李學(xué)榮，姚曉挺，夏 煒，施淑婷，呂騰飛

(永康市錢江水務(wù)有限公司，浙江金華 321300)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活飲用水的水質(zhì)要求越來越高。同時(shí)，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)俱進(jìn)，檢測(cè)項(xiàng)目增多、標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。2003年，浙江省城市水業(yè)協(xié)會(huì)出臺(tái)了《浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)出廠水渾濁度的限值由≤1.00 NTU調(diào)整為≤0.10 NTU。為確保低耗、穩(wěn)定供水，水廠不僅要對(duì)凈水工藝建立更加嚴(yán)格的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，而且要強(qiáng)化各處理單元運(yùn)行管理[1]。目前，水廠主要依據(jù)各水處理單元的實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)、工作經(jīng)驗(yàn)建立內(nèi)控工藝標(biāo)準(zhǔn)，但不具有普適性。因此，水廠應(yīng)依據(jù)自身水處理工藝及原水水質(zhì)建立相適應(yīng)的內(nèi)控工藝標(biāo)準(zhǔn)。

某水廠于2019年6月通過浙江省現(xiàn)代化水廠評(píng)審，水廠內(nèi)部工藝內(nèi)控指標(biāo)只是針對(duì)原水渾濁度進(jìn)行了簡(jiǎn)單的劃分(表1)，經(jīng)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，該指標(biāo)已無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

表1 水廠工藝內(nèi)控指標(biāo)Tab.1 Internal Process Control Indices of WTP

為進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)原水渾濁度的變化進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，且對(duì)影響濾后水水質(zhì)的濾池參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定及優(yōu)化，對(duì)內(nèi)控工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)整。

1 原水及工藝現(xiàn)狀

該水廠以水庫水為原水，除渾濁度外，其余水質(zhì)指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅲ類水質(zhì)要求。該水庫原水渾濁度全年大部分時(shí)間低于3.00 NTU，但5月—8月受梅雨季節(jié)及臺(tái)風(fēng)影響，原水渾濁度可高達(dá)30.00 NTU以上。該水廠采用“混凝-沉淀-過濾-消毒”常規(guī)處理工藝。

(1)折板絮凝池和平流沉淀池。折板絮凝池分兩期生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬m3/d，實(shí)際處理能力為6萬m3/d，有效絮凝時(shí)間為22.8 min；沉淀池采用平流沉淀池，排泥采用虹吸式吸泥機(jī)，可實(shí)行遠(yuǎn)程編程控制，吸泥周期為48 h，可根據(jù)水質(zhì)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳制水效果。

(2)濾池。目前有兩組V型濾池，每組濾池分為6格，工作時(shí)間為24 h，當(dāng)水質(zhì)水量發(fā)生變化時(shí)，以水頭損失為2.0 m控制濾池反沖洗。單獨(dú)空氣反沖洗時(shí)強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，時(shí)間為4 min；氣水同時(shí)反沖洗時(shí)氣沖強(qiáng)度為15 L/(s·m2)，水沖強(qiáng)度為4 L/(s·m2)，時(shí)間為4 min；單獨(dú)水反沖洗時(shí)強(qiáng)度為4 L/(s·m2)，時(shí)間為4 min；表面漂洗強(qiáng)度為1.8～2.2 L/(s·m2)，時(shí)間為4 min。濾料的濾料結(jié)構(gòu)為承托層，選用粒徑為2～4 mm的石英粗砂，層厚為50 mm，均勻?yàn)V料層厚為1 200 mm。

(3)清水池。清水池有效水深為4 m，總?cè)莘e為28 000 m3，約占水廠日制水量的14%。

2 試驗(yàn)方法與步驟

由于原水渾濁度季節(jié)性變化很大，結(jié)合渾濁度變化規(guī)律，在2020年全年分階段進(jìn)行研究。研究分3步進(jìn)行：(1)混凝攪拌試驗(yàn)；(2)生產(chǎn)性試驗(yàn)；(3)濾池運(yùn)行效率的影響因素。

