導 讀
河北某南水北調水源水廠存在夏季水源水高堿高藻問題，藻類的大量繁殖使耗氧量和濁度升高,水中出現異味，影響混凝效果等,增加水廠凈水難度。針對此問題，研究了投加PAC和CO2方式對藻類的處理效果；通過水廠試驗發現，采用過量投加PAC的方式既增加了運營成本又造成出廠水鋁含量過高，而采用投加CO2的方式可以解決高堿水的同時減少PAC投加量。對比曝氣式投加CO2和管道式投加CO2發現，管道式投加CO2利用率更高。
南水北調中線工程是解決京、津、冀等華北地區水資源短缺，優化水資源配置的一項戰略性基礎設施工程。南水北調中線工程的成功開通有效的緩解了河北省水資源短缺的問題。
隨著大量南水北調水廠逐步投入使用，在運營過程中也出現了一些問題，例如河北省境內一些水廠存在春秋季高濁，夏季低濁高堿高藻，冬季低溫低濁，水質變化大的問題。尤其是夏季時出現的水源水高藻高堿問題，對水廠正常運轉造成較大影響。因此在水廠運行中為防止藻類暴發給水質帶來負面影響，應參考藻類變化規律，注意pH值、濁度等指標的變化做好提前準備和應急措施，及時調整工藝參數及投加藥量等。
研究發現，微堿性的水體易于藍綠藻的生長。湖泊水庫水中的pH值主要受CO2含量的控制，水體中CO2含量受多因素影響，例如水溫、溶解離子、微生物等，而在富營養型水體中，O2和CO2主要受生物過程的控制，因此，當藻類數量上升到一定數量級時，其數量的多少、生命活動的旺盛程度必然對水體的pH值變化起主導作用。Wang等通過CO2含量改變pH值使2種藍藻生活在酸性環境中，結果表明，pH值為5.5、6.0、6.5時對2種藍藻的對數期生長起顯著的抑制效應，并且在pH為5.5、6.0時出現了死亡；袁麗娜等研究表明：低pH值不利于藻生長，在低pH值條件下，pH值是系統的主要限制因子。趙娜等研究了不同pH條件下小球藻和斜生柵藻的生長狀況，結果表明：小球藻的最適生長pH值7.0，而斜生柵藻的最適生長pH 9.0；歐陽崢嶸等研究表明，小球藻在pH 6.5～9.0的條件下適宜生長，最適pH值7.0。除此之外，曝氣方式、水動力及微量元素等因素也會影響藻類的生長。曝氣能夠改變水體O2和CO2的含量組成，影響到水體的pH值和氧化還原情況，同時也對水體進行了攪動，從而改進了氧的傳遞和擴散曝氣對藻類的生長有明顯的抑制作用，而夜間曝氣對藻類生長的抑制作用尤其顯著。
由于夏季水質高藻高堿對水廠帶來的危害，且現階段對于這方面研究較少，選取河北省某南水北調典型水廠—X水廠，開展對高藻高堿水質的應對措施的探索。
01南水北調X水廠概況
1.1 水廠概況
河北省X水廠占地規模為120畝（1畝≈666.67 m2），設計規模15萬m3/d，概算投資2.32億元。其中一期工程土建按照15萬m3/d建設，設備安裝按照7.5萬m3/d配套。處理工藝為：機械攪拌+折板絮凝+平流沉淀+超濾膜。混凝劑采用PAC，消毒劑采用次氯酸鈉。工藝流程如圖1所示。
1.1.1 水質概況
河北某水廠原水為南水北調中線來水，在春、秋農灌期間部分原水來自黃壁莊水庫。水質情況大致分為3種，春秋季濁度高，夏季低濁高堿高藻，冬季低溫低濁，水質情況變化較大。水廠自2018年運行以來，持續對原水水質進行監測，其中藻類、濁度、pH值情況如圖2所示。
圖2中可以明顯看出夏季原水中藻類含量明顯升高。每升水藻類含量高達4 000萬~5 000萬個，藻類的大量繁殖，導致原水pH值上升。從圖3可以看出，原水pH值呈逐年上升趨勢，特別是夏季期間，pH值保持在8.3以上，最高可達到8.7。pH值的上升導致混凝效果下降，污泥沉淀效果差，出廠水水質下降，并且影響后續膜濾池工藝的使用壽命。
圖4可以看出，因原水濁度受到春、秋季節性江水與水庫水并行影響，3月至8月波動較為明顯。
圖4 2018年至2020年原水濁度
1.2 高藻高堿的成因及危害
1.2.1 高藻高堿的成因
圖5為2019年重要水庫營養狀態比較，可以看出河北省內南水北調水源水——丹江口水庫，呈中營養狀態。加上中線地理距離長達1 200多km，大部分呈干渠輸送，夏季陽光照射時間長，溫度高，水體逐漸從中營養向富營養狀態轉化，最終導致富營養化的發生造成藻類大量繁殖，甚至暴發。當溫度升高藻類在進行光合作用時，C元素被吸收，釋放出O2和OH-，使水中溶解氧、pH值大幅上升。
