南水北調(diào)中線高堿水成因及其應急處置技術研究
河北某南水北調(diào)水源水廠存在夏季水源水高堿高藻問題，藻類的大量繁殖使耗氧量和濁度升高,水中出現(xiàn)異味，影響混凝效果等,增加水廠凈水難度。針對此問題，研究了投加PAC和CO2方式對藻類的處理效果；通過水廠試驗發(fā)現(xiàn)，采用過量投加PAC的方式既增加了運營成本又造成出廠水鋁含量過高，而采用投加CO2的方式可以解決高堿水的同時減少PAC投加量。對比曝氣式投加CO2和管道式投加CO2發(fā)現(xiàn)，管道式投加CO2利用率更高。
南水北調(diào)中線工程是解決京、津、冀等華北地區(qū)水資源短缺，優(yōu)化水資源配置的一項戰(zhàn)略性基礎設施工程。南水北調(diào)中線工程的成功開通有效的緩解了河北省水資源短缺的問題。
隨著大量南水北調(diào)水廠逐步投入使用，在運營過程中也出現(xiàn)了一些問題，例如河北省境內(nèi)一些水廠存在春秋季高濁，夏季低濁高堿高藻，冬季低溫低濁，水質(zhì)變化大的問題。尤其是夏季時出現(xiàn)的水源水高藻高堿問題，對水廠正常運轉造成較大影響。因此在水廠運行中為防止藻類暴發(fā)給水質(zhì)帶來負面影響，應參考藻類變化規(guī)律，注意pH值、濁度等指標的變化做好提前準備和應急措施，及時調(diào)整工藝參數(shù)及投加藥量等。
研究發(fā)現(xiàn)，微堿性的水體易于藍綠藻的生長。湖泊水庫水中的pH值主要受CO2含量的控制，水體中CO2含量受多因素影響，例如水溫、溶解離子、微生物等，而在富營養(yǎng)型水體中，O2和CO2主要受生物過程的控制，因此，當藻類數(shù)量上升到一定數(shù)量級時，其數(shù)量的多少、生命活動的旺盛程度必然對水體的pH值變化起主導作用。Wang等通過CO2含量改變pH值使2種藍藻生活在酸性環(huán)境中，結果表明，pH值為5.5、6.0、6.5時對2種藍藻的對數(shù)期生長起顯著的抑制效應，并且在pH為5.5、6.0時出現(xiàn)了死亡；袁麗娜等研究表明：低pH值不利于藻生長，在低pH值條件下，pH值是系統(tǒng)的主要限制因子。趙娜等研究了不同pH條件下小球藻和斜生柵藻的生長狀況，結果表明：小球藻的最適生長pH值7.0，而斜生柵藻的最適生長pH 9.0；歐陽崢嶸等研究表明，小球藻在pH 6.5～9.0的條件下適宜生長，最適pH值7.0。除此之外，曝氣方式、水動力及微量元素等因素也會影響藻類的生長。曝氣能夠改變水體O2和CO2的含量組成，影響到水體的pH值和氧化還原情況，同時也對水體進行了攪動，從而改進了氧的傳遞和擴散曝氣對藻類的生長有明顯的抑制作用，而夜間曝氣對藻類生長的抑制作用尤其顯著。
由于夏季水質(zhì)高藻高堿對水廠帶來的危害，且現(xiàn)階段對于這方面研究較少，選取河北省某南水北調(diào)典型水廠—X水廠，開展對高藻高堿水質(zhì)的應對措施的探索。
01南水北調(diào)X水廠概況
1.1 水廠概況
河北省X水廠占地規(guī)模為120畝（1畝≈666.67 m2），設計規(guī)模15萬m3/d，概算投資2.32億元。其中一期工程土建按照15萬m3/d建設，設備安裝按照7.5萬m3/d配套。處理工藝為：機械攪拌+折板絮凝+平流沉淀+超濾膜。混凝劑采用PAC，消毒劑采用次氯酸鈉。工藝流程如圖1所示。
圖1 水廠處理工藝
