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南水北调中线高碱水成因及其应急处置技术研究

  导 读
  河北某南水北调水源水厂存在夏季水源水高碱高藻问题,藻类的大量繁殖使耗氧量和浊度升高,水中出现异味,影响混凝效果等,增加水厂净水难度。针对此问题,研究了投加PAC和CO2方式对藻类的处理效果;通过水厂试验发现,采用过量投加PAC的方式既增加了运营成本又造成出厂水铝含量过高,而采用投加CO2的方式可以解决高碱水的同时减少PAC投加量。对比曝气式投加CO2和管道式投加CO2发现,管道式投加CO2利用率更高。
  南水北调中线工程是解决京、津、冀等华北地区水资源短缺,优化水资源配置的一项战略性基础设施工程。南水北调中线工程的成功开通有效的缓解了河北省水资源短缺的问题。
  随着大量南水北调水厂逐步投入使用,在运营过程中也出现了一些问题,例如河北省境内一些水厂存在春秋季高浊,夏季低浊高碱高藻,冬季低温低浊,水质变化大的问题。尤其是夏季时出现的水源水高藻高碱问题,对水厂正常运转造成较大影响。因此在水厂运行中为防止藻类暴发给水质带来负面影响,应参考藻类变化规律,注意pH值、浊度等指标的变化做好提前准备和应急措施,及时调整工艺参数及投加药量等。
  研究发现,微碱性的水体易于蓝绿藻的生长。湖泊水库水中的pH值主要受CO2含量的控制,水体中CO2含量受多因素影响,例如水温、溶解离子、微生物等,而在富营养型水体中,O2和CO2主要受生物过程的控制,因此,当藻类数量上升到一定数量级时,其数量的多少、生命活动的旺盛程度必然对水体的pH值变化起主导作用。Wang等通过CO2含量改变pH值使2种蓝藻生活在酸性环境中,结果表明,pH值为5.5、6.0、6.5时对2种蓝藻的对数期生长起显著的抑制效应,并且在pH为5.5、6.0时出现了死亡;袁丽娜等研究表明:低pH值不利于藻生长,在低pH值条件下,pH值是系统的主要限制因子。赵娜等研究了不同pH条件下小球藻和斜生栅藻的生长状况,结果表明:小球藻的最适生长pH值7.0,而斜生栅藻的最适生长pH 9.0;欧阳峥嵘等研究表明,小球藻在pH 6.5~9.0的条件下适宜生长,最适pH值7.0。除此之外,曝气方式、水动力及微量元素等因素也会影响藻类的生长。曝气能够改变水体O2和CO2的含量组成,影响到水体的pH值和氧化还原情况,同时也对水体进行了搅动,从而改进了氧的传递和扩散曝气对藻类的生长有明显的抑制作用,而夜间曝气对藻类生长的抑制作用尤其显著。
  由于夏季水质高藻高碱对水厂带来的危害,且现阶段对于这方面研究较少,选取河北省某南水北调典型水厂—X水厂,开展对高藻高碱水质的应对措施的探索。
  01南水北调X水厂概况
  1.1 水厂概况
  河北省X水厂占地规模为120亩(1亩≈666.67 m2),设计规模15万m3/d,概算投资2.32亿元。其中一期工程土建按照15万m3/d建设,设备安装按照7.5万m3/d配套。处理工艺为:机械搅拌+折板絮凝+平流沉淀+超滤膜。混凝剂采用PAC,消毒剂采用次氯酸钠。工艺流程如图1所示。
   
图1 水厂处理工艺
  1.1.1 水质概况
  河北某水厂原水为南水北调中线来水,在春、秋农灌期间部分原水来自黄壁庄水库。水质情况大致分为3种,春秋季浊度高,夏季低浊高碱高藻,冬季低温低浊,水质情况变化较大。水厂自2018年运行以来,持续对原水水质进行监测,其中藻类、浊度、pH值情况如图2所示。
  
  图2 2018年至2020年原水藻类数量
  图2中可以明显看出夏季原水中藻类含量明显升高。每升水藻类含量高达4 000万~5 000万个,藻类的大量繁殖,导致原水pH值上升。从图3可以看出,原水pH值呈逐年上升趋势,特别是夏季期间,pH值保持在8.3以上,最高可达到8.7。pH值的上升导致混凝效果下降,污泥沉淀效果差,出厂水水质下降,并且影响后续膜滤池工艺的使用寿命。
  
  图3 2018年至2020年原水pH
  图4可以看出,因原水浊度受到春、秋季节性江水与水库水并行影响,3月至8月波动较为明显。
  
  图4 2018年至2020年原水浊度
  1.2 高藻高碱的成因及危害
  1.2.1 高藻高碱的成因
  图5为2019年重要水库营养状态比较,可以看出河北省内南水北调水源水——丹江口水库,呈中营养状态。加上中线地理距离长达1 200多km,大部分呈干渠输送,夏季阳光照射时间长,温度高,水体逐渐从中营养向富营养状态转化,最终导致富营养化的发生造成藻类大量繁殖,甚至暴发。当温度升高藻类在进行光合作用时,C元素被吸收,释放出O2和OH-,使水中溶解氧、pH值大幅上升。
  
