樂林生1，周云1，唐意祥1，范瑾初2，高乃云2，董秉直2
（1.上海市自來水公司，上海 200082；2.同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092） 摘要：根據(jù)上海市發(fā)展規(guī)劃對城市供水水質的要求，近期要達到建設部2000年一類水司水質標準，遠期要逐步達到發(fā)達國家和地區(qū)的供水水質標準。為此，在調查分析現(xiàn)有工藝、處理水質的基礎上，有針對性地進行了加強常規(guī)處理和投加二氧化氯、粉末活性炭工藝的試驗研究，提出了長江水源凈水廠的優(yōu)化處理工藝方案。?
關鍵詞：飲用水；水處理；工藝流程；二氧化氯，粉末活性炭
中圖分類號：TU991.2
文獻標識碼：A
文章編號：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年上海開辟了采用避咸蓄淡功能的長江陳行水庫水源(簡稱長江水源)，目前已供應月浦、吳淞、閘北、泰和、大場、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%。
長江水源位于長江入海口的寶山江段，上游沿江地區(qū)和城市有大量經處理或未處理的生活污水、工業(yè)廢水排入長江，因此現(xiàn)有的常規(guī)處理工藝對這些微量但極其有害的污染物質能否有效去除，陳行水庫是否會因氮、磷等物質引起藻類大量繁殖而影響水廠工作，都需要進行考察和研究。
針對以上問題，首先調查了使用長江水源的月浦水廠的處理現(xiàn)狀和水質特點，進行了加強常規(guī)處理和投加二氧化氯、粉未活性炭試驗研究，并提出長江水源優(yōu)化處理工藝，供設計單位參考。 1 原水水質 長江水源取水口位于長江下游的寶山段盛橋處江心，江水提升至陳行水庫蓄存，然后輸往水廠。陳行水庫設計庫容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。經測定，長江水源基本屬國家地面水標準的Ⅱ~Ⅲ類水體，是上海地區(qū)水質最好的地表水源，但氨氮平均值為0.17 mg/L，高于Ⅲ類水體0.02 mg/L的標準；錳為0.12 mg/L，高于Ⅲ類水體0.1 mg/L的標準；說明受到了工業(yè)廢水和生活污水的污染，仍屬于微污染水源。
水庫水易繁殖藻類，影響水廠處理構筑物工作。從1996年11月—1997年9月，對長江取水口，陳行水庫，月浦水廠進水、沉淀池出水、濾池出水5個點進行采樣監(jiān)測，每次每點采集定性水樣和定量水樣，定性水樣用網采集，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)測中心測定。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：長江水源藻類主要是硅藻，一般占50%以上，但也有少量的藍藻。長江水因濁度高、流速急，藻類數(shù)量低于淀山湖、東湖等1～2個數(shù)量級(見表1)。陳行水庫1996年監(jiān)測藻類高于長江水，1997年有下降趨勢。月浦水廠取陳行水庫的中、下層水，藻類數(shù)量低于水庫監(jiān)測值，經絮凝沉淀即可去除，沉淀水和濾后水均無藻類檢出。陳行水庫水的總磷測定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。國際上認為總磷0.02 mg/L、總氮0.2 mg/L是湖泊富營養(yǎng)化的下限濃度，最適合藻類生長的氮磷比為15∶1。據(jù)此衡量，陳行水庫的營養(yǎng)物質已達到富營養(yǎng)化濃度，目前藻類沒有大量繁殖，主要是因為進水停留時間短，濁度高，透明度低所致。 表1 長江水源和其他水源藻類數(shù)量比較表| 水體名稱 | 武漢東湖 | 北京水源九廠 | 淀山湖 | 長江水 | 陳行水庫 | 藻類數(shù)量
