應(yīng)對高藻原水的水廠多點加氯技術(shù)原理與應(yīng)用
“十一五”期間國家開始啟動實施水體污染控制與治理科技重大專項（以下簡稱“水專項”），在太湖流域開展了從源頭到龍頭的飲用水安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范應(yīng)用，形成了以“預(yù)處理-常規(guī)處理-深度處理”為代表的飲用水安全多級屏障凈水成套技術(shù)與工藝，太湖流域典型水廠凈水工藝流程如圖1所示。在正常高效運行情況下，以臭氧-生物活性炭為核心的飲用水安全多級屏障工藝在實現(xiàn)水質(zhì)全面達(dá)標(biāo)的同時，還能實現(xiàn)消毒副產(chǎn)物（DBPs）的協(xié)同削減，有效保障了出廠水質(zhì)，支撐了太湖流域的飲用水安全保障能力整體提升。
圖1 太湖流域典型凈水工藝流程
01.高藻水質(zhì)特征與水廠工藝挑戰(zhàn)由于太湖流域外源營養(yǎng)鹽負(fù)荷居高不下、內(nèi)源營養(yǎng)鹽負(fù)荷日益加重及氣象水文條件的變化，水體富營養(yǎng)化、藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)仍是現(xiàn)階段太湖流域最突出的水質(zhì)問題之一 。根據(jù)2011年—2018年太湖健康報告(www.tba.gov.cn/slbthlyglj/sj/sj.html)，太湖藍(lán)藻密度及總氮、總磷濃度變化趨勢如圖2所示。太湖總磷年平均濃度為0.066～0.084 mg/L，總氮年平均濃度為1.55～2.04 mg/L，藍(lán)藻年平均密度為（1277～11766）×104個/L，每年的6月—10月是太湖的高藻期，常出現(xiàn)藍(lán)藻水華暴發(fā)的現(xiàn)象，2017年太湖最大水華面積達(dá)到1403 km2。
圖2 2011年—2018年太湖藍(lán)藻密度及總氮、總磷濃度變化趨勢
太湖流域藻類密度高，由藻類代謝產(chǎn)物導(dǎo)致的嗅味問題也頻繁出現(xiàn)，如藻類生長代謝過程中產(chǎn)生的萜類嗅味物質(zhì)2-甲基異莰醇（2-MIB）、土臭素（GSM）是引起無錫、蘇州飲用水土霉味的重要原因；藻類暴發(fā)后的腐爛期會產(chǎn)生濃度高達(dá)62331.8 ng/L的二甲基硫醚、12413.3 ng/L的二甲基三硫醚等硫醚類嗅味物質(zhì)，這類嗅味物質(zhì)的腥臭味是導(dǎo)致2007年無錫飲用水突發(fā)嗅味事件中的主要原因之一；上海金澤水庫每年5月—7月的腐敗味和土霉味則是萜類和硫醚類嗅味物質(zhì)共同產(chǎn)生的復(fù)合型嗅味所致。此外，太湖、青草沙水庫及金澤水庫等湖庫型水源中溶解性小分子有機物占比較高，在水廠消毒環(huán)節(jié)中消毒副產(chǎn)物的生成潛能也較高。面對上述水質(zhì)問題，采用多級屏障工藝流程的水廠現(xiàn)階段仍面臨著以下挑戰(zhàn)：
?、俑咴迤冢ㄔ孱惐┌l(fā)）預(yù)氯化所需劑量過高
預(yù)氯化強化混凝除藻是目前太湖流域應(yīng)用最廣泛的除藻技術(shù)。預(yù)氯化可以氧化破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但同時也會與水中的有機物發(fā)生反應(yīng)，生成鹵代副產(chǎn)物，這些物質(zhì)具有致癌、致畸、致突變的作用。未經(jīng)處理的原水有機物濃度相對較高，耗氯量也較大，相比于后氯化，高負(fù)荷預(yù)氯化對水質(zhì)造成的負(fù)面影響更大。特別是應(yīng)對高藻期藻類暴發(fā)的情況，采用預(yù)氯化時要求一次投加的劑量更高，會導(dǎo)致較高濃度的鹵代副產(chǎn)物生成。