1.1.1 水質(zhì)概況河北某水廠原水為南水北調(diào)中線來水，在春、秋農(nóng)灌期間部分原水來自黃壁莊水庫。水質(zhì)情況大致分為3種，春秋季濁度高，夏季低濁高堿高藻，冬季低溫低濁，水質(zhì)情況變化較大。水廠自2018年運行以來，持續(xù)對原水水質(zhì)進行監(jiān)測，其中藻類、濁度、pH值情況如圖2所示。
圖2 2018年至2020年原水藻類數(shù)量
圖2中可以明顯看出夏季原水中藻類含量明顯升高。每升水藻類含量高達4 000萬~5 000萬個，藻類的大量繁殖，導致原水pH值上升。從圖3可以看出，原水pH值呈逐年上升趨勢，特別是夏季期間，pH值保持在8.3以上，最高可達到8.7。pH值的上升導致混凝效果下降，污泥沉淀效果差，出廠水水質(zhì)下降，并且影響后續(xù)膜濾池工藝的使用壽命。
圖3 2018年至2020年原水pH
圖4可以看出，因原水濁度受到春、秋季節(jié)性江水與水庫水并行影響，3月至8月波動較為明顯。
圖4 2018年至2020年原水濁度
1.2 高藻高堿的成因及危害1.2.1 高藻高堿的成因
圖5為2019年重要水庫營養(yǎng)狀態(tài)比較，可以看出河北省內(nèi)南水北調(diào)水源水——丹江口水庫，呈中營養(yǎng)狀態(tài)。加上中線地理距離長達1 200多km，大部分呈干渠輸送，夏季陽光照射時間長，溫度高，水體逐漸從中營養(yǎng)向富營養(yǎng)狀態(tài)轉化，最終導致富營養(yǎng)化的發(fā)生造成藻類大量繁殖，甚至暴發(fā)。當溫度升高藻類在進行光合作用時，C元素被吸收，釋放出O2和OH-，使水中溶解氧、pH值大幅上升。
圖5 2019年重要湖庫營養(yǎng)狀態(tài)
1.2.2 高藻高堿的危害（1）影響混凝效果。在夏季時由于藻類的大量繁殖，使水中pH值升高，原水pH值的改變會嚴重影響有機物的存在形態(tài)，會對混凝劑的混凝效果產(chǎn)生影響。當水的pH值較高時，腐殖質(zhì)轉化為腐殖酸鹽，除去率較低。會造成礬花不夠密實，沉淀去除率下降，濁度升高，出水水質(zhì)變差，甚至出現(xiàn)無規(guī)律的翻池現(xiàn)象，所以需要更多的藥劑投放量，增加了運行成本。此外，部分藻細胞易破壞絮凝過程，導致出水有藻類污染物。
（2）對膜濾池產(chǎn)生損害。藻類在濾池中的大量繁殖，導致pH值升高，從而使混凝沉淀效果下降，大部分水廠會采用加大PAC的投加量使混凝沉淀效果提高，PAC投加量的提高造成濾膜的堵塞，使得過濾周期縮短，反沖洗頻繁，且反沖洗的時間加長，減少膜池的使用壽命，造成成本大幅增加。
（3）藻類產(chǎn)生異色異味及毒素。藻類所分泌的臭味物質(zhì)導致飲用水出現(xiàn)異色異味，有些藻種有霉臭味，藻類的死亡、腐敗也使水體腥臭難聞。某些藻類在其代謝過程中還會釋放毒素，對身體健康有嚴重危害。
1.3 研究過程
為了應對高藻高堿帶來的問題，X水廠分別在2018年6月至9月采用過量投加PAC、2019年6月至9月采用曝氣式投加CO2、2020年6月至8月采用管道式投加CO2的方法。
1.3.1 過量投加PAC
