夏 偉，彭超群，易高飛

（1. 湘陰縣水利局，湖南 岳陽(yáng) 414600； 2. 湘陰縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 岳陽(yáng) 414600；3. 湖南三湘四海水務(wù)有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414600）

砷是重金屬污染物，水中砷污染的來(lái)源有：①自然源：礦物及巖石的風(fēng)化、火山的噴發(fā)、溫泉的上溢水；②人工源：砷化物的開(kāi)采和冶煉。這些因素對(duì)地下水及飲用水都造成了很大的污染。高砷飲水主要為地下水。我國(guó)飲用高砷水地區(qū)涉及臺(tái)灣、新疆、內(nèi)蒙、西藏、云南、貴州、山西、吉林等10 個(gè)?。▍^(qū)）約30 個(gè)縣（旗），這些地區(qū)已出現(xiàn)地方性砷中毒患者，且大多為少、邊、貧和缺乏低砷水源地區(qū)。按照WHO 的水砷標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)砷中毒危害病區(qū)的暴露人口高達(dá)1 500 萬(wàn)之多；已確診患者超過(guò)數(shù)萬(wàn)人，因此飲水除砷是防治地方性砷中毒的關(guān)鍵措施。2006 年我國(guó)頒布生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 5749－2006）將飲用水中砷的濃度限值從0.05 mg/L 降低到了0.01 mg/L[1]，砷成為我國(guó)優(yōu)先控制的污染物；湘陰縣鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠原水為地下水，原水鐵、錳、砷含量超標(biāo)，通過(guò)原有的加藥系統(tǒng)工藝進(jìn)行處理后，出廠水水質(zhì)中砷含量較高，超過(guò)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）的要求（10 μg/L），因此需要改造原有工藝，強(qiáng)化對(duì)砷的去除。

1 工程背景

1.1 鶴龍湖水廠工藝現(xiàn)狀

鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠廠址位于該鎮(zhèn)龍溪村6 組。原水為地下水，原水中鐵、錳、砷含量超標(biāo)。水廠的設(shè)計(jì)規(guī)模為6 600 m3/d；主要水處理構(gòu)筑物：跌水式曝氣塔、網(wǎng)格反應(yīng)池、斜管沉淀池、快濾池、清水池。

工藝流程如圖1 所示。

圖1 鶴龍湖水廠工藝流程圖

近年來(lái)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，鶴龍湖水廠水源水質(zhì)呈現(xiàn)砷、鐵、錳等指標(biāo)超標(biāo)，出廠水砷含量超出《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）的限值要求；原水水質(zhì)及改造前出水水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 原水及現(xiàn)有工藝出水主要水質(zhì)特征

1.2 鶴龍湖水廠存在的主要問(wèn)題

鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠水源為地下水，有4 口井，每口井的出水水質(zhì)、出水量都不一樣，給水處理增加了難度。

1）聚合硫酸鐵投加系統(tǒng)

水廠原有投加聚合硫酸鐵系統(tǒng)為人工手動(dòng)投加，投加量人為因素很大，不利于砷的去除，原料浪費(fèi)多，投加設(shè)備陳舊，配電控制柜安裝很不規(guī)范，存在安全隱患。

2）聚合氯化鋁投加系統(tǒng)

水廠原有投加聚合氯化鋁系統(tǒng)為人工手動(dòng)投加，未與水廠原水濁度與流量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，投加量人工控制不確定因素很多，原料浪費(fèi)很大，投加設(shè)備陳舊，配電控制柜安裝很不規(guī)范，存在安全隱患。

3）加堿系統(tǒng)

水廠原有加堿系統(tǒng)為人工手動(dòng)投加，未與反應(yīng)池中水的pH 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，投加量無(wú)法準(zhǔn)確控制，pH 對(duì)反應(yīng)池加礬影響很大，同時(shí)pH 對(duì)鐵錳砷去除效果有顯著影響。

鶴龍湖水廠現(xiàn)有工藝控制對(duì)砷的去除效果差，無(wú)法滿(mǎn)足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，出水中砷化物含量超標(biāo)；現(xiàn)有加藥系統(tǒng)工藝全為人工投加，并未與進(jìn)水流量、濁度、pH 等因素關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致對(duì)砷等重金屬去除效果達(dá)不到要求。

2 工藝改造方案

目前針對(duì)高砷水處理的基本措施，大多采用吸附、混凝沉淀、離子交換和膜過(guò)濾等技術(shù)[2]，但鶴龍湖水廠由于場(chǎng)地有限，無(wú)法增設(shè)新的處理構(gòu)筑物，只能在現(xiàn)有工藝上進(jìn)行改造。

鐵鹽除砷的適宜pH 值為6.5～8.0，F(xiàn)e（Ⅲ）類(lèi)混凝劑對(duì)As（Ⅴ）的去除率基本可達(dá)到90%以上，且較為穩(wěn)定，但對(duì)于As（Ⅲ）的去除效果不佳。當(dāng)原水中As（Ⅲ）比例較高時(shí)，應(yīng)在混凝前采取適當(dāng)氧化措施[3]。

