哈爾濱氣化廠（達(dá)連河）供水系統(tǒng)應(yīng)對硝基苯污染的措施與效果

崔福義¹ 李偉光¹ 張悅² 趙志偉¹ 姜殿臣³ 韓雪東³ 呂德全³ 牛玉梅³ 張振宇¹

(1哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150090 2.建設(shè)部城市建設(shè)司 北京 100835 3哈爾濱氣化廠 黑龍江 哈爾濱 154854)

　　摘要:本文介紹了哈爾濱氣化廠（達(dá)連河）供水水源受硝基苯污染及應(yīng)急供水措施的制定與實(shí)施情況，評價了應(yīng)急供水工藝對硝基苯的實(shí)際去除效果。實(shí)踐證明，所采取的原水中投加粉末活性炭、強(qiáng)化混凝沉淀、炭砂濾池等應(yīng)急措施有效可靠，在硝基苯最高超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到14.22倍的情況下，保證了供水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了不中斷供水的目標(biāo)。粉末活性炭起到了主要的去除硝基苯作用，在取水口投加、利用11.9km長的輸水管道保證充分的吸附時間是技術(shù)成功的關(guān)鍵。此次成功的應(yīng)急供水積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，可以供進(jìn)一步研究參考。
　　 關(guān)鍵詞：硝基苯，粉末活性炭，強(qiáng)化混凝，炭砂濾池，應(yīng)急供水

Approach and Effect of Removing Nitrobenzene Pollution in Harbin Gasification Plant (Dalianhe) Water Supply System

Cui Fuyi¹ Li Weiguang¹ Zhang Yue² Zhao Zhiwei¹ Han Xuedong³ Lv Dequan³ Zhang Zhenyu¹

(1 Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China 2.Urben Construction Department of Construction Ministry Beijing 100835 3 Harbin Gasification Plant 154854)

Abstract: The paper introduces the nitrobenzene pollution of water source of harbin gasification plant (dalianhe) and the emergent approach of water supply, evaluates the removing effect of nitrobenzene of the emergent process. It is proved that feeding PAC, enhanced coagulation sedimentation and carbon-sand filter are all effective and dependable emergent approaches. Under the condition of the maximum times of nitrobenzene over the standard up to 14.22,the approaches can guarantee the standard water supply and the continuous water supply. PAC play an important role in this process .The key technique is feeding PAC at the intake and keep the enough adsorption time by means of the 11.9km pipe. The successful emergent water supply approach has accumulated rich experience which can be used as a good reference for the further study.

Key words: nitrobenzene, PAC，enhanced coagulation, carbon-sand filter, water supply in emergency

　　2005年11月13日，吉化公司雙苯廠爆炸導(dǎo)致松花江水體受到硝基苯嚴(yán)重污染，給沿江城市和工礦企業(yè)用水安全帶來嚴(yán)重威脅，位于哈爾濱市城區(qū)下游達(dá)連河鎮(zhèn)的哈爾濱氣化廠供水同樣面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。11月29日，受建設(shè)部和黑龍江省、哈爾濱市政府委托，以張悅為組長、崔福義為技術(shù)負(fù)責(zé)人的專家組急赴達(dá)連河，應(yīng)對松花江水污染。專家組在達(dá)連河奮戰(zhàn)9晝夜，成功地解決了污染帶來的問題，確保氣化廠供水不中斷，從而保證了哈爾濱市人民燃?xì)夤?yīng)正常。本文擬對此次應(yīng)對污染的情況進(jìn)行介紹。

1. 哈爾濱氣化廠供水概況

　　哈爾濱氣化廠地處哈爾濱市依蘭縣達(dá)連河鎮(zhèn)，位于松花江南岸，距哈爾濱市城區(qū)下游300多公里，承擔(dān)著向哈爾濱市76萬戶居民，3000余戶工業(yè)企業(yè)和商服用戶供應(yīng)燃?xì)獾娜蝿?wù)。其供水分廠負(fù)責(zé)氣化廠生產(chǎn)用水的供應(yīng)，生產(chǎn)供水量為5萬m³/d，以松花江水為水源。氣化廠供水分廠水處理工藝見圖1。松花江原水由江心取水頭進(jìn)入岸邊取水泵房，水泵加壓后經(jīng)11.9km長、直徑800mm的輸水管送入廠內(nèi)穩(wěn)壓井；在穩(wěn)壓井投加液體聚合鋁混凝劑后進(jìn)入反應(yīng)池和沉淀池，然后經(jīng)煤砂雙層濾池過濾、消毒后進(jìn)入清水池備用。