2.1 混凝攪拌試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行混凝攪拌試驗(yàn)，確定不同聚合氯化鋁(PAC)投加量條件下，所對(duì)應(yīng)的沉淀池出水渾濁度，并以此結(jié)果輔助生產(chǎn)性試驗(yàn)。同時(shí)，密切關(guān)注在同樣PAC投加量條件下，混凝攪拌試驗(yàn)沉淀池出水的渾濁度和生產(chǎn)線沉淀池出水渾濁度的差異。如差異過大，調(diào)整混凝試驗(yàn)攪拌參數(shù)。

2.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)

選取該水廠二期生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，觀察在不同的PAC投加量條件下，沉淀池出水渾濁度的變化，并記錄相應(yīng)濾池濾后水的渾濁度變化。

水廠二期生產(chǎn)線可分為二期一號(hào)和二期二號(hào)，在保證出廠水渾濁度≤0.10 NTU的條件下，選取二期二號(hào)生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，二期一號(hào)生產(chǎn)線作為對(duì)照組。在試驗(yàn)期間，所記錄的原水渾濁度、沉淀池出水渾濁度、濾池濾后水渾濁度以生產(chǎn)線上所安裝的在線儀表所顯示的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。同時(shí)，每隔4 h對(duì)各個(gè)儀表進(jìn)行在線比對(duì)，如差異過大，對(duì)在線儀表進(jìn)行校準(zhǔn)維護(hù)。

2.3 濾池運(yùn)行效率的影響因素

在進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)期間，進(jìn)行濾池技術(shù)參數(shù)的測(cè)定，并考察相關(guān)運(yùn)行參數(shù)對(duì)濾后水渾濁度的影響。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 混凝攪拌試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)參數(shù)的確定

為實(shí)現(xiàn)混凝攪拌試驗(yàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)，系統(tǒng)地對(duì)生產(chǎn)流程中各工藝參數(shù)進(jìn)行分析，確定了混凝攪拌試驗(yàn)的參數(shù)[2-3](表2)。

表2 混凝攪拌參數(shù)Tab.2 Parameters of Coagulation Jar Test

3.1.2 試驗(yàn)參數(shù)的驗(yàn)證

利用上述攪拌參數(shù)進(jìn)行混凝攪拌試驗(yàn)，不同加藥量下的渾濁度變化情況如圖1所示。將該曲線結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中不同PAC投加量下沉淀池出水渾濁度進(jìn)行對(duì)比(圖2)。

圖1 不同PAC投加量下的渾濁度變化Fig.1 Change of Turbidity under Different PAC Dosages

由圖1和圖2可知，在PAC投加量為15 mg/L和12 mg/L時(shí)，該程序的沉淀池出水渾濁度接近實(shí)際生產(chǎn)中沉淀池出水的渾濁度。該混凝攪拌試驗(yàn)的參數(shù)可用于輔助生產(chǎn)中PAC的投加，后續(xù)的生產(chǎn)性試驗(yàn)也證明了該指數(shù)切實(shí)可行。

圖2 生產(chǎn)線沉淀池出水和混凝試驗(yàn)沉淀池出水渾濁度對(duì)比Fig.2 Comparison of Turbidity between Treated Water after Sedimentation of Production Line and Jar Test

3.2 生產(chǎn)性試驗(yàn)

根據(jù)混凝攪拌試驗(yàn)情況確定不同沉淀池出水渾濁度條件下的藥劑投加量，以此指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中PAC投加量的調(diào)整，并記錄沉淀池出水及濾后水的渾濁度變化。該水廠原水渾濁度大部分時(shí)間<3.00 NTU，且受季節(jié)影響較大，因此，以原水渾濁度<1.00 NTU、在1.00～5.00 NTU及>15.00 NTU為例，介紹該方面工作(表3～表5)。

表3 原水渾濁度<1.00 NTU時(shí)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Result Statistics when Raw Water Turbidity <1.00 NTU

3.2.1 原水渾濁度<1.00 NTU條件下生產(chǎn)性試驗(yàn)

