基于HACCP體系的水廠投加系統的風險管理

徐錦濤，張葆華

(佛山市順德區水業控股有限公司，廣東佛山 528000)

水廠常規投加系統包括投礬系統和投氯系統兩大部分，通過投加系統自動精準地投加混凝劑和消毒劑，是確保工藝效果穩定和提高生產效率的前提和保障。相對于其他生產環節，在供水生產中，對于投加系統的風險管理和控制至關重要，一旦該系統出現故障，其他生產環節將直接癱瘓。近幾年來，隨著智慧水務的推進發展，供水行業對投礬、加氯系統的研究更多地傾向于智能化投加領域，追求智慧決策和自動控制，但對于投加系統在供水生產中的風險管理則較少被研究[1]。風險管理流程的實施是為了更好地應對突發故障的影響并防止其發生。其中，危害分析和關鍵控制點(hazard analysis and critical control points，HACCP)體系是食品行業對食品生產的全過程質量控制體系，是生產過程的有效監測，目前已經成功應用于水廠生產的風險管理，是一種可接受的用于指導在供水系統中識別危害和建立控制體系的水質管理工具，但研究較多集中在水廠水質管理的整體內部控制，缺少技術理論分析和對局部系統管理風險的深入探討[2-5]。

本文以自來水廠常規投礬、加氯系統為例，按照HACCP體系，通過對藥劑性質和投加系統進行技術分析，并結合故障樹分析方法確定主要危害，確定關鍵控制點和關鍵限值，提出實現投加系統風險可控的有效措施。

1 投加系統基本情況

案例水廠設計處理能力為9×104m3/d，實際供水量約為8.8×104m3/d。原水取自西江，渾濁度為10～20 NTU，原水各項水質指標中，除總磷和糞大腸菌群在Ⅱ～Ⅳ類指標值限值，其余項目均符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)基本項目Ⅰ類指標和補充項目指標限值要求。水廠出廠水水質較好，渾濁度控制在0.15～0.20 NTU，各項指標均符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。

該水廠采用常規混凝-沉淀-過濾工藝，在配水井投加聚合氯化鋁作為混凝劑，整個工藝流程中分3次加氯，分別是配水井前加氯助凝、濾池出水管道中后加消毒以及清水池出水管道中補加氯保持余氯。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 案例水廠工藝流程及投加系統示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Process Flow and Dosing System of the WTP of Case

聚合氯化鋁投加系統包括儲存系統、投加系統和控制系統，質量分數為4%的聚合氯化鋁溶液儲存在混凝土礬池，通過計量泵投加。次氯酸鈉投加系統主要包括進藥系統、軟水系統、儲存系統、投加系統和控制系統，質量分數為10%的成品次氯酸鈉溶液被軟水稀釋成4.8%有效氯的次氯酸鈉溶液后，再進行儲存和投加。投加控制系統設置PLC子站，投礬采用常規流量比例前饋控制系統，加氯根據制水流量、余氯反饋進行控制，由中控室統一控制。

2 HACCP體系的構建方法

首先對次氯酸鈉、聚合氯化鋁進行產品特性分析，如表1所示。

表1 產品特性分析Tab.1 Analysis of Product Characteristics

其次，總結其對投加系統的影響，確定投加系統風險點。根據風險發生的評分標準進行半定量分析，通過故障分析樹的方法進行危害分析，制作危害分析表、風險綜合評估表，并根據“確定關鍵控制點流程圖”制作危害分析流程表和HACCP計劃表，具體分析方法參考廈門水務集團的研究經驗[2]。

2.1 投加系統風險分析

2.1.1 投礬系統風險分析

(1)聚合氯化鋁是廣泛使用的混凝劑，通常是由鋁灰或含鋁礦物通過酸溶、堿溶或兩步法加工制得的無機高分子化合物，在長期使用過程中自身容易沉積附著在礬池和管道中形成礬泥，堵塞管道。根據實踐經驗，可以通過加裝沖洗管道，每隔30 d反沖洗約4 h，或每隔15 d采用60 L 20%的NaOH溶液浸泡30 min去除[6]。除此之外，對計量泵進行技改也是其中一個可行辦法。選用磁力離心泵、智能調節電動球閥、電磁流量計及控制單元等設備實現恒流投加，通過控制器對智能電動球閥、流量計進行數據采集及PID進行控制，即使出現管道堵塞，PLC也能自動調節電動閥開度進行沖洗[7]。

(2)對于南方水廠，供水企業經常要求聚合氯化鋁廠家根據低溫低濁的原水條件調整藥劑配方，在藥劑中加入助凝劑并降低鹽基度以提高混凝效果。研究[8-9]分析，降低鹽基度利于低溫低濁水質的處理，但絮凝劑的形態分布會發生變化。如果配方調整不佳，新舊混凝劑混合后，隨著鹽基度的大幅改變，多核羥基絡合物的形態逐漸發生變化，助凝劑成分很可能會參與該過程，導致水不溶物出現。前期研究在實踐中曾觀察到白色混合物大量析出，一旦出現，投加系統就會堵塞斷藥。因此，建議盡可能減少聚合氯化鋁配方的調整，若確實需要調整，應做好配方調整記錄和到貨檢驗記錄，及時在化驗室開展新舊混凝劑的混合試驗和混凝沉淀試驗，密切關注藥劑投加量的變化，一旦出現堵塞現象，應立即切換備用管道，清洗或更換堵塞管道。