?、谒幚砉に噯卧孱愖躺?/strong>
高藻原水中有機物含量較高，預(yù)氯化后可能出現(xiàn)余氯不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致部分藻類進入后續(xù)水處理工藝單元。而水處理構(gòu)筑物大多是半封閉式，為藻類的生長繁殖提供了充足的光照和適宜的溫度條件，因此沉淀池和砂濾池常出現(xiàn)浮藻滋生的問題。砂濾池滋生的藻類還會加快濾層的堵塞，縮短過濾周期，影響水廠工藝單元的處理效能。
?、鄢鰪S水消毒副產(chǎn)物濃度水平波動
臭氧-生物活性炭深度處理工藝在實際生產(chǎn)運行中，由于臭氧氧化并不能完全礦化大分子的消毒副產(chǎn)物前體物，水中部分大分子有機物（>100 ku）被氧化分解成小分子有機物（<10 ku），部分小分子有機物可穿透活性炭濾池，進而與后續(xù)含氯消毒劑反應(yīng)，造成部分消毒副產(chǎn)物產(chǎn)率升高。針對南方高溫環(huán)境，生物活性炭濾池存在微型動物增殖和泄漏的風(fēng)險，同時在生物活性炭濾池運行過程中產(chǎn)生的溶解性微生物代謝產(chǎn)物（SMPs）是一類重要的消毒副產(chǎn)物前體物，在工藝運行不穩(wěn)定情況下SMPs釋放明顯。
通常情況下，水廠采取一次加氯消毒的方式，即在清水池一次性投加較大劑量的氯，使出廠水維持0.5～1.5mg/L的余氯來保證生物安全性。但在水中消毒副產(chǎn)物前體物（如臭氧氧化產(chǎn)生的小分子有機物、生物活性炭不穩(wěn)定運行產(chǎn)生的SMPs等）含量依然較高的情況下，一次性投加較大劑量的氯會導(dǎo)致消毒副產(chǎn)物濃度迅速升高，進而造成出廠水中消毒副產(chǎn)物濃度水平的波動。
02.多點加氯技術(shù)原理
2.1 技術(shù)簡介
太湖流域水廠皆采用氯消毒方式，包括氯氣、液氯、次氯酸鈉等氯系消毒劑，特別是近些年，許多水廠采用次氯酸鈉替換氯氣或液氯消毒，如購買商用次氯酸鈉和使用次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備的方式，總之水廠的氯源充足且可實現(xiàn)自動投加。無論投加哪種氯系消毒劑，此處統(tǒng)稱“加氯”。
在水專項科技支撐下，針對臭氧-生物活性炭凈水工藝在高藻水處理中面臨的挑戰(zhàn)并充分利用水廠氯消毒的既有條件，提出了應(yīng)對高藻湖庫型原水的多點協(xié)同加氯技術(shù)，以下簡稱“多點加氯”。多點加氯是指在保證出廠水微生物安全性的前提下，減少預(yù)氯化和后氯化的氯投加量，將氯進行分散多點投加，從而實現(xiàn)藻類和消毒副產(chǎn)物協(xié)同削減的處理工藝。
在藻類及其他微生物的控制層面，多點加氯根據(jù)水廠實際運行情況，在藻類滋生的各工藝段精準(zhǔn)加氯來同步控藻及其他微生物，避免藻類生長旺盛引起藻源性嗅味，同時還可減輕各工藝單元的處理負(fù)荷。
在消毒副產(chǎn)物的控制層面，多點加氯能充分發(fā)揮常規(guī)/深度處理效能，實現(xiàn)消毒副產(chǎn)物前體物與消毒副產(chǎn)物的協(xié)同衰減，同時由于將氯分散在多點投加，清水池中的氯耗得以降低，低劑量消毒劑的投加也減少了消毒副產(chǎn)物的生成，進一步實現(xiàn)了消毒副產(chǎn)物的削減。
