摘要：針對(duì)上海南匯自來水有限公司惠南水廠和航頭水廠受青草沙水庫季節(jié)性藻類生長影響，出現(xiàn)原水pH值升高導(dǎo)致出廠水鋁含量升高的問題,開展了投加二氧化碳調(diào)節(jié)原水pH值控制余鋁的生產(chǎn)性試驗(yàn)。結(jié)果表明：投加二氧化碳調(diào)節(jié)原水pH值的控鋁效果穩(wěn)定，出廠水鋁含量可穩(wěn)定在0.1 mg/L以內(nèi)。其中， “氣/液”投加裝置的二氧化碳利用率為94.3%，二氧化碳投加量為9.02 mg/L，PAC投加量減少了13.1 mg/L；“液/液”投加裝置的二氧化碳利用率為92.9%，二氧化碳投加量為8.47 mg/L，PAC投加量減少了17.9 mg/L，有效降低了水廠投加加酸PAC調(diào)節(jié)原水pH值控鋁的運(yùn)行費(fèi)用。

青草沙水庫水源地在夏季易滋生藻類，藻類的生長消耗了水中的碳酸根進(jìn)而導(dǎo)致水體pH值升高。pH值對(duì)水中鋁的含量有很大影響，pH值高時(shí)鋁以溶解態(tài)AlO₂^-存在，pH值低時(shí)則以溶解態(tài)Al³⁺存在。原水pH值的變化會(huì)影響混凝劑的水解程度，進(jìn)而降低混凝效果，同時(shí)也會(huì)影響水中溶解鋁的含量。根據(jù)2019年6月—10月上海南匯自來水有限公司對(duì)出廠水總鋁含量和pH值關(guān)系的統(tǒng)計(jì)，隨出廠水pH值升高，水中余鋁含量逐漸增大，pH值>7.1時(shí)鋁含量將超過0.1 mg/L。水中鋁的含量隨著pH值升高而增大的原因是生成了較多溶解態(tài)的Al(OH)₄^-，導(dǎo)致水中殘余鋁量增多。

為了提高出廠水水質(zhì)，南匯自來水公司提出了將出廠水總鋁含量控制在0.1 mg/L以下的廠控標(biāo)準(zhǔn)，水廠采用了酸化混凝劑、投加鹽酸或硫酸作為中和劑等方法來降低原水pH值，但存在應(yīng)用成本較高、環(huán)保安全隱患及余鋁控制不穩(wěn)定等問題，因此亟需研發(fā)一種更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全、穩(wěn)定的新技術(shù)來控制原水pH值。投加二氧化碳調(diào)節(jié)pH值技術(shù)在水處理行業(yè)越來越受到關(guān)注，國內(nèi)外二氧化碳在水處理中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：軟化水處理、代替部分酸性物質(zhì)中和堿性廢水以及工業(yè)循環(huán)冷卻水處理。另外，二氧化碳中和技術(shù)也應(yīng)用于食品、飲料、化學(xué)制藥和紡織等行業(yè)。夏季水廠原水富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類含量升高是中小型水廠面臨的普遍性問題，但國內(nèi)自來水廠采用外加二氧化碳調(diào)節(jié)pH值控制出廠水中鋁含量的生產(chǎn)性實(shí)踐較少，因此，有必要開展有關(guān)生產(chǎn)性試驗(yàn)研究?？疾炝恕皻?液”（將二氧化碳?xì)怏w直接加注到原水中）、“液/液”（ 二氧化碳與水充分混合形成碳酸后，以液體方式加入到原水中）兩種二氧化碳投加方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)差異，以期為同類水廠的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

01 工藝流程及技術(shù)路線

1.1 工藝流程

二氧化碳生產(chǎn)性試驗(yàn)在上海南匯自來水有限公司下屬的惠南水廠和航頭水廠進(jìn)行，兩個(gè)水廠的原水均來自青草沙水庫，設(shè)計(jì)日供水量分別為44×10⁴m³/d和24×10⁴ m³/d，采用常規(guī)制水工藝，混凝劑為聚氯化鋁（PAC）工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程

