自来水厂工艺优化与水质管理

张 伟，陈志平

(1．上海市自来水市北有限公司闸北水厂，上海 200438;2．上海浦东威立雅自来水有限公司浦东水厂，上海 200120)

水是生命之源，饮用水安全是城市安全体系中的重要一环，随着人们对健康意识的增强，人们越来越注重饮用水的质量(人体每天需要饮水2 L)，对水质标准和要求也越来越高。自来水厂现主要面对如下问题:已实施的新版《生活饮用水卫生标准》，部分项目限值更加严格;长江口青草沙水源为浅水库，流动性差，随氮磷、不同季节和水温变化可产生各种不同藻类和pH变化，会对供水水质和水量构成压力;消毒副产物的控制、如何避免管网中水龄长(泵站水库)而新增亚硝酸盐等。面对这些问题，需严格水质管理和水处理工艺的优化，提高和改善自来水水质。

1 原水水质

2011年1月1日开始上海市区水厂的水源由黄浦江上游原水切换到长江口青草沙原水，水源地位于长江口江心部位，优质淡水资源充沛，水质明显改善，主要评价指标总体达到Ⅱ类水要求，如表1所示。

表1 原水水质数据Tab．1 Raw Water Quality Data

青草沙原水的水质改善，提高了供水水质，出厂水耗氧量、色度、嗅和味指标都有明显改善，耗氧量从3．25 mg/L降到1．38 mg/L，色度从7度降到＜5度，嗅和味从2级降到1级。

2 水处理工艺

常规水处理工艺主要分为:混凝、沉淀、过滤、消毒，如图1所示。

图1 水厂处理常规工艺Fig．1 Waterworks Regular Water Treatment Processes

黄浦江上游原水改为长江青草沙水源，消毒工艺改为:前加氯为折点加氯，生成游离氯作为主要消毒剂;滤后加氨补氯，出厂水为氯氨［1］消毒。混凝剂为聚硫氯化铝(氧化铝 8．23%，密度1．23 g/cm3);消 毒 剂 为 次 氯 酸 钠［2］(密 度1．16 g/cm3，有效氯浓度为10%)和硫酸铵(含氮量8%，密度1．22 g/cm3)，替代液氯和液氨。

3 工艺优化

3．1 原水预氯化和投加粉炭

青草沙原水源头建成投加次氯酸钠(浦东吸水井)和粉炭(5号沟)设施，二者相距2 km，粉炭在输水管中停留时间＞6 h，蓝绿藻产生的致臭物质甲基异莰醇-2(简称:MIB)≥30 ng/L时开始投加粉炭，按MIB检测浓度调整粉炭投加量;叶绿素＞20 μg/L时，或藻密度数升高(滤池堵塞)，开始投加次氯酸钠。形成加粉炭除臭和投次氯酸钠除藻工艺要求，水厂及时调节加氯量，控制好沉淀池出口余氯，改善出厂水嗅味(粉炭对致臭物质MIB去除率为70% ～80%)，使用户反应腥味次数明显下降。投加粉炭，有效去除水中有机物，降低出厂水的三卤甲烷指标，如表2所示。

表2 闸北水厂出厂水三卤甲烷数值Tab．2 THMs in Effluent of Zhabei Waterworks

3．2 原水pH变化对出厂水铝含量影响

混凝剂选择不仅要考虑原水的pH和混凝剂的pH(对设备腐蚀性)，不同混凝剂均有最佳pH混凝效果，同时要考虑混凝剂水解pH的变化。铝是两性物质，在较低或较高pH时均有一定溶解度;铝高低还与水温有关。水厂根据不同季节和水温，选用不同pH混凝剂，调节出水pH ＜7．5，降低出水铝含量，水厂控制目标为 ＜0．1 mg/L(国标为0．2 mg/L)，试验结果如表3所示。

表3 陆家嘴分厂水温、pH和铝检测数据Tab．3 Temperature，pH，and Aluminum Concentration of Water in Lujiazui Waterworks

数据显示:水温＞20℃，出厂水pH＞7．5作为选择低值pH(2．5)混凝剂工艺要求。调节水中pH有限，幅度小，当出厂水pH＜7．5，出水铝含量不易升高(滤池对铝去除率在50%左右)。合理调节pH方法:投加硫酸，夏季，在混凝剂加药点前投加硫酸，根据铝溶解度与pH关系曲线，调整pH在7．0～7．2，其铝溶解度较低，Al(OH)3不易溶解。

3．3 滤池工艺参数优化

滤池去除率和反洗水率是评价过滤性能综合指标，按出厂水浊度目标值合理调整过滤周期及运行参数。通过对水头损失、滤后水浊度、滤后水颗粒数三项指标的综合分析确定合理的过滤周期，如表4所示。

表4 居家桥分厂水头损失、滤后水浊度、滤后水颗粒数分布变化关系Tab．4 Head Loss，Turbidity and Particle Number of Filtrated Water in JuJiaqiao Waterworks

