、應用性強的殺滅淡水殼菜的氧化劑。它不僅能殺死淡水殼菜，還能溶解足絲，降低其附著能力，使其更容易被水流沖刷下來。提高管道中的水流速度能夠增加淡水殼菜的去除量，脈沖水流比恒流效果好。水流沖刷與氧化劑的協同作用強于水流單獨的沖刷作用[3]。

鑒于原水廠集水井原水與湖區水質溶解氧相差較大，考慮在取水頭部投加藥劑，抑制生物生長繁殖等活動，以消除或減小水質差異。

2.2 投加方案

2.2.1 投加藥劑

結合已有的試驗研究成果與調研情況，考慮可操作性與實施性，本方案選定次氯酸鈉為氧化劑。考慮淡水殼菜殺滅效率，同時減少消毒副產物的形成，盡可能少地增加水的致突變活性，方案設計最大投加量為2 mg/L，具體根據每次投加時運行實際與小樣試驗等確定。

2.2.2 投加方式

根據原水廠的現場實際，對比了以下3種方案，如表3所示。

表3 3種方案的比較

方案一：廠內投加，主要是在原水廠內建設次氯酸鈉投加系統(根據現狀，需新建儲液池，增設計量泵)，鋪設總長約為3 200 m的加藥管道至取水頭部，考慮投加的穩定可靠，管道設置2根。

方案二：取水頭部投加(建設平臺)，即在離岸3 km處設置一座永久性固定平臺，在平臺上建設次氯酸鈉投加系統，進行投加。

方案三：取水頭部投加(租用船只)，將方案二中需要設置的平臺部分，改為租用船只。為避免碰撞取水頭部，選擇取水口保護樁外一警示牌處為船只停靠位置，搭建簡易可靠的加氯平臺，并從該位置敷設管道至取水頭部。

經調研與咨詢，每年的淡水殼菜繁殖期和夏季，在原水廠取水管道頭部連續投加一周以上的藥劑，基本可消除取水管道前后的水質差異。因此，綜合實際應用需求與施工現場諸多因素，選用方案三，主要工程內容：在水源廠取水口保護樁外的一警示牌處搭建加氯平臺，從該位置鋪設2根DN80的管道至2個取水頭部，管長東側為245 m，西側為240 m，管材使用不銹鋼管(316)，如圖3所示。

圖3 投加管道鋪設示意圖

2.3 進水流速控制

因供水調度工作隨城市整體供水格局的發展適時調整，該原水廠正常運行工況下取水量前期有所下降，后期又逐步提高，自流管道內流速先降低再升高，其內理論流速與流量關系如表4所示。考慮到管道里有部分淤積，實際流速比計算出的理論流速稍大。

表4 2011年—2020年夏季平均流量下的自流管道內流速

為確保管道內壁的沖刷效果，運行過程中對照表2、表4與實際沖刷情況，必要時采取單管運行策略，確保流速保持在0.6 m/s以上。

2.4 方案實施

根據確定后的方案，完成了取水頭部新設加氯平臺的建設工作。

(1)藥劑投加時期：在淡水殼菜類好氧生物大量繁衍前約一周開始投加，一般為5月中旬，最終結合每年的天氣、水溫情況進行確定。且考慮到溫度升高，反應速度加快[5]，產生的消毒副產物三鹵甲烷總量升高很快，應盡量避免7月、8月溫度較高時在取水頭部投加次氯酸鈉。持續投加時間根據投加實際進行調整，一般在一個月內。

(2)藥劑投加方式：在運行初期采用間歇式，初期投加4 h，集水井余氯按照0.3 mg/L的控制要求調整投加初始質量濃度(2.5～3.0 mg/L)。一方面，避免了初期因藥劑投量大，引起管道內淡水殼菜殺死和排出數量過多，堵住管道，甚至出現水質惡化的現象；另一方面，利于突發事件的應對。在后續運行中，除投加船上料、避風等情況停止投加外，采用全天投加。另外每年根據排出的貽貝生物情況及數量、水質數據，適當調整投加方式、投加量、持續時間，如表5所示。

表5 2015年—2020年次氯酸鈉投加時間和投加量

(3)運行控制：原水廠2根自流管內流速小于0.6 m/s，實施單管、交替運行，在保證沖刷效果的同時可防止停運管道內的水質惡化。

(4)水質檢測：前期通過監測pH、水溫、溶解氧、藻類等水質參數，判斷淡水殼菜群體生長繁殖的狀況和規律。通過觀察淡水殼菜平均殼長變化，推測出種群繁殖的時期。藥劑投加時期，除原水常規指標外，增加余氯指標與相應頻次，同時采樣檢測水中消毒副產物濃度。

(5)構筑物清理：在氧化劑和水力沖刷雙重作用下，管道內貽貝類生物會排入廠內集水井，為保證集水井內水質，投藥期間定期清理集水井底的生物。在投藥過程中，觀察提升泵房的旋轉濾網，生物較多時應及時清理。集水井內、旋轉濾網清理出的貽貝類生物清理后運送至適當地方。

