陸建紅,張 晉,劉曉冬
(華北水利水電大學(xué),河南鄭州 450000)
鄭州市現(xiàn)有水廠7座:柿園水廠、白廟水廠(現(xiàn)中法原水公司)、石佛水廠、東周水廠、劉灣水廠、航空港區(qū)一水廠以及羅垌水廠。日供水能力達(dá)177萬(wàn)m3,供水管網(wǎng)長(zhǎng)度超 3 100 km,供水面積約500 km2,供水覆蓋范圍包括鄭州市區(qū)、鄭東新區(qū)、航空港區(qū)以及滎陽(yáng)市區(qū)等區(qū)域,服務(wù)人口達(dá)500多萬(wàn)。南水北調(diào)中線工程向鄭州市5座水廠供水,其中柿園水廠和白廟水廠所處理的原水從黃河水部分轉(zhuǎn)換為南水北調(diào)水,兩座水廠均采用常規(guī)處理加深度處理的工藝[1]。
南水北調(diào)中線工程的建成通水對(duì)于鄭州市解決水資源短缺、提高供水保證率具有重要意義。同時(shí),鄭州市的供水格局將發(fā)生重大變化,南水北調(diào)中線工程在緩解水資源緊張的同時(shí),也對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的水質(zhì)安全保障提出了挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)各種突發(fā)事件,保障供水需求,鄭州市形成了“以南水北調(diào)水源為主、以黃河水為補(bǔ)充”的雙水源保障體系。
為了分析南水北調(diào)通水可能帶來(lái)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)并提出應(yīng)對(duì)預(yù)案,基于鄭州市將長(zhǎng)期處于南水北調(diào)水與黃河水共同使用的供水格局,本文對(duì)南水北調(diào)水與黃河水在不同配比下的處理效果進(jìn)行了中試試驗(yàn),得出了不同配比下的優(yōu)化處理工藝與運(yùn)行參數(shù),為水廠水源轉(zhuǎn)換前后的生產(chǎn)運(yùn)行提供指導(dǎo)。
該中試試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)流量為0.5~1.5 m3/h,工藝流程為:混凝-反應(yīng)-沉淀-砂濾。工藝流程如圖1所示。試驗(yàn)裝置材料均為有機(jī)玻璃,濾料為單層石英砂,提升泵型號(hào)為BYXG-1Z,轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)ZB-10及LZB-15。
圖1 中試試驗(yàn)工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of the Pilot-Scale Test
試驗(yàn)以取自鄭州某水廠的南水北調(diào)水和黃河水為原水(取自天然水體或蓄水池的水,凈化處理后可用于飲用),試驗(yàn)期間不同配比原水的水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。由感官性狀指標(biāo)、一般化學(xué)指標(biāo)以及生物學(xué)指標(biāo)分析可知,南水北調(diào)原水的水質(zhì)好于黃河原水,其中硝酸鹽氮(0.38 mg/L)和菌落總數(shù)(1 100 CFU/100 mL)指標(biāo)明顯更優(yōu)。黃河水與南水北調(diào)水以不同配比(2∶1、1∶1和1∶2)混合后,原水的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)大部分好于黃河水,但存在部分水質(zhì)指標(biāo)比黃河水差,如水源混合比例為2∶1時(shí)的氨氮、UV254等指標(biāo),可能是試驗(yàn)檢測(cè)誤差所致。且黃河水與南水北調(diào)水配比為1∶2時(shí),原水的典型指標(biāo)(濁度、UV254、CODMn和氨氮)好于其他兩種配比的原水。
試驗(yàn)期間測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)的方法依據(jù)為《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T 5750.6—2006)和《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[2]。其中:pH采用玻璃電極法測(cè)定,儀器為PHS-2C pH計(jì);濁度采用HACH2100Q便攜式濁度儀進(jìn)行測(cè)定;UV254、氨氮以及鋁均采用UV-2600紫外-分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定方法分別為紫外分光光度法、納氏試劑比色法和鉻天青S分光光度法;CODMn的測(cè)定方法為酸性高錳酸鉀法。
表1 不同配比原水的水質(zhì)特征參數(shù)Tab.1 Water Quality Parameters of Raw Water with Different Mixing Ratios
續(xù) 表
