李 杰，袁 霄，赵黄浦

(上海万狮环保科技有限公司，上海 200092)

近年来，受全球气候变化以及部分地区特有的旱季/雨季交织等极端气候条件影响，自来水厂的原水水质易出现较大波动。特别是在雨季，雨水冲刷导致原水浊度迅速增高且波动较大，数小时内即从几十个浊度单位(NTU)上升到近千个浊度单位(NTU)。如此剧烈的浊度变化使水厂在现有的工艺和操作水平下无法稳定运行，甚至一度出现因水质不达标而导致的供水中断事故，严重影响整个城市的供水保障。因此，这类水厂的系统优化势在必行。

图1 某水厂现有水处理工艺流程图

1 系统优化方案设计

水厂的系统优化主要包括工艺优化和运行优化，其主要目的是在保障供水水质安全的前提下努力降低运行成本，做到安全生产和高效运行。系统优化理念的提出其初衷也是为了有效避免因设计工况和实际运行工况的差异而导致的效率低下，甚至处理后水质无法达标的情况。就该水厂而言，雨季条件下约1000个浊度单位的高浊度原水水质已经远远超出了水厂的初始设计工况，而浊度在3～4 h内的剧烈波动也超出了现有水处理系统的承受能力和应急操作反应时间，导致系统无法稳定运行，进而出水水质无法达标。

世界上许多地区包括中国黄河流域以及长江上游的许多自来水厂也面临处理高浊度水的难题[1]。目前常用的处理方法主要包括：(1)取水工程方面,选择备用水源或者在处理前增加调蓄池来稳定水质；(2)水处理工艺方面，增加预沉池或者采用多级混凝沉淀工艺确保沉淀水浊度在控制范围内；(3)水处理构筑物设计方面：研发涡旋低脉动沉淀给水处理技术、高密度澄清池、斜板技术、高效辐流式沉淀池等新型水处理单体设施[2]。以上这些处理方法均需要配套大型的工程设施或者进行较大的设施改进，因此，投资较大，不适用于该水厂目前的发展现状。

在利用常规给水处理工艺处理高浊度原水的运行实践中，控制水处理工况及水处理费用的一个重要参数就是沉淀水浊度。高浊度水处理与常规水处理的不同点就在于混凝和沉淀，这两部分效果的好坏直接决定了后续过滤的效果。基础数据和水厂的运行经验表明，在混凝澄清池出水稳定的条件下，经滤池过滤的滤后水其浊度基本都能满足水质标准。因此，混凝沉淀问题一直是高浊度水处理重点研究并亟待解决的问题。

混凝过程，主要利用混凝剂水解形成的带正电荷颗粒与水中带负电荷颗粒之间的压缩双电层，吸附中和，吸附架桥，网补卷扫等综合作用来促进水中颗粒物的抱团沉降。高浊度水的粘土颗粒的粒径偏小，具有一定的稳定性，自然沉淀在实际中一般不可行[3]。高浊度的混凝是利用混凝剂的电性中和和吸附架桥的双重作用，来达到加大絮体尺寸，增加絮体密度，从而提高沉降速度的目的。由此可见，高浊度水的混凝表现为凝聚和絮凝两种过程，混凝剂应具有较高的聚合度，较大的分子量和较长的分子链，才能更好的实现吸附架桥作用[4]。相比于硫酸铝，聚合氯化铝对高浊度水的处理效果均好于硫酸铝，可以满足目前浊度波动下的处理要求，建议作为硫酸铝的替代药剂使用。

2 试验设计

2.1 仪器与试剂

仪器：六联混凝试验搅拌机，光电浊度仪。

试剂：硫酸铝，聚合氯化铝(PAC)。

2.2 试验方法

烧杯实验：将1000 mL原水分别加入六个烧杯中，中速搅拌，投加一定量的混凝剂后再进行快速(400 r/min)、中速(200 r/min)、慢速(100 r/min)搅拌，取上清液测定浊度。

生产实验：根据原水水质和烧杯实验模拟结果，调节最佳投药量，测定滤后水浊度和色度。PAC和硫酸铝分别在该水厂一期和三期工程同时使用，分别比较两种混凝剂对浊度和色度的去除效果以及相应滤池的反冲洗次数。

3 结果讨论

3.1 投加量

图2 PAC和硫酸铝在不同原水浊度下的最佳投加量

如前所述，原水浊度波动较大，水质差异显著。理论上应该根据水质参数实时调整混凝剂的投加量才能即满足水处理的要求，同时降低水处理成本。但考虑到现有的技术经济条件、设备状况(手动控制加药系统)和员工操作水平，药剂投加量不宜做密集更改，宽范围的投加量调节机制比较容易实现。如图2所示：在原水浊度范围在小于300 NTU，介于300～600 NTU之间和大于600 NTU时，PAC的投加量分别为15，20和30 mg/L，明显小于硫酸铝的投加量。

3.2 处理效果

图3 PAC和硫酸铝对不同浊度原水的去除效果

如图3所示，连续120 h的监测数据表明：1)尽管原水水质波动较大，但一期(混凝剂为PAC)工艺的出水水质明显好于三期(混凝剂为硫酸铝)，出水浊度均低于三期出水浊度。2)使用PAC做混凝剂时，出水浊度基本稳定在2 NTU以内，而使用硫酸铝时，不仅会有出水不达标的情况，而且大部分出水浊度临近标准上限，没有足够的安全余量，不能为安全供水提供有效保障。3)在原水浊度飙升至1000 NTU前后，出水浊度虽有增加，但都在安全范围以内，如果能归纳震荡时间的周期性，提前反应，及时调整药剂投加量是可以有效应对水质变化突发情况的。

图4表明，投加PAC后的出水色度也明显低于使用硫酸铝时的出水色度，甚至能降为0。浊度，色度的高效去除则在一定程度上为饮用水供水安全提供了保障。国家供水水质检测中心已经证实：降低饮用水浊度有利于控制水中有机物含量，降低Ames致突变率和病毒传染病的发病概率，对保障饮用水安全有重大作用[5]。

图4 PAC和硫酸铝对不同色度原水的去除效果

3.3 滤池反冲洗次数

图5 使用PAC和硫酸铝对滤池反冲洗次数的影响

如图5所示，使用PAC替代硫酸铝之后，滤池的日平均反冲洗次数由原来的9.9次降为2.3次，不仅降低了滤池的工作负荷，也节省了大量的反冲洗水和能耗。按每次反冲洗耗水160 m3、耗电20 kW·h计算，年可节约反冲洗水约130万t，节约用电约160000 kW·h。

3.4 成本核算

按连续120 h运行数据统计，PAC和硫酸铝的平均投加量分别为16.78×10-6和30.20×10-6。硫酸铝的价格虽然低于PAC，但由于投加量较高，导致每吨处理水的综合成本仍明显高于使用PAC的处理成本。按现在的供水规模计算，综合考虑药剂成本和反冲洗水成本，反冲洗电耗成本，年可节约综合成本超过500万元。

4 结论

(1)使用聚合氯化铝(PAC)代替硫酸铝做混凝剂可以有效应对雨季原水浊度剧烈波动的工况，并且可以显著降低出水浊度及色度，为供水安全提供保障，避免因水质浊度超标而停止供水。

(2)使用PAC不仅可以减少药剂投加量，降低处理水的药剂成本。还可以减少反冲洗次数，节省反冲洗水，降低能耗和劳动成本，降低水厂的综合处理成本。

(3)在一定技术经济条件下的给水处理系统优化需要综合考虑处理效益，工程投资，管理操作水平等条件，努力实现最优化运行。