紀銀傳

(福建省晉江自來水股份有限公司，福建泉州 362200)

晉江市梅嶺水廠設計供水規(guī)模為45萬m3/d，現(xiàn)場發(fā)生型二氧化氯消毒系統(tǒng)配置規(guī)模為二氧化氯前加氯4臺(產(chǎn)能為10 kg/h)、二氧化氯后加氯5臺(產(chǎn)能為20 kg/h)。隨著國內(nèi)次氯酸鈉消毒劑在北上廣深等地的大型水廠中大面積推廣，二氧化氯作為消毒劑在大型水廠的應用案例有削弱的趨勢。但近年來，國內(nèi)大量水廠采用單獨投加次氯酸鈉作為消毒劑時，發(fā)生了濾后水色度上升、出廠水色度、渾濁度、氯酸鹽超標的現(xiàn)象。二氧化氯作為一種高效、廣譜、綠色的消毒劑[1]，不僅具備消毒功能，且具備強氧化預處理功能[2]，國內(nèi)已有多位專家學者深入研究二氧化氯作為預氧化劑除鐵、錳的作用，其原水特性雖然有地域性差別，但研究結果方向一致，目前已有相關成果在其他水廠得到了應用[3]。梅嶺水廠是目前國內(nèi)采用二氧化氯消毒工藝中最大的單體水廠，深入挖掘大型水廠二氧化氯的消毒與氧化協(xié)同價值，特別是在大型水廠找到二氧化氯在消毒及預氧化的具體投加參數(shù)指標非常重要，這有利于推動二氧化氯在供水行業(yè)的延伸使用[4]，給同行特別是大規(guī)模水廠提供深入解決類似問題的實踐參考。

梅嶺水廠常年原水水質(zhì)表現(xiàn)出如下特征：春、秋、冬季水源水質(zhì)良好，各類指標達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ類及以上標準；夏季，特別是暴雨后，水源水質(zhì)體現(xiàn)出高渾濁度、含鐵錳的水質(zhì)特點，且持續(xù)時間長。原水含高鐵錳的水質(zhì)污染特征已明顯影響沿河渠道取水的所有水廠，每年夏季泉州市周邊均有不同程度的水質(zhì)污染，針對該污染特征的有效工藝解決方案應用迫在眉睫。

本文主要針對梅嶺水廠原水水質(zhì)污染特征，通過實驗室試驗、工藝中試驗等數(shù)據(jù)分析，研究采用二氧化氯作為消毒劑及處理特定微污染原水氧化劑的相關規(guī)律，該研究未考察原水有機污染物如腐植酸等物質(zhì)與二氧化氯反應生成三氯甲烷等有機消毒副產(chǎn)物的影響[5]。本文采用平行及正交試驗，在實驗室模擬工藝條件下，通過改變二氧化氯的投加點及投加量，用來處理含鐵、錳原水，同時保障濾后水消毒余二氧化氯指標、控制濾后水消毒副產(chǎn)物[6-7]。并將二氧化氯的消毒及氧化功能協(xié)同[8]，可充分發(fā)揮二氧化氯在水廠的消毒及預氧化作用，以此處理鐵、錳微污染原水。

1 試驗

1.1 試驗背景

本試驗以梅嶺水廠為基地開展研究，梅嶺水廠制水工藝流程如圖1所示。

圖1 梅嶺水廠制水工藝流程Fig.1 Water Production Process Flow of Meiling WTP

根據(jù)梅嶺水廠多年來對原水及出廠水水質(zhì)指標的長期觀測結果，原水主要特征污染物為鐵、錳，并且表現(xiàn)出同時出現(xiàn)、同時超標的水質(zhì)特征。出廠水主要特征污染物為氯酸鹽、亞氯酸鹽[9]。以多年觀測結果為依據(jù)，為便于本文的數(shù)據(jù)論述，將原水受污染程度劃分定義為3類：第一類為W+、第二類為W++、第三類為W+++。假定每一類的特征污染物鐵、錳指標均同時符合表1相關指標要求，并設定受污染期間的濾后水水質(zhì)評價標準限值為：鐵≤0.3 mg/L，錳≤0.1 mg/L，氯酸鹽≤0.7 mg/L，亞氯酸鹽≤0.7 mg/L，渾濁度≤1 NTU，色度≤15。