(3)聚合氯化鋁不適用于低堿度原水，因為聚合氯化鋁水解會導致氫離子濃度增加，影響混凝反應效果，這種情況可以通過補充堿性物質的方法來解決。

(4)聚合氯化鋁具有腐蝕性，管道接口容易滲漏，影響投加效果。該問題可以通過加強巡檢、雙表法實現在線監測等方式來解決。

(5)在藻類暴發或原水pH異常時，原水pH值升高至8.0以上，容易導致聚合氯化鋁形成偏鋁酸可溶物質，導致出水鋁超標。解決辦法是投加堿性物質調節反應池pH。

2.1.2 加氯系統風險分析

(1)研究發現，當水質受到污染時(氨氮等超標)，在線儀表監測余氯結果與實驗室結果偏差較大，導致補加氯無法精準控制，出廠水余氯容易超標。另外，每次校正后監測1個月左右，余氯在線儀表在正常水質條件下仍會出現偏差。解決的方法是在氨氮污染期間，通過對原水氨氮的化驗結果，利用折點加氯的原理投加氯，控制儀表校正周期在29 d內，水質污染恢復正常后立即校正儀表，并建立崗位化驗室[6]，在特殊時期采用化驗強化檢測制度。

(2)自來水衛生消毒主要依靠后加氯，后加氯的投加點一般選擇在濾后出水管，但是清水池液位不斷變化，容易導致消毒CT值不達標，出水微生物超標。一般在運行過程中應盡量保持清水池高水位運行，若清水池水位較低，此時應注意提高后加氯的投加量并減少補加氯量。最切實的消毒保障是建設消毒池。

(3)后加氯投加點和余氯檢測儀若選擇不佳，容易導致后加氯與濾后水混合不充分、余氯反饋結果有誤等問題，導致消毒控制混亂。一般的經驗辦法是后加氯點設于濾池集水渠始端，總余氯檢測儀置于清水池進水口，采用比例控制與反饋調節的模式[10]。

(4)為了抑制次氯酸鈉分解，通常廠家在溶液中加入碳酸鈉和硅酸鈉，軟水器故障也會導致溶液中鈣、鎂離子濃度升高，這時次氯酸鈉較高的游離堿容易導致溶液中的鈣、鎂離子形成氫氧化物結晶沉淀，堵塞管道。解決的辦法是對插入水面以下投加管道進行斜面切割，切口順水流方向，以形成局部真空，插入管采用快速裝卸方法，并定期檢查軟化水系統等，避免堵塞[10]。

(5)次氯酸鈉容易自然分解產生氧氣，導致加藥管積氣斷流，解決辦法是采取小管徑(DN20)減少內積氣，并加裝高位排氣閥[10]。

(6)次氯酸鈉具有腐蝕性，管道接口容易滲漏，影響投加效果。該問題可以通過加強巡檢、雙表法實現在線監測等方式來解決。

(7)原水氨氮超標或有機物較多，容易導致前加氯過量投加，生成三鹵甲烷等消毒副產物，影響飲用水安全，解決辦法是采用氯胺消毒或折點加氯。

2.2 制定危害分析流程表

根據上述技術分析結果和投加系統特點，結合故障樹分析、決策樹分析和HACCP分析方法，可做出危害分析流程表(僅列出顯著危害)，如表2所示。對每個潛在危害從可能性(5分)、嚴重性(5分)、不可探測性(5分)3個維度進行評價，3個評分乘積不低于25分為顯著性危害，但一旦發生會造成嚴重供水安全事件的，將打破常規分值限值而列為顯著性危害。其他流程步驟均參照成熟的經驗案例[2,4-5]，這里暫不列出。水廠常規投加系統的顯著危害總結為7個，分別是投礬系統的鋁超標、渾濁度偏高、礬泥堵塞管道導致斷藥、不溶物堵管斷藥，以及加氯系統的CT值不達標導致殘留微生物超標、投加和控制不合理導致微生物超標、儀表不準導致余氯超標。

表2 投加系統危害分析流程表Tab.2 Hazard Analysis Flow Table of Dosing System

2.3 確定關鍵控制點和建立HACCP計劃

運用決策樹分析確定HACCP體系中的關鍵控制點[2]，可以發現，常規的投礬加氯系統一共有7個關鍵控制點，針對這7個關鍵控制點，需要制定關鍵限值和糾偏措施，用于記錄和驗證關鍵控制點的監測值是否能夠達到要求，按照水廠內控要求和國家、行業技術標準，制定如下HACCP計劃表，如表3所示。

表3 投加系統HACCP計劃Tab.3 HACCP Plan for Dosing System

3 結論和建議

(1)通過技術理論分析，有利于確定水廠常規投加系統的各種風險點，以此為基礎建立水廠局部系統HACCP體系，更具有技術針對性和實踐性，容易實現對局部系統的深入和透徹分析，可操作性強，有一定的推廣應用價值。

(2)常規水廠的投加系統一般包括7個關鍵控制點，其中投礬系統4個關鍵控制點綜合評分有3個低于25分，其評定為顯著性危害是考慮到其可能導致的水質風險并帶來較大的社會影響，因此，投礬系統的風險控制尤為重要，在生產運行中應以事前控制為主。加氯系統的風險顯然比投礬系統要大，在生產過程中需要著重控制。

(3)對于投礬系統中的礬泥堵塞管道以及加氯系統的微生物超標，完全可通過技術改造消除關鍵控制點，如通過以磁力離心泵、智能調節電動球閥為核心的PID改造，實現恒流自動沖洗防堵塞；通過新建消毒池、合理調整后加氯、在線余氯取樣點以及加氯控制方式，可以避免微生物超標，從而縮減控制點至4個，大大降低管理難度。

(4)應加強水廠投礬加氯系統的智能化改造，更好地解決投加系統風險管理問題，切實保障供水生產的安全。