圖1水廠水處理工藝

2. 應(yīng)急供水技術(shù)方案

　　松花江是氣化廠唯一的供水水源。由于廠內(nèi)儲水能力僅能維持幾個小時的供水，一旦硝基苯超標(biāo)導(dǎo)致水廠停產(chǎn)、供水中斷、造成氣化廠停產(chǎn)，將給哈爾濱市人民生活與生產(chǎn)帶來十分嚴(yán)重的影響和后果。為此，省市政府明確提出要求，必須采取有力措施，確保在松花江水受到硝基苯污染的情況下，保證供水水質(zhì)合格，保證氣化廠生產(chǎn)安全和哈爾濱市的燃?xì)夤?yīng)。因此，確保任何情況下不中斷供水，是此次應(yīng)急供水的目標(biāo)。
　　 根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）規(guī)定，水源水中硝基苯濃度應(yīng)低于0.017mg/L，由于供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中沒有硝基苯指標(biāo)，研究決定采用0.017mg/L作為水廠供水中硝基苯濃度控制限值。對于松花江達(dá)連河斷面硝基苯超標(biāo)倍數(shù)的預(yù)估，要參考上游斷面情況確定，可借鑒的主要信息有：上游哈爾濱市區(qū)最高超標(biāo)33倍，松花江沿程的超標(biāo)倍數(shù)在下降。據(jù)此預(yù)計達(dá)連河斷面最高超標(biāo)倍數(shù)約在20倍左右，為求萬無一失，配套試驗(yàn)及應(yīng)急方案按50倍考慮。要解決的關(guān)鍵問題是必須采取有效的技術(shù)手段，在原水中硝基苯超標(biāo)達(dá)到50倍的情況下，使之去除到不超過0.017mg/L的標(biāo)準(zhǔn)值。
　　 根據(jù)對硝基苯特性的基本認(rèn)識和初步的試驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)有水廠凈水工藝去除硝基苯的能力有限，難以滿足要求，必須對供水系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急改造。在選擇應(yīng)急方案時，考慮到活性炭對硝基苯有較好的吸附性能，應(yīng)該將活性炭吸附作為優(yōu)先考慮的措施，同時還要充分利用現(xiàn)有設(shè)施，在有限的時間內(nèi)以較少的工藝改造工作量滿足應(yīng)急供水的要求。在水廠已經(jīng)初擬的應(yīng)急方案基礎(chǔ)上，確定的方案如下：在江邊取水泵房水泵吸水管投加粉末活性炭（PAC），由取水泵進(jìn)行充分混合，利用11.9km長的輸水管在長達(dá)5個多小時的原水輸送過程中，活性炭與水充分接觸吸附硝基苯；在混凝沉淀單元，優(yōu)化混凝劑投加量，投加活化硅酸助凝，加強(qiáng)沉淀池排泥；將原有的煤砂濾池改造為炭砂濾池，將原無煙煤（500mm）+石英砂（500mm）濾料，更換為顆?；钚蕴浚?700mm）+石英砂（400mm）。在此方案中，粉末活性炭的吸附作用是關(guān)鍵，水在輸水管中的停留時間可以達(dá)到5.7h，能充分發(fā)揮吸附作用，從供水安全保障的多級屏障觀念出發(fā)，應(yīng)該力求硝基苯在此階段被吸附去除達(dá)標(biāo)。相應(yīng)帶來的問題是大量投加的粉末活性炭相對密度小、沉淀性能差、不易通過排泥排出，極易從沉淀池流出進(jìn)入濾池，給過濾增加負(fù)擔(dān)。為此，在混凝沉淀階段的任務(wù)就是要通過強(qiáng)化混凝，提高沉淀對水中膠體顆粒及粉末活性炭的去除率，盡量減少沉淀池表面的浮炭；同時加強(qiáng)排泥，防止活性炭在池底大量堆積。炭砂濾池是保障出水中硝基苯達(dá)標(biāo)的最后屏障，水在顆?；钚蕴繉又械耐Ａ魰r間短，吸附去除能力有限，不應(yīng)使其承擔(dān)過多的去除硝基苯的任務(wù)，主要作為儲備性環(huán)節(jié)。
　　 具體的各種藥劑的投加量及硝基苯的去除效率，應(yīng)在隨后的試驗(yàn)中解決。

