原水廠集水井溶解氧過(guò)低原因分析及應(yīng)對(duì)控制措施

袁 君，焦 潔，胡淑圓，陸納新，笪躍武，陳 燚

(無(wú)錫市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫 214031)

溶解氧(dissolved oxygen，DO)是指以分子狀態(tài)溶存于水中的氧氣單質(zhì)。水體中溶解氧可作為指示水體污染狀態(tài)的重要指標(biāo)。清潔地表水的溶解氧含量接近飽和，當(dāng)水體受到污染時(shí)溶解氧降低[1]。溶解氧降低可能是由于物理、化學(xué)、生物的消耗影響，其中，化學(xué)消耗主要包括有機(jī)物及無(wú)機(jī)物的氧化，生物消耗主要包括動(dòng)植物及微生物維持新陳代謝所消耗的氧氣[1]。

某原水廠集水井原水溶解氧的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2009年—2014年夏季溶解氧持續(xù)降低，2014年夏季集水井溶解氧達(dá)到最低值(3.8 mg/L)，而在集水井前端相距2 510 m的取水口溶解氧含量為6.14 mg/L。本課題結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況對(duì)溶解氧下降的原因進(jìn)行分析與探摸驗(yàn)證，制定改進(jìn)方案并實(shí)施。

該原水廠取水設(shè)計(jì)規(guī)模為100萬(wàn)m3/d，取水頭部位于離岸3 km的湖心處。取水頭部是外形為菱形的桶狀鋼結(jié)構(gòu)，側(cè)面開設(shè)進(jìn)水孔，孔口處設(shè)格柵阻擋漂浮物。2根長(zhǎng)為2 510 m的DN2600自流管與4根長(zhǎng)為230 m的DN1600虹吸管采用集水井形式相連，如圖1所示。DN2600自流管進(jìn)集水井處設(shè)圓閘門，控制取水；集水井進(jìn)水面上設(shè)4處閘門，起到遠(yuǎn)、近取水口切換取水的作用。

圖1 某原水廠取水頭部及取水管示意圖

1 存在問(wèn)題及原因分析

1.1 存在問(wèn)題

原水廠取水自流管2008年投產(chǎn)運(yùn)行，2011年后的夏季出現(xiàn)了集水井原水溶解氧偏低現(xiàn)象，2014年溶解氧最低值為3.8 mg/L(夏季)，為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ類～Ⅳ類。為確保供水安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)，避免因階段性的水體中溶解氧過(guò)低造成其他次生問(wèn)題，如取水水體厭氧導(dǎo)致的水質(zhì)惡化進(jìn)而影響后續(xù)水處理構(gòu)筑物的正常運(yùn)行，對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析。

自流管投運(yùn)后不同年份集水井、取水口年均溶解氧值及其差異如表1所示。

由表1可知，投運(yùn)后的兩年，水源廠集水井原水與湖區(qū)年平均溶解氧基本一致，從2011年開始，差值逐年增大。為進(jìn)一步了解這一現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)了2011年—2014年9月(即集水井溶解氧低未得以解決)水溫、自流管運(yùn)行工況(管道內(nèi)流速)以及取水口、集水井內(nèi)溶解氧差值的逐月對(duì)比情況，如圖2所示。在水溫較低的情況下，無(wú)論自流管內(nèi)流速快慢，取水口和集水井的溶解氧基本不存在差值；但在氣溫較高的月份，差值較大。

表1 集水井、取水口年均溶解氧值及其差異

圖2 取水口、集水井溶解氧差值及水溫、自流管內(nèi)流速逐月變化情況

1.2 原因分析

原水廠在清理調(diào)節(jié)池等構(gòu)筑物中曾發(fā)現(xiàn)，池壁內(nèi)附著一些類似貝類生物。根據(jù)上述現(xiàn)象分析推測(cè)，在自流管中極有可能存在類似貝類的水生生物，如淡水殼菜、河蜆等，其生長(zhǎng)過(guò)程可消耗大量溶解氧。

