上海市长江水源净水厂的优化处理工艺研究

乐林生¹，周云¹，唐意祥¹，范瑾初²，高乃云²，董秉直²
（1.上海市自来水公司，上海 200082；2.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

　　摘要：根据上海市发展规划对城市供水水质的要求，近期要达到建设部2000年一类水司水质标准，远期要逐步达到发达国家和地区的供水水质标准。为此，在调查分析现有工艺、处理水质的基础上，有针对性地进行了加强常规处理和投加二氧化氯、粉末活性炭工艺的试验研究，提出了长江水源净水厂的优化处理工艺方案。?
　　关键词：饮用水；水处理；工艺流程；二氧化氯，粉末活性炭
　　中图分类号：TU991.2
　　文献标识码：A
　　文章编号：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，FAN 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年上海开辟了采用避咸蓄淡功能的长江陈行水库水源(简称长江水源)，目前已供应月浦、吴淞、闸北、泰和、大场、凌桥6家净水厂，总净水能力167×10⁴m³/d，占上海市供水系统总水量的23%。
　　长江水源位于长江入海口的宝山江段，上游沿江地区和城市有大量经处理或未处理的生活污水、工业废水排入长江，因此现有的常规处理工艺对这些微量但极其有害的污染物质能否有效去除，陈行水库是否会因氮、磷等物质引起藻类大量繁殖而影响水厂工作，都需要进行考察和研究。
　　针对以上问题，首先调查了使用长江水源的月浦水厂的处理现状和水质特点，进行了加强常规处理和投加二氧化氯、粉未活性炭试验研究，并提出长江水源优化处理工艺，供设计单位参考。

　　1 原水水质

　　长江水源取水口位于长江下游的宝山段盛桥处江心，江水提升至陈行水库蓄存，然后输往水厂。陈行水库设计库容830×10⁴ m³，有明显自净作用，可有效降低浊度、氨氮、耗氧量、铁、锰等指标。经测定，长江水源基本属国家地面水标准的Ⅱ~Ⅲ类水体，是上海地区水质最好的地表水源，但氨氮平均值为0.17 mg/L，高于Ⅲ类水体0.02 mg/L的标准；锰为0.12 mg/L，高于Ⅲ类水体0.1 mg/L的标准；说明受到了工业废水和生活污水的污染，仍属于微污染水源。
　　水库水易繁殖藻类，影响水厂处理构筑物工作。从1996年11月—1997年9月，对长江取水口，陈行水库，月浦水厂进水、沉淀池出水、滤池出水5个点进行采样监测，每次每点采集定性水样和定量水样，定性水样用网采集，定量水样用采样器采集，水样用哥鲁氏液固定，委托上海市环境监测中心测定。监测数据表明：长江水源藻类主要是硅藻，一般占50%以上，但也有少量的蓝藻。长江水因浊度高、流速急，藻类数量低于淀山湖、东湖等1～2个数量级(见表1)。陈行水库1996年监测藻类高于长江水，1997年有下降趋势。月浦水厂取陈行水库的中、下层水，藻类数量低于水库监测值，经絮凝沉淀即可去除，沉淀水和滤后水均无藻类检出。陈行水库水的总磷测定3次，分别为：0.073、0.041、0.070 mg/L，平均为0.061 mg/L；总氮为2.28 mg/L；氮磷比为37∶1。国际上认为总磷0.02 mg/L、总氮0.2 mg/L是湖泊富营养化的下限浓度，最适合藻类生长的氮磷比为15∶1。据此衡量，陈行水库的营养物质已达到富营养化浓度，目前藻类没有大量繁殖，主要是因为进水停留时间短，浊度高，透明度低所致。

　　2 月浦水厂的处理工艺

　　月浦水厂是首家使用长江水源的水厂，具有代表性的二期工艺流程如图1(一期工程滤池为气水普通快滤池，其余与二期相同)。
　　一、二期混合、絮凝、沉淀运行正常，沉淀水浊度基本在3～5 NTU，二期Ⅴ型滤池在技术上优于一期普通快滤池。常规净水工艺可去除浊度97%～99.8%，去除细菌、大肠菌群98.3%以上；去除耗氧物、阴离子洗涤剂约50%，氨氮去除率随加氯、加氨情况变化，对芳香烃类基本无去除效果，加氯后会生成氯仿等副产物。月浦水厂和发达国家的地表水(有农药、洗涤剂、污水厂排放水流入)处理厂相比，有两个明显缺陷，一是缺少活性炭为主的深度处理工艺，二是缺少排泥水处理工艺。