3. 應(yīng)急供水實(shí)施效果

　　 2005年12月2日11時，松花江達(dá)連河斷面首次檢出硝基苯為0.01288mg/L，此后硝基苯濃度在波動中增加，至12月5日14時達(dá)到最大值，超標(biāo)14.22倍，此后又在波動中下降，至12月8日17時，降至標(biāo)準(zhǔn)值以下。具體變化情況見圖2。與上游各斷面情況比較，達(dá)連河斷面硝基苯超標(biāo)倍數(shù)進(jìn)一步下降，超標(biāo)持續(xù)時間延長，濃度波動增強(qiáng)。

圖2 達(dá)連河段面硝基苯濃度變化

3.1粉末活性炭對硝基苯的吸附效果

　　 粉末活性炭炭種為唐山生產(chǎn)的木質(zhì)炭，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 應(yīng)急供水用粉末活性炭主要性能指標(biāo)

　　在污染團(tuán)到達(dá)前，通過模擬試驗(yàn)確定了不同硝基苯超標(biāo)倍數(shù)下的最佳粉末活性炭投加量,得到的結(jié)論是吸附時間應(yīng)保證在2h以上，對應(yīng)不同超標(biāo)倍數(shù)下的投炭量見表2，可以將硝基苯吸附去除到標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)。

表2 不同超標(biāo)倍數(shù)下的投炭量

　　在應(yīng)急供水生產(chǎn)上，考慮到水樣檢測存在滯后，以及水質(zhì)的波動因素，為了確保安全可靠，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高炭投加量。獲得的實(shí)際吸附去除效果按炭投加量區(qū)分，見圖3、4、5所示。

圖3 PAC投加量為30mg/L時硝基苯的去除效果

圖4 PAC投加量為40mg/L時硝基苯的去除效果

圖5 PAC投加量為50mg/L時硝基苯的去除效果

　　由圖3、4、5可見，在各種原水硝基苯濃度超標(biāo)倍數(shù)下，通過調(diào)整PAC投量，可以保證硝基苯的平均去除率達(dá)到95％左右，一般不低于90％。這些生產(chǎn)性數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室燒杯試驗(yàn)的結(jié)果相近，但是去除率要低2～3個百分點(diǎn)，這是由于操作條件不同造成的。數(shù)據(jù)說明以燒杯試驗(yàn)?zāi)M生產(chǎn)情況、指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行是可行的。
　　 從以上數(shù)據(jù)還可以看出，雖然原水的硝基苯濃度波動較大，但在投加PAC之后水中殘留硝基苯濃度均低于0.017mg/L的限值，證明PAC對水中硝基苯的去除具有很好的效果和很高的穩(wěn)定性，這為最終出水達(dá)標(biāo)提供了可靠的保證。
3.2混凝沉淀的強(qiáng)化及對硝基苯的協(xié)同去除作用
　　 投加粉末活性炭后，會影響絮體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)，以及沉淀性能。在沉淀池中大量粉末活性炭形成泥炭層，影響排泥；出水濁度值可能偏高，會縮短濾池的運(yùn)行周期、增加反沖洗頻率，嚴(yán)重情況下大量漂浮粉末活性炭進(jìn)入濾池會導(dǎo)致濾池堵塞。為解決上述問題，對混凝沉淀進(jìn)行強(qiáng)化。
　　 通過小試確定了在投加活性炭的情況下，混凝劑的投加量與出水濁度之間的關(guān)系。當(dāng)粉末活性炭投加量在50mg/L以下時，混凝劑聚合鋁（PACl）投加量為0.11mL/L，助凝劑活化硅酸投加量為0.01mL/L，沉淀池出水濁度可控制在3.0NTU以下，滿足濁度控制要求。當(dāng)粉末活性炭投量更高時，沉淀池出水濁度會有升高。實(shí)踐表明，加強(qiáng)排泥是非常重要的，否則可能由于粉末活性炭沉降性能不好而上浮，沉淀池出水漏炭增加。
　　 燒杯試驗(yàn)證明，在不投加粉末活性炭的條件下，混凝沉淀對硝基苯的去除作用微弱。但是從圖6可以看出，在投加粉末活性炭后，混凝沉淀對硝基苯有40％～90％的去除率，出水硝基苯含量基本在0.005mg/L以下。該去除率是預(yù)先投加PAC的吸附和混凝沉淀的共同作用來實(shí)現(xiàn)的。在混凝沉淀的過程中，沒有達(dá)到吸附飽和的PAC會繼續(xù)進(jìn)行硝基苯的吸附，同時混凝劑的水解產(chǎn)物也會與活性炭微粒及水中的有機(jī)物、膠體等發(fā)生聚集，產(chǎn)生某種協(xié)同作用，提高了對水中硝基苯的去除能力。這一現(xiàn)象是值得關(guān)注的。同時，從圖中還可以看出，在進(jìn)水硝基苯濃度較高時，混凝沉淀對硝基苯的去除率也在較高的水平。