為了應對夏季高藻高堿水質(zhì)帶來的問題，在保證出廠水余鋁含量合格的前提下，水廠在2018年開始嘗試過量投加PAC混凝劑，來提高混凝沉淀效果。當面對高藻水時增加混凝劑的投加量是去除藻類，改善水體質(zhì)量的主要有效手段之一。雖然pH值的升高，阻礙了混凝作用，但用加大混凝劑的投加量來提高混凝效果，還是可以有效去除藻類。但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，過量投加PAC造成污泥量上升，甚至發(fā)生藻類上浮、污泥膨脹等現(xiàn)象，造成人工成本增加。
1.3.2 曝氣式投加CO2
采用投加CO2應對高藻高堿問題的工藝原理為：夏季南水北調(diào)部分水源水因為溫度高、陽光照射時間長，導致藻類大量繁殖，藻類生長導致pH升高的反應機理見式（1）~式（3）：
向水中投加CO2，CO2溶于水生成HCO-3，達到降低并穩(wěn)定pH值的目的。碳酸是一種環(huán)保型酸化劑，腐蝕性微弱，無需做防護處理，可直接注入管道中。經(jīng)過42項水質(zhì)檢測，投加CO2對水質(zhì)無影響，且具備成本低、無害、易管理等多種優(yōu)勢，所以選擇投加CO2。
X水廠在2019年采用曝氣頭投加CO2至原水泵站，將CO2鋼瓶中的CO2通過泄壓閥接入曝氣裝置，曝氣裝置置入原水泵站池底，每組曝氣裝置有3個曝氣頭，共2組曝氣裝置。
經(jīng)反復試驗發(fā)現(xiàn)，在2個15 kg的CO2鋼瓶同時使用的情況下，pH值在7.9左右，可以在PAC投加量減少的情況下，提高混凝效果，使出廠水水質(zhì)達標。
X水廠在2019年7月至10月采用該投加方式投加CO2降低原水pH值。但在運行期間發(fā)現(xiàn)了許多不足之處：
（1）安裝難度大，需要對原水泵站前池內(nèi)部排空安裝曝氣頭。
（2）經(jīng)濟性較差，站前池為半封閉式，投加CO2氣體，部分溢出，CO2利用率低。
（3）H2CO3對一級泵站具有一定的腐蝕性。
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、安裝難度大等缺點，為了尋找一種新的投加工藝做了大量的試驗研究。通過多組混凝沉淀試驗，得出在夏季水源水低濁情況下，混凝效果最佳時的pH值。混凝沉淀試驗的步驟為：
①用容量為1 000 L的塑料桶作為容器取進廠原水；
②將CO2鋼瓶中的液態(tài)CO2通過帶有加熱裝置的泄壓閥，以1 L/min的速率通入到曝氣頭中，曝氣頭置于塑料桶桶底；
③啟動曝氣裝置，每隔1 min停一次，等待大約5 min，使CO2氣體與原水充分反應后，用容量1 L的燒杯取滿水，并測量pH值；
④用容量為500 mL的燒杯取6杯不同pH值的原水（因不能精準控制原水pH值，所以取具有代表性的即可），投加相同量的PAC，用六聯(lián)攪拌器做混凝沉淀試驗，取上清液，檢測其鋁含量和濁度。
多次重復以上步驟。以PAC投加量、濁度為定量，通過改變原水pH值對比其中的兩組數(shù)據(jù)，見表1和表2。
表1 不同pH值下的混凝沉淀試驗后的水質(zhì)
表2 不同pH值下的混凝沉淀試驗后的水質(zhì)
為了解決CO2揮利用率低的缺點，嘗試將CO2投加到管道中，使其在管道內(nèi)完成反應。根據(jù)水廠投加氯氣的經(jīng)驗，決定采用管道式水射器方式投加CO2。
選擇地址：本水廠原水總管道大約在地下3 m處，從水廠側門地下進入水廠，到混凝沉淀池的距離大約150 m。根據(jù)水廠自身條件，選擇在距離混凝沉淀池約80 m處打孔投加CO2至原水總管道。