　　月浦水厂自建成供水以来，出厂水浊度长期保持在0.1 NTU水平，色度＜6(倍)，氨氮＜0.8 mg/L，耗氧量＜3.0 mg/L。除酚、电导率、总有机氯有时超标，其余指标达到了国家生活饮用水水质卫生标准(GB 7549—85)，但按建设部2000年一类水司水质标准和发达国家水质标准衡量^［4、5］，还有一定差距。首先嗅阈值明显偏高，例如日本的标准为不超过3，月浦出水为20左右，可明显嗅出氯(或氯酚)气味；其次，致突变性试验呈阳性，说明有一定数量的难生物降解的三致物质存在；另外氯消毒生成的氯仿有时偏高，四氯化碳有时超标，总有机氯超标。

　　3 强化常规处理工艺的研究

　　有研究表明^［3］，随着混凝剂加注率的增加，形成絮体的吸附位也增多，可充分发挥吸附架桥作用，对有机物的吸附去除效果自然也提高。当然，若投加过多时，胶体颗粒会出现重新稳定的现象。在不同的pH值下，水中有机物表面的性质会发生变化，絮凝体对有机物的吸附性能也不同。
　　试验结果表明：水中浊度和耗氧物的去除随混凝剂加注率增加有一定的提高(图2)，投加率增加到300%时，滤后水浊度从常规处理的0.37 NTU下降至0.22 NTU；COD_Mn去除率比常规加注率增加6%。E₂₅₄去除率随混凝剂加注率变化曲线见图3，投加率增加而去除率略增或不变，说明含不饱和键有机物的去除率随混凝剂加注率变化程度小于耗氧物质。pH试验表明，硫酸铝去除浊度、COD_Mn和E₂₅₄的最佳pH值依次为6.8～7.6，6.0～6.8和?6.2～7.0。COD_Mn和E₂₅₄的去除率比未调整pH值时增加3%和5%。

　　将试验结果汇总于表2可见，通过增加混凝剂投加量和调整pH值来提高COD_Mn、E₂₅₄去除率的幅度有限，不能使出厂水水质有明显提高。

　　4 二氧化氯对提高水质的作用

　　二氧化氯的氧化和消毒性能介于氯和臭氧之间，它的杀菌能力较氯强，剩余量更稳定，并能有效地控制水的色度、嗅味。此外，二氧化氯与水中有机物不产生三卤甲烷或只产生少量的氯化有机物。针对长江水源，进行了二氧化氯与氯的氧化—消毒对比试验，试验结果表明，二氧化氯对水质有提高作用，主要表现在以下3个方面：
　　① 去除酚的能力增强
　　月浦厂出水酚有时超标，而二氧化氯对酚的氧化能力较强，在二氧化氯量大于酚时，酚被迅速地氧化成p-苯醌、马来酸、乙二酸等。此外，二氧化氯只发生氧化反应，不与酚反应生成氯酚。在对比试验中，原水中酚含量较低，一般情况下仅为0.002～0.004 mg/L。为提高分析数据的可靠性，在原水水样中投加苯酚，配制浓度约为0.02 mg/L。经测定，配制后的原水氨氮＜0.1 mg/L，氧化剂投加量约为0.4～1.6 mg/L。试验表明，二氧化氯去除酚的效率较高，当加注量为0.4 mg/L时，酚的去除率可达到85%～94%。在氯对照组中，从氯的形态可见，滤后水中是游离氯时，原水中酚有明显的降低，降低率约为37%；滤后水中是化合氯时，酚没有降低现象。由于二氧化氯去除酚的能力不受原水氨氮的影响，氧化酚的能力最强，游离氯次之，化合氯对酚几乎无氧化能力。
　　② 降低处理水的嗅阈值
　　试验表明，二氧化氯对水的嗅阈值处理效果受到水质影响，长江原水样投加二氧化氯后嗅阈值在12.5～43.7之间；而氯处理的水样嗅阈值为24.5～67；投加二氧化氯后的嗅阈值均比氯低，平均低38%左右。上述结果说明，使用二氧化氯可有效地降低出厂水的嗅阈值，特别是水源较差时其效果更加明显。
　　③ 降低氯消毒副产物?
　　二氧化氯和氯消毒水的对比试验表明，二氧化氯消毒基本不生成常规氯消毒处理所生成的副产物，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%，色谱峰数降低37%。随着二氧化氯加注量增加，pH值略有下降，这与二氧化氯溶液的酸度有关；NH₃-N基本不变，E₂₅₄值不随加注量增加而变化。
　　试验结果还表明，控制投加量在0.8～1.5 mg/L之间，用二氧化氯替代氯的氧化—消毒功能，可降低氯消毒副产物，改善嗅味，使酚完全达标。