由表3可知，隨著PAC投加量的降低，沉淀池出水渾濁度由0.08～0.10 NTU提高至0.30～0.40 NTU，濾后水渾濁度也由0.03～0.04 NTU上升至0.13～0.18 NTU。表明原水渾濁度小于1.00 NTU時(shí)，為使濾后水渾濁度小于0.10 NTU，沉淀池出水渾濁度應(yīng)控制在0.15～0.23 NTU。另外，在試驗(yàn)期間，15 mg/L的PAC投加量即可生成較粗大密實(shí)的礬花，但PAC投加量為20 mg/L時(shí)濾后水渾濁度才達(dá)標(biāo)。推測(cè)原因是原水渾濁度過低，15 mg/L的PAC投加量不足以使水中膠體顆粒有效變大，需要提高PAC投加量強(qiáng)化混凝，以利于濾池過濾。因此，該渾濁度條件下對(duì)PAC投加控制要求較高。

3.2.2 原水渾濁度>15.00 NTU條件下生產(chǎn)性試驗(yàn)

未受臺(tái)風(fēng)影響時(shí)，原水渾濁度為1.40～1.85 NTU，PAC投加量為21 mg/L，沉淀池出水渾濁度為0.30～0.40 NTU，濾后出水渾濁度為0.06～0.08 NTU。受臺(tái)風(fēng)影響，原水渾濁度突變至17.00～26.50 NTU，生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。對(duì)比高、低渾濁度原水沉淀池出水渾濁度可知，原水渾濁度升高，沉淀池出水渾濁度將相應(yīng)提高。推測(cè)原因是原水渾濁度高時(shí)，原水中雜質(zhì)顆粒數(shù)較多，極大地增加了顆粒間相互碰撞的幾率，將形成較大顆粒，間接強(qiáng)化了過濾效果。該試驗(yàn)表明，在此原水渾濁度條件下，為保證濾后出水渾濁度達(dá)標(biāo)，沉淀池出水渾濁度應(yīng)控制在1.72～2.05 NTU，且提高了濾池利用率。進(jìn)一步降低PAC投加量時(shí)，沉淀池出水渾濁度提高，濾后出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。因此，應(yīng)依據(jù)原水渾濁度，控制濾池進(jìn)水渾濁度。

表4 原水渾濁度>15.00 NTU時(shí)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.4 Result Statistics when Raw Water Turbidity >15.00 NTU

3.2.3 原水渾濁度在1.00～5.00 NTU條件下生產(chǎn)性試驗(yàn)

(1)生產(chǎn)線PAC投加量試驗(yàn)

原水渾濁度在1.00～5.00 NTU條件下的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，在此條件下，沉淀池出水渾濁度由0.16～0.18 NTU提高至0.36～0.40 NTU，仍可保證濾后水渾濁度≤0.10 NTU。根據(jù)《現(xiàn)代化凈水廠技術(shù)手冊(cè)》中關(guān)于絮體大小描述，0.6 mm的絮體為合適的大小，但實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)肉眼觀察，絮體尺寸在2 mm左右，可能存在PAC投加過量的情況。因此，進(jìn)一步降低PAC投加量為5 mg/L，此時(shí)懸浮顆粒物少，缺少凝聚核，顆粒物無法通過沉淀被除去，導(dǎo)致沉淀池出水與原水的渾濁度接近，沉淀池出水渾濁度為1.20～1.55 NTU，濾后水渾濁度達(dá)到0.24～0.35 NTU。

表5 原水渾濁度在1.00～5.00 NTU時(shí)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Result Statistics at Raw Water Turbidity 1.00～5.00 NTU

(2)絮凝沉淀池中礬花變化

結(jié)合表5與表6可知，隨著加藥量增加，礬花越來越大，沉降性能越來越好。加藥量為5 mg/L時(shí)，低渾濁度水中膠體未完全脫穩(wěn)，且膠體顆粒碰撞、凝聚難度大，影響礬花生成，極易穿透濾池導(dǎo)致濾后水渾濁度升高。加藥量為10 mg/L時(shí)，雖有細(xì)小礬花生成，但仍有部分膠體顆粒未有效變大，容易穿透濾池導(dǎo)致濾后水渾濁度升高。當(dāng)加藥量為12 mg/L時(shí)，細(xì)小礬花進(jìn)一步脫穩(wěn)、吸附架橋形成較大顆粒，生成的礬花較粗大密實(shí)，平流沉淀池可見深度較大，可保障濾后水渾濁度≤0.10 NTU。這表明水中顆粒物應(yīng)充分脫穩(wěn)變大，才易于被濾池截留、吸附。

