地表水源嗅味污染預(yù)氧化工藝研究與工程實(shí)踐

林顯增， 陸少鳴， 劉彥華， 張韻瑜， 肖 丹， 徐廷國(guó)

(1.佛山市禪城區(qū)供水有限公司，廣東 佛山528000;2.華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 廣州510006;3.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300381)

水體中的致嗅物質(zhì)種類很多，所導(dǎo)致的飲用水原水嗅味污染問題給供水安全帶來了新的難題，如何處理達(dá)標(biāo)一直供水企業(yè)面臨的問題［1］。SK 水廠位于南方地區(qū)，采用地表水源，其水處理流程見圖1。

圖1 SK 水廠原工藝流程Fig.1 Original production process flow of SK waterworks

近年來由于上游水閘排污或生產(chǎn)企業(yè)偷排污水 等，飲用水水源時(shí)常出現(xiàn)不同程度的嗅味污染。采用前加氯工藝時(shí)，氯與酚類污染物質(zhì)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生嗅味更大的氯酚。2014 年水源酚污染產(chǎn)生的強(qiáng)烈嗅味導(dǎo)致該水廠停產(chǎn)長(zhǎng)達(dá)12 h，對(duì)居民正常用水帶來嚴(yán)重影響。為了更好地應(yīng)對(duì)酚類等嗅味污染，對(duì)該水廠預(yù)氧化工藝開展研究并進(jìn)行了工程改造實(shí)踐。

1 預(yù)氧化工藝比較

目前用于預(yù)氧化工藝的消毒劑主要有氯、臭氧、次氯酸鈉、二氧化氯等，其主要工藝特點(diǎn)對(duì)比見表1。

二氧化氯具有較強(qiáng)的氧化性，能較好地氧化去除嗅味物質(zhì)，既滿足飲用水處理工藝中對(duì)預(yù)氧化的功能需求，又能應(yīng)對(duì)嗅味等污染［2］，保障水質(zhì)達(dá)標(biāo)。多方面分析后認(rèn)為，預(yù)氧化工藝采用二氧化氯具有較好的實(shí)施性和可行性［3］。

表1 常見預(yù)氧化工藝對(duì)比Tab.1 Comparison of common pre-oxidation processes

2 二氧化氯預(yù)氧化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置與材料

采用ZR4 -6 六聯(lián)混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)進(jìn)行燒杯試驗(yàn)，快速、中速、慢速攪拌下的速度分別取250，120和60 r/min。投加二氧化氯快速攪拌120 s，投加混凝劑快速攪拌60 s 后以中速攪拌5 min，再慢速攪拌10 min，靜沉30 min 后取上清液，用硫酸亞鐵終止反應(yīng)并即時(shí)測(cè)定苯酚含量。

ClO2采用自制，純度在99.5%以上，保存于棕色瓶中，低溫密封避光保存，作為儲(chǔ)備液，使用前當(dāng)天快速檢測(cè)濃度。混凝劑采用聚合氯化鋁(Al2O3含量為6%)，投加量為20 mg/L(以原液計(jì));苯酚采用分析純?cè)噭?/p>

2.2 原水水質(zhì)

試驗(yàn)期間原水水質(zhì)如下:濁度，14 ～17.0 NTU;高錳酸鹽指數(shù)，1.9 ～2.34 mg/L;pH，7.28 ～7.86;氨氮，0.22 mg/L。

2.3 檢測(cè)項(xiàng)目與方法

苯酚:4 -氨基安替毗琳分光光度法;氯酸根:離子色譜法;嗅味:人工檢測(cè);ClO2:碘量法。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

從圖2 可以看出，苯酚濃度在0.250 mg/L 及以下時(shí)，投加0.60 mg/L 二氧化氯即可達(dá)到較好的去除效果，去除率在95%以上，出水達(dá)標(biāo)。當(dāng)苯酚濃度較高(例如0.500 mg/L)時(shí)，增大二氧化氯投加量至1.20 mg/L 后雖然提高了去除率，但處理后苯酚仍超標(biāo)，嗅味仍較為明顯。

圖2 二氧化氯對(duì)苯酚的去除效果Fig.2 Removal of phenol by chlorine dioxide

苯酚濃度為0.250 mg/L 時(shí)，投加不同量二氧化氯后的氯酸鹽含量見圖3?？梢钥闯?，在原水中還原性物質(zhì)的作用下，二氧化氯轉(zhuǎn)化為氯酸鹽，但未超出限值要求。

圖3 不同二氧化氯投加量下的氯酸鹽生成情況Fig.3 Concentration of chlorate under different chlorine dioxide dosages

3 工程改造實(shí)踐

3.1 二氧化氯預(yù)氧化工藝設(shè)計(jì)

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，SK 水廠在2016 年將預(yù)氧化工藝由氯改造為二氧化氯，工藝流程見圖4。

