斜峪关水厂突发高浊度来水处理措施及效果研究

拜旭东，袁傲迪，李 辉

（宝鸡水投秦渭水务有限公司斜峪关水厂,陕西 宝鸡 721004）

黄河是我国典型的高浊度河流之一[1],其平均含沙量是世界第一[1,2],其汛期的输沙量占据全年输沙量的绝大部分。对于以黄河流域地表水为饮用水源的地区,除需要常年面对高浊度来水外,还面临汛期突发高浊度来水的挑战。在《高浊度水给水设计规范》中给“高浊度”的定义为含沙量或浊度较高,水中泥沙具有分选、干扰和约制沉降特征的原水[3]。高浊度水除以上特征外,其流变特性与清水具有较大差别[4],由于高浊度水中泥沙含量较多,导致泥沙颗粒碰撞机会增多,水体的自凝作用要比清水强烈很多,除此之外,高浊度来水同时伴随着较高的总氮含量和COD含量[5,6]。高浊水以上的特征带来许多问题,如不能及时处理,可能导致自来水厂的处理工艺瘫痪[7],还可能导致出厂水水质不达标,对供水用户带来潜在的饮用水安全问题[8],因此有必要加强对高浊水处理效果的研究。目前自来水厂常用自来水处理工艺为混凝-沉淀-过滤-消毒工艺[9],但并不一定能满足给水处理的要求,尤其在汛期常规工艺更不能满足要求,因此为了使自来水厂出水达标供给,自来水厂在面对突发进水浊度改变时常选择增加絮凝剂和助凝剂含量的情况。

斜峪关水厂位于黄河流域渭河一级支流石头河水库下游,距石头河水库大坝932 m,占地8.13 hm2,设计日处理能力13 万m3。属于宝鸡市石头河水库引水项目,于2010 年5 月修建,2014 年5 月投入运营。截止2021 年底已向宝鸡市高新区、陈仓区虢镇、蔡家坡城区和眉县县城地区供水1.3亿m3,目前日平均供水量为8万m3。期间处理过低温低浊、高耗氧量原水,也处理过突发高浊原水,特别是2021 年9 月份,石头河上游流域连降暴雨,入库流量大,库水位上升较快,泄洪次数较多,泄洪量大,致使斜峪关水厂原水浊度在24 小时之内由原8 NTU上升到1400 NTU,斜峪关水厂积极应对,采取有效措施,保证出厂水符合《国家生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）要求[10]。

1 水厂概况

1.1 工艺介绍

斜峪关水厂从石头河水库斜峪关电站前池取水,经调流调压阀、流量计测流、前加氯预氧化,进入稳压配水井稳压分配调节,通过管道输水至静态混合器和加入的絮凝剂（聚合氯化铝）混合进入小网格反应池,在小网格反应池前端投加助凝剂（益维净）,水中的悬浮物、杂质等在小网格反应池充分混合反应、絮凝,形成的絮状物一部分在小网格反应池沉降通过排泥阀排泥,一部分在平流沉淀池（平流深沉池长108 m×18.9 m,在设计流量1.66 m3/s的情况下,水的水平流速为12.5 mm/s,沉淀时间2.4 小时）沉淀,通过虹吸式吸泥机排泥。沉淀池末端集水槽收集表面上清液流向滤池。滤池共分8组,一组池体长11 m,宽7 m,高5.15 m。通过液位、浊度或时间控制进行反冲洗。过滤后通过暗渠汇集流向清水池,清水池前进行次氯酸钠投加消毒,完成净化处理。经过60 kmDN1200、DN600 球墨铸铁管和钢管输水至宝鸡市区及眉县、蔡家坡、陈仓区城区与城市管网相接。斜峪关水厂清水池5000 m3,宝鸡调蓄水池16000 m3,陈仓调蓄水池4000 m3,蔡家坡调蓄水池4000 m3,眉县调蓄水池2000 m3,在宝鸡、陈仓供水站设补氯设施进行二次补氯。