考虑到过滤周期太长，使滤料表面积泥厚实，影响单水反洗质量，选择合理运行周期为32 h。

根据生产性试验结果分析，滤池实际运行中反冲洗强度设为17～18 L/(m2·s)、历时4～5 min较为合理，膨胀率为40% ～50%，相应的反冲洗水量约为250～300 m3。由于初滤水需经30～60 min恢复稳定，初滤水浊度才能控制在＜0．2NTU，需控制好初始滤速。青草沙原水水质好，平均去除率为90%，洗水率1．9%。

3．4 混凝沉淀除藻类

2013年2月下旬以来，青草沙原水硅藻(主要为颗粒直链藻2．0×107)大量爆发，滤池过滤周期由32 h缩短至2 h，严重影响了水厂供水量，直到3月底硅藻才开始呈下降趋势。

见实验室搅拌试验结果，低pH聚硫氯化铝对藻的去除效果较好，相同投加量下，去除率可提高2倍。水厂将混凝剂切换为夏季低pH聚硫氯化铝，同时逐步提高加注量，达到5 mg/L左右，澄清池矾花易于沉降，同时控制澄清池出口游离氯0．7～1．1 mg/L，滤池过滤周期逐渐延长，过滤性能改善。直至3月28日，10格滤池反冲洗周期全部恢复，达到32 h。

3．5 自动加氯加氨工艺优化

优化后自动加药模式:前加氯按水量比投加，后加氨/加氯按照出厂水一氯胺和游离氨目标值、加药点进水流量来自动控制整个消毒工艺的加氯和加氨量。以游离氯、一氯胺和游离氨的反馈数值，自动调整加氯/加氨投加量［3］。

通过优化后，游离氨可达最小值，使加氯量最大限度转化为一氯胺，达到减少加氯/加氨量，稳定余氯，改善自来水口味，提升国内氯氨消毒自动加药控制工艺，使自控变得简单、实用和可操作性。

4 水质管理

4．1 余氯目标值设置

消毒作用以余氯C(mg/L)和接触时间T(min)乘积CT来衡量，按余氯接触时间确定余氯值，CT越大，消毒作用越好。当氯与水接触时间短，可按CT来调整余氯值，使出厂余氯设置科学合理。不同水源、不同季节、不同工艺采用科学合理的消毒方法。在确保管网水微生物卫生指标合格同时，严格控制消毒副产物。

4．1．1 滤前余氯

沉淀水余氯为游离氯，前加氯在水中形成活氯时间为45 min(冬天)，消毒作用时间短，消毒彻底，效果好，但维持时间短。水处理工艺中，一般优先考虑游离氯作为首要消毒剂。游离氯消毒必须符合CT＞15，能杀灭所有细菌和致病微生物，余氯控制范围0．3～0．5 mg/L。夏季，游离氯形成时间短，可控制在0．2～0．3 mg/L，冬季，除硅藻等，游离氯可调整为0．8 mg/L，这样可减少THMs生成。

4．1．2 滤后余氯

滤后水余氯和出厂水余氯为一氯胺(滤后加氨加氯形成)，氯氨反应时间一般为3 min，与游离氯相比，一氯胺的消毒作用不大，但更具稳定和持续消毒能力，可改善饮用水的口感，减少消毒副产物THMs的增加。上海地区出厂水消毒普遍采取的是氯胺消毒。闸北水厂出厂水余氯目标值控制在1．1 mg/L，居家桥水厂CT为94(新国标CT≥60)。

4．2 出厂游离氨控制

游离氨指水中NH3/NH4+，要考虑出厂水中有少量游离氨余量，一方面少量游离氨存在，可消除加氯过量所产生二氯胺。另一方面，可减少(当水温＞15℃)亚硝酸盐生成而使余氯降低。所以，要重视出厂水游离氨控制，避免管网水停留时间长，水中自养型氨氧化菌的硝化作用下，使亚硝酸盐升高(新国标0．3 mg/L，以 N 计)。

4．3 浊度指标

浊度是评价自来水的综合指标，浊度低，自来水中有害物质及细菌也少。

4．3．1 沉淀水浊度

沉淀水浊度控制幅度参照出厂水目标值和滤池浊度去除率来确定，也就是说，进水浊度为多少时，滤池出水浊度达到0．2 NTU，该进水浊度为上限值，沉淀池浊度控制目标值低于上限值。水厂沉淀水浊度幅度设定为0．6 ～1．0 NTU。

4．3．2 滤后浊度

滤后浊度受进水浊度、滤速和滤料厚度等影响，相对来说，进水浊度高低，会直接影响滤后浊度，要求当班员工平稳运行，即滤池分配水量要均匀，滤前水位要相对恒定，使滤速波动小，特别滤池反洗或水库水位低情况，考虑各滤池运行时间长短，合理调节好各滤池清水阀开启度，使滤后浊度稳定。设置滤后浊度目标为0．15 NTU(新国标 1．0 NTU)。