3 實施效果

3.1 溶解氧變化

如圖4所示，2015年—2020年投加次氯酸鈉(2017年未投加)進行清洗管道。由于2018年—2020年水量增大，為控制次氯酸鈉投加質量濃度為2.5～3 mg/L，此3年次氯酸鈉投加量增大。集水井和旋轉濾網清理出大量貽貝類生物(11.5～19.1 t)，有效減緩并抑制了取水管道內淡水殼菜群落等好氧微生物的大量繁殖。溶解氧在取水管道內的衰減變緩，管道前后水質溶解氧差異未進一步擴大(除2017年)，集水井內溶解氧質量濃度未出現過低現象(基本在5 mg/L及以上)，為確保供水穩定、安全、優質增添了前道屏障。清洗后的一段時間里，2018年和2020年溶解氧差值較高，可能是因為5月初開始投加到5月底結束，此時淡水殼菜并未大量繁殖，6月溫度升高，淡水殼菜重新生長。因此，建議開始投加時間可以考慮在5月中下旬。

圖4 2015年—2020年次氯酸鈉投加量及管道生物流出量

水溫影響水體中溶解氧飽和度，水溫愈高，水中溶解氧含量愈低。因此，需特別關注水溫在20 ℃以上的5月—10月初。以2015年次氯酸鈉投加實施為例，投加時間為6月4日—27日，持續24 d，用量為147 t(藥劑有效濃度為8%～10%)，該時段取水口與集水井溶解氧如圖5所示。停止次氯酸鈉投加一段時間后，溶解氧差值出現反彈，說明淡水殼菜等耗氧生物又在管道里生存，但考慮到在夏季高溫時投加次氯酸鈉有消毒副產物增加的風險，因此，次氯酸鈉未繼續投加。但經過次氯酸鈉投加清洗后，在南泉取水口湖域溶解氧與2014年同期相近的情況下，集水井原水溶解氧均值仍保持在7.3 mg/L以上，較2014年同期相同水溫(22～25 ℃)條件下提高1.2 mg/L。在水溫高于25 ℃后，集水井溶解氧雖有下降趨勢，但仍能維持在6 mg/L左右，符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅱ類以上。綜上，方案的實施達到了預期的效果。

圖5 取水口、集水井溶解氧

3.2 對后續工藝的影響

取水頭部投加次氯酸鈉，可以抑制好氧生物的過度耗氧，但對水體水質會帶來消毒副產物增加的風險。為此，在實施期間，盡量控制集水井內余氯保持在0.1～0.5 mg/L；同時，對后續各工藝階段消毒副產物產生情況進行跟蹤，如圖6所示。

圖6 取水頭部次氯酸鈉投加前后消毒副產物變化

因原水廠與凈水廠距離較遠，為控制藻類等，原水廠出廠設置加氯工藝，凈水廠采用多點加氯手段。當取水頭部未投加次氯酸鈉時，原水廠集水井基本未檢出三鹵甲烷；當取水頭部投加次氯酸鈉后，集水井中三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷均有檢出，且原水廠出廠水中消毒副產物含量有所上升，但三鹵甲烷比值基本在0.7及以下。凈水廠出廠水三鹵甲烷比值并未大幅增加，說明凈水廠后續工藝(含深度處理)對消毒副產物有較好的處理效果。由此可見，原水廠取水頭部投加次氯酸鈉未對后續凈水廠的工藝造成負擔。

此外，考慮到溫度升高，反應速度加快[4]，三鹵甲烷總量升高很快，應在水溫較低的情況下投加次氯酸鈉以排除管道內好氧生物的影響。

4 結論

(1)原水廠取水自流管2008年投產運行，2011年出現了集水井原水溶解氧偏低現象，2014年溶解氧最低值為3.8 mg/L(夏季)。經分析與探摸驗證，其主要原因是自流管管壁內零散分布淡水殼菜群落等好氧微生物，水溫合適時大量繁殖過度耗氧；此外，自流管管道流速過低，加劇了這一過程。

(2)為確保供水安全、穩定、優質，避免因階段性的水體中溶解氧過低造成其他次生問題，經充分調研與論證，實施了如下措施：在取水頭部投加次氯酸鈉藥劑，抑制或滅活管道內好氧生物生長繁殖，同時加大流速對剝落的淡水殼菜貽貝類水生生物的有效沖刷。

(3)2015年—2020年的生產實踐表明，在5月中下旬投加次氯酸鈉為宜，投加量為2.5～3 mg/L。并根據集水井內余氯等水質情況以及排出的貽貝生物數量、水質數據，可適當調整投加方式、投加量、持續時間，能有效確保管道內好氧生物的排除效果，同時不對后續生產工藝造成負擔。