陸建紅，張 晉，劉曉冬

（華北水利水電大學，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177萬m3，供水管網長度超 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)以及滎陽市區(qū)等區(qū)域，服務人口達500多萬。南水北調中線工程向鄭州市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換為南水北調水，兩座水廠均采用常規(guī)處理加深度處理的工藝［1］。

南水北調中線工程的建成通水對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，鄭州市的供水格局將發(fā)生重大變化，南水北調中線工程在緩解水資源緊張的同時，也對現(xiàn)有供水系統(tǒng)的水質安全保障提出了挑戰(zhàn)。為應對各種突發(fā)事件，保障供水需求，鄭州市形成了“以南水北調水源為主、以黃河水為補充”的雙水源保障體系。

為了分析南水北調通水可能帶來的水質風險并提出應對預案，基于鄭州市將長期處于南水北調水與黃河水共同使用的供水格局，本文對南水北調水與黃河水在不同配比下的處理效果進行了中試試驗，得出了不同配比下的優(yōu)化處理工藝與運行參數，為水廠水源轉換前后的生產運行提供指導。

1 試驗內容

1.1 試驗裝置

該中試試驗裝置的設計流量為0.5～1.5 m3／h，工藝流程為：混凝-反應-沉淀-砂濾。工藝流程如圖1所示。試驗裝置材料均為有機玻璃，濾料為單層石英砂，提升泵型號為BYXG-1Z，轉子流量計型號為LZB-10及LZB-15。

圖1 中試試驗工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of the Pilot-Scale Test

1.2 原水水質

試驗以取自鄭州某水廠的南水北調水和黃河水為原水（取自天然水體或蓄水池的水，凈化處理后可用于飲用），試驗期間不同配比原水的水質指標如表1所示。由感官性狀指標、一般化學指標以及生物學指標分析可知，南水北調原水的水質好于黃河原水，其中硝酸鹽氮（0.38 mg／L）和菌落總數（1 100 CFU／100 mL）指標明顯更優(yōu)。黃河水與南水北調水以不同配比（2∶1、1∶1和1∶2）混合后，原水的各項水質指標大部分好于黃河水，但存在部分水質指標比黃河水差，如水源混合比例為2∶1時的氨氮、UV254等指標，可能是試驗檢測誤差所致。且黃河水與南水北調水配比為1∶2時，原水的典型指標（濁度、UV254、CODMn和氨氮）好于其他兩種配比的原水。

1.3 儀器及分析方法

試驗期間測定水質指標的方法依據為《生活飲用水標準檢驗方法》（GB／T 5750.6—2006）和《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）［2］。其中：pH采用玻璃電極法測定，儀器為PHS-2C pH計；濁度采用HACH2100Q便攜式濁度儀進行測定；UV254、氨氮以及鋁均采用UV-2600紫外-分光光度計進行測定，測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的測定方法為酸性高錳酸鉀法。

表1 不同配比原水的水質特征參數Tab.1 Water Quality Parameters of Raw Water with Different Mixing Ratios

續(xù) 表

1.4 試驗過程

根據水廠運行經驗，中試試驗以聚合氯化鋁（PAC）為混凝劑，密度為 1.255 g／cm3，以活化硅酸為助凝劑，根據相關研究，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，進行不同配比原水的中試試驗。南水北調水與黃河水經配水裝置按照一定比例混合后進入原水桶，并經提升泵提升至混合池，再用加藥泵向混合池內投加混凝劑和助凝劑，然后經機械攪拌混勻后進入沉淀池，沉淀出水經砂濾柱過濾后出水。取濾后水測定各項指標，考慮水源切換過程中對出水水質影響程度較大的指標，試驗選取濁度、UV254、氨氮和CODMn四個凈水工藝中的常規(guī)監(jiān)測指標作為評價指標，確定不同配比原水的處理效果。

2 試驗結果與分析

2.1 混合原水濁度的處理效果分析

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，不同加藥量對不同配比原水的濁度去除率均達到90%以上。對于黃河水與南水北調水配比為2∶1的混合原水，當PAC加藥量為35 mg／L時，濁度去除率為96.55%，此時去除率最高，所以當配比為2∶1時，單從濁度指標來看推薦的加藥量為PAC 35 mg／L、活化硅酸7 mg／L。同理，對于配比為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，隨著南水北調水水量的增加，混凝劑（PAC）和助凝劑（活化硅酸）的加藥量越來越少，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

