樂(lè)林生¹，周云¹，唐意祥¹，范瑾初²，高乃云²，董秉直²
（1.上海市自來(lái)水公司，上海 200082；2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

　　摘要：根據(jù)上海市發(fā)展規(guī)劃對(duì)城市供水水質(zhì)的要求，近期要達(dá)到建設(shè)部2000年一類水司水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)期要逐步達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為此，在調(diào)查分析現(xiàn)有工藝、處理水質(zhì)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行了加強(qiáng)常規(guī)處理和投加二氧化氯、粉末活性炭工藝的試驗(yàn)研究，提出了長(zhǎng)江水源凈水廠的優(yōu)化處理工藝方案。?
　　關(guān)鍵詞：飲用水；水處理；工藝流程；二氧化氯，粉末活性炭
　　中圖分類號(hào)：TU991.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)06-0013-04

Research on Optimization of Water Treatment Process for Waterworks Using Source Water form Changjiang River in Shanghai

LE Lin?sheng¹，ZHOU Yun¹，TANG Yi?xiang¹，F(xiàn)AN Jin?chu²，GAO Nai?yun²，DONG Bing?zhi²
(1.Shanghai Water Supply Co.,Shanghai 200082,China; 2.School of Environ.Sci.and?Eng.,Tongji Univ.,Shanghai 200092,China)

　　Abstract：Based on the requirement of Shanghai development program, quality of public water supply should meet the MOC water quality standard in 2 000 for large scale water supply company in near future, then reach the standard implemented by some developed countries and regions step by step in long?term. Experiments were made on techniques of chlorine dioxide, powdered activated carbon and enhanced conventional treatment on the basis of investigations of present water treatment process and treated water quality. Finally the optimized water treatment process for waterworks using source water from Changjiang River was brought forward.
　　Keywords:drinking water; water treatment; treatment process; chlorine dioxide; powdered activated carbon

　　1992年上海開(kāi)辟了采用避咸蓄淡功能的長(zhǎng)江陳行水庫(kù)水源(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)江水源)，目前已供應(yīng)月浦、吳淞、閘北、泰和、大場(chǎng)、凌橋6家凈水廠，總凈水能力167×10⁴m³/d，占上海市供水系統(tǒng)總水量的23%。
　　長(zhǎng)江水源位于長(zhǎng)江入海口的寶山江段，上游沿江地區(qū)和城市有大量經(jīng)處理或未處理的生活污水、工業(yè)廢水排入長(zhǎng)江，因此現(xiàn)有的常規(guī)處理工藝對(duì)這些微量但極其有害的污染物質(zhì)能否有效去除，陳行水庫(kù)是否會(huì)因氮、磷等物質(zhì)引起藻類大量繁殖而影響水廠工作，都需要進(jìn)行考察和研究。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，首先調(diào)查了使用長(zhǎng)江水源的月浦水廠的處理現(xiàn)狀和水質(zhì)特點(diǎn)，進(jìn)行了加強(qiáng)常規(guī)處理和投加二氧化氯、粉未活性炭試驗(yàn)研究，并提出長(zhǎng)江水源優(yōu)化處理工藝，供設(shè)計(jì)單位參考。

　　1 原水水質(zhì)

　　長(zhǎng)江水源取水口位于長(zhǎng)江下游的寶山段盛橋處江心，江水提升至陳行水庫(kù)蓄存，然后輸往水廠。陳行水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容830×10⁴ m³，有明顯自凈作用，可有效降低濁度、氨氮、耗氧量、鐵、錳等指標(biāo)。經(jīng)測(cè)定，長(zhǎng)江水源基本屬國(guó)家地面水標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ~Ⅲ類水體，是上海地區(qū)水質(zhì)最好的地表水源，但氨氮平均值為0.17 mg/L，高于Ⅲ類水體0.02 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)；錳為0.12 mg/L，高于Ⅲ類水體0.1 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)；說(shuō)明受到了工業(yè)廢水和生活污水的污染，仍屬于微污染水源。
　　水庫(kù)水易繁殖藻類，影響水廠處理構(gòu)筑物工作。從1996年11月—1997年9月，對(duì)長(zhǎng)江取水口，陳行水庫(kù)，月浦水廠進(jìn)水、沉淀池出水、濾池出水5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，每次每點(diǎn)采集定性水樣和定量水樣，定性水樣用網(wǎng)采集，定量水樣用采樣器采集，水樣用哥魯氏液固定，委托上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心測(cè)定。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：長(zhǎng)江水源藻類主要是硅藻，一般占50%以上，但也有少量的藍(lán)藻。長(zhǎng)江水因濁度高、流速急，藻類數(shù)量低于淀山湖、東湖等1～2個(gè)數(shù)量級(jí)(見(jiàn)表1)。陳行水庫(kù)1996年監(jiān)測(cè)藻類高于長(zhǎng)江水，1997年有下降趨勢(shì)。月浦水廠取陳行水庫(kù)的中、下層水，藻類數(shù)量低于水庫(kù)監(jiān)測(cè)值，經(jīng)絮凝沉淀即可去除，沉淀水和濾后水均無(wú)藻類檢出。陳行水庫(kù)水的總磷測(cè)定3次，分別為：0.073、0.041、0.070 mg/L，平均為0.061 mg/L；總氮為2.28 mg/L；氮磷比為37∶1。國(guó)際上認(rèn)為總磷0.02 mg/L、總氮0.2 mg/L是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的下限濃度，最適合藻類生長(zhǎng)的氮磷比為15∶1。據(jù)此衡量，陳行水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化濃度，目前藻類沒(méi)有大量繁殖，主要是因?yàn)檫M(jìn)水停留時(shí)間短，濁度高，透明度低所致。