　　5 粉末活性炭处理工艺的研究

　　粉末活性炭(PAC)是粒径10～50 μm的无定型炭，试验中选用了椰壳炭、果壳炭、煤质炭和12 mL、13 mL、14 mL物理炭等6种PAC进行了炭种选择试验，结果表明适合长江水水质的最佳炭种是物理炭(即木质炭)，其次为煤质炭、果壳炭和椰壳炭。
　　最佳PAC投加点试验选择三处：吸水井、快速混合处和絮凝初期。试验结果表明，最佳投加点为快速混合处。例如：当PAC投量为15 mg/L时，快速混合处投加的对COD_Mn总去除率，比在吸水井处投加的提高13%，比絮凝初期投加的约高24%。
　　最佳投加量试验采用PAC投量为5、10、15、20、30、40 mg/L。试验结果为投炭量5 mg/L时吸附容量最大，为462 mgCOD_Mn/g(PAC)，而后依次减小。当投炭量为40 mg/L时，PAC吸附容量降至80 mgCOD_Mn/g(PAC)。综合考虑处理效果和经济因素后确定：对长江原水提高水质而言，15 mg/L投炭量为最佳投炭量(见表3)；当原水水质较差时，PAC投加量可增至15～20 mg/L；PAC投加量超过20 mg/L时，处理效果增加不明显。

　　试验证明，PAC可降低出水致突变阳性率(常规处理的出厂水阳性增强)，可使Ames试验由阳性转为阴性(见表4)。试验结果以诱变指数(MR)表示，MR值为平均诱发回复突变菌落数与平均自发回复突变菌落数的比值。MR值愈大，说明该被测样品的致突变活性越高，MR＞2为阳性结果。就被测水样致突变活性而言，MR＝2时所需水样量愈少，则说明水样中有机污染物的致突变活性愈高。

　　根据Ames试验结果，可得出以下结论：对长江原水而言，粉末活性炭的投量为15 mg/L时，可使致突变阳性水转变为阴性，这是传统工艺无法实现的。

　　6 优化处理工艺分析

　　要使出厂水全面达到建设部2000年一类水司标准并逐步达到国际先进水平，电导率超标要靠优化水库进、出水调度来解决，其他指标要靠优化水处理工艺来解决。研究证明，强化现有的处理工艺，对长江水质无明显改善作用；臭氧生物活性炭组合的深度处理工艺能解决水质问题，但投资巨大，运行费用高。因此，提出长江水源净水厂的优化处理工艺流程如图4。
　　该工艺流程采用混和前约300 m处加二氧化氯0.8～1 mg/L，可氧化水中铁、锰、酚及部分有机物，杀灭藻类，投加量不受氨氮影响。在加矾的同时加入PAC约10～15 mg/L，吸附水中溶解性有机物，可降低有机物指标，改善嗅味及致突变性。滤后水加消毒剂，管道陈旧的地区宜采用氯消毒。排泥水上清液回流至混合前，冬季低温低浊时部分污泥回流。

　　长江水源优化处理工艺具有4个主要优点：①适合长江原水轻度污染、间歇超标的水质特点；②可降低氯消毒副产物及有机物指标，改善嗅味和致突变性，全面提高出厂水质，基本达到建设部2000年一类水司标准；③基本不需征地及修建构筑物，工程投资少；④运行时可根据水质情况灵活掌握。
　　二氧化氯处理工艺的工程设备投资约为40元/m³水，增加运行费用约为0.04元/m³水；粉末活性炭工艺的工程设备投资约为12元/m³水，增加运行费用约为0.025元/m³水。

　　致谢：参加本项研究的还有莫兴康、翁晓姚、陈同春、朱心、岳宇明、刘玮、顾宇宏、王荣昌、邬娜娜、孙有勋等人，给与指导和帮助的有宋仁元、岳舜琳、黄仲杰、夏柔则、陈国光等专家，在此表示衷心感谢。

参考文献：
［1］王晓昌.新修订的日本生活饮用水水质标准［J］.给水排水，1994，20(3)：16-17.
［2］USEPA.DRINKING WATER REGULATIONS AND HEALTH ADVISORIES［S］.1996.?
［3］常青.絮凝原理［M］.兰州：兰州大学出版社，1990.120-189.

作者简介：乐林生(1947- )，男，浙江镇海人，上海市自来水公司高级工程师，研究方向：净水工艺技术。
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