為驗(yàn)證這一推測(cè)，進(jìn)行了取水頭部和管道內(nèi)壁的水下探摸工作，發(fā)現(xiàn)整個(gè)取水箱底有30～40 cm的淤積泥；壁板緊靠管道位置有少量貽貝，范圍較小，厚度在1 cm左右；取水格柵上局部有少量貽貝，厚度在1 cm左右。其附著數(shù)量與管道內(nèi)流速關(guān)系如表2所示[2]。

表2 淡水殼菜附著數(shù)量與管道內(nèi)流速關(guān)系

淡水殼菜附著生活，常形成非常稠密層層堆疊的群體，生長(zhǎng)厚度可達(dá)3～5 cm，以濾食水體中的硅藻、原生動(dòng)物和有機(jī)碎屑等為生。淡水殼菜屬于耗氧生物，對(duì)水中溶解氧影響較大，在繁殖生長(zhǎng)期間內(nèi)，水溫、溶解氧是幼體的主要影響因素，生長(zhǎng)過(guò)程可消耗大量溶解氧，同時(shí)，成熟個(gè)體的死亡也加速了溶解氧的下降速度。越高的種群密度，越能加快溶解氧整體的下降速度[3]。

原水廠取水口的格柵無(wú)法攔截成年淡水殼菜，極小的淡水殼菜幼蟲(體長(zhǎng)只有數(shù)百微米)更能順利進(jìn)入管道，附著在內(nèi)壁生長(zhǎng)。因此，造成集水井內(nèi)原水低于取水口水體溶解氧的主要原因是管壁內(nèi)零散分布淡水殼菜群落等好氧微生物，在水溫合適時(shí)大量繁殖過(guò)度耗氧；此外，自流管管道流速過(guò)低，加劇了這一過(guò)程。水廠生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)階段性的水體中溶解氧過(guò)低，且在沒(méi)有實(shí)施任何措施的情況下，自流管內(nèi)水體的溶解氧隨著時(shí)間的推移將愈來(lái)愈低，給供水水質(zhì)安全帶來(lái)挑戰(zhàn)。另外，管壁內(nèi)淡水殼菜等耗氧生物的生長(zhǎng)和繁殖也必然會(huì)減小管道的過(guò)水?dāng)嗝?，增大管道糙率，從而降低管道輸水能力。雖然目前的取水量較小，淡水殼菜等好氧生物的生長(zhǎng)尚不滿1 cm，未出現(xiàn)此現(xiàn)象，但隨著附著好氧生物的生長(zhǎng)加厚，會(huì)影響設(shè)計(jì)負(fù)荷下的生產(chǎn)運(yùn)行。針對(duì)此，制定了相應(yīng)的方案與措施，以抑制或滅活管道內(nèi)好氧生物的生長(zhǎng)繁殖等活動(dòng)并將其從管壁內(nèi)去除。

2 應(yīng)對(duì)措施制定與實(shí)施

2.1 應(yīng)對(duì)措施

目前，控制淡水殼菜的方法主要有生物、物理及化學(xué)方法[4]。深圳水務(wù)協(xié)同哈爾濱工業(yè)大學(xué)及南昌大學(xué)在“十一五”期間進(jìn)行了淡水殼菜控制的實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)性試驗(yàn)，分析比較不同藥劑的氧化殺滅效果，結(jié)果顯示次氯酸鈉是經(jīng)濟(jì)性、應(yīng)用性強(qiáng)的殺滅淡水殼菜的氧化劑。它不僅能殺死淡水殼菜，還能溶解足絲，降低其附著能力，使其更容易被水流沖刷下來(lái)。提高管道中的水流速度能夠增加淡水殼菜的去除量，脈沖水流比恒流效果好。水流沖刷與氧化劑的協(xié)同作用強(qiáng)于水流單獨(dú)的沖刷作用[3]。

鑒于原水廠集水井原水與湖區(qū)水質(zhì)溶解氧相差較大，考慮在取水頭部投加藥劑，抑制生物生長(zhǎng)繁殖等活動(dòng)，以消除或減小水質(zhì)差異。

