千岛湖优质原水对萧山水厂水处理工艺的影响

张秋勉，方卫国

(杭州萧山供水有限公司，浙江杭州 311201)

钱塘江是浙江省第一大河，流域面积为41 700 km2，沿岸流经杭州、金华、衡州等20多个市、县。钱塘江不仅是生活饮用水水源，还接纳了大量工业废水和城镇农村污水，部分河段和支流污染严重，导致沿线城镇供水水质安全面临很大压力。目前,杭州城市供水水源单一，应对突发水源污染能力较弱。国外如纽约、东京等大城市在供水安全保障方面起步早、建设水平高，其核心策略为：依托相对集中的水库群作为城市的水源地，集中保护，以获得水质稳定、安全可靠的城市水源；多水源、跨地域向城市供水，建库蓄水，保证城市供水的长期安全[1]。借鉴国内外先进经验，杭州市委市政府规划实施杭州市第二水源千岛湖配水工程[2]，进一步保障饮用水安全和提升供水水质。根据杭州市新水源地规划和建设要求，杭州萧山区在2019年政府工作报告中提出了“着力提升城市能级，加快国际化建设步伐”[3]，积极应对双水源供水新格局。由于钱塘江与千岛湖水质差别很大，一个属于水质较差且变化大的开放性河流，一个属于水质好且稳定的封闭型水库，在切换和混合时必然会对萧山市各水厂净水工艺和供水水质造成较大的影响和波动。因此，前期对原水供应新格局进行研究和分析，不仅能掌握新水源的水质情况，更能为净水工艺的常规应对和应急处理提供方案。

1 萧山区供水现状

杭州市萧山区共有5座水厂。其中，一水厂、二水厂和三水厂的取水口位于三江口(即钱塘江、富春江、浦阳江的交汇处)；南片水厂和江东水厂的取水口位于富春江石门沙；两处取水口相距约5 km，均属于钱塘江水系。目前，5座水厂的原水取水量约为92万t/d，全区供水量约为90万t/d，肩负全区200万人口的用水需求(表1)。

表1 萧山各水厂供水现状Tab.1 Existing Situation of Water Supply in Xiaoshan

从水量方面考虑，萧山正处于城市化建设高速发展期，用水需求迫切；从水质方面考虑，5个水厂的水源全部取自钱塘江水系，应对突发污染事件能力薄弱；未来萧山的供水水源面临着水量与水质的双重压力。

2 千岛湖水源情况

2.1 千岛湖概况

千岛湖(又名新安江水库)位于浙江省西部与安徽省南部交界的淳安县境内，为1959 年新安江水电站大坝建成蓄水后形成的特大山谷型深水水库，是长三角地区最大的淡水水库。水库呈分枝状态[4]，从大坝至新安江入口纵长为150 km，水面最宽处约为50 km，岸线总长度为1 406 km；水库水面面积在水位达到正常蓄水水位108 m时为580 km2，正常蓄水水位库容为178.4×108m3，平均水深为31 m。

2.2 千岛湖水质情况

2.2.1 与其他典型湖泊比较

千岛湖是首批入选“中国好水”的5个水源地之一，在全国43个重要水库富营养化评价中，千岛湖是富营养化指数最低的5个水库之一[5]，为Ⅰ类水体。千岛湖与国内外重要水体比较如表2所示。

表2 湖泊水质比较Tab.2 Water Quality Comparison of Lakes

由表2可知：千岛湖在库容方面接近日本琵琶湖，水质方面优于日本琵琶湖而与北美五大湖相当。琵琶湖是日本第一大淡水湖，也是日本具有象征意义的母亲湖、西日本地区珍贵的水资源[6]；北美五大湖拥有占美国95%、世界20%的地表淡水资源，该地区约居住着美国总人口的20%、加拿大人口的50%[7]。这两处均是典型的大型饮用水水源地，由数据比较可知，千岛湖在水质和水量两方面都具备为人口密集城市提供优质饮用水源的条件。