　　2 月浦水廠的處理工藝

　　月浦水廠是首家使用長(zhǎng)江水源的水廠，具有代表性的二期工藝流程如圖1(一期工程濾池為氣水普通快濾池，其余與二期相同)。
　　一、二期混合、絮凝、沉淀運(yùn)行正常，沉淀水濁度基本在3～5 NTU，二期Ⅴ型濾池在技術(shù)上優(yōu)于一期普通快濾池。常規(guī)凈水工藝可去除濁度97%～99.8%，去除細(xì)菌、大腸菌群98.3%以上；去除耗氧物、陰離子洗滌劑約50%，氨氮去除率隨加氯、加氨情況變化，對(duì)芳香烴類基本無(wú)去除效果，加氯后會(huì)生成氯仿等副產(chǎn)物。月浦水廠和發(fā)達(dá)國(guó)家的地表水(有農(nóng)藥、洗滌劑、污水廠排放水流入)處理廠相比，有兩個(gè)明顯缺陷，一是缺少活性炭為主的深度處理工藝，二是缺少排泥水處理工藝。

　　月浦水廠自建成供水以來(lái)，出廠水濁度長(zhǎng)期保持在0.1 NTU水平，色度＜6(倍)，氨氮＜0.8 mg/L，耗氧量＜3.0 mg/L。除酚、電導(dǎo)率、總有機(jī)氯有時(shí)超標(biāo)，其余指標(biāo)達(dá)到了國(guó)家生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 7549—85)，但按建設(shè)部2000年一類水司水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)達(dá)國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)衡量^{［4、5］}，還有一定差距。首先嗅閾值明顯偏高，例如日本的標(biāo)準(zhǔn)為不超過(guò)3，月浦出水為20左右，可明顯嗅出氯(或氯酚)氣味；其次，致突變性試驗(yàn)呈陽(yáng)性，說(shuō)明有一定數(shù)量的難生物降解的三致物質(zhì)存在；另外氯消毒生成的氯仿有時(shí)偏高，四氯化碳有時(shí)超標(biāo)，總有機(jī)氯超標(biāo)。

　　3 強(qiáng)化常規(guī)處理工藝的研究

　　有研究表明^［3］，隨著混凝劑加注率的增加，形成絮體的吸附位也增多，可充分發(fā)揮吸附架橋作用，對(duì)有機(jī)物的吸附去除效果自然也提高。當(dāng)然，若投加過(guò)多時(shí)，膠體顆粒會(huì)出現(xiàn)重新穩(wěn)定的現(xiàn)象。在不同的pH值下，水中有機(jī)物表面的性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，絮凝體對(duì)有機(jī)物的吸附性能也不同。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明：水中濁度和耗氧物的去除隨混凝劑加注率增加有一定的提高(圖2)，投加率增加到300%時(shí)，濾后水濁度從常規(guī)處理的0.37 NTU下降至0.22 NTU；COD_Mn去除率比常規(guī)加注率增加6%。E₂₅₄去除率隨混凝劑加注率變化曲線見(jiàn)圖3，投加率增加而去除率略增或不變，說(shuō)明含不飽和鍵有機(jī)物的去除率隨混凝劑加注率變化程度小于耗氧物質(zhì)。pH試驗(yàn)表明，硫酸鋁去除濁度、COD_Mn和E₂₅₄的最佳pH值依次為6.8～7.6，6.0～6.8和?6.2～7.0。COD_Mn和E₂₅₄的去除率比未調(diào)整pH值時(shí)增加3%和5%。

　　將試驗(yàn)結(jié)果匯總于表2可見(jiàn)，通過(guò)增加混凝劑投加量和調(diào)整pH值來(lái)提高COD_Mn、E₂₅₄去除率的幅度有限，不能使出廠水水質(zhì)有明顯提高。