2.2 投加方案

2.2.1 投加藥劑

結(jié)合已有的試驗(yàn)研究成果與調(diào)研情況，考慮可操作性與實(shí)施性，本方案選定次氯酸鈉為氧化劑?？紤]淡水殼菜殺滅效率，同時(shí)減少消毒副產(chǎn)物的形成，盡可能少地增加水的致突變活性，方案設(shè)計(jì)最大投加量為2 mg/L，具體根據(jù)每次投加時(shí)運(yùn)行實(shí)際與小樣試驗(yàn)等確定。

2.2.2 投加方式

根據(jù)原水廠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)比了以下3種方案，如表3所示。

表3 3種方案的比較

方案一：廠內(nèi)投加，主要是在原水廠內(nèi)建設(shè)次氯酸鈉投加系統(tǒng)(根據(jù)現(xiàn)狀，需新建儲(chǔ)液池，增設(shè)計(jì)量泵)，鋪設(shè)總長(zhǎng)約為3 200 m的加藥管道至取水頭部，考慮投加的穩(wěn)定可靠，管道設(shè)置2根。

方案二：取水頭部投加(建設(shè)平臺(tái))，即在離岸3 km處設(shè)置一座永久性固定平臺(tái)，在平臺(tái)上建設(shè)次氯酸鈉投加系統(tǒng)，進(jìn)行投加。

方案三：取水頭部投加(租用船只)，將方案二中需要設(shè)置的平臺(tái)部分，改為租用船只。為避免碰撞取水頭部，選擇取水口保護(hù)樁外一警示牌處為船只停靠位置，搭建簡(jiǎn)易可靠的加氯平臺(tái)，并從該位置敷設(shè)管道至取水頭部。

經(jīng)調(diào)研與咨詢，每年的淡水殼菜繁殖期和夏季，在原水廠取水管道頭部連續(xù)投加一周以上的藥劑，基本可消除取水管道前后的水質(zhì)差異。因此，綜合實(shí)際應(yīng)用需求與施工現(xiàn)場(chǎng)諸多因素，選用方案三，主要工程內(nèi)容：在水源廠取水口保護(hù)樁外的一警示牌處搭建加氯平臺(tái)，從該位置鋪設(shè)2根DN80的管道至2個(gè)取水頭部，管長(zhǎng)東側(cè)為245 m，西側(cè)為240 m，管材使用不銹鋼管(316)，如圖3所示。

圖3 投加管道鋪設(shè)示意圖

2.3 進(jìn)水流速控制

因供水調(diào)度工作隨城市整體供水格局的發(fā)展適時(shí)調(diào)整，該原水廠正常運(yùn)行工況下取水量前期有所下降，后期又逐步提高，自流管道內(nèi)流速先降低再升高，其內(nèi)理論流速與流量關(guān)系如表4所示?？紤]到管道里有部分淤積，實(shí)際流速比計(jì)算出的理論流速稍大。

表4 2011年—2020年夏季平均流量下的自流管道內(nèi)流速

為確保管道內(nèi)壁的沖刷效果，運(yùn)行過(guò)程中對(duì)照表2、表4與實(shí)際沖刷情況，必要時(shí)采取單管運(yùn)行策略，確保流速保持在0.6 m/s以上。

2.4 方案實(shí)施

根據(jù)確定后的方案，完成了取水頭部新設(shè)加氯平臺(tái)的建設(shè)工作。

(1)藥劑投加時(shí)期：在淡水殼菜類好氧生物大量繁衍前約一周開始投加，一般為5月中旬，最終結(jié)合每年的天氣、水溫情況進(jìn)行確定。且考慮到溫度升高，反應(yīng)速度加快[5]，產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物三鹵甲烷總量升高很快，應(yīng)盡量避免7月、8月溫度較高時(shí)在取水頭部投加次氯酸鈉。持續(xù)投加時(shí)間根據(jù)投加實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，一般在一個(gè)月內(nèi)。