圖6 混凝沉淀對硝基苯的去除效果

3.3炭砂濾池的運(yùn)行及對硝基苯的去除作用
　　 少量粉末活性炭會從沉淀池泄漏進(jìn)入濾池。炭砂濾池是截留這些漏炭的唯一環(huán)節(jié)。對濾池20min內(nèi)初濾水進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)濾池有明顯漏炭。
　　 圖7的實(shí)測生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，炭砂濾池對低濃度硝基苯的去除率在20％～80％之間，濾前水硝基苯濃度越高，去除率越高。過濾出水中硝基苯的含量均在0.002mg/L以下遠(yuǎn)低于規(guī)定的限值，為水質(zhì)安全提供了可靠的保證。

圖7炭砂過濾對硝基苯的去除效果

3.4硝基苯總體去除情況
　　投加粉末活性炭、強(qiáng)化混凝沉淀和炭砂濾池，從不同層次共同保障了對硝基苯的去除效果和水廠的正常運(yùn)行，為在硝基苯污染期間的應(yīng)急供水構(gòu)筑了多級安全屏障。
　　在原水硝基苯超標(biāo)最高達(dá)14.22倍的情況下，上述工藝組合對硝基苯的總?cè)コ势骄_(dá)到99.4％，最終過濾出水中硝基苯的含量均在0.002mg/L以下，效果優(yōu)異。在對原水中硝基苯去除的貢獻(xiàn)份額中，粉末活性炭的平均去除率達(dá)到94.8%，是去除硝基苯的主要環(huán)節(jié)；混凝沉淀的平均去除率為3.8％，其主要作用是保證粉末活性炭從水中被有效去除；過濾是保證水質(zhì)的最后屏障，對硝基苯也有0.8％的平均去除率（見圖8）。

圖8各單元環(huán)節(jié)對硝基苯的去除率

4. 結(jié)論

　　（1）實(shí)踐證明，所采用的應(yīng)急技術(shù)方案是完全正確的，粉末活性炭、強(qiáng)化混凝沉淀、炭砂濾池構(gòu)成了應(yīng)急供水的多級處理環(huán)節(jié)，各自發(fā)揮著特定的作用。上述應(yīng)急工藝保證了在硝基苯最大超標(biāo)14.22倍的情況下，供水中殘留硝基苯始終未超標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了不中斷供水的目標(biāo)。
　　 （2）粉末活性炭承擔(dān)了去除硝基苯的主要任務(wù)，在取水口部投加，使之有充足的吸附時間是保證充分發(fā)揮作用的基本條件，是十分重要的措施。
　　 （3）將應(yīng)對污染的技術(shù)措施盡量前移，將問題解決在較前段的水處理單元環(huán)節(jié)中，后續(xù)環(huán)節(jié)起緩沖與安全余量的作用，“關(guān)口前移”是確保供水水質(zhì)安全的重要經(jīng)驗(yàn)。
　　 （4）水廠應(yīng)根據(jù)特定的水源水體情況，研究可能發(fā)生的污染問題及應(yīng)對措施。在水廠有針對性地設(shè)置應(yīng)對水質(zhì)突發(fā)事件的備用設(shè)施是很有必要的，尤其在水廠設(shè)計中應(yīng)引起重視。包括投加粉末活性炭在內(nèi)的各種藥劑投加設(shè)施投資少、用途廣、啟動迅速，可作為應(yīng)急備用設(shè)施的首選。
　　 本次在哈爾濱氣化廠（達(dá)連河）的應(yīng)對硝基苯污染工作，積累了水廠應(yīng)對突發(fā)性水污染事件的寶貴經(jīng)驗(yàn)。在隨后的研究工作中，筆者又專門對粉末活性炭吸附和強(qiáng)化混凝沉淀去除硝基苯的技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，相關(guān)研究文章將陸續(xù)發(fā)表。
　　 本次應(yīng)急供水技術(shù)工作是專家組會同哈爾濱氣化廠、黑龍江省及哈爾濱市有關(guān)部門、以及一批水質(zhì)分析、試驗(yàn)人員在9晝夜的連續(xù)奮戰(zhàn)中共同進(jìn)行的，正是上述單位與人員的辛勤工作與密切合作取得了應(yīng)對水污染的成功，本文是對這一工作成果的初步總結(jié)，筆者對所有有關(guān)人員表示衷心的感謝。