农村安全饮水工程水厂强化除砷工艺探索

夏 伟，彭超群，易高飞

（1. 湘阴县水利局，湖南 岳阳 414600； 2. 湘阴县水利水电勘测设计院，湖南 岳阳 414600；3. 湖南三湘四海水务有限公司，湖南 岳阳 414600）

砷是重金属污染物，水中砷污染的来源有：①自然源：矿物及岩石的风化、火山的喷发、温泉的上溢水；②人工源：砷化物的开采和冶炼。这些因素对地下水及饮用水都造成了很大的污染。高砷饮水主要为地下水。我国饮用高砷水地区涉及台湾、新疆、内蒙、西藏、云南、贵州、山西、吉林等10 个省（区）约30 个县（旗），这些地区已出现地方性砷中毒患者，且大多为少、边、贫和缺乏低砷水源地区。按照WHO 的水砷标准，中国砷中毒危害病区的暴露人口高达1 500 万之多；已确诊患者超过数万人，因此饮水除砷是防治地方性砷中毒的关键措施。2006 年我国颁布生活饮用水卫生标准（GB 5749－2006）将饮用水中砷的浓度限值从0.05 mg/L 降低到了0.01 mg/L[1]，砷成为我国优先控制的污染物；湘阴县鹤龙湖镇中心水厂原水为地下水，原水铁、锰、砷含量超标，通过原有的加药系统工艺进行处理后，出厂水水质中砷含量较高，超过《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的要求（10 μg/L），因此需要改造原有工艺，强化对砷的去除。

1 工程背景

1.1 鹤龙湖水厂工艺现状

鹤龙湖镇中心水厂厂址位于该镇龙溪村6 组。原水为地下水，原水中铁、锰、砷含量超标。水厂的设计规模为6 600 m3/d；主要水处理构筑物：跌水式曝气塔、网格反应池、斜管沉淀池、快滤池、清水池。

工艺流程如图1 所示。

图1 鹤龙湖水厂工艺流程图

近年来的水质监测结果表明，鹤龙湖水厂水源水质呈现砷、铁、锰等指标超标，出厂水砷含量超出《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的限值要求；原水水质及改造前出水水质情况见表1。

表1 原水及现有工艺出水主要水质特征

1.2 鹤龙湖水厂存在的主要问题

鹤龙湖镇中心水厂水源为地下水，有4 口井，每口井的出水水质、出水量都不一样，给水处理增加了难度。

1）聚合硫酸铁投加系统

水厂原有投加聚合硫酸铁系统为人工手动投加，投加量人为因素很大，不利于砷的去除，原料浪费多，投加设备陈旧，配电控制柜安装很不规范，存在安全隐患。

2）聚合氯化铝投加系统

水厂原有投加聚合氯化铝系统为人工手动投加，未与水厂原水浊度与流量进行关联，投加量人工控制不确定因素很多，原料浪费很大，投加设备陈旧，配电控制柜安装很不规范，存在安全隐患。

3）加碱系统

水厂原有加碱系统为人工手动投加，未与反应池中水的pH 进行关联，投加量无法准确控制，pH 对反应池加矾影响很大，同时pH 对铁锰砷去除效果有显著影响。

鹤龙湖水厂现有工艺控制对砷的去除效果差，无法满足饮用水卫生标准，出水中砷化物含量超标；现有加药系统工艺全为人工投加，并未与进水流量、浊度、pH 等因素关联，导致对砷等重金属去除效果达不到要求。

2 工艺改造方案

目前针对高砷水处理的基本措施，大多采用吸附、混凝沉淀、离子交换和膜过滤等技术[2]，但鹤龙湖水厂由于场地有限，无法增设新的处理构筑物，只能在现有工艺上进行改造。

铁盐除砷的适宜pH 值为6.5～8.0，Fe（Ⅲ）类混凝剂对As（Ⅴ）的去除率基本可达到90%以上，且较为稳定，但对于As（Ⅲ）的去除效果不佳。当原水中As（Ⅲ）比例较高时，应在混凝前采取适当氧化措施[3]。