(2)藥劑投加方式：在運(yùn)行初期采用間歇式，初期投加4 h，集水井余氯按照0.3 mg/L的控制要求調(diào)整投加初始質(zhì)量濃度(2.5～3.0 mg/L)。一方面，避免了初期因藥劑投量大，引起管道內(nèi)淡水殼菜殺死和排出數(shù)量過(guò)多，堵住管道，甚至出現(xiàn)水質(zhì)惡化的現(xiàn)象；另一方面，利于突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)。在后續(xù)運(yùn)行中，除投加船上料、避風(fēng)等情況停止投加外，采用全天投加。另外每年根據(jù)排出的貽貝生物情況及數(shù)量、水質(zhì)數(shù)據(jù)，適當(dāng)調(diào)整投加方式、投加量、持續(xù)時(shí)間，如表5所示。

表5 2015年—2020年次氯酸鈉投加時(shí)間和投加量

(3)運(yùn)行控制：原水廠2根自流管內(nèi)流速小于0.6 m/s，實(shí)施單管、交替運(yùn)行，在保證沖刷效果的同時(shí)可防止停運(yùn)管道內(nèi)的水質(zhì)惡化。

(4)水質(zhì)檢測(cè)：前期通過(guò)監(jiān)測(cè)pH、水溫、溶解氧、藻類等水質(zhì)參數(shù)，判斷淡水殼菜群體生長(zhǎng)繁殖的狀況和規(guī)律。通過(guò)觀察淡水殼菜平均殼長(zhǎng)變化，推測(cè)出種群繁殖的時(shí)期。藥劑投加時(shí)期，除原水常規(guī)指標(biāo)外，增加余氯指標(biāo)與相應(yīng)頻次，同時(shí)采樣檢測(cè)水中消毒副產(chǎn)物濃度。

(5)構(gòu)筑物清理：在氧化劑和水力沖刷雙重作用下，管道內(nèi)貽貝類生物會(huì)排入廠內(nèi)集水井，為保證集水井內(nèi)水質(zhì)，投藥期間定期清理集水井底的生物。在投藥過(guò)程中，觀察提升泵房的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，生物較多時(shí)應(yīng)及時(shí)清理。集水井內(nèi)、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)清理出的貽貝類生物清理后運(yùn)送至適當(dāng)?shù)胤健?/p>

3 實(shí)施效果

3.1 溶解氧變化

如圖4所示，2015年—2020年投加次氯酸鈉(2017年未投加)進(jìn)行清洗管道。由于2018年—2020年水量增大，為控制次氯酸鈉投加質(zhì)量濃度為2.5～3 mg/L，此3年次氯酸鈉投加量增大。集水井和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)清理出大量貽貝類生物(11.5～19.1 t)，有效減緩并抑制了取水管道內(nèi)淡水殼菜群落等好氧微生物的大量繁殖。溶解氧在取水管道內(nèi)的衰減變緩，管道前后水質(zhì)溶解氧差異未進(jìn)一步擴(kuò)大(除2017年)，集水井內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度未出現(xiàn)過(guò)低現(xiàn)象(基本在5 mg/L及以上)，為確保供水穩(wěn)定、安全、優(yōu)質(zhì)增添了前道屏障。清洗后的一段時(shí)間里，2018年和2020年溶解氧差值較高，可能是因?yàn)?月初開始投加到5月底結(jié)束，此時(shí)淡水殼菜并未大量繁殖，6月溫度升高，淡水殼菜重新生長(zhǎng)。因此，建議開始投加時(shí)間可以考慮在5月中下旬。