　　4 二氧化氯對(duì)提高水質(zhì)的作用

　　二氧化氯的氧化和消毒性能介于氯和臭氧之間，它的殺菌能力較氯強(qiáng)，剩余量更穩(wěn)定，并能有效地控制水的色度、嗅味。此外，二氧化氯與水中有機(jī)物不產(chǎn)生三鹵甲烷或只產(chǎn)生少量的氯化有機(jī)物。針對(duì)長(zhǎng)江水源，進(jìn)行了二氧化氯與氯的氧化—消毒對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，二氧化氯對(duì)水質(zhì)有提高作用，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：
　?、?去除酚的能力增強(qiáng)
　　月浦廠出水酚有時(shí)超標(biāo)，而二氧化氯對(duì)酚的氧化能力較強(qiáng)，在二氧化氯量大于酚時(shí)，酚被迅速地氧化成p-苯醌、馬來(lái)酸、乙二酸等。此外，二氧化氯只發(fā)生氧化反應(yīng)，不與酚反應(yīng)生成氯酚。在對(duì)比試驗(yàn)中，原水中酚含量較低，一般情況下僅為0.002～0.004 mg/L。為提高分析數(shù)據(jù)的可靠性，在原水水樣中投加苯酚，配制濃度約為0.02 mg/L。經(jīng)測(cè)定，配制后的原水氨氮＜0.1 mg/L，氧化劑投加量約為0.4～1.6 mg/L。試驗(yàn)表明，二氧化氯去除酚的效率較高，當(dāng)加注量為0.4 mg/L時(shí)，酚的去除率可達(dá)到85%～94%。在氯對(duì)照組中，從氯的形態(tài)可見(jiàn)，濾后水中是游離氯時(shí)，原水中酚有明顯的降低，降低率約為37%；濾后水中是化合氯時(shí)，酚沒(méi)有降低現(xiàn)象。由于二氧化氯去除酚的能力不受原水氨氮的影響，氧化酚的能力最強(qiáng)，游離氯次之，化合氯對(duì)酚幾乎無(wú)氧化能力。
　　② 降低處理水的嗅閾值
　　試驗(yàn)表明，二氧化氯對(duì)水的嗅閾值處理效果受到水質(zhì)影響，長(zhǎng)江原水樣投加二氧化氯后嗅閾值在12.5～43.7之間；而氯處理的水樣嗅閾值為24.5～67；投加二氧化氯后的嗅閾值均比氯低，平均低38%左右。上述結(jié)果說(shuō)明，使用二氧化氯可有效地降低出廠水的嗅閾值，特別是水源較差時(shí)其效果更加明顯。
　　③ 降低氯消毒副產(chǎn)物?
　　二氧化氯和氯消毒水的對(duì)比試驗(yàn)表明，二氧化氯消毒基本不生成常規(guī)氯消毒處理所生成的副產(chǎn)物，氯仿可降低95%，一溴二氯甲烷降低94%～98%，一氯二溴甲烷降低96%，四氯化碳降低87%，TOX降低75%，VOC降低68%，THMFP降低20.4%，色譜峰數(shù)降低37%。隨著二氧化氯加注量增加，pH值略有下降，這與二氧化氯溶液的酸度有關(guān)；NH₃-N基本不變，E₂₅₄值不隨加注量增加而變化。
　　試驗(yàn)結(jié)果還表明，控制投加量在0.8～1.5 mg/L之間，用二氧化氯替代氯的氧化—消毒功能，可降低氯消毒副產(chǎn)物，改善嗅味，使酚完全達(dá)標(biāo)。

　　5 粉末活性炭處理工藝的研究

　　粉末活性炭(PAC)是粒徑10～50 μm的無(wú)定型炭，試驗(yàn)中選用了椰殼炭、果殼炭、煤質(zhì)炭和12 mL、13 mL、14 mL物理炭等6種PAC進(jìn)行了炭種選擇試驗(yàn)，結(jié)果表明適合長(zhǎng)江水水質(zhì)的最佳炭種是物理炭(即木質(zhì)炭)，其次為煤質(zhì)炭、果殼炭和椰殼炭。
　　最佳PAC投加點(diǎn)試驗(yàn)選擇三處：吸水井、快速混合處和絮凝初期。試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳投加點(diǎn)為快速混合處。例如：當(dāng)PAC投量為15 mg/L時(shí)，快速混合處投加的對(duì)COD_Mn總?cè)コ剩仍谖幫都拥奶岣?3%，比絮凝初期投加的約高24%。
　　最佳投加量試驗(yàn)采用PAC投量為5、10、15、20、30、40 mg/L。試驗(yàn)結(jié)果為投炭量5 mg/L時(shí)吸附容量最大，為462 mgCOD_Mn/g(PAC)，而后依次減小。當(dāng)投炭量為40 mg/L時(shí)，PAC吸附容量降至80 mgCOD_Mn/g(PAC)。綜合考慮處理效果和經(jīng)濟(jì)因素后確定：對(duì)長(zhǎng)江原水提高水質(zhì)而言，15 mg/L投炭量為最佳投炭量(見(jiàn)表3)；當(dāng)原水水質(zhì)較差時(shí)，PAC投加量可增至15～20 mg/L；PAC投加量超過(guò)20 mg/L時(shí)，處理效果增加不明顯。