凈水工藝流程中采用多點加氯技術(shù)和僅在清水池加氯消毒兩種工藝對消毒副產(chǎn)物的控制原理比較見圖3。如圖3(b)所示，在凈水工藝流程中不加氯，僅在清水池一次加氯消毒的方式僅能去除部分消毒副產(chǎn)物前體物，一些親水性有機前體物則難以去除；而如圖3(a)所示，在凈水工藝流程中輔以多點加氯技術(shù)，一方面可以強化常規(guī)/深度工藝去除消毒副產(chǎn)物前體物，另一方面將原水中部分消毒副產(chǎn)物前體物（包括工藝流程中難以去除的親水性有機物）轉(zhuǎn)化為鹵代有機物，這些鹵代有機物與消毒副產(chǎn)物往往具有相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，此處統(tǒng)稱消毒副產(chǎn)物（DBPs），多點加氯環(huán)節(jié)中已生成的消毒副產(chǎn)物在水廠凈水工藝流程中也能得到一定的去除。
圖3 多點加氯削減消毒副產(chǎn)物的原理
2.2 技術(shù)內(nèi)涵在綜合考慮高藻水源水質(zhì)特征和水廠多級屏障凈水工藝不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合高藻水源水廠實際生產(chǎn)運行工藝，歸納多點加氯技術(shù)工藝流程，如圖4所示。
圖4 多點加氯技術(shù)工藝流程
對多點加氯的技術(shù)內(nèi)涵闡述如下：?、偃∷陬A(yù)加氯
取水口預(yù)加氯即預(yù)氯化，在取水泵房預(yù)加氯破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)，降低原水中藻類密度，預(yù)氯化后的余氯也可在長距離輸水管道中與原水充分混合而削減部分藻類。特別是在高藻期，水廠各工藝段在較高負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，通過預(yù)氯化除藻后可以減輕混凝及后續(xù)處理工藝的負(fù)荷。此外，預(yù)氯化過程中生成的消毒副產(chǎn)物也可在混凝、沉淀等工藝中得到一定的去除。
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夏季原水中藻類數(shù)量增加、濁度明顯上升，通過在混凝池前少量加氯可以起到助凝和除藻的作用，降低沉淀池出水中藻類數(shù)量與濁度，保證砂濾池可在較長周期下平穩(wěn)運行，從而減輕對炭濾池的負(fù)荷沖擊、延長活性炭的使用壽命，有效降低水廠的生產(chǎn)運行成本。
③砂濾池前加氯
由于高藻水的濁度具有堵塞和穿透砂濾池的特點，濾池內(nèi)藻類的滋生會導(dǎo)致濾層水頭損失急劇增加、過濾周期明顯縮短。因此，在高藻期可根據(jù)砂濾池的運行效果，對砂濾池短時間、低濃度地加氯除藻，提高過濾效率，延長過濾周期，從而充分發(fā)揮砂濾池去除濁度的效能。
?、芴繛V池后加氯
炭濾池后加氯即水廠末端加氯消毒。在傳統(tǒng)的水處理工藝流程中，水廠末端耗氯量較高，需要一次性投加較大劑量的氯進行消毒。在多點加氯工藝中，因在各水處理工藝段實施了氯的分散投加，水中的耗氯量已大幅降低，此時后加氯消毒的投氯量大大減少，在保證飲用水微生物指標(biāo)合格的前提下，減少了消毒副產(chǎn)物的生成。
?、莩鰪S水補加氯
為了保證管網(wǎng)水質(zhì)余氯達(dá)標(biāo)，當(dāng)出廠水余氯不足時需在出廠前的吸水井補加氯，控制出廠水的余氯在0.7～1.0 mg/L，保障水廠出水的生物安全性。
總的來說，多點加氯的加氯點可設(shè)置在取水泵房（即預(yù)氯化）、混凝池前（低藻時可不加）、砂濾池前（低藻時可不加）、炭濾池后和出廠補加。多點加氯技術(shù)通過各工藝段出水的余氯量來確定加氯量，預(yù)氯化后余氯控制在0.05 mg/L左右，沉淀池、砂濾池出水余氯控制在0.05 mg/L以下，出廠水余氯控制在0.7～1.0 mg/L，加氯量需嚴(yán)格控制，避免過量加氯引起消毒副產(chǎn)物濃度升高。上述加氯參數(shù)為經(jīng)驗參考值，具體水廠可根據(jù)各自工藝特點、原水和出水水質(zhì)監(jiān)測來更精準(zhǔn)地調(diào)控加氯量。