表1 原水受污染類別及相關指標限值Tab.1 Pollution Category of Raw Water and Limits Value of Relevant Indices

1.2 試驗條件

為精確模擬制水工藝的現(xiàn)場條件，試驗階段設定以下基礎條件。

(1)絮凝條件：采用梅嶺水廠年平均液體聚合氯化鋁(PAC)投加單耗(18.5 mg/L)。

(2)沉淀條件：采用梅嶺水廠沉淀池設計參數(shù)(停留時間為90 min)。

(3)過濾條件：采用模擬V型濾池設計參數(shù)的過濾條件(濾速為8.0 m/h)。

(4)取二氧化氯發(fā)生器出料口原液進行稀釋標定，獲得質(zhì)量濃度為1 000 mg/L二氧化氯標準液。

(5)采用標準試劑模擬配置原水水樣，分別得到表2中3個標準原水樣，單因子試驗量為1 L。

表2 3個梯度的標準原水樣Tab.2 Standard Raw Water Sample with Three Gradients

1.3 試驗效果評定

將W+樣、W++樣、W+++樣分成3組進行獨立試驗，考察二氧化氯在不同投加點位、不同投加量、同一外界及邊界條件下，特征污染物(鐵、錳)的去除效果及消毒副產(chǎn)物(氯酸鹽、亞氯酸鹽)的析出量[10]，以及感官性狀指標(渾濁度、色度)等。

1.4 試驗過程與討論

1.4.1 對W+原水樣的試驗

根據(jù)上述試驗基礎條件及方案設定，對W+原水樣做了相關平行及正交試驗，如表3所示。

由表3可知，在W+污染程度下：(1)當二氧化氯投加在絮凝前及濾后時，均不能達到有效去除鐵、錳的目的，且濾后水相關指標均處于較差水平，其中色度明顯超標；(2)當二氧化氯投加在絮凝前、濾前、濾后時，鐵、錳去除效果較好；(3)當二氧化氯投加在濾前、濾后時，鐵、錳去除效果較好；(4)當二氧化氯總投加量超過4.0 mg/L時，氯酸鹽及亞氯酸鹽偏高，有明顯超標風險；(5)濾后水渾濁度及色度與鐵、錳去除率呈負相關；(6)絮凝前投加二氧化氯，對于鐵、錳的去除沒有太大的正相關影響；(7)通過濾前投加二氧化氯，濾后水鐵、錳的去除效果明顯。

表3 對W+原水樣的綜合試驗Tab.3 Comprehensive Test on W+ Raw Water Samples

根據(jù)以上結論，控制二氧化氯總投加量為3.0 mg/L，做延伸擴展驗證試驗[11]，結果如表4所示。

表4 對W+原水樣的驗證試驗Tab.4 Verification Test of W+ Raw Water Samples

表4數(shù)據(jù)表明，在W+污染程度下：(1)二氧化氯投加在濾前可以有效去除鐵、錳污染物，原水中鐵、錳污染物的去除率可≥80%，通過控制投加量可以有效控制氯酸鹽及亞氯酸鹽消毒副產(chǎn)物的生成量，同時保障濾后水各項指標處于良好水平；(2)最佳投加方案為二氧化氯濾前投加量為1.0～2.0 mg/L，控制總二氧化氯投加量為3.0 mg/L，由此計算濾后二氧化氯投加量。

1.4.2 對W++原水樣的試驗

根據(jù)上述試驗基礎條件及方案設定，對W++原水樣做了相關平行及正交試驗，結果如表5所示。

表5數(shù)據(jù)表明，在W++污染程度下：(1)二氧化氯投加在絮凝前及濾后時均不能達到有效去除鐵、錳的作用，且濾后水各項指標明顯超標；(2)二氧化氯投加量與氯酸鹽及亞氯酸鹽含量呈正相關；(3)二氧化氯投加點位設定在濾前及濾后時，鐵、錳去除效果較為明顯，但因濾前控制投加量為1.0 mg/L，未能考察投加變化量對相關指標的去除影響。