根據(jù)水廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),中試試驗(yàn)以聚合氯化鋁(PAC)為混凝劑,密度為 1.255 g/cm3,以活化硅酸為助凝劑,根據(jù)相關(guān)研究,活化硅酸加藥量為混凝劑的 20%[3],PAC 加藥量定為 15、25、35 mg/L,進(jìn)行不同配比原水的中試試驗(yàn)。南水北調(diào)水與黃河水經(jīng)配水裝置按照一定比例混合后進(jìn)入原水桶,并經(jīng)提升泵提升至混合池,再用加藥泵向混合池內(nèi)投加混凝劑和助凝劑,然后經(jīng)機(jī)械攪拌混勻后進(jìn)入沉淀池,沉淀出水經(jīng)砂濾柱過(guò)濾后出水。取濾后水測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo),考慮水源切換過(guò)程中對(duì)出水水質(zhì)影響程度較大的指標(biāo),試驗(yàn)選取濁度、UV254、氨氮和CODMn四個(gè)凈水工藝中的常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定不同配比原水的處理效果。
圖2為三種混合原水在不同加藥量下的濁度處理效果圖。由圖2可知,混凝劑為PAC時(shí),不同加藥量對(duì)不同配比原水的濁度去除率均達(dá)到90%以上。對(duì)于黃河水與南水北調(diào)水配比為2∶1的混合原水,當(dāng)PAC加藥量為35 mg/L時(shí),濁度去除率為96.55%,此時(shí)去除率最高,所以當(dāng)配比為2∶1時(shí),單從濁度指標(biāo)來(lái)看推薦的加藥量為PAC 35 mg/L、活化硅酸7 mg/L。同理,對(duì)于配比為1∶1和1∶2的混合原水,推薦的PAC加藥量分別為25 mg/L和15 mg/L,活化硅酸分別為5 mg/L 和3 mg/L,濁度去除率最高分別為96.5%和96.16%。由此可以得出,隨著南水北調(diào)水水量的增加,混凝劑(PAC)和助凝劑(活化硅酸)的加藥量越來(lái)越少,而濁度去除率基本維持在同一水平。
圖2 不同配比原水的濁度去除效果Fig.2 Turbidity Removal Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios
UV254是指在波長(zhǎng)254 nm處單位比色皿光程下的紫外吸光度,反映的是水中天然存在的腐殖質(zhì)類大分子有機(jī)物以及含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物的多少。
圖3為不同配比原水在不同加藥量下的UV254去除效果。由圖3可知,當(dāng)混凝劑為PAC時(shí),不同加藥量對(duì)不同配比混合原水的UV254去除率差異較大。當(dāng)黃河水與南水北調(diào)水的配比為2∶1、PAC加藥量為35 mg/L、活化硅酸為7 mg/L時(shí),濁度去除率即可達(dá)96.55%,而UV254的去除率僅為23.68%,說(shuō)明鋁鹽對(duì)UV254的去除效果有限[4]。因此不把UV254去除率作為選擇混凝劑的主要指標(biāo),僅把其作為輔助性指標(biāo)。
圖3 不同配比原水的UV254去除效果Fig.3 UV254Removal Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios
所以當(dāng)配比為2∶1時(shí),推薦PAC的加藥量為35 mg/L、活化硅酸為 7 mg/L;當(dāng)配比為 1 ∶1 時(shí),推薦PAC的加藥量為 25 mg/L、活化硅酸為 5 mg/L,此時(shí)UV254的去除率可達(dá)到40%左右;當(dāng)配比為1∶2時(shí),三種加藥量條件下的UV254去除率均在25%左右,相差不大,去除效果不理想。結(jié)合濁度去除效果,配比為 1∶2時(shí),推薦的加藥量為 PAC 15 mg/L、活化硅酸 3 mg/L。
圖4為不同配比原水在不同加藥量下的氨氮去除效果圖。由圖4可知,當(dāng)混凝劑為PAC時(shí),不同加藥量對(duì)不同配比混合原水的氨氮去除效果有所差別。對(duì)于黃河水與南水北調(diào)水配比為2∶1的混合原水,當(dāng)PAC的加藥量為35 mg/L、活化硅酸為7 mg/L時(shí),氨氮去除率可達(dá)85.71%左右,為三個(gè)投藥量的最高值,且混凝劑加藥量的改變對(duì)氨氮去除率的影響不大。原因是黃河水和丹江口水的氨氮并不高,氨氮的去除效果很難進(jìn)一步提升,故氨氮僅作為混凝劑劑量?jī)?yōu)化的一項(xiàng)參考性指標(biāo)。因此,當(dāng)配比為2∶1時(shí),綜合考慮濁度和氨氮指標(biāo),推薦的加藥量為PAC 35 mg/L、活化硅酸7 mg/L。對(duì)于配比為1∶1的混合原水,PAC加藥量為25 mg/L、活化硅酸為 5 mg/L時(shí),氨氮去除率在50%左右,此加藥量下濁度去除率最高,且混凝劑投加量在 35 mg/L時(shí),氨氮去除率仍不到70%。所以當(dāng)配比為1∶1時(shí),考慮加藥量成本問(wèn)題,推薦的加藥量為 PAC 25 mg/L、活化硅酸5 mg/L。對(duì)于配比為1∶2的混合原水,PAC加藥量為 15 mg/L、活化硅酸為 3 mg/L時(shí),氨氮的去除率達(dá)到了100%,去除效果非常理想。所以當(dāng)配比為1∶2時(shí),推薦的加藥量為PAC 15 mg/L、活化硅酸 3 mg/L。