2.2.2 富营养化指标

依据生态环境部《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》中湖泊和水库营养状态评价方式，对5项水质指标：叶绿素a(chl-a)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)和高锰酸盐指数(CODMn)进行统计，2016年—2018年的平均值为-5.11，小于30(表3)，为贫营养型。

表3 千岛湖各监测断面历年数据均值Tab.3 Average Data of Each Monitoring Section of Qiandaohu Lake over the Years

千岛湖水库存在热分层情况，浮游植物密度的峰值出现在距离表层6 m的区域，水下5～10 m为浮游植物高密度区域，而水面下25 m的PAR(光合有效辐射)基本接近于0[8]。因此，虽然夏季千岛湖部分湖区表面有浮游植物水华现象，但其对深层水体的影响很小。由于千岛湖输配水工程取水口(金竹牌)的正常取水深度为26 m，该处水体中水温、pH等指标常年稳定，浮游植物基本无踪迹。

2.2.3 取水口深层水水质

对某水厂千岛湖原水(取自湖中心区水下20～25 m处)和目前萧山钱塘江三江口原水水质进行比较。

图1 两水源TN现状Fig.1 Current Situation of TN in Two Water Sources

如图1、图2所示，千岛湖原水TN平均值为1.03 mg/L，TP平均值为0.01 mg/L，均低于地表水Ⅰ类水限值。三江口原水TN平均值为2.14 mg/L，TP平均值为0.06 mg/L，远高于千岛湖水源。如切换水源，TN浓度低51.9%，TP浓度低83.3%。根据文献，藻类生长适宜的氮磷比为16∶1[9]，由目前的数值，即三江口原水氮磷比为35.7、千岛湖原水氮磷比为86.5可知，两水源TP浓度是藻类生长的限制条件，特别是千岛湖原水中磷的浓度非常低，大大限制了藻类的大量增殖。

如图3所示，千岛湖原水耗氧量平均值为1.16mg/L，三江口原水耗氧量平均值为2.42 mg/L，浓度低52.1%，主要原因是钱塘江的有机微污染状况长期存在，微量的有机污染通过常规工艺难以解决。千岛湖水源的有机物含量相当低，远低于国家标准出厂水限制(3 mg/L)，对供水处理工艺的要求大大降低。

图2 两水源TP现状Fig.2 Current Situation of TP in Two Water Sources

图3 两水源CODMn状况Fig.3 Current Situation of CODMn in Two Water Sources

如图4所示，千岛湖水历年耗氧量(CODMn)几乎是一条重合的曲线，而三江口的数值波动较大，最大、最小值相差一倍，有明显的季节波动，每年春秋季，变化非常剧烈，对供水厂的处理工艺冲击很大。这也反映了千岛湖水CODMn非常稳定，不存在季节影响，对工艺几乎没有影响。

图4 CODMn时空分布分析Fig.4 Temporal-Spacial Distribution of CODMn

水中NH3-N是含氮化合物受微生物作用的分解产物，能够反映水被污染的状态和程度。如图5所示，2016年—2018年，千岛湖原水NH3-N平均值为0.01 mg/L，远低于地表水环境质量标准(GB 3838—2002)一类水标准(0.15 mg/L)；三江口原水NH3-N平均值为0.25 mg/L，波动较大，最大值为0.63 mg/L。如完全切换水源水质，原水NH3-N浓度将下降96%。

图5 两水源NH3-N现状Fig.5 Current Situation of NH3-N in Two Water Sources

综上，从常规指标来看，千岛湖水质远远优于萧山区现有水源，引入千岛湖原水后将极大提升原水水质，减轻供水水质隐患。

3 对供水水厂的影响

3.1 低温低浊的影响

目前，萧山区各水厂所取水源钱塘江为江河水，水质特点是水质波动大、有机物指标略高、泥沙含量高；而千岛湖原水则是湖库水的典型代表，水质清洁、稳定。目前，水厂原水进厂后，全部采用混凝-沉淀工艺，对于这种工艺来说，适当的高浊度水有更好的混凝沉淀效果，当原水浑浊度过低时，可能发生低温低浊的情况。