表5 對W++原水樣的綜合試驗Tab.5 Comprehensive Test on W++ Raw Water Samples

根據(jù)試驗結果，結合W+樣的試驗成果，控制二氧化氯總投加量不超過4.0 mg/L，對W++樣進行延伸擴展驗證試驗，結果如表6所示。

表6 對W++原水樣的驗證試驗Tab.6 Verification Test of W++ Raw Water Samples

表6數(shù)據(jù)表明，在W++污染程度下：(1)通過在濾前投加適量的二氧化氯，可以有效去除鐵、錳；(2)隨著濾前二氧化氯投加量的增大，鐵、錳的去除效果越好，當投加量≥2.0 mg/L時去除效果良好；(3)當投加總量達到4.0 mg/L時，氯酸鹽及亞氯酸鹽均存在明顯超標風險；(4)嚴格控制二氧化氯在濾前及濾后的投加配比能進一步減少消毒副產(chǎn)物氯酸鹽及亞氯酸鹽的超標風險；(5)在W++污染程度下，最佳投加方案為二氧化氯濾前投加量為2.0～2.5 mg/L，控制總二氧化氯投加量為3.5 mg/L，由此計算濾后二氧化氯投加量，但該情況下無法充分保障消毒副產(chǎn)物完全達標。

1.4.3 對W+++原水樣的試驗

根據(jù)上述試驗基礎條件及方案設定，對W+++原水樣做了相關平行及正交試驗，結果如表7所示。

表7 對W+++原水樣的綜合試驗Tab.7 Comprehensive Test of W+++ Raw Water Samples

表7數(shù)據(jù)表明，在W+++污染程度下，以上投加方案均不能有效去除鐵、錳，濾后水相關指標均不達標。結合W+樣、W++樣的試驗結果，控制二氧化氯總投加量不超過4.0 mg/L，采用濾前投加為主，濾后水投加為輔，對W+++樣進行延伸擴展驗證試驗，結果如表8所示。

表8 對W+++原水樣的驗證試驗Tab.8 Verification Test of W+++ Raw Water Samples

表8數(shù)據(jù)表明，在W+++污染程度下：(1)通過在濾前投加適量的二氧化氯，可以有效去除鐵、錳；(2)隨著濾前二氧化氯投加量的增大，鐵、錳的去除效果越好，當達到3.5 mg/L時去除率達到最佳；(3)提升濾前二氧化氯投加量可有效去除鐵、錳，但本試驗下均未能找到濾后水所有指標達標的投加方案，呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)特點為鐵、錳去除率與消毒副產(chǎn)物出水含量呈正相關，與濾后水二氧化氯含量呈負相關；(4)為了保障出廠水保有余氯含量，并確保消毒副產(chǎn)物不超標，二氧化氯僅能作為去除鐵、錳的氧化劑，未能達到同時作為消毒劑的作用。

2 實踐應用

根據(jù)實驗室的大量數(shù)據(jù)論證，梅嶺水廠對消毒工藝進行了實地工藝技改(梅嶺水廠消毒工藝提升改造第一階段)，具體為：(1)在沉淀池末端(V型濾池過濾前端)增設二氧化氯預氧化投加系統(tǒng)；(2)在清水池末端增加出廠水二氧化氯投加系統(tǒng)，作為出廠余二氧化氯保有量應急補充使用。

將實驗室模擬投加方案實地應用于梅嶺水廠消毒系統(tǒng)，并整理了相關工藝運行投加及水質(zhì)數(shù)據(jù)，實踐數(shù)據(jù)匯總如表9所示。

表9 梅嶺水廠消毒系統(tǒng)實踐數(shù)據(jù)Tab.9 Practice Data of Disinfection System in Meiling WTP

梅嶺水廠消毒系統(tǒng)實際投加數(shù)據(jù)表明：(1)通過濾前投加二氧化氯改造，針對原水不同鐵、錳含量，相應調(diào)整二氧化氯濾前及濾后投加配比，可以保證原水鐵、錳得到很好的去除效果，各項指標達標，同時保障濾后水余二氧化氯質(zhì)量濃度不低于0.2 mg/L，符合梅嶺水廠余二氧化氯內(nèi)控指標要求；(2)當原水鐵質(zhì)量濃度大于1.33 mg/L、錳質(zhì)量濃度大于0.54 mg/L時，單獨采用二氧化氯作為氧化劑及消毒劑存在消毒副產(chǎn)物超標風險，該實際應用與試驗數(shù)據(jù)結論基本符合；(3)當原水受到W+及以下污染條件時，該技術方案可以有效處理微污染原水,當原水受到W++及W+++以上污染時，不建議采用單獨二氧化氯消毒法解決原水污染問題，應尋求其他方法和途徑聯(lián)合處理該污染條件下的原水。