1.2 研究技術(shù)路線

水中的二氧化碳、碳酸鹽和碳酸氫鹽之間相互作用而構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的可逆碳酸鹽體系，系統(tǒng)中任何一種離子濃度的變化都將引起 pH 值的變化。而二氧化碳含量又受水溫、有機(jī)物氧化分解、藻類光合作用和水生生物的呼吸作用等影響。水溫升高，二氧化碳在水中的溶解度降低，水中二氧化碳的含量減少；水中有機(jī)物氧化分解緩慢，產(chǎn)生的二氧化碳量變少；當(dāng)藻類光合作用速率超過水生生物呼吸速率時(shí)，二氧化碳不斷被消耗，水中二氧化碳的含量減少。二氧化碳含量的減少致使水中碳酸鹽平衡被破壞，水中氫離子數(shù)目減少，因而水體pH 值升高。

二氧化碳調(diào)節(jié)pH值技術(shù)的原理是將二氧化碳注入水中，補(bǔ)充因藻類光合作用而消耗的二氧化碳，增加水中的氫離子濃度，達(dá)到降低pH值的目的。據(jù)此制定如圖2所示的研究技術(shù)路線。

圖2 研究技術(shù)路線

1.3 生產(chǎn)性試驗(yàn)

1.3.1 A系統(tǒng)“氣/液”投加方式

A系統(tǒng)（以下稱“惠南試驗(yàn)組”）利用惠南水廠生產(chǎn)線進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)水量為8×10⁴  m³/d，“氣/液”投加裝置設(shè)計(jì)CO₂投加量為0～50 kg/h，二氧化碳加注點(diǎn)為原水管前加氯之后，采用“氣/液”投加方式，即在原水管道安裝插入式氣體噴嘴，利用液態(tài)二氧化碳?xì)饣螽a(chǎn)生的壓力，經(jīng)調(diào)壓后向管道內(nèi)直接注入二氧化碳?xì)怏w（見圖3）。

圖3 “氣/液”投加工藝流程

1.3.2 B系統(tǒng)“液/液”投加方式

B系統(tǒng)利用航頭水廠二期2^#沉淀池（以下稱“航頭試驗(yàn)組”）進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)水量為6 ×10⁴m³/d，“液/液”投加裝置設(shè)計(jì)CO₂投加量范圍為0～50 kg/h，二氧化碳加注點(diǎn)為2^#原水管的前加氯之前，并與二期1^#沉淀池（以下稱“航頭加酸組”）進(jìn)行比較。采用“液/液”投加方式，即先將二氧化碳?xì)怏w溶解于水廠原水，制成富含二氧化碳的偏酸性水，再混配入原水主管（見圖4）。圖5為惠南水廠、航頭水廠現(xiàn)場CO₂投加生產(chǎn)性試驗(yàn)裝置。

圖4 “液/液”投加工藝流程

  圖5 CO₂投加系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

02 結(jié)果與分析

2.1 二氧化碳調(diào)節(jié)pH值的應(yīng)用分析

2.1.1 原水pH、水溫對(duì)鋁指標(biāo)的影響

由于鋁鹽混凝劑在水解過程中吸熱，不同的水溫會(huì)影響鋁鹽的水解程度。為了表征水溫對(duì)鋁的影響，利用恒溫培養(yǎng)箱將原水調(diào)至不同溫度，并進(jìn)行混凝攪拌試驗(yàn)，出水經(jīng)0.45 μm的微孔濾膜過濾去除濁度后，測(cè)定總鋁指標(biāo)。利用惠南水廠2020年9月15日原水（濁度為6.01 NTU，pH值為8.23）進(jìn)行試驗(yàn)：在水溫為25、28℃時(shí) 投加加酸PAC混凝劑（pH為3.0），在9、15和20℃投加常規(guī)PAC混凝劑（pH為4.0），投加量均為20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L，結(jié)果如圖6所示。