  图5 2019年重要湖库营养状态
  1.2.2 高藻高碱的危害
  (1)影响混凝效果。在夏季时由于藻类的大量繁殖,使水中pH值升高,原水pH值的改变会严重影响有机物的存在形态,会对混凝剂的混凝效果产生影响。当水的pH值较高时,腐殖质转化为腐殖酸盐,除去率较低。会造成矾花不够密实,沉淀去除率下降,浊度升高,出水水质变差,甚至出现无规律的翻池现象,所以需要更多的药剂投放量,增加了运行成本。此外,部分藻细胞易破坏絮凝过程,导致出水有藻类污染物。
  (2)对膜滤池产生损害。藻类在滤池中的大量繁殖,导致pH值升高,从而使混凝沉淀效果下降,大部分水厂会采用加大PAC的投加量使混凝沉淀效果提高,PAC投加量的提高造成滤膜的堵塞,使得过滤周期缩短,反冲洗频繁,且反冲洗的时间加长,减少膜池的使用寿命,造成成本大幅增加。
  (3)藻类产生异色异味及毒素。藻类所分泌的臭味物质导致饮用水出现异色异味,有些藻种有霉臭味,藻类的死亡、腐败也使水体腥臭难闻。某些藻类在其代谢过程中还会释放毒素,对身体健康有严重危害。
  1.3 研究过程
  为了应对高藻高碱带来的问题,X水厂分别在2018年6月至9月采用过量投加PAC、2019年6月至9月采用曝气式投加CO2、2020年6月至8月采用管道式投加CO2的方法。
  1.3.1 过量投加PAC
  为了应对夏季高藻高碱水质带来的问题,在保证出厂水余铝含量合格的前提下,水厂在2018年开始尝试过量投加PAC混凝剂,来提高混凝沉淀效果。当面对高藻水时增加混凝剂的投加量是去除藻类,改善水体质量的主要有效手段之一。虽然pH值的升高,阻碍了混凝作用,但用加大混凝剂的投加量来提高混凝效果,还是可以有效去除藻类。但在实际生产中发现,过量投加PAC造成污泥量上升,甚至发生藻类上浮、污泥膨胀等现象,造成人工成本增加。
  1.3.2 曝气式投加CO2
  采用投加CO2应对高藻高碱问题的工艺原理为:夏季南水北调部分水源水因为温度高、阳光照射时间长,导致藻类大量繁殖,藻类生长导致pH升高的反应机理见式(1)~式(3):
  
  由式(1)~式(3)可以看出:藻类的光合作用使水中CO2减少,而CO2的减少打破了水中原有碳酸盐的平衡;当水中的CO2浓度较低时,化学平衡式向右移动,此时一部分的HCO-3,转化为CO2-3;随着HCO-3浓度的下降,CO2-3浓度的上升,水中H+减少,导致原水pH值上升到9.0甚至更高。通过投加CO2,可以抑制藻类光合作用,抑制藻类增长;降低原水pH值,可减少PAC投加量。
  向水中投加CO2,CO2溶于水生成HCO-3,达到降低并稳定pH值的目的。碳酸是一种环保型酸化剂,腐蚀性微弱,无需做防护处理,可直接注入管道中。经过42项水质检测,投加CO2对水质无影响,且具备成本低、无害、易管理等多种优势,所以选择投加CO2。
  X水厂在2019年采用曝气头投加CO2至原水泵站,将CO2钢瓶中的CO2通过泄压阀接入曝气装置,曝气装置置入原水泵站池底,每组曝气装置有3个曝气头,共2组曝气装置。
  经反复试验发现,在2个15 kg的CO2钢瓶同时使用的情况下,pH值在7.9左右,可以在PAC投加量减少的情况下,提高混凝效果,使出厂水水质达标。
  X水厂在2019年7月至10月采用该投加方式投加CO2降低原水pH值。但在运行期间发现了许多不足之处:
  (1)安装难度大,需要对原水泵站前池内部排空安装曝气头。
  (2)经济性较差,站前池为半封闭式,投加CO2气体,部分溢出,CO2利用率低。
  (3)H2CO3对一级泵站具有一定的腐蚀性。
  1.3.3 管道式投加CO2
  由于在原水泵站投加CO2的方法存在CO2利用率低、安装难度大等缺点,为了寻找一种新的投加工艺做了大量的试验研究。通过多组混凝沉淀试验,得出在夏季水源水低浊情况下,混凝效果最佳时的pH值。混凝沉淀试验的步骤为:
  ①用容量为1 000 L的塑料桶作为容器取进厂原水;
  ②将CO2钢瓶中的液态CO2通过带有加热装置的泄压阀,以1 L/min的速率通入到曝气头中,曝气头置于塑料桶桶底;
  ③启动曝气装置,每隔1 min停一次,等待大约5 min,使CO2气体与原水充分反应后,用容量1 L的烧杯取满水,并测量pH值;
  ④用容量为500 mL的烧杯取6杯不同pH值的原水(因不能精准控制原水pH值,所以取具有代表性的即可),投加相同量的PAC,用六联搅拌器做混凝沉淀试验,取上清液,检测其铝含量和浊度。
  多次重复以上步骤。以PAC投加量、浊度为定量,通过改变原水pH值对比其中的两组数据,见表1和表2。
  表1 不同pH值下的混凝沉淀试验后的水质
  