所谓低温低浊指的是原水浑浊度较低、杂质细小均匀时，混凝剂加入后形成的絮凝体细、少、轻且难以沉淀的现象。这种现象是自来水厂处理的难题，混凝剂投量低不起作用，投量多了处理效果不明显，增加处理费用，有时还会使出水pH降低[10]，进而引起出厂水铝含量升高。严格来说，低温低浊是指冬季水温为0～4 ℃、浑浊度为30 NTU以下的江河水及水库水。图6、图7为近3年萧山区与千岛湖水厂原水的水温及浑浊度状况。

图6 两水源水温状况Fig.6 Current Situation of Water Temperature of Two Water Sources

图7 两水源浑浊度状况Fig.7 Current Situation of Turbidity in Two Water Sources

历年水温平均值：千岛湖为16.6 ℃,三江口为20.8 ℃，相差4 ℃。历年水温最低值均出现在2月，最高值在7月—9月。三江口水温波动在6.8～29.2 ℃，千岛湖原水水温在12.1～22.6 ℃。在冬季水温最低时，千岛湖原水比三江口高5 ℃左右。千岛湖原水浑浊度稳定在0.55 NTU左右，几乎没有波动，三江口原水的浑浊度在3～1 000 NTU，被平均后，约为32.6 NTU。经水厂调研实证，三江口水源取水的水厂目前不存在低温低浊情况；千岛湖取水的某县级水厂，在冬季有低温低浊情况出现。千岛湖低温低浊最严重是出现在2月，原水平均水温为10 ℃、浑浊度为0.5 NTU；而三江口在2月时，水温为9 ℃，浑浊度为16 NTU。

综上，输配水工程建成后，千岛湖原水经过100多km的地下管道运输，引入萧山区水厂取水口与三江口原水，如果按3∶1的比例混合，在冬季2月时，原水最低温度将会比原来略有升高、浑浊度略有降低。因与高浊度江水混合使用，处理难度低于目前的千岛湖水厂。

表4是千岛湖某县水厂的处理工艺及出水效果，选取近两年水温最低月份的运行数据。由表4可知，在冬季低温低浊时期，该水厂采用传统混凝-沉淀-过滤工艺、加矾加氯量水平较低的情况下，出厂水浑浊度、pH均理想，铝含量也远低于国家标准限制(0.2 mg/L)。目前，萧山主供水厂已有较先进的臭氧活性炭深度处理工艺，有砂滤池和炭滤池的双重保障，炭滤池中含有一定的嗜低温种群，对低温环境有一定的适应性。国内有生物活性炭滤池直接过滤处理低温低浊水的研究[11]，当混合使用千岛湖水后，预计能够应付温度和浑浊度的波动。

表4 千岛湖湖区某水厂净水效果Tab.4 Water Purification Effect of Qiandaohu Waterworks

3.2 对药剂投加的影响

3.2.1 对消毒剂投加的影响

水厂消毒剂的投加，首先是为了满足人民群众饮用水卫生安全。《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)中对出厂水及管网末梢水的消毒剂含量均有明确的要求。水厂为保证管网末梢水达标，消毒剂一般会过量投加，而过量投加消毒剂的自来水，通常有较浓的氯臭味，这是自来水被认为不好喝的一个非常重要的原因，且过量消毒还会有看不见摸不着的消毒副产物问题。如何在采用简单传统工艺的情况下，同时满足管网末梢水的达标及最优口感，与进厂原水中细菌学指标有很大的关系(图8、表5)。

图8 两水源菌落总数Fig.8 Current Situation of Total Number of Colonies in Two Water Sources