圖6 出廠水鋁與溫度的關(guān)系

由圖6可知，在水溫度9 ℃、pH值7.5時(shí)，過膜后的總鋁含量為0.038 mg/L，而當(dāng)水溫為28 ℃、pH值為7.61時(shí)，過膜后的總鋁含量為0.283 mg/L，在相同或者相近的pH值條件下，原水溫度越低，溶解性鋁含量也越低。為了使出廠水總鋁含量低于0.1 mg/L，二氧化碳調(diào)節(jié)pH值需針對(duì)原水水溫變化設(shè)定不同的pH調(diào)節(jié)目標(biāo)值，原水水溫為20 ℃時(shí)pH調(diào)節(jié)目標(biāo)值為7.7，原水水溫為25 ℃時(shí)pH調(diào)節(jié)目標(biāo)值為7.2。

2.1.2 二氧化碳投加量與pH值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2020年10月利用A系統(tǒng)“氣/液”投加方式在惠南水廠開展了二氧化碳投加試驗(yàn)。當(dāng)天原水pH值為8.21，水溫為24 ℃，前加氯（以有效氯計(jì)）為0.56 mg/L，通過二氧化碳投加控制系統(tǒng)將pH值控制目標(biāo)由7.8逐步調(diào)至7.1，利用在線pH儀和科里奧利氣體流量計(jì)觀察不同pH值下二氧化碳的投加量變化，結(jié)果如圖7所示。二氧化碳的投加量與pH值的下降有一定的關(guān)系。當(dāng)pH值由7.8調(diào)至7.4時(shí)，二氧化碳投加增量約為4 mg/L；當(dāng)pH值由7.4調(diào)至7.1時(shí)，二氧化碳投加增量約為10 mg/L，是前者的2.5倍。因此，當(dāng)pH值控制目標(biāo)在7.4以上時(shí)，投加二氧化碳比較經(jīng)濟(jì)。

圖7  pH控制值與二氧化碳投加量的關(guān)系

2.1.3 pH值的控制效果分析

2020年10月9日—10月30日航頭水廠、惠南水廠投加二氧化碳后的pH控制目標(biāo)為7.4，通過在線pH儀日平均值得出pH的實(shí)際控制情況，期間原水pH值在8.0～8.7之間波動(dòng)，無論是“氣/液”投加還是“液/液”投加組，在投加二氧化碳后日均pH值始終在7.4±0.1之間波動(dòng)，說明兩種投加方式均能實(shí)現(xiàn)對(duì)pH值的準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制（見圖8）。

圖8 投加二氧化碳后的pH值變化 

2.1.4  二氧化碳利用率

二氧化碳利用率是衡量二氧化碳投加效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它直接影響二氧化碳的投加成本以及控制效果。對(duì)2020年9月底—10月底二氧化碳利用率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，“氣/液”投加與“液/液”投加的二氧化碳利用率均在83%～99%之間波動(dòng)，平均達(dá)到93.6%，說明二氧化碳利用率較高。其中，采用“氣/液”投加的惠南水廠的利用率為94.3%，采用“液/液”投加的航頭水廠的利用率為92.9%，即兩種投加方式的二氧化碳利用率差別不大。

2.2控鋁效果分析

2.2.1 二氧化碳控鋁效果

為了客觀地反映二氧化碳調(diào)節(jié)pH值的控鋁效果，采用加酸與投加二氧化碳的試驗(yàn)組進(jìn)行比較。A系統(tǒng)“氣/液”投加組采用pH值為4.3左右的標(biāo)準(zhǔn)PAC，加酸組投加pH值為3.0左右的加酸特制PAC，二氧化碳投加試驗(yàn)組和加酸組濾后pH平均值均為7.45，經(jīng)濾池過濾后，檢測(cè)出水中總鋁含量，結(jié)果如圖9所示。

圖9 加二氧化碳試驗(yàn)組與加酸組濾后水質(zhì)總鋁量對(duì)比

“氣/液”投加試驗(yàn)組平均濁度為0.06 NTU，加酸組為0.05 NTU，而試驗(yàn)組的濾后平均總鋁含量為0.078 mg/L，加酸組為0.103 mg/L，較前者高32.1%。由此可見，投加二氧化碳的控鋁效果更好。因此，在濾后pH值和濁度相近的情況下，二氧化碳投加技術(shù)可以更有效、更穩(wěn)定地控鋁。