03.多點加氯技術(shù)應(yīng)用
W水廠原水取自太湖流域，原水藻類常年較高，屬于太湖流域典型的高藻湖庫型原水。在水專項科技支撐下，W水廠于2013年完成以臭氧-生物活性炭深度處理為核心的二期改造，處理規(guī)模為60×104m3/d，工藝流程：預(yù)處理（預(yù)臭氧接觸-生物接觸氧化）-常規(guī)處理（混凝-沉淀-砂濾）-深度處理（后臭氧-生物活性炭）；并且，為提高應(yīng)對高藻期藻類暴發(fā)的處理能力，W水廠在2014年應(yīng)用了多點加氯技術(shù)，工藝流程如圖5所示。
圖5 W水廠處理工藝流程
3.2 工藝參數(shù)W水廠采用的多點加氯工藝參數(shù)：取水泵房預(yù)加氯0.5～2.0 mg/L進行除藻；混凝-沉淀前通過少量加氯（0.3～0.5 mg/L）助凝和除藻（低藻時可不加）；砂濾前加氯約0.3 mg/L用于保護濾池免受污染（低藻時可不加）；清水池加氯1.5～1.8 mg/L進行消毒，如余氯不足需在出廠前補加氯，使出廠水余氯維持在1.0 mg/L左右，保證出廠水進入給水管網(wǎng)具有持續(xù)消毒作用。W水廠在采用多點加氯技術(shù)前后各工藝段加氯量和余氯量的情況如表1所示。2015年W水廠的總耗氯量較2011年下降約20%，多點加氯的應(yīng)用使得水廠氯耗大幅下降，有效降低了水廠生產(chǎn)運行成本。
在W水廠實際生產(chǎn)運行中，多點加氯技術(shù)發(fā)揮著助凝、除藻、去嗅、消毒的效果，有力提高了凈水效果。在水專項科技支撐下，自2010年起連續(xù)多年對W水廠的耗氧量（CODMn）、溶解性有機物氮（DON）、含碳消毒副產(chǎn)物（C-DBPs）和含氮消毒副產(chǎn)物（N-DBPs）的濃度水平進行了監(jiān)測。近10年來各項指標(biāo)的變化趨勢如圖6所示。
圖6 2010年—2018年W水廠水源水COD及出廠水CODMn(a)、出廠水C-DBPs (b)、水源水及出廠水DON (c)、出廠水N-DBPs的濃度變化趨勢(d)
自2013年W水廠改造完成的以臭氧-生物活性炭為核心的多級屏障工藝，能有效應(yīng)對原水中有機物濃度波動的情況，降低水中有機物和消毒副產(chǎn)物前體物含量，從而使得消毒后的出廠水中鹵乙酸（HAA）和鹵乙醛（HAL）的含量顯著下降。受水質(zhì)波動及消毒劑量變化的影響，三鹵甲烷（THM）和鹵乙腈（HAN）的濃度水平波動較大，這可能因為臭氧將大分子有機物氧化成小分子有機物，這些小分子有機物在后續(xù)一次加氯消毒的過程中更傾向于生成化學(xué)勢較低的THM和HAN。 2014年末W水廠采用了多點加氯技術(shù)，在除藻的同時消耗了部分含碳、含氮消毒副產(chǎn)物前體物以及耗氯物質(zhì)，有效減少了后續(xù)消毒的氯投加量。同時，由于多點加氯技術(shù)將原水中的部分有機前體物轉(zhuǎn)化為鹵代有機物，而水廠的處理工藝對已生成的消毒副產(chǎn)物有去除作用，從而進一步降低了出廠水消毒副產(chǎn)物濃度水平。最新研究也發(fā)現(xiàn)，在美國一些采用預(yù)氯化的飲用水廠中，預(yù)氯化產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物和總有機鹵素（TOX）可在后續(xù)的水處理工藝（如活性炭濾池）得到去除，其中部分消毒副產(chǎn)物的去除率可達(dá)100%。因此，多點加氯技術(shù)通過充分發(fā)揮常規(guī)/深度處理工藝效能，減少了消毒副產(chǎn)物的生成并去除部分已生成的消毒副產(chǎn)物，從而有效削減了出廠水中消毒副產(chǎn)物的濃度，實現(xiàn)了含碳和含氮消毒副產(chǎn)物的協(xié)同控制。