因鶴龍湖水廠曝氣系統(tǒng)對(duì)砷的氧化作用不夠充分，增加預(yù)加氯措施，將原水中的As（Ⅲ）轉(zhuǎn)化為易于去除的As（Ⅴ）；鶴龍湖水廠投加鐵鹽后pH 值會(huì)降低，會(huì)導(dǎo)致除砷效果不佳，因此需增加全自動(dòng)加堿系統(tǒng)，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH 提升除砷效果。

具體改造措施如下：

1）加聚合硫酸鐵

標(biāo)準(zhǔn)型全自動(dòng)聚合硫酸鐵投加裝置控制系統(tǒng)由1臺(tái)變頻器、2 臺(tái)計(jì)量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC等組成。全自動(dòng)聚合硫酸鐵投加裝置控制系統(tǒng)以原水流量為主要依據(jù)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式達(dá)到最優(yōu)的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信號(hào)及一些關(guān)聯(lián)信號(hào)通過(guò)分析、計(jì)算得一路控制信號(hào)控制變頻器的運(yùn)行，通過(guò)變頻來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)量泵轉(zhuǎn)速，從而控制計(jì)量泵的輸出流量。實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方式，并可根據(jù)工況和用戶(hù)的要求，方便靈活地實(shí)現(xiàn)控制。

藥劑投加量通過(guò)控制系統(tǒng)根據(jù)原水進(jìn)水流量等調(diào)節(jié)計(jì)量泵的頻率，以確定最佳投加比例，并達(dá)到理想的水處理效果。

2）聚合氯化鋁投加系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)型全自動(dòng)聚合氯化鋁投加裝置控制系統(tǒng)由1臺(tái)變頻器、2 臺(tái)計(jì)量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC等組成。全自動(dòng)聚合氯化鋁投加裝置控制系統(tǒng)以原水流量和濁度為主要依據(jù)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式達(dá)到最優(yōu)的控制。其主要控制原理如下：

控制方式采用以流量信號(hào)及濁度信號(hào)通過(guò)分析、PID 計(jì)算得出每1 000 t 的耗礬量，隨流量和濁度變化通過(guò)變頻控制來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)量泵投加量。實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方式，并可根據(jù)工況和用戶(hù)的要求，方便靈活地實(shí)現(xiàn)控制。

藥劑投加量通過(guò)控制系統(tǒng)根據(jù)原水進(jìn)水流量和濁度調(diào)節(jié)計(jì)量泵的頻率，以確定最佳投加比例，并達(dá)到理想的水處理效果。

3）加燒堿

標(biāo)準(zhǔn)型全自動(dòng)燒堿鐵投加裝置控制系統(tǒng)由1 臺(tái)變頻器、2 臺(tái)計(jì)量泵和1 套可編程邏輯控制器PLC 等組成。全自動(dòng)燒堿投加裝置控制系統(tǒng)以反應(yīng)池入口pH 值為主要參數(shù)，保持pH 值在7.5～8.0 之間。通過(guò)調(diào)節(jié)燒堿投加量來(lái)實(shí)現(xiàn)pH 值的穩(wěn)定。其主要控制原理如下：

控制方式采用以反應(yīng)池入口pH 值信號(hào)及一些關(guān)聯(lián)信號(hào)通過(guò)分析、計(jì)算得一路控制信號(hào)控制變頻器的運(yùn)行，通過(guò)變頻來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)量泵轉(zhuǎn)速，從而控制計(jì)量泵的輸出流量。

3 改造效果分析

3.1 砷去除效果分析

鶴龍湖水廠強(qiáng)化除砷工程改造后經(jīng)連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)水及出水砷含量變化如圖2 所示。

圖2 工藝改造后除砷效果

鶴龍湖水廠在進(jìn)行工藝改造前，出水砷含量在16～30 μg/L（見(jiàn)表1），超過(guò)現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）的限值要求（10 μg/L）；在進(jìn)行工藝改造后如圖2 所示，出水砷含量較改造前顯著降低，鶴龍湖水廠進(jìn)水砷含量較高，且變化幅度大，進(jìn)行工藝改造連續(xù)運(yùn)行后，出廠水砷含量受進(jìn)水水質(zhì)影響波動(dòng)較小，出廠水砷含量基本穩(wěn)定在7 μg/L 左右，達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）的限值要求。

3.2 鐵錳去除效果分析

鶴龍湖水廠強(qiáng)化除砷工程改造后經(jīng)連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)水及出水鐵、錳含量變化如圖3、圖4 所示。

圖3 工藝改造后除鐵效果

根據(jù)圖3、圖4 可以看出，鶴龍湖水廠原水地下水中鐵、錳含量較高（特別是鐵），且進(jìn)水含量波動(dòng)較大，經(jīng)過(guò)工藝改造后，強(qiáng)化了鐵、錳的去除效果，出水中鐵錳含量均滿(mǎn)足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）的要求。

圖4 工藝改造后除錳效果

4 結(jié) 論

實(shí)施鶴龍湖鎮(zhèn)中心水廠加藥改造工程，加強(qiáng)自動(dòng)化控制，根據(jù)數(shù)字化模型合理調(diào)節(jié)投加量，可有效減少人力成本和材料成本；經(jīng)過(guò)工藝改造后可以較好地滿(mǎn)足鶴龍湖水廠對(duì)砷的去除要求，出廠水砷含量穩(wěn)定在7 μg/L 左右，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)鐵、錳的去除效果；出水中鐵、錳、砷均含量滿(mǎn)足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）的要求。