2.2 混合原水UV254的處理效果分析

UV254是指在波長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類大分子有機物以及含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，當混凝劑為PAC時，不同加藥量對不同配比混合原水的UV254去除率差異較大。當黃河水與南水北調水的配比為2∶1、PAC加藥量為35 mg／L、活化硅酸為7 mg／L時，濁度去除率即可達96.55%，而UV254的去除率僅為23.68%，說明鋁鹽對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，僅把其作為輔助性指標。

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

所以當配比為2∶1時，推薦PAC的加藥量為35 mg／L、活化硅酸為 7 mg／L；當配比為 1 ∶1 時，推薦PAC的加藥量為 25 mg／L、活化硅酸為 5 mg／L，此時UV254的去除率可達到40%左右；當配比為1∶2時，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。結合濁度去除效果，配比為 1∶2時，推薦的加藥量為 PAC 15 mg／L、活化硅酸 3 mg／L。

2.3 混合原水氨氮的處理效果分析

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，當混凝劑為PAC時，不同加藥量對不同配比混合原水的氨氮去除效果有所差別。對于黃河水與南水北調水配比為2∶1的混合原水，當PAC的加藥量為35 mg／L、活化硅酸為7 mg／L時，氨氮去除率可達85.71%左右，為三個投藥量的最高值，且混凝劑加藥量的改變對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一步提升，故氨氮僅作為混凝劑劑量優(yōu)化的一項參考性指標。因此，當配比為2∶1時，綜合考慮濁度和氨氮指標，推薦的加藥量為PAC 35 mg／L、活化硅酸7 mg／L。對于配比為1∶1的混合原水，PAC加藥量為25 mg／L、活化硅酸為 5 mg／L時，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，氨氮去除率仍不到70%。所以當配比為1∶1時，考慮加藥量成本問題，推薦的加藥量為 PAC 25 mg／L、活化硅酸5 mg／L。對于配比為1∶2的混合原水，PAC加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為 3 mg／L時，氨氮的去除率達到了100%，去除效果非常理想。所以當配比為1∶2時，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

2.4 混合原水CODMn的處理效果分析

CODMn是指在一定條件下，用強氧化劑（高錳酸鉀）處理水樣時所消耗氧化劑的量，它能反映水體受還原性物質污染的程度，水中還原性物質包括有機物、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，當混凝劑為PAC時，不同加藥量對不同配比混合原水中CODMn的去除效果不同。對于黃河水與南水北調水配比為2∶1的混合原水，當 PAC加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為3 mg／L時，濁度去除率可達94.2%，CODMn的去除率卻不到10%；當PAC加藥量為25 mg／L、活化硅酸為5 mg／L時，濁度去除率可達94%，此時CODMn的去除率為32.2%。對于配比為1∶1的混合原水，當PAC 加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為 3 mg／L 時，濁度去除率可達94.98%，CODMn去除率達55%左右，去除效果最好。所以當配比為1∶1的時候，對于去除CODMn推薦的加藥量為PAC 15 mg／L、活化硅酸3 mg／L。對于配比為1∶2的混合原水，當PAC的加藥量為 15 mg／L、活化硅酸為 3 mg／L時，濁度去除率和CODMn去除率分別為96.2%和31.2%，相對于其他兩種投藥量均達到最大值。所以當配比為1∶2的時候，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

2.5 混合原水鋁的處理效果分析

試驗還研究了黃河水和南水北調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，當黃河水和南水北調水配比為2∶1、1∶1和1∶2時，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，不超過國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》（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水以該三種比例混合時，出水鋁含量超標的風險較小。

3 結論

由試驗結果可知，黃河水與南水北調水配比為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，整體水質情況較好。當黃河水與南水北調水配比為1∶2時，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，PAC的最佳投加量為35 mg／L，活化硅酸為 7 mg／L，此時濁度去除率為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，PAC的最佳投加量為35 mg／L，活化硅酸為7 mg／L，此時濁度去除率為96.5%，UV254去除率為40%，氨氮去除率為50%，CODMn去除率為50%。

在水源調配比例的選擇上，根據不同配比原水的試驗結果，考慮盡量充分利用南水北調水源，合理選擇黃河過境水，有效地開發(fā)和保護地下水資源，進行多水源之間的優(yōu)化配置和合理調配，確保城市水資源的可持續(xù)發(fā)展。

［1］王朝玉.河南省南水北調中線工程建設管理有關問題探討［J］.南水北調與水利科技，2003，1（2）：17-19.

［2］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：258-279.

［3］胡輝.低溫低濁黃河水強化混凝研究［D］.鄭州：鄭州大學，2013.

［4］周玲玲，張永吉，孫麗華，等.鐵鹽和鋁鹽混凝對水中天然有機物 的 去 除 特 性 研 究 ［J］.環(huán) 境 科 學，2008，29（5）：1187-1191.