總體而言，W水廠采用多點加氯技術(shù)以后，出廠水中4種三鹵甲烷（THM4）的總濃度水平下降38%，基本穩(wěn)定控制在20μg/L左右，兩種鹵乙酸（HAA2）的總濃度水平下降26%，基本控制在8μg/L以下，三氯乙醛（TCAL）的濃度水平穩(wěn)定在2μg/L以下，皆遠(yuǎn)低于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）以及《江蘇省城市自來水廠關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)》（DB 32/T 3701—2019）和上海市《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB 31/T 1091—2018）中消毒副產(chǎn)物濃度限值。此外，HAN等含氮消毒副產(chǎn)物濃度水平也控制在3 μg/L以下，低于上海凈水技術(shù)學(xué)會最新團體標(biāo)準(zhǔn)《飲用水中N-二甲基亞硝胺、二氯乙腈、二溴乙腈水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（T/SAWP 0001—2020）的限值要求。以上數(shù)據(jù)表明，多點加氯技術(shù)對THM、HAA等C-DBPs以及HAN等N-DBPs的控制效果穩(wěn)定，避免了出廠水中部分消毒副產(chǎn)物濃度波動較大的問題，從而有效保障了出廠水中含碳和含氮消毒副產(chǎn)物的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
04.結(jié)論
自水專項實施以來形成的“預(yù)處理-常規(guī)處理-深度處理”多級屏障協(xié)同凈化工藝有效應(yīng)對了原水有機復(fù)合污染問題，多點加氯技術(shù)的耦合使用進一步保障了高藻期出廠水的水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。多點加氯技術(shù)具有以下的特點：
?、偎|(zhì)提升的有效性
從水廠處理效能的角度，多點加氯技術(shù)相較于傳統(tǒng)的一次加氯消毒工藝而言，強化了水廠在高藻期的應(yīng)對能力，有效解決了藻類與微生物在后續(xù)各水處理單元滋生的問題，同時降低了在預(yù)氧化及消毒工藝中的氯劑量，削減了次生污染物（如消毒副產(chǎn)物）的生成，減少了出廠水消毒副產(chǎn)物的濃度波動，有效提升了出廠水質(zhì)。
②工藝改造的簡捷性
從水廠工藝提質(zhì)改造的角度，多點加氯技術(shù)可以充分利用現(xiàn)階段水廠大都采用氯消毒的既有條件，無需改變水廠現(xiàn)有工藝流程和增設(shè)水處理構(gòu)筑物與大型設(shè)備，具有改造簡捷的優(yōu)勢。同時加氯系統(tǒng)運行管理比較成熟，水處理人員操作熟練，多點加氯工藝還具有便于操作和實現(xiàn)自動化管理的優(yōu)勢。
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從未來水處理工藝發(fā)展的角度，多點加氯技術(shù)以較少的氯耗和簡捷的操作有效處理高藻水的同時，滿足了水廠化學(xué)藥劑減量化的發(fā)展需求，迎合了未來水處理工藝往簡單、綠色、自然方向發(fā)展的趨勢，在水廠實現(xiàn)從現(xiàn)狀工藝到未來工藝的轉(zhuǎn)變過程中可起到關(guān)鍵性的承接作用。
作者為同濟大學(xué)的周子翀、楊旭、肖融、張瑞華、楚文海和無錫市水務(wù)集團有限公司的袁君。
來源:《中國給水排水》