表6 試驗(yàn)期間絮凝沉淀池絮體現(xiàn)象Tab.6 Flocs in Flocculation and Sedimentation Tank during the Test

3.2.4 濾后水水質(zhì)變化

不同PAC投加量條件下，濾后水水質(zhì)對(duì)比如表7所示。PAC投加量由20 mg/L降低到12 mg/L，相應(yīng)沉淀池出水渾濁度由0.17 NTU升高至0.40 NTU，濾后水渾濁度由0.03～0.04 NTU升高至0.07～0.09 NTU。同時(shí)，濾后水CODMn、Al檢測(cè)值均略微升高，但仍優(yōu)于國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表7 濾后水水質(zhì)對(duì)比Tab.7 Comparison of Filtered Water Quality

3.3 濾池運(yùn)行效率影響的研究

濾池是常規(guī)水處理工藝的最終屏障[4-6]，可通過優(yōu)化濾池運(yùn)行參數(shù)達(dá)到強(qiáng)化濾池過濾性能的目的，以進(jìn)一步提高沉淀池出水渾濁度。在原水渾濁度為1.00～5.00 NTU條件下的生產(chǎn)性試驗(yàn)期間，進(jìn)行濾池技術(shù)參數(shù)的測(cè)定，并考察運(yùn)行周期、濾料級(jí)配對(duì)過濾效果的影響。

3.3.1 濾池技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果

濾料反沖洗時(shí)膨脹率檢測(cè)：?jiǎn)为?dú)氣沖時(shí)，濾料的膨脹率為40.0%；氣水混沖時(shí)，濾料的膨脹率為43.2%；單獨(dú)水沖時(shí)，濾料的膨脹率為2.0%。以上數(shù)據(jù)符合運(yùn)行規(guī)程的要求。

濾料含泥率檢測(cè)：濾池整體的含泥率反沖洗前為0.243%、反沖洗后為0.182%，兩者之差為0.061%。反沖洗前后的含泥率均符合浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(含泥率≤3.000%)。

濾料級(jí)配試驗(yàn)：設(shè)計(jì)參數(shù)不均勻系數(shù)K80=1.2～1.4，有效粒徑d10=0.95 mm。由級(jí)配試驗(yàn)可知，二期的4#、5#濾池的濾砂級(jí)配試驗(yàn)符合設(shè)計(jì)參數(shù)，1#、2#、3#、6#濾池的濾砂級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果不符合設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.3.2 濾池運(yùn)行參數(shù)對(duì)過濾效果的影響

由濾池過濾效果影響因素可知，濾層厚度L與d10之比的大小將會(huì)直接影響濾池出水水質(zhì)，4#、5#、6#號(hào)濾池濾砂d10=0.96、L=1 200 mm。同時(shí)，在生產(chǎn)性試驗(yàn)過程中進(jìn)行了濾筒中試試驗(yàn)，濾筒中試試驗(yàn)取4#和6#濾池砂子模擬濾池，該試驗(yàn)表明級(jí)配對(duì)過濾效果沒有明顯影響。因此，以4#、5#、6#號(hào)濾池進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。

表8、表9分別為濾池運(yùn)行周期及濾料級(jí)配對(duì)過濾效果的影響。由表8可知，在同一進(jìn)水渾濁度條件下，改變?yōu)V池的運(yùn)行時(shí)間對(duì)濾池的過濾效果無明顯影響。原濾池運(yùn)行周期為24 h，由于運(yùn)行周期為70 h時(shí)水頭損失升高明顯，經(jīng)此試驗(yàn)后確定濾池運(yùn)行時(shí)間可延長至52 h，比之前延長28 h，可節(jié)省能耗。

表8 運(yùn)行周期對(duì)濾后水渾濁度的影響Tab.8 Effect of Operation Cycle on Turbidity of Filtered Water Quality

表9 級(jí)配對(duì)濾后水渾濁度的影響(單位：NTU)Tab.9 Effect of Filter Sand Grading on Turbidity of Filtered Water Quality (Unit：NTU)

由表9可知，所對(duì)應(yīng)濾池的濾后水渾濁度在0.20 NTU左右，濾后水渾濁度>0.10 NTU，濾料級(jí)配并未對(duì)濾池的過濾效果起到改善的作用[7-8]。