3 總結與展望

本文通過實驗室模擬試驗及梅嶺水廠對消毒工藝實地技改，結合試驗及實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，對二氧化氯投加消毒法的現(xiàn)狀、存在問題及尚需進一步研究的問題總結如下。

(1)當原水遭受鐵≤0.60 mg/L、錳≤0.20 mg/L的微污染時，通過在濾前投加二氧化氯(<2.5 mg/L)，可有效去除鐵、錳污染物，且能保障濾后水中鐵≤0.15 mg/L、錳≤0.06 mg/L、氯酸鹽≤0.30 mg/L、亞氯酸鹽≤0.35 mg/L、余二氧化氯≥0.20 mg/L。該污染條件下，通過投加二氧化氯可解決鐵、錳超標問題，同時確保消毒副產(chǎn)物與余二氧化氯達標。本環(huán)境下二氧化氯的最佳投加方案為：濾前投加量為1.0～2.0 mg/L，濾前與濾后投加總量控制≤3.0 mg/L。

(2)當原水遭受鐵質(zhì)量濃度在0.60～1.20 mg/L、錳在0.20～0.40 mg/L的中度污染時，通過在濾前投加二氧化氯，可有效去除鐵、錳污染物，但氯酸鹽、亞氯酸鹽質(zhì)量濃度接近0.70 mg/L，余二氧化氯≥0.20 mg/L。該污染條件下，通過投加二氧化氯可解決鐵、錳超標問題，但氯酸鹽及亞氯酸鹽指標處于臨界值。本環(huán)境下二氧化氯的最佳投加方案為：濾前投加量為2.0～2.5 mg/L，濾前與濾后投加總量控制≤3.5 mg/L。

(3)當原水遭受鐵≥1.20 mg/L、錳≥0.40 mg/L的重度污染時，通過在濾前投加二氧化氯，仍可有效去除鐵、錳污染物，但氯酸鹽、亞氯酸鹽指標存在超標風險。在該污染條件下，本文不推薦單獨采用二氧化氯進行消毒及預氧化除鐵、錳，應尋求聯(lián)合消毒等其他方案協(xié)同解決。

(4)本文試驗設定數(shù)據(jù)基于原水同時存在鐵、錳污染指標的最不利情況，當原水出現(xiàn)鐵≤0.6 mg/L或錳≤0.2 mg/L的單一污染情況時，仍可適用本文采用的方法；當原水鐵指標處于W+污染程度、錳指標處于W++污染程度時，或者鐵指標處于W++污染程度、錳指標處于W+污染程度時，本文未進行試驗數(shù)據(jù)論證，但實踐運行數(shù)據(jù)表明，無論原水鐵、錳處于何種程度的污染，當兩者污染指標加和<1.0 mg/L時可采用二氧化氯進行消毒及預氧化法，同時控制二氧化氯投加總量≤4.0 mg/L。因地域或季節(jié)性原水鐵、錳指標的異同，具體實操數(shù)據(jù)將略有異同，當原水鐵、錳任一指標達到W+++污染程度時，不建議采用本文的方法進行消毒及預氧化。

(5)針對國內(nèi)采用二氧化氯消毒的中大型水廠，單獨采用二氧化氯同時作為消毒劑及與氧化劑，在原水受鐵、錳微污染環(huán)境下是可行的，實際生產(chǎn)過程只需對二氧化氯投加系統(tǒng)做局部改造即可實現(xiàn)；但當原水受到鐵、錳重度污染時，可單獨采用二氧化氯作為鐵、錳去除劑，但不宜同時作為消毒劑使用。鑒于此，本文推薦尋求其他消毒劑作為聯(lián)合消毒及預氧化劑，進而與二氧化氯協(xié)同，達到去除鐵、錳、控制消毒副產(chǎn)物、保有消毒余氯指標的目的，最大化發(fā)揮二氧化氯在水廠的消毒與氧化功能。