1.2 处理工艺流程

斜峪关水厂净水工艺采用常规处理工艺,即混凝、沉淀、过滤、消毒进行净化处理。工艺流程见图1。

图1 水厂工艺流程图

2 自来水厂运行情况与原水水质变化

2.1 运行情况

斜峪关水厂2014 年5 月4 日投入运行至今已7 年半时间,已向眉县县城、蔡家坡地区、陈仓区虢镇地区和宝鸡市高新区供水1.3 亿m3,保障了60万城乡居民生活及工矿企业用水需求,为宝鸡市经济发展发挥了巨大作用。但由于斜峪关水厂距离石头河水库较近,水库水质的变化直接影响水厂制水工况的调整,其中遇到过低温低浊、高耗氧量、高浊度水处理等诸多难题,但均成功处理,满足出水水质标准,本文重点研究突发高浊度来水处理措施及处理效果。

2.2 原水水质变化

运行初期,原水浊度、COD、NH3-N、pH值都比较稳定,年平均浊度在5 NTU以内,COD为3 mg/L以内,NH3-N为0.3 mg/L、pH值为8.0 以下。受石头河上游暴雨和水库泄洪影响,进厂原水浊度大于20 NTU的天数2017 年为3 天,2018 年38天,2021 年多达118 天。每年泄洪次数、泄洪流量、进厂浊度、高浊水持续时间的不同,给制水工作带来很大的考验。见图2和图3。

图2 2017年～2019年浊度变化天数统计

图3 2017年～2019年浊度变化天数与泄洪次数统计

根据统计结果可以看出自2017 年开始,原水中高浊水发生天数显著增加,至2021 年原水中浊度＞20 NTU的天数达到了120 天,且浊度变化与上游水库泄洪次数有关,根据表3 的统计结果可以看出,2021 年泄洪次数为4 次,原水中浊度＞50NTU的天数高达72 天,说明来水浊度与泄洪次数具有一定的相关性。

3 处理措施

斜峪关水厂面对高浊水预警,反应迅速,积极应对,采取有效措施,保证出厂水符合《国家生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）要求。

当进厂水水质发生突然报警或者接到泄洪通知,启动高浊水应急预案,按照高浊水应急预案程序操作,积极行动,相互配合,听从指挥。

3.1 通过调整药剂投加量,确保处理效果

斜峪关水厂采用的絮凝剂为聚合氯化铝、助凝剂为益维净、根据来水浊度变化,调整加药量,根据图2和图3的浊度变化,可以看出2021年来水的浊度最高,因此选择2021年9月6日至10月31日的来水与药剂投加为研究对象。

2021年8月13 日,石头河水库上游突降暴雨,入库流量增大,进厂水浊度由4 NTU上升到25 NTU,9月6日、 18日、26日、10月6日泄洪四次,进厂水浊度由8 NTU上升至最高1400 NTU,由于泄洪间隔时间较短,浊度波动较大,高浊水持续时间较长,50 NTU以上浊度持续72天,给斜峪关水厂制水带来前所未有的考验。全体职工认真对待,及时调整加药量、加强吸排泥、认真观察处理效果、加强水质检测,控制沉后水浊度,加强反冲洗,出厂水浊度有效控制在0.6 NTU之内,保证出厂水质符合国家标准,满足60万城乡居民用水需求。最大药剂投加单耗聚合氯化铝达到159 mg/L,益维净达到24 mg/L,排泥次数19 次/d,吸泥次数7 次/d。至11月11日原水浊度降至50 NTU以内,12月10日降至20 NTU以内,药剂投加聚合氯化铝降至60 mg/L,益维净降至6 mg/L,达到泄洪前药剂投加量,具体统计数据分析见图4和图5。

图4 浊度变化聚合氯化铝投加量统计图

图5 浊度变化与益维净投加量统计图

每次泄洪或暴雨,无法估计进厂水浊度变化,只能先采取加大投加药量,观察反应效果,再做混凝实验,根据反应情况和混凝实验结果及时增减药剂投加比例,待原水浊度稳定后,及时做混凝实验,进一步确定药剂投加比例,随着原水浊度下降,缓慢减小药剂投加量,确保出水水质。

通过以上统计图可以明显看出,高浊度进水时聚合氯化铝的用量明显增加,在9月6日、18日、26日、10月6日四次泄洪时,浊度、药剂用量明显波动,至9月27日进水浊度最高达到1400 NTU,聚合氯化铝的用量在9月27日增加至143 mg/L,同时益维净的投加量也增加至最高21 mg/L。