綜合濾池的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，V型濾池的運(yùn)行周期及濾料級(jí)配并不會(huì)對(duì)過濾效果造成影響。結(jié)合生產(chǎn)線PAC投加量試驗(yàn)與水廠工藝現(xiàn)狀，要保證濾后水渾濁度<0.10 NTU，應(yīng)該合理控制濾前水渾濁度。

3.4 工藝內(nèi)控指標(biāo)的合理調(diào)整

系統(tǒng)性分析生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果和濾池運(yùn)行效率影響因素，濾池的濾后水渾濁度與沉淀池出水的渾濁度有緊密的聯(lián)系。因此，不能將沉淀池出水渾濁度依據(jù)原水渾濁度進(jìn)行簡(jiǎn)單劃分。

總結(jié)分析沉淀池出水渾濁度變化對(duì)濾后水渾濁度的影響，將沉淀池出水渾濁度內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)依原水渾濁度變化進(jìn)行精細(xì)化劃分(表10)。由表10可知，在保證濾后水渾濁度≤0.10 NTU的前提下，沉淀池出水渾濁度依據(jù)原水渾濁度有著不同的控制范圍[9-10]。該工藝內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)可極大地提高水廠運(yùn)行管理水平。

表10 沉淀池出水渾濁度工藝指標(biāo)的合理調(diào)整Tab.10 Reasonable Adjustment of Process Index for Sedimentation Tank Outflow Turbidity

4 運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

將修改后的內(nèi)控工藝標(biāo)準(zhǔn)用于實(shí)際生產(chǎn)，其運(yùn)行結(jié)果如表11所示。結(jié)合生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果，按原內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，無法實(shí)現(xiàn)濾后水渾濁度<0.10 NTU的要求。對(duì)比新舊標(biāo)準(zhǔn)可知，原內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)沉淀池出水實(shí)際出水渾濁度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相差很大，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)無指導(dǎo)意義。新的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)沉淀池出水渾濁度設(shè)定值與實(shí)際控制相符。新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了PAC的合理投加，可降低平均礬耗10%左右，節(jié)約制水成本14萬元左右。

表11 新舊內(nèi)控指標(biāo)用于實(shí)際生產(chǎn)的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比Tab.11 Comparison of Operation Results of Old and New Internal Control Indics for Pratical Operation

調(diào)整沉淀池出水內(nèi)控工藝標(biāo)準(zhǔn)之后，濾后水和出廠水渾濁度由<0.04 NTU升高至0.04～0.08 NTU，但濾池的渾濁度去除率提高了8%～35%，極大提高了濾池的利用率。同時(shí)，濾池仍可使用現(xiàn)用的反沖洗強(qiáng)度。

5 結(jié)論

(1)本研究對(duì)采用常規(guī)處理工藝、以水庫水為原水的水廠，提出了沉淀池出水渾濁度的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)原水渾濁度<1.00 NTU時(shí)，控制沉淀池出水渾濁度<0.20 NTU；當(dāng)原水渾濁度為1.00～5.00 NTU時(shí)，控制沉淀池出水渾濁度為0.30～0.50 NTU；當(dāng)原水渾濁度為5.00～15.00 NTU時(shí)，控制沉淀池出水渾濁度為0.60～0.90 NTU；當(dāng)原水渾濁度為15.00～30.00 NTU時(shí)，控制沉淀池出水渾濁度為1.70～2.00 NTU。經(jīng)驗(yàn)證，該內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)可有效保證出廠水渾濁度<0.10 NTU。

(2)經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該工藝內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同原水渾濁度條件下對(duì)PAC投加的精細(xì)化控制，礬耗可節(jié)省10%左右，而且濾池的渾濁度去除率提高了8%～35%。

(3)在保證濾后水<0.10 NTU的前提下，濾池的運(yùn)行周期由24 h提高至52 h，濾池反沖洗頻率下降，極大地降低了電耗、水耗。

(4)本文依據(jù)原水渾濁度的變化提出了沉淀池出水內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，而原水的藻類、雜質(zhì)、堿度及水處理工藝的水力條件等均有一定影響。因此，需進(jìn)一步研究其他因素對(duì)沉淀池出水內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)的影響，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。