（個/mL） | 1600-20000 | 2000-3000 | 57-500 | 5-161 | 13-74 | 2 月浦水廠的處理工藝 月浦水廠是首家使用長江水源的水廠，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、沉淀運行正常，沉淀水濁度基本在3～5 NTU，二期Ⅴ型濾池在技術上優(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，對芳香烴類基本無去除效果，加氯后會生成氯仿等副產物。月浦水廠和發(fā)達國家的地表水(有農藥、洗滌劑、污水廠排放水流入)處理廠相比，有兩個明顯缺陷，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，出廠水濁度長期保持在0.1 NTU水平，色度＜6(倍)，氨氮＜0.8 mg/L，耗氧量＜3.0 mg/L。除酚、電導率、總有機氯有時超標，其余指標達到了國家生活飲用水水質衛(wèi)生標準(GB 7549—85)，但按建設部2000年一類水司水質標準和發(fā)達國家水質標準衡量［4、5］，還有一定差距。首先嗅閾值明顯偏高，例如日本的標準為不超過3，月浦出水為20左右，可明顯嗅出氯(或氯酚)氣味；其次，致突變性試驗呈陽性，說明有一定數(shù)量的難生物降解的三致物質存在；另外氯消毒生成的氯仿有時偏高，四氯化碳有時超標，總有機氯超標。 3 強化常規(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，對有機物的吸附去除效果自然也提高。當然，若投加過多時，膠體顆粒會出現(xiàn)重新穩(wěn)定的現(xiàn)象。在不同的pH值下，水中有機物表面的性質會發(fā)生變化，絮凝體對有機物的吸附性能也不同。
試驗結果表明：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，濾后水濁度從常規(guī)處理的0.37 NTU下降至0.22 NTU；CODMn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圖3，投加率增加而去除率略增或不變，說明含不飽和鍵有機物的去除率隨混凝劑加注率變化程度小于耗氧物質。pH試驗表明，硫酸鋁去除濁度、CODMn和E254的最佳pH值依次為6.8～7.6，6.0～6.8和?6.2～7.0。CODMn和E254的去除率比未調整pH值時增加3%和5%。  
將試驗結果匯總于表2可見，通過增加混凝劑投加量和調整pH值來提高CODMn、E254去除率的幅度有限，不能使出廠水水質有明顯提高。 表2 加強常夫處理的試驗結果和增加成本| 項目 | 混凝劑增1倍提高去除率（%） | 混凝劑增加2倍提高去除率（%） | 調整pH值提高去除率（%） | | CODMn | 3 | 6 | 3 | | E254 | 3 | 4 | 5 | | 增加成本 | 0.02元/m3水 | 0.04元/m3水 | 0.12元/m3水 | 4 二氧化氯對提高水質的作用 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，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物不產生三鹵甲烷或只產生少量的氯化有機物。針對長江水源，進行了二氧化氯與氯的氧化—消毒對比試驗，試驗結果表明，二氧化氯對水質有提高作用，主要表現(xiàn)在以下3個方面：
① 去除酚的能力增強
月浦廠出水酚有時超標，而二氧化氯對酚的氧化能力較強，在二氧化氯量大于酚時，酚被迅速地氧化成p-苯醌、馬來酸、乙二酸等。此外，二氧化氯只發(fā)生氧化反應，不與酚反應生成氯酚。在對比試驗中，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。經測定，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。試驗表明，二氧化氯去除酚的效率較高，當加注量為0.4 mg/L時，酚的去除率可達到85%～94%。在氯對照組中，從氯的形態(tài)可見，濾后水中是游離氯時，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，酚沒有降低現(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，游離氯次之，化合氯對酚幾乎無氧化能力。
② 降低處理水的嗅閾值
試驗表明，二氧化氯對水的嗅閾值處理效果受到水質影響，長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。上述結果說明，使用二氧化氯可有效地降低出廠水的嗅閾值，特別是水源較差時其效果更加明顯。
③ 降低氯消毒副產物?