3.2 调整吸排泥次数,保证絮体沉降效果

高浊水进入平流池沉淀时属于拥挤沉降,泥沙颗粒是以群体形式下沉,在沉降过程中会形成一个清水和浑水交界面,即称浑液面。浑液面沉降缓慢,絮凝剂和助凝剂混凝反应激烈且快,沉降加速,淤泥多数沉淀在小网格反应池和平流池前端。我们采取每小时小网格反应池排泥一次,两小时平流池吸泥一次,保证沉降有效空间,确保沉后水浊度控制在3NTU之内,吸排泥次数与原水浊度变化见图6。

图6 原水浊度与吸泥次数统计图

通过图6 可以看出,进水浊度较高时每天的吸泥次数明显增加,吸泥次数最高发生在9月28日,而原水最高浊度为9月27日,这是因为投加药剂后经过絮凝和沉淀需要一定的时间,因此在9月28日吸泥次数最高为7次。

3.3 其他措施

3.3.1 增加水质监测频率

水质监测是确保水质合格的重要手段,在高浊水进水期间,加强人员检测与在线仪表观测相结合,检测人员分为两组,在取水口进行原水浊度和水厂内进行沉后水和滤后水检测,原水30 min检测一次,沉后、滤后2小时检测一次,现场采样、现场检测、及时反馈,与水厂内各工艺在线仪表数据进行比较,进一步指导生产。

3.3.2 加强反冲洗

高浊水期间,8 组滤池全部运行,水量不变降低过滤速度,若沉后水浊度较高,滤池压力就大,根据滤后水检测结果,对超过1 NTU的滤池及时进行反冲洗,确保出厂水浊度控制在0.6 NTU范围内。

4 处理效果

为了更好地研究在进水浊度突变条件下所采取措施的效果,严格监测出厂水水质变化情况。分别测定了进出水浊度与CODMn的变化情况。

图8 2021年汛期进出水CODMn变化

通过图7 可以看出,汛期进水浊度变化较大,在9 月27日浊度达到1400 NTU。虽然进水浊度变化较大,但是通过改变加药量和吸排泥次数,可以明显降低汛期自来水厂出水的浊度,可以看出出水的浊度均低于0.6 NTU。其次,通过CODMn的变化可以看出,进水CODMn的变化范围在3 mg/L～8 mg/L,但是通过改变絮凝剂和助凝剂的投加量以及吸排泥次数可以看出出水的CODMn显著降低,出水平均CODMn仅为1.70 mg/L。浊度和COD完全符合饮用水水质标准。

图7 2021年汛期进出水浊度变化

5 小结与展望

5.1 小结

突发高浊度进水是自来水厂需要面对的周期性问题,高浊水会使进水水质发生变化,如不能及时处理,一方面对自来水厂现有的处理工艺造成冲击,另一方面可能使出水水质不达标,对饮用水安全造成潜在影响。斜峪关水厂自2016年以来,在处理突发进水浊度变化（升高）方面积累了大量的经验,主要通过改变絮凝剂和助凝剂的投加量,以及增加吸排泥次数等方式,使出水水质满足饮用水水质标准。

5.2 展望

高浊度水处理是给水处理中重要的研究领域,目前关于高浊度水的处理工艺较多,但主要是通过投加混凝剂和助凝剂降低来水的浊度。因此在降低高浊度水的过程中,主要起作用的是混凝和沉淀工艺,因此在研究过程中应加强：

（1）混凝和沉淀机理的研究。对于混凝和沉淀机理的研究,可以更好地帮助理解混凝和沉淀的过程,以帮助在处理过程中更精确地控制絮凝剂和助凝剂的投加。

（2）加强在实际高浊度水处理过程中来水浊度变化的图像研究。通过浊度变化的图像反馈至加药车间,可以帮助操作人员及时的改变加药量。

（3）对于高浊度来水的来水处理,目前大多依靠人工的观察和浊度的检测,往往造成实际加药时间滞后,因此在实际处理中应该加强人工智能和数学模型的研究,通过数学模型及时对来水浊度进行预测,加大人工智能的研究和应用有助于做到精准加药。

（4）泥沙及时排除的研究。高浊度水沉淀产生的大量泥沙,如果不及时排走,会影响到沉淀池的正常运行。