3.1.1 投加量

二氧化氯設(shè)計(jì)投加量為0.6 mg/L，總處理水量為84 ×104m3/d。應(yīng)急情況下如需更大的投加量，可通過水廠減產(chǎn)達(dá)到0.8 ～1.0 mg/L。

3.1.2 設(shè)備選型

設(shè)計(jì)選用7 臺(tái)5 kg/h 硫酸法高純型二氧化氯發(fā)生器設(shè)備，設(shè)計(jì)使用工況為5 用2 備。以硫酸、氯酸鈉、雙氧水為原料，所制備的二氧化氯其純度達(dá)到95%或以上。

圖4 SK 水廠二氧化氯預(yù)氧化工藝流程Fig.4 Flow chart of chlorine dioxide pre-oxidation process in SK waterworks

3.1.3 投加方式

投加點(diǎn)位于原水管路上。通過水射器投加，以水廠高壓水作為水射器動(dòng)力水，壓力在0.35 MPa以上。

3.1.4 系統(tǒng)布置

新建2 座建筑物，設(shè)有二氧化氯發(fā)生器室、控制室、硫酸溶液倉庫、氯酸鈉雙氧水混合液倉庫、殘液池、殘液處理藥劑倉庫、應(yīng)急物品倉庫等。其中，二氧化氯發(fā)生器室及混合液倉庫按要求做好防爆措施和緊急淋浴設(shè)施，殘液池做好防腐和抽吸措施。

3.1.5 殘液處理

采用25%硫酸亞鐵溶液處理殘液，通過計(jì)量泵定量投加到殘液管道內(nèi)，在進(jìn)入殘液池前混合均勻。處理后的殘液由具有相關(guān)資質(zhì)的第三方外運(yùn)處置。

3.2 運(yùn)行使用情況

3.2.1 余二氧化氯跟蹤

在投加二氧化氯后，分別在SK 水廠A、B 流程原水管、沉后水、濾后水、出廠水取水樣檢測(cè)剩余二氧化氯，其中A、B 流程投加點(diǎn)距離反應(yīng)池分別為30和4500 m，結(jié)果見圖5。

由檢測(cè)結(jié)果可知，投加二氧化氯后，原水檢出剩余二氧化氯含量與其投加量相差不大，除A流程沉后水中檢出少量二氧化氯外，其余均未檢出。

圖5 水廠各工藝出水中剩余二氧化氯Fig.5 Residual chlorine dioxide in effluent of each process unit

余二氧化氯值的降低主要是由于氧化及分解。二氧化氯的氧化程度與水中的還原性物質(zhì)的多少有關(guān)，分解速度也受外界環(huán)境影響。B 流程中，二氧化氯與原水接觸時(shí)間較長(zhǎng)，到達(dá)沉淀池時(shí)已充分氧化及部分分解。

3.2.2 副產(chǎn)物跟蹤

在未投加二氧化氯的原水管，以及投加0. 1 mg/L 二氧化氯后A、B 流程各環(huán)節(jié)取水樣檢測(cè)副產(chǎn)物氯酸鹽、亞氯酸鹽值。從圖6 可以看出，投加0.1 mg/L 二氧化氯后，氯酸鹽、亞氯酸鹽含量均較低，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)限值(0.70 mg/L)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)二氧化氯投加量不超過0.8 ～1.0 mg/L 時(shí)，副產(chǎn)物通常不會(huì)超標(biāo)。若超出限值，可以采用硫代硫酸鈉、硫酸亞鐵等還原法進(jìn)行處理［4］。

圖6 副產(chǎn)物生成情況Fig.6 Concentration of by-products

3.2.3 嗅味污染的去除效果

在二氧化氯預(yù)氧化工藝投入使用的3 年時(shí)間內(nèi)，水源發(fā)生程度較輕微的嗅味污染等微污染均能得到有效去除，確保了出水達(dá)標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期目的。

3.2.4 成本分析

經(jīng)過3 年的運(yùn)行，對(duì)原料、殘液等費(fèi)用的成本分析見圖7，其中未包含水射器耗用水費(fèi)、設(shè)備維修和耗材更換等費(fèi)用?？梢钥闯?，殘液外運(yùn)處置費(fèi)用占比超過一半，加上殘液處理投加硫酸亞鐵的費(fèi)用，殘液總占比超過60%;混合液、硫酸原材料合計(jì)占比34%。如何更合理、妥善、安全解決殘液?jiǎn)栴}，直接關(guān)系二氧化氯工藝運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖7 主要成本分析Fig.7 Analysis of main costs

4 結(jié)語

試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，二氧化氯預(yù)氧化工藝是應(yīng)對(duì)南方地區(qū)地表水源嗅味污染的有效辦法之一，具備實(shí)施性和可行性，處理后的出水達(dá)標(biāo)，但需要注意設(shè)備安全性、副產(chǎn)物跟蹤和殘液處理等問題。