表5 微生物指标比对Tab.5 Comparison of Microbial Indicators

粪大肠菌群是总大肠菌群的一部分，存在于温血动物肠道中，能够真实地代表水体受粪便污染的程度，粪大肠菌出现，意味着有疾病传播的风险。由表5可知，千岛湖取水口原水不仅满足地表水Ⅰ类，还满足生活饮用水的卫生标准。

在水处理中，为了氧化水中的有机物并杀灭细菌，需消耗的氯量被称为需氯量[12]。加氯量的多少首先要保证杀死原水中的细菌和大肠杆菌；其次，还需维持一定的剩余氯，用来抑制水中残留细菌的再度繁殖。由于千岛湖原水中的细菌和大肠杆菌含量非常低，萧山区水厂在引入千岛湖原水后，可以减少消毒剂投加，逐步开展精准加氯，以此极大提升饮用水品质。

3.2.2 对矾耗、氯耗的影响

引入清洁的千岛湖水后，水厂药剂投加需做相应的调整。目前，萧山各制水厂矾耗指标在12～22 kg/km3，氯耗在1.0～2.9 kg/km3。出厂水水质106项指标均达标。使用千岛湖水后，药剂投加势必要减少，从水质相当和规模相当两方面调研相关水厂的药剂投加指标，如表6所示。

表6 不同水源水厂药剂指标对比Tab.6 Comparison of Chemical Indicators for Different Raw Water in WTPs

由表6可知，使用千岛湖原水后，矾耗大幅下降，考虑到深度处理工艺有臭氧辅助消毒，只需在清水池处有一道后加氯，氯耗就会相应的下降，但是氯耗的调整还需考虑管网末梢的状况，综合考虑，氯耗会有所降低。同时，制水厂是企业经营，节能降耗是重要的考核依据，从这个角度来说，水厂经济压力将会减轻。

3.3 高水质水源对供水管网的影响

水的化学稳定性主要由金属离子的释放引起。在水源周期性切换后，短时期内水中离子组分发生较大变化，极有可能破坏管网内管垢表面原有的稳定保护层，加速管道腐蚀，促进铁等金属元素释放，引发“黄水”等问题。根据资料[13]显示，出现“黄水”问题的地区主要是在水源切换前长期使用硫酸盐、氯离子浓度较低地下水的地区，并位于管网末梢，管网水中余氯、溶解氧浓度较低，该地区管垢致密壳层较薄且脆弱，当水质条件发生变化时易被破坏。对于硫酸根、氯离子等中性离子的侵蚀主要利用拉森指数，如式(1)。

(1)

其中：LR——拉森指数；

{CI-}——CI-活度，mg/L；

拉森指数是在对新管进行腐蚀试验的基础上提出的，可使用离子活度进行计算。当拉森指数>1 时，水具有严重腐蚀性。根据千岛湖原水和萧山三江口原水2018年数据计算，千岛湖水源拉森指数为0.59，三江口拉森指数为1.19。从拉森指数来看，千岛湖水源的拉森指数比三江口低很多，水源切换后发生金属离子等过量释放的化学稳定性问题的风险较小。

4 结论

(1)实施千岛湖输配水工程，对解决城市供水水源单一、应对突发水源污染事故能力较低的问题，以及保障饮用水供水安全和改善供水水质有重大意义。

(2)千岛湖取水口深层水，在富营养化指标、有机物、无机物综合指标等各方面均远远优于现有钱塘江水源，其中，TN浓度低51.9%，TP浓度低83.3%，CODMn低52.1%，NH3-N低96%。

(3)引入千岛湖水后，萧山主供水厂的净水工艺完全可以应对切换水源可能出现的低温低浊现象。

(4)随着优质水源的引入及消毒剂减量投加管理，萧山区饮用水品质将得到提升。

(5)水源切换后，发生金属离子等过量释放的化学稳定性问题的风险较小。