  表2 不同pH值下的混凝沉淀试验后的水质
  
  通过以上两组数据可以发现:在PAC投加量相同的情况下,并不是pH值越低,混凝沉淀试验后的铝含量越低;由于夏季南水北调中线水浊度低,在PAC投加量相同的情况下并不是pH值越低混凝后的浊度越低。经过大量的重复试验,考虑经济性和投加效率,最终确定将原水pH值降至7.80左右处理效果最优。
  为了解决CO2挥利用率低的缺点,尝试将CO2投加到管道中,使其在管道内完成反应。根据水厂投加氯气的经验,决定采用管道式水射器方式投加CO2。
  选择地址:本水厂原水总管道大约在地下3 m处,从水厂侧门地下进入水厂,到混凝沉淀池的距离大约150 m。根据水厂自身条件,选择在距离混凝沉淀池约80 m处打孔投加CO2至原水总管道。
  选择方式:将CO2钢瓶中的液态CO2通过带有加热功能的泄压阀转化气体,用自来水通过射流方式将CO2带入到原水管道中,试验装置如图6所示。
  
  图6 管道式水射器
  流量控制:同时通入两瓶CO2,将泄压阀的流量控制器开到一定程度后,观察混凝沉淀池处的pH值在线仪表的数值。每1 h改动一次流量,将pH值在线仪表的数值调到稳定在7.8左右,记录流量大小。
  此种方法优点为:
  ①改造便捷,只需对原水管道进行开孔,施工成本低;
  ②减少损耗,所有反应全部在管道内完成,减少气体的溢出,提高了CO2的利用率,增加了CO2反应时间,使反应更充分。
  02结果分析
  2.1 2018年投加PAC后的效果分析
  从图7可知,通过过量投加PAC混凝剂的方式来处理夏季高藻高碱原水,可以提高混凝效果。但是过量投加PAC既增加了成本,又无法解决出厂水铝含量高的问题,且在实际运行中还会造成污泥量上升,甚至发生藻类上浮、污泥膨胀等现象,造成人工成本增加。每年的3月、4月为农灌时期,水源水为高浊导致投加PAC量增加,在此不作讨论。
  
  图7 2018年PAC投加量和出厂水铝含量
  2.2 投加CO2与PAC效果对比分析
  从图8可知,在保证混凝效果与出水水质达标的情况下,2019年的6月至9月的PAC投加量与2018年同时期相比减少很多。说明投加CO2在实际生产可以降低原水pH值,且pH值降低后在保证出水水质的条件下,PAC投加量大幅减小。得出结论投加CO2降低pH值可以降低PAC的投加量。
  
  图8 2018年至2019年PAC投加量
  通过曝气式投加CO2降低原水pH后,因为PAC投加量的减少,所以出厂水铝含量大幅降低。根据图9可以看出,通过曝气式投加CO2比过量投加PAC出厂水余铝含量要低0.06~0.07 mg/L,保证了出厂水的水质。
  
  图9 2018年至2019年出厂水铝含量
  2.3 两种CO2投加方式的效果分析
  表3是在投加CO2量相同的情况下,两种CO2投加方式投加前后的pH值。可以看出2020年管道式水射器投加方式比2019年水射器+曝气头投加方式CO2降低pH值效果更佳,所以管道式投加方式比曝气头投加方式的CO2利用率更高。
  表3 2019年至2020年CO2投加前后pH
  
  从图10的数据可以看出,在保证出厂水铝含量达标的情况下,2020年的管道式水射器投加CO2的PAC投加量明显小于2019年管道式投加CO2方式,说明在实际生产中,管道式水射器投加CO2方式降低原水pH更明显、更具优越性。
  
  图10 2019年至2020年PAC投加量
  03经济性分析
  2020年管道式水射器投加CO2的量约为4 L/m3,费用约为0.02元/m3,与2018年6月至7月相比投加PAC的费用降低了约为0.04元/m3,费用节约了0.02 元/m3(见表4和表5)。
  表4 2018年至2020年PAC单耗
  
  表5 2019年至2020年CO2单耗
  
  04小结
  管式水射器投加CO2方式具有设备安装简易、造价成本低、CO2利用率高等优点,对水厂原有工艺改动较小,不存在影响生产等不利因素。通过向原水中投加CO2,降低原水pH值,抑制藻类的生长,同时提高了藻类在沉淀池与过滤池中的去除率;降低了PAC的药剂投加量,由此降低生产成本,减少污泥产生量,同时降低了出厂水铝含量,保证了饮用水安全。在X水厂投加CO2的期间,有效提高了混凝效果及藻类的去除率,保证了当地自来水水质不受夏季高藻高碱的影响。管道式水射器投加CO2方式的成功运行,可为其他水厂推广使用提供借鉴经验。
  作者:王一桐、刘俊良、张铁坚
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