2.2.2 對(duì)PAC投加量的影響

PAC的主要作用是降低濁度，但是為了控制出廠水中總鋁的含量， PAC還承擔(dān)著調(diào)節(jié)原水pH值的作用，特別是在夏季藻類爆發(fā)導(dǎo)致原水pH值升高時(shí)，為了確保出水鋁達(dá)標(biāo)，要將PAC加酸使藥劑pH值調(diào)至3.0左右，因此PAC的投加量較大。如圖10所示，惠南水廠2019年夏季7月、8月和9月的PAC平均投量分別為56.9、57.8、57.8 mg/L，而冬季12月、1月、2月的PAC平均投量分別為39.6、27.2、30.1 mg/L，在原水中藻類爆發(fā)的夏季PAC用量遠(yuǎn)高于冬季。

圖10 惠南水廠2019年月平均PAC投量

本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)組二氧化碳起到調(diào)節(jié)pH值的作用，PAC主要承擔(dān)混凝去濁的作用。2020年10月中下旬對(duì)惠南水廠二氧化碳投加試驗(yàn)組與加酸組的PAC投加量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)組的PAC用量平均為25 mg/L，加酸組平均為39.2 mg/L（范圍為35～45 mg/L），說明采用二氧化碳投加技術(shù)后，在濾后水濁度基本一致的情況下，二氧化碳投加試驗(yàn)組比加酸組的PAC耗用量降低了36.2%，且對(duì)總鋁指標(biāo)的控制效果更好。

2.3 二氧化碳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

比較2020年9月21日—10月30日惠南水廠二氧化碳投加試驗(yàn)組（“氣/液”投加方式）與常規(guī)加酸組（加酸PAC控鋁方式）、航頭水廠二氧化碳投加試驗(yàn)組（“液/液”投加方式，配備1臺(tái)15 kW增壓泵）與常規(guī)加酸組（加酸PAC控鋁方式）的運(yùn)行成本?！皻?液”和“液/液”投加試驗(yàn)組的CO₂平均投加量分別為9.02、8.47 mg/L（試驗(yàn)階段采用5m³CO₂儲(chǔ)罐，CO₂氣體單價(jià)1600元/噸、正式投產(chǎn)后將采用20-30m³CO₂儲(chǔ)罐，CO₂氣體單價(jià)降至1100元/噸）；惠南水廠 “氣/液”投加試驗(yàn)組和加酸組的PAC平均投加量分別為27.3、40.4 mg/L；航頭水廠 “液/液”投加試驗(yàn)組和加酸組的PAC平均投加量分別為25、42.9 mg/L。兩個(gè)水廠運(yùn)行成本的比較見表1。

由表1可知，惠南水廠試驗(yàn)組的運(yùn)行成本比傳統(tǒng)加酸組高2.6元/1 000 m³，航頭水廠試驗(yàn)組的運(yùn)行成本比傳統(tǒng)加酸組高1.5元/1 000 m³。然而，采用二氧化碳技術(shù)后出水鋁含量可以穩(wěn)定控制在0.1 mg/L以內(nèi)，而常規(guī)加酸PAC工藝即便大幅提高混凝劑投加量，也無法確保出廠水鋁含量穩(wěn)定滿足內(nèi)控要求。同時(shí)，由于試驗(yàn)階段的二氧化碳單價(jià)較大規(guī)模應(yīng)用后單價(jià)降至1100元/噸，惠南水廠投加二氧化碳的運(yùn)行成本較常規(guī)加酸PAC工藝節(jié)約1.9元/1 000 m³，航頭水廠節(jié)約2.8元/1 000 m³。

按照惠南水廠2019年7月—2020年6月加酸液體PAC混凝劑平均用量47 mg/L測(cè)算，預(yù)計(jì)使用二氧化碳后混凝劑用量可降至30 mg/L，降幅為36.2%。以該廠日均供水量為30x10⁴m³/d計(jì)算，全年減少混凝劑支出約185萬元。同時(shí)，少加混凝劑后，因污泥減量還可節(jié)約污泥處置費(fèi)約20萬元。二氧化碳平均投加量按照10 mg/L計(jì)算，年增加二氧化碳支出約120萬元，預(yù)計(jì)該廠每年可以節(jié)約制水成本約85萬元。

03 結(jié)論與建議