圖4 不同配比原水的氨氮去除效果Fig.4 NH3N Removal Efficiency of Raw Water with Different Mixing Ratios
CODMn是指在一定條件下,用強(qiáng)氧化劑(高錳酸鉀)處理水樣時(shí)所消耗氧化劑的量,它能反映水體受還原性物質(zhì)污染的程度,水中還原性物質(zhì)包括有機(jī)物、硫化物、亞硝酸鹽和亞鐵鹽等。
圖5為不同配比原水在不同加藥量下的CODMn處理效果。由圖5可知,當(dāng)混凝劑為PAC時(shí),不同加藥量對(duì)不同配比混合原水中CODMn的去除效果不同。對(duì)于黃河水與南水北調(diào)水配比為2∶1的混合原水,當(dāng) PAC加藥量為 15 mg/L、活化硅酸為3 mg/L時(shí),濁度去除率可達(dá)94.2%,CODMn的去除率卻不到10%;當(dāng)PAC加藥量為25 mg/L、活化硅酸為5 mg/L時(shí),濁度去除率可達(dá)94%,此時(shí)CODMn的去除率為32.2%。對(duì)于配比為1∶1的混合原水,當(dāng)PAC 加藥量為 15 mg/L、活化硅酸為 3 mg/L 時(shí),濁度去除率可達(dá)94.98%,CODMn去除率達(dá)55%左右,去除效果最好。所以當(dāng)配比為1∶1的時(shí)候,對(duì)于去除CODMn推薦的加藥量為PAC 15 mg/L、活化硅酸3 mg/L。對(duì)于配比為1∶2的混合原水,當(dāng)PAC的加藥量為 15 mg/L、活化硅酸為 3 mg/L時(shí),濁度去除率和CODMn去除率分別為96.2%和31.2%,相對(duì)于其他兩種投藥量均達(dá)到最大值。所以當(dāng)配比為1∶2的時(shí)候,推薦的加藥量為PAC 15 mg/L、活化硅酸 3 mg/L。
圖5 不同配比原水的CODMn處理效果Fig.5 CODMnRemoval Efficiencies of Raw Water with Different Mixing Ratios
試驗(yàn)還研究了黃河水和南水北調(diào)水在不同配比和不同混凝劑投加量下,出水中的鋁含量情況。由圖6分析可知,當(dāng)黃河水和南水北調(diào)水配比為2∶1、1∶1和1∶2時(shí),原水中鋁的含量非常少,均小于0.05 mg/L,故原水中的鋁含量可以忽略。在不同的混凝劑投加量下,出水中鋁的濃度均低于0.1 mg/L,不超過(guò)國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5947—2006)中規(guī)定的鋁濃度上限值0.2 mg/L。所以黃河水和南水北調(diào)水以該三種比例混合時(shí),出水鋁含量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)較小。
由試驗(yàn)結(jié)果可知,黃河水與南水北調(diào)水配比為1∶2的原水濁度為4.7 NTU,色度為6,UV254為
圖6 不同配比原水中鋁含量的變化情況[黃河水 ∶南水北調(diào)水為(a)2∶1;(b)1∶1;(c)1∶2]Fig.6 Variation of Al3+ Content in Raw Water with Different Mixing Ratios[Yellow River Water∶South-North Diversion Water=(a)2 ∶1;(b)1 ∶1;(c)1 ∶2]
0.055 cm-1,CODMn為 2.32 mg/L, 氨 氮 為0.18 mg/L,硝酸鹽氮為 0.87 mg/L,整體水質(zhì)情況較好。當(dāng)黃河水與南水北調(diào)水配比為1∶2時(shí),聚合氯化鋁(PAC)的最佳投加量為15 mg/L,活化硅酸為3 mg/L,此時(shí)濁度去除率為96.16%,UV254去除率為25%,氨氮去除率為100%,CODMn去除率為31.2%;配比為 2∶1時(shí),PAC的最佳投加量為35 mg/L,活化硅酸為 7 mg/L,此時(shí)濁度去除率為96.55%,UV254去除率為 23.68%,氨氮去除率為85.71%,CODMn去除率為28.4%;配比為1∶1時(shí),PAC的最佳投加量為35 mg/L,活化硅酸為7 mg/L,此時(shí)濁度去除率為96.5%,UV254去除率為40%,氨氮去除率為50%,CODMn去除率為50%。
在水源調(diào)配比例的選擇上,根據(jù)不同配比原水的試驗(yàn)結(jié)果,考慮盡量充分利用南水北調(diào)水源,合理選擇黃河過(guò)境水,有效地開發(fā)和保護(hù)地下水資源,進(jìn)行多水源之間的優(yōu)化配置和合理調(diào)配,確保城市水資源的可持續(xù)發(fā)展。
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