選擇方式：將CO2鋼瓶中的液態(tài)CO2通過帶有加熱功能的泄壓閥轉化氣體，用自來水通過射流方式將CO2帶入到原水管道中，試驗裝置如圖6所示。
圖6 管道式水射器
流量控制：同時通入兩瓶CO2，將泄壓閥的流量控制器開到一定程度后，觀察混凝沉淀池處的pH值在線儀表的數(shù)值。每1 h改動一次流量，將pH值在線儀表的數(shù)值調(diào)到穩(wěn)定在7.8左右，記錄流量大小。此種方法優(yōu)點為：
①改造便捷，只需對原水管道進行開孔，施工成本低；
②減少損耗，所有反應全部在管道內(nèi)完成，減少氣體的溢出，提高了CO2的利用率，增加了CO2反應時間，使反應更充分。
02結果分析
2.1 2018年投加PAC后的效果分析
從圖7可知，通過過量投加PAC混凝劑的方式來處理夏季高藻高堿原水，可以提高混凝效果。但是過量投加PAC既增加了成本，又無法解決出廠水鋁含量高的問題，且在實際運行中還會造成污泥量上升，甚至發(fā)生藻類上浮、污泥膨脹等現(xiàn)象，造成人工成本增加。每年的3月、4月為農(nóng)灌時期，水源水為高濁導致投加PAC量增加，在此不作討論。
圖7 2018年PAC投加量和出廠水鋁含量
2.2 投加CO2與PAC效果對比分析從圖8可知，在保證混凝效果與出水水質(zhì)達標的情況下，2019年的6月至9月的PAC投加量與2018年同時期相比減少很多。說明投加CO2在實際生產(chǎn)可以降低原水pH值，且pH值降低后在保證出水水質(zhì)的條件下，PAC投加量大幅減小。得出結論投加CO2降低pH值可以降低PAC的投加量。
圖8 2018年至2019年PAC投加量
通過曝氣式投加CO2降低原水pH后，因為PAC投加量的減少，所以出廠水鋁含量大幅降低。根據(jù)圖9可以看出，通過曝氣式投加CO2比過量投加PAC出廠水余鋁含量要低0.06~0.07 mg/L，保證了出廠水的水質(zhì)。
圖9 2018年至2019年出廠水鋁含量
2.3 兩種CO2投加方式的效果分析表3是在投加CO2量相同的情況下，兩種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+曝氣頭投加方式CO2降低pH值效果更佳，所以管道式投加方式比曝氣頭投加方式的CO2利用率更高。
表3 2019年至2020年CO2投加前后pH
圖10 2019年至2020年PAC投加量
03經(jīng)濟性分析2020年管道式水射器投加CO2的量約為4 L/m3，費用約為0.02元/m3，與2018年6月至7月相比投加PAC的費用降低了約為0.04元/m3，費用節(jié)約了0.02 元/m3（見表4和表5）。
表4 2018年至2020年PAC單耗
表5 2019年至2020年CO2單耗
管式水射器投加CO2方式具有設備安裝簡易、造價成本低、CO2利用率高等優(yōu)點，對水廠原有工藝改動較小，不存在影響生產(chǎn)等不利因素。通過向原水中投加CO2，降低原水pH值，抑制藻類的生長，同時提高了藻類在沉淀池與過濾池中的去除率；降低了PAC的藥劑投加量，由此降低生產(chǎn)成本，減少污泥產(chǎn)生量，同時降低了出廠水鋁含量，保證了飲用水安全。在X水廠投加CO2的期間，有效提高了混凝效果及藻類的去除率，保證了當?shù)刈詠硭|(zhì)不受夏季高藻高堿的影響。管道式水射器投加CO2方式的成功運行，可為其他水廠推廣使用提供借鑒經(jīng)驗。
作者：王一桐、劉俊良、張鐵堅