　　試驗(yàn)證明，PAC可降低出水致突變陽(yáng)性率(常規(guī)處理的出廠水陽(yáng)性增強(qiáng))，可使Ames試驗(yàn)由陽(yáng)性轉(zhuǎn)為陰性(見(jiàn)表4)。試驗(yàn)結(jié)果以誘變指數(shù)(MR)表示，MR值為平均誘發(fā)回復(fù)突變菌落數(shù)與平均自發(fā)回復(fù)突變菌落數(shù)的比值。MR值愈大，說(shuō)明該被測(cè)樣品的致突變活性越高，MR＞2為陽(yáng)性結(jié)果。就被測(cè)水樣致突變活性而言，MR＝2時(shí)所需水樣量愈少，則說(shuō)明水樣中有機(jī)污染物的致突變活性愈高。

　　根據(jù)Ames試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：對(duì)長(zhǎng)江原水而言，粉末活性炭的投量為15 mg/L時(shí)，可使致突變陽(yáng)性水轉(zhuǎn)變?yōu)殛幮裕@是傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

　　6 優(yōu)化處理工藝分析

　　要使出廠水全面達(dá)到建設(shè)部2000年一類水司標(biāo)準(zhǔn)并逐步達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，電導(dǎo)率超標(biāo)要靠?jī)?yōu)化水庫(kù)進(jìn)、出水調(diào)度來(lái)解決，其他指標(biāo)要靠?jī)?yōu)化水處理工藝來(lái)解決。研究證明，強(qiáng)化現(xiàn)有的處理工藝，對(duì)長(zhǎng)江水質(zhì)無(wú)明顯改善作用；臭氧生物活性炭組合的深度處理工藝能解決水質(zhì)問(wèn)題，但投資巨大，運(yùn)行費(fèi)用高。因此，提出長(zhǎng)江水源凈水廠的優(yōu)化處理工藝流程如圖4。
　　該工藝流程采用混和前約300 m處加二氧化氯0.8～1 mg/L，可氧化水中鐵、錳、酚及部分有機(jī)物，殺滅藻類，投加量不受氨氮影響。在加礬的同時(shí)加入PAC約10～15 mg/L，吸附水中溶解性有機(jī)物，可降低有機(jī)物指標(biāo)，改善嗅味及致突變性。濾后水加消毒劑，管道陳舊的地區(qū)宜采用氯消毒。排泥水上清液回流至混合前，冬季低溫低濁時(shí)部分污泥回流。

　　長(zhǎng)江水源優(yōu)化處理工藝具有4個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：①適合長(zhǎng)江原水輕度污染、間歇超標(biāo)的水質(zhì)特點(diǎn)；②可降低氯消毒副產(chǎn)物及有機(jī)物指標(biāo)，改善嗅味和致突變性，全面提高出廠水質(zhì)，基本達(dá)到建設(shè)部2000年一類水司標(biāo)準(zhǔn)；③基本不需征地及修建構(gòu)筑物，工程投資少；④運(yùn)行時(shí)可根據(jù)水質(zhì)情況靈活掌握。
　　二氧化氯處理工藝的工程設(shè)備投資約為40元/m³水，增加運(yùn)行費(fèi)用約為0.04元/m³水；粉末活性炭工藝的工程設(shè)備投資約為12元/m³水，增加運(yùn)行費(fèi)用約為0.025元/m³水。

　　致謝：參加本項(xiàng)研究的還有莫興康、翁曉姚、陳同春、朱心、岳宇明、劉瑋、顧宇宏、王榮昌、鄔娜娜、孫有勛等人，給與指導(dǎo)和幫助的有宋仁元、岳舜琳、黃仲杰、夏柔則、陳國(guó)光等專家，在此表示衷心感謝。

參考文獻(xiàn)：
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［3］常青.絮凝原理［M］.蘭州：蘭州大學(xué)出版社，1990.120-189.

作者簡(jiǎn)介：樂(lè)林生(1947- )，男，浙江鎮(zhèn)海人，上海市自來(lái)水公司高級(jí)工程師，研究方向：凈水工藝技術(shù)。
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