1.2.2 高藻高堿的危害
?。?）影響混凝效果。在夏季時由于藻類的大量繁殖，使水中pH值升高，原水pH值的改變會嚴重影響有機物的存在形態，會對混凝劑的混凝效果產生影響。當水的pH值較高時，腐殖質轉化為腐殖酸鹽，除去率較低。會造成礬花不夠密實，沉淀去除率下降，濁度升高，出水水質變差，甚至出現無規律的翻池現象，所以需要更多的藥劑投放量，增加了運行成本。此外，部分藻細胞易破壞絮凝過程，導致出水有藻類污染物。
?。?）對膜濾池產生損害。藻類在濾池中的大量繁殖，導致pH值升高，從而使混凝沉淀效果下降，大部分水廠會采用加大PAC的投加量使混凝沉淀效果提高，PAC投加量的提高造成濾膜的堵塞，使得過濾周期縮短，反沖洗頻繁，且反沖洗的時間加長，減少膜池的使用壽命，造成成本大幅增加。
?。?）藻類產生異色異味及毒素。藻類所分泌的臭味物質導致飲用水出現異色異味，有些藻種有霉臭味，藻類的死亡、腐敗也使水體腥臭難聞。某些藻類在其代謝過程中還會釋放毒素，對身體健康有嚴重危害。
1.3 研究過程
為了應對高藻高堿帶來的問題，X水廠分別在2018年6月至9月采用過量投加PAC、2019年6月至9月采用曝氣式投加CO2、2020年6月至8月采用管道式投加CO2的方法。
1.3.1 過量投加PAC
為了應對夏季高藻高堿水質帶來的問題，在保證出廠水余鋁含量合格的前提下，水廠在2018年開始嘗試過量投加PAC混凝劑，來提高混凝沉淀效果。當面對高藻水時增加混凝劑的投加量是去除藻類，改善水體質量的主要有效手段之一。雖然pH值的升高，阻礙了混凝作用，但用加大混凝劑的投加量來提高混凝效果，還是可以有效去除藻類。但在實際生產中發現，過量投加PAC造成污泥量上升，甚至發生藻類上浮、污泥膨脹等現象，造成人工成本增加。
1.3.2 曝氣式投加CO2
采用投加CO2應對高藻高堿問題的工藝原理為：夏季南水北調部分水源水因為溫度高、陽光照射時間長，導致藻類大量繁殖，藻類生長導致pH升高的反應機理見式（1）~式（3）：
由式（1）~式（3）可以看出：藻類的光合作用使水中CO2減少，而CO2的減少打破了水中原有碳酸鹽的平衡；當水中的CO2濃度較低時，化學平衡式向右移動，此時一部分的HCO-3，轉化為CO2-3；隨著HCO-3濃度的下降，CO2-3濃度的上升，水中H+減少，導致原水pH值上升到9.0甚至更高。通過投加CO2，可以抑制藻類光合作用，抑制藻類增長；降低原水pH值，可減少PAC投加量。
向水中投加CO2，CO2溶于水生成HCO-3，達到降低并穩定pH值的目的。碳酸是一種環保型酸化劑，腐蝕性微弱，無需做防護處理，可直接注入管道中。經過42項水質檢測，投加CO2對水質無影響，且具備成本低、無害、易管理等多種優勢，所以選擇投加CO2。
X水廠在2019年采用曝氣頭投加CO2至原水泵站，將CO2鋼瓶中的CO2通過泄壓閥接入曝氣裝置，曝氣裝置置入原水泵站池底，每組曝氣裝置有3個曝氣頭，共2組曝氣裝置。
經反復試驗發現，在2個15 kg的CO2鋼瓶同時使用的情況下，pH值在7.9左右，可以在PAC投加量減少的情況下，提高混凝效果，使出廠水水質達標。
X水廠在2019年7月至10月采用該投加方式投加CO2降低原水pH值。但在運行期間發現了許多不足之處：
?。?）安裝難度大，需要對原水泵站前池內部排空安裝曝氣頭。
?。?）經濟性較差，站前池為半封閉式，投加CO2氣體，部分溢出，CO2利用率低。
（3）H2CO3對一級泵站具有一定的腐蝕性。
1.3.3 管道式投加CO2
由于在原水泵站投加CO2的方法存在CO2利用率低、安裝難度大等缺點，為了尋找一種新的投加工藝做了大量的試驗研究。通過多組混凝沉淀試驗，得出在夏季水源水低濁情況下，混凝效果最佳時的pH值?；炷恋碓囼灥牟襟E為：
①用容量為1 000 L的塑料桶作為容器取進廠原水；
?、趯O2鋼瓶中的液態CO2通過帶有加熱裝置的泄壓閥，以1 L/min的速率通入到曝氣頭中，曝氣頭置于塑料桶桶底；
?、蹎悠貧庋b置，每隔1 min停一次，等待大約5 min，使CO2氣體與原水充分反應后，用容量1 L的燒杯取滿水，并測量pH值；