因鹤龙湖水厂曝气系统对砷的氧化作用不够充分，增加预加氯措施，将原水中的As（Ⅲ）转化为易于去除的As（Ⅴ）；鹤龙湖水厂投加铁盐后pH 值会降低，会导致除砷效果不佳，因此需增加全自动加碱系统，调节进水pH 提升除砷效果。

具体改造措施如下：

1）加聚合硫酸铁

标准型全自动聚合硫酸铁投加装置控制系统由1台变频器、2 台计量泵和1 套可编程逻辑控制器PLC等组成。全自动聚合硫酸铁投加装置控制系统以原水流量为主要依据，针对现场的具体情况，通过数学建模的方式达到最优的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信号及一些关联信号通过分析、计算得一路控制信号控制变频器的运行，通过变频来调节计量泵转速，从而控制计量泵的输出流量。实现闭环控制方式，并可根据工况和用户的要求，方便灵活地实现控制。

药剂投加量通过控制系统根据原水进水流量等调节计量泵的频率，以确定最佳投加比例，并达到理想的水处理效果。

2）聚合氯化铝投加系统

标准型全自动聚合氯化铝投加装置控制系统由1台变频器、2 台计量泵和1 套可编程逻辑控制器PLC等组成。全自动聚合氯化铝投加装置控制系统以原水流量和浊度为主要依据，针对现场的具体情况，通过数学建模的方式达到最优的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信号及浊度信号通过分析、PID 计算得出每1 000 t 的耗矾量，随流量和浊度变化通过变频控制来调节计量泵投加量。实现闭环控制方式，并可根据工况和用户的要求，方便灵活地实现控制。

药剂投加量通过控制系统根据原水进水流量和浊度调节计量泵的频率，以确定最佳投加比例，并达到理想的水处理效果。

3）加烧碱

标准型全自动烧碱铁投加装置控制系统由1 台变频器、2 台计量泵和1 套可编程逻辑控制器PLC 等组成。全自动烧碱投加装置控制系统以反应池入口pH 值为主要参数，保持pH 值在7.5～8.0 之间。通过调节烧碱投加量来实现pH 值的稳定。其主要控制原理如下：

控制方式采用以反应池入口pH 值信号及一些关联信号通过分析、计算得一路控制信号控制变频器的运行，通过变频来调节计量泵转速，从而控制计量泵的输出流量。

3 改造效果分析

3.1 砷去除效果分析

鹤龙湖水厂强化除砷工程改造后经连续运行，进水及出水砷含量变化如图2 所示。

图2 工艺改造后除砷效果

鹤龙湖水厂在进行工艺改造前，出水砷含量在16～30 μg/L（见表1），超过现行《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的限值要求（10 μg/L）；在进行工艺改造后如图2 所示，出水砷含量较改造前显著降低，鹤龙湖水厂进水砷含量较高，且变化幅度大，进行工艺改造连续运行后，出厂水砷含量受进水水质影响波动较小，出厂水砷含量基本稳定在7 μg/L 左右，达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的限值要求。

3.2 铁锰去除效果分析

鹤龙湖水厂强化除砷工程改造后经连续运行，进水及出水铁、锰含量变化如图3、图4 所示。

图3 工艺改造后除铁效果

根据图3、图4 可以看出，鹤龙湖水厂原水地下水中铁、锰含量较高（特别是铁），且进水含量波动较大，经过工艺改造后，强化了铁、锰的去除效果，出水中铁锰含量均满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的要求。

图4 工艺改造后除锰效果

4 结 论

实施鹤龙湖镇中心水厂加药改造工程，加强自动化控制，根据数字化模型合理调节投加量，可有效减少人力成本和材料成本；经过工艺改造后可以较好地满足鹤龙湖水厂对砷的去除要求，出厂水砷含量稳定在7 μg/L 左右，同时也加强了对铁、锰的去除效果；出水中铁、锰、砷均含量满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的要求。