4．3．3 出厂浊度

出厂浊度受滤后水浊度影响。一般出厂浊度要低于滤后浊度，因清水库本身好似个大的沉淀池，清水沿池内挡板流动而沉淀。当滤后浊度低时，清水库内积泥就少一些。特别是清洗水库时，要注意设该池最低水位。出厂浊度目标＜0．15 NTU。当浊度控制在0．1 NTU以下，贾鞭毛虫、隐孢子虫去除率达99．9%以上，因而控制浊度很重要。

4．4 水厂供水调度

水厂运行班长根据调度指令，合理调度进出水量。结合早夜高峰供水时间段，调配好清水库库存水，发挥清水库调节功能。考虑余氯接触时间，合理设置清水库水位控制范围，确保清水库水新鲜度。

4．5 加矾量控制

不同水源和水质(藻类)，不同混合反应条件和沉淀水浊度，加矾量是不相同的。加矾量还受低温、低浊和原水中有机污染程度影响。需定期或原水变化时，做好搅拌试验。根据沉淀水浊度和原水进水量，科学合理调整加药量。

4．6 加氯/加氨量控制

4．6．1 前加氯量

折点加氯会产生致癌物的消毒副产物(三卤甲烷)。三卤甲烷(THMs)包括氯仿、溴仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷。如果浓度高时，长期会对健康产生影响。消毒过程应避免和减少THMs。THMs的生成量与加氯量、水中有机物浓度、水温和pH有关。游离氯含量过高，会增加THMs超标风险。所以要限制折点加氯量(特别当水温＞20℃)，游离氯要控制在合适范围。

前加氯量与原水中氨氮和水量所决定，且青草沙原水中耗氯量和氨氮低，变化稳定，波动很小，所以，余氯高低直接和投加比相关，通常各水厂前加氯投加比值控制在1．5～1．8为宜，沉淀水活氯控制目标在0．3～0．5 mg/L。当原水公司源头加氯和粉末活性炭时，沉淀水中活氯控制在下限(0．2～0．3 mg/L)，以滤后氯胺消毒为主。

4．6．2 后加氯/加氨量

按出厂余氯目标值和氯氨投加比(3．5～4)控制加氨量和加氯量［4］，也就是说，先确定出厂余氯目标值(1．3 mg/L)，沉淀水余氯也知道，当班员工就定量知道滤后加氨量和加氯量，计算如下。

出厂游离氨与管网水亚盐控制(8月份数据如下):

居家桥分厂:出厂水游离氨:0．06～0．24 mg/L，管网水平均亚盐浓度:0．037 mg/L

陆家嘴分厂:出厂水游离氨:0．06～0．12 mg/L，管网水平均亚盐浓度:0．004 mg/L

4．6．3 三卤甲烷

夏季，随着水温和pH变化，特别要严格控制前加氯量和沉淀水游离氯，水厂THMs控制目标＜0．5。陆家嘴分厂 7 月份总加氯量 1．5 ～3．4 mg/L，三卤甲烷总量0．17 ～0．33。

6 存在问题及措施建议

蓝绿藻(硅藻)大量爆发时，原水中叶绿素、混浊度和耗氧量等水质有较大变化，增加水厂制水难度，使结成絮凝矾花颗粒细小，浊度难去除，影响出厂水浊度，使加矾量成倍增加。需通过多次搅拌试验，估测混凝剂和絮凝剂混合投加量或决定混凝剂最大投加比率的方法。摸索和总结不同加氯/加矾量在混凝沉淀中，对不同硅藻或蓝绿藻数(106至107)去除效果。氯化/絮凝/混凝/沉淀步骤可减少90%藻类数，去除水中藻类重点是强化混凝沉淀工艺控制。

7 结语

做好净水原材料验收和检测，提高当班工操作技能，掌握正确加药方法;做好过程水质量监控，通过在线水质仪表，分析考评每天加药质量和生产运行状况，开展班组水质竞赛;做好在线水质仪表日常维护，每天巡检，数据比对，定期校验，确保其数据真实性，指导生产。

目前，青草沙原水系统承担了上海中心城区80%的原水供应，每天有1 300万市民喝着从这里输出的饮用水，需严格水质管理，研究和完善应对青草沙原水突发情况预警机制和多种有效方法，确保市民喝上放心、安全饮用水。

［1］张丽丽，张群，陈志平．氯化铵在浦东水厂消毒中的应用［J］．给水排水，2009，35(11):11-14．

［2］陈志平．次氯酸钠消毒在水厂中应用［J］．城镇供水，2009，29(4):37．

［3］陈志平．居家桥水厂自动加氯工艺优化［J］．净水技术，2013，32(1):93-98．

［4］刘建华，尚书铨，陈志平．青草沙原水加氯消毒工艺的优化［J］．净水技术，2012，30(5):102-106．