圖4 2015年—2020年次氯酸鈉投加量及管道生物流出量

水溫影響水體中溶解氧飽和度，水溫愈高，水中溶解氧含量愈低。因此，需特別關(guān)注水溫在20 ℃以上的5月—10月初。以2015年次氯酸鈉投加實(shí)施為例，投加時(shí)間為6月4日—27日，持續(xù)24 d，用量為147 t(藥劑有效濃度為8%～10%)，該時(shí)段取水口與集水井溶解氧如圖5所示。停止次氯酸鈉投加一段時(shí)間后，溶解氧差值出現(xiàn)反彈，說(shuō)明淡水殼菜等耗氧生物又在管道里生存，但考慮到在夏季高溫時(shí)投加次氯酸鈉有消毒副產(chǎn)物增加的風(fēng)險(xiǎn)，因此，次氯酸鈉未繼續(xù)投加。但經(jīng)過(guò)次氯酸鈉投加清洗后，在南泉取水口湖域溶解氧與2014年同期相近的情況下，集水井原水溶解氧均值仍保持在7.3 mg/L以上，較2014年同期相同水溫(22～25 ℃)條件下提高1.2 mg/L。在水溫高于25 ℃后，集水井溶解氧雖有下降趨勢(shì)，但仍能維持在6 mg/L左右，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅱ類以上。綜上，方案的實(shí)施達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖5 取水口、集水井溶解氧

3.2 對(duì)后續(xù)工藝的影響

取水頭部投加次氯酸鈉，可以抑制好氧生物的過(guò)度耗氧，但對(duì)水體水質(zhì)會(huì)帶來(lái)消毒副產(chǎn)物增加的風(fēng)險(xiǎn)。為此，在實(shí)施期間，盡量控制集水井內(nèi)余氯保持在0.1～0.5 mg/L；同時(shí)，對(duì)后續(xù)各工藝階段消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生情況進(jìn)行跟蹤，如圖6所示。

圖6 取水頭部次氯酸鈉投加前后消毒副產(chǎn)物變化

因原水廠與凈水廠距離較遠(yuǎn)，為控制藻類等，原水廠出廠設(shè)置加氯工藝，凈水廠采用多點(diǎn)加氯手段。當(dāng)取水頭部未投加次氯酸鈉時(shí)，原水廠集水井基本未檢出三鹵甲烷；當(dāng)取水頭部投加次氯酸鈉后，集水井中三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷均有檢出，且原水廠出廠水中消毒副產(chǎn)物含量有所上升，但三鹵甲烷比值基本在0.7及以下。凈水廠出廠水三鹵甲烷比值并未大幅增加，說(shuō)明凈水廠后續(xù)工藝(含深度處理)對(duì)消毒副產(chǎn)物有較好的處理效果。由此可見(jiàn)，原水廠取水頭部投加次氯酸鈉未對(duì)后續(xù)凈水廠的工藝造成負(fù)擔(dān)。

此外，考慮到溫度升高，反應(yīng)速度加快[4]，三鹵甲烷總量升高很快，應(yīng)在水溫較低的情況下投加次氯酸鈉以排除管道內(nèi)好氧生物的影響。

4 結(jié)論

(1)原水廠取水自流管2008年投產(chǎn)運(yùn)行，2011年出現(xiàn)了集水井原水溶解氧偏低現(xiàn)象，2014年溶解氧最低值為3.8 mg/L(夏季)。經(jīng)分析與探摸驗(yàn)證，其主要原因是自流管管壁內(nèi)零散分布淡水殼菜群落等好氧微生物，水溫合適時(shí)大量繁殖過(guò)度耗氧；此外，自流管管道流速過(guò)低，加劇了這一過(guò)程。

(2)為確保供水安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)，避免因階段性的水體中溶解氧過(guò)低造成其他次生問(wèn)題，經(jīng)充分調(diào)研與論證，實(shí)施了如下措施：在取水頭部投加次氯酸鈉藥劑，抑制或滅活管道內(nèi)好氧生物生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)加大流速對(duì)剝落的淡水殼菜貽貝類水生生物的有效沖刷。

(3)2015年—2020年的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在5月中下旬投加次氯酸鈉為宜，投加量為2.5～3 mg/L。并根據(jù)集水井內(nèi)余氯等水質(zhì)情況以及排出的貽貝生物數(shù)量、水質(zhì)數(shù)據(jù)，可適當(dāng)調(diào)整投加方式、投加量、持續(xù)時(shí)間，能有效確保管道內(nèi)好氧生物的排除效果，同時(shí)不對(duì)后續(xù)生產(chǎn)工藝造成負(fù)擔(dān)。