二氧化氯和氯消毒水的對比試驗表明，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；NH3-N基本不變，E254值不隨加注量增加而變化。
試驗結果還表明，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，可降低氯消毒副產物，改善嗅味，使酚完全達標。 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的無定型炭，試驗中選用了椰殼炭、果殼炭、煤質炭和12 mL、13 mL、14 mL物理炭等6種PAC進行了炭種選擇試驗，結果表明適合長江水水質的最佳炭種是物理炭(即木質炭)，其次為煤質炭、果殼炭和椰殼炭。
最佳PAC投加點試驗選擇三處：吸水井、快速混合處和絮凝初期。試驗結果表明，最佳投加點為快速混合處。例如：當PAC投量為15 mg/L時，快速混合處投加的對CODMn總去除率，比在吸水井處投加的提高13%，比絮凝初期投加的約高24%。
最佳投加量試驗采用PAC投量為5、10、15、20、30、40 mg/L。試驗結果為投炭量5 mg/L時吸附容量最大，為462 mgCODMn/g(PAC)，而后依次減小。當投炭量為40 mg/L時，PAC吸附容量降至80 mgCODMn/g(PAC)。綜合考慮處理效果和經濟因素后確定：對長江原水提高水質而言，15 mg/L投炭量為最佳投炭量(見表3)；當原水水質較差時，PAC投加量可增至15～20 mg/L；PAC投加量超過20 mg/L時，處理效果增加不明顯。 表3 PAC處理效果表（投加量為15mg/L）| 指標 | CODMn | UV254 | TOC | 濁度 | 色度 | | 總去除率（%） | 41.36 | 94.16 | 45.54 | 98.42 | 70.0 | | 凈去除率（%） | 30.30 | 28.46 | 22.2 | 20.10 | 30.0 | 試驗證明，PAC可降低出水致突變陽性率(常規(guī)處理的出廠水陽性增強)，可使Ames試驗由陽性轉為陰性(見表4)。試驗結果以誘變指數(shù)(MR)表示，MR值為平均誘發(fā)回復突變菌落數(shù)與平均自發(fā)回復突變菌落數(shù)的比值。MR值愈大，說明該被測樣品的致突變活性越高，MR＞2為陽性結果。就被測水樣致突變活性而言，MR＝2時所需水樣量愈少，則說明水樣中有機污染物的致突變活性愈高。 表4 Ames 試驗的MR值（PAC值加量為15mg/L）| 水樣名稱 | 水樣量（L） | TA100+S9 | TA100-S9 | TA98+S9 | TA98-S9 | | 原水 | 0.50 | 0.997 | 0.971 | 1.252 | 1.146 | | 1.00 | 1.041 | 0.995 | 1.900 | 2.344 | | 2.00 | 1.041 | 0.974 | 2.961 | 3.767 | | PAC處理水 | 0.50 | 1.002 | 1.021 | 0.970 | 0.949 | | 1.00 | 0.973 | 0.980 | 1.355 | 1.395 | | 2.00 | 1.020 | 0.997 | 1.748 | 1.897 | 根據(jù)Ames試驗結果，可得出以下結論：對長江原水而言，粉末活性炭的投量為15 mg/L時，可使致突變陽性水轉變?yōu)殛幮裕@是傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的。 6 優(yōu)化處理工藝分析 要使出廠水全面達到建設部2000年一類水司標準并逐步達到國際先進水平，電導率超標要靠優(yōu)化水庫進、出水調度來解決，其他指標要靠優(yōu)化水處理工藝來解決。研究證明，強化現(xiàn)有的處理工藝，對長江水質無明顯改善作用；臭氧生物活性炭組合的深度處理工藝能解決水質問題，但投資巨大，運行費用高。因此，提出長江水源凈水廠的優(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、酚及部分有機物，殺滅藻類，投加量不受氨氮影響。在加礬的同時加入PAC約10～15 mg/L，吸附水中溶解性有機物，可降低有機物指標，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，冬季低溫低濁時部分污泥回流。 
長江水源優(yōu)化處理工藝具有4個主要優(yōu)點：①適合長江原水輕度污染、間歇超標的水質特點；②可降低氯消毒副產物及有機物指標，改善嗅味和致突變性，全面提高出廠水質，基本達到建設部2000年一類水司標準；③基本不需征地及修建構筑物，工程投資少；④運行時可根據(jù)水質情況靈活掌握。
二氧化氯處理工藝的工程設備投資約為40元/m3水，增加運行費用約為0.04元/m3水；粉末活性炭工藝的工程設備投資約為12元/m3水，增加運行費用約為0.025元/m3水。 致謝：參加本項研究的還有莫興康、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，給與指導和幫助的有宋仁元、岳舜琳、黃仲杰、夏柔則、陳國光等專家，在此表示衷心感謝。 參考文獻：
［1］王曉昌.新修訂的日本生活飲用水水質標準［J］.給水排水，1994，20(3)：16-17.
［2］USEPA.DRINKING WATER REGULATIONS AND HEALTH ADVISORIES［S］.1996.?
［3］常青.絮凝原理［M］.蘭州：蘭州大學出版社，1990.120-189. 作者簡介：樂林生(1947- )，男，浙江鎮(zhèn)海人，上海市自來水公司高級工程師，研究方向：凈水工藝技術。
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