④用容量為500 mL的燒杯取6杯不同pH值的原水（因不能精準控制原水pH值，所以取具有代表性的即可），投加相同量的PAC，用六聯攪拌器做混凝沉淀試驗，取上清液，檢測其鋁含量和濁度。
多次重復以上步驟。以PAC投加量、濁度為定量，通過改變原水pH值對比其中的兩組數據，見表1和表2。
通過以上兩組數據可以發現：在PAC投加量相同的情況下，并不是pH值越低，混凝沉淀試驗后的鋁含量越低；由于夏季南水北調中線水濁度低，在PAC投加量相同的情況下并不是pH值越低混凝后的濁度越低。經過大量的重復試驗，考慮經濟性和投加效率，最終確定將原水pH值降至7.80左右處理效果最優。
為了解決CO2揮利用率低的缺點，嘗試將CO2投加到管道中，使其在管道內完成反應。根據水廠投加氯氣的經驗，決定采用管道式水射器方式投加CO2。
選擇地址：本水廠原水總管道大約在地下3 m處，從水廠側門地下進入水廠，到混凝沉淀池的距離大約150 m。根據水廠自身條件，選擇在距離混凝沉淀池約80 m處打孔投加CO2至原水總管道。
選擇方式：將CO2鋼瓶中的液態CO2通過帶有加熱功能的泄壓閥轉化氣體，用自來水通過射流方式將CO2帶入到原水管道中，試驗裝置如圖6所示。
流量控制：同時通入兩瓶CO2，將泄壓閥的流量控制器開到一定程度后，觀察混凝沉淀池處的pH值在線儀表的數值。每1 h改動一次流量，將pH值在線儀表的數值調到穩定在7.8左右，記錄流量大小。
此種方法優點為：
①改造便捷，只需對原水管道進行開孔，施工成本低；
②減少損耗，所有反應全部在管道內完成，減少氣體的溢出，提高了CO2的利用率，增加了CO2反應時間，使反應更充分。
02結果分析
2.1 2018年投加PAC后的效果分析
從圖7可知，通過過量投加PAC混凝劑的方式來處理夏季高藻高堿原水，可以提高混凝效果。但是過量投加PAC既增加了成本，又無法解決出廠水鋁含量高的問題，且在實際運行中還會造成污泥量上升，甚至發生藻類上浮、污泥膨脹等現象，造成人工成本增加。每年的3月、4月為農灌時期，水源水為高濁導致投加PAC量增加，在此不作討論。
2.2 投加CO2與PAC效果對比分析
從圖8可知，在保證混凝效果與出水水質達標的情況下，2019年的6月至9月的PAC投加量與2018年同時期相比減少很多。說明投加CO2在實際生產可以降低原水pH值，且pH值降低后在保證出水水質的條件下，PAC投加量大幅減小。得出結論投加CO2降低pH值可以降低PAC的投加量。
通過曝氣式投加CO2降低原水pH后，因為PAC投加量的減少，所以出廠水鋁含量大幅降低。根據圖9可以看出，通過曝氣式投加CO2比過量投加PAC出廠水余鋁含量要低0.06~0.07 mg/L，保證了出廠水的水質。
2.3 兩種CO2投加方式的效果分析
表3是在投加CO2量相同的情況下，兩種CO2投加方式投加前后的pH值?？梢钥闯?020年管道式水射器投加方式比2019年水射器+曝氣頭投加方式CO2降低pH值效果更佳，所以管道式投加方式比曝氣頭投加方式的CO2利用率更高。
從圖10的數據可以看出，在保證出廠水鋁含量達標的情況下，2020年的管道式水射器投加CO2的PAC投加量明顯小于2019年管道式投加CO2方式，說明在實際生產中，管道式水射器投加CO2方式降低原水pH更明顯、更具優越性。
03經濟性分析
2020年管道式水射器投加CO2的量約為4 L/m3，費用約為0.02元/m3，與2018年6月至7月相比投加PAC的費用降低了約為0.04元/m3，費用節約了0.02 元/m3（見表4和表5）。
04小結
管式水射器投加CO2方式具有設備安裝簡易、造價成本低、CO2利用率高等優點，對水廠原有工藝改動較小，不存在影響生產等不利因素。通過向原水中投加CO2，降低原水pH值，抑制藻類的生長，同時提高了藻類在沉淀池與過濾池中的去除率；降低了PAC的藥劑投加量，由此降低生產成本，減少污泥產生量，同時降低了出廠水鋁含量，保證了飲用水安全。在X水廠投加CO2的期間，有效提高了混凝效果及藻類的去除率，保證了當地自來水水質不受夏季高藻高堿的影響。管道式水射器投加CO2方式的成功運行，可為其他水廠推廣使用提供借鑒經驗。
作者：王一桐、劉俊良、張鐵堅