摘要：針對上海南匯自來水有限公司惠南水廠和航頭水廠受青草沙水庫季節(jié)性藻類生長影響，出現原水pH值升高導致出廠水鋁含量升高的問題,開展了投加二氧化碳調節(jié)原水pH值控制余鋁的生產性試驗。結果表明：投加二氧化碳調節(jié)原水pH值的控鋁效果穩(wěn)定，出廠水鋁含量可穩(wěn)定在0.1 mg/L以內。其中， “氣/液”投加裝置的二氧化碳利用率為94.3%，二氧化碳投加量為9.02 mg/L，PAC投加量減少了13.1 mg/L；“液/液”投加裝置的二氧化碳利用率為92.9%，二氧化碳投加量為8.47 mg/L，PAC投加量減少了17.9 mg/L，有效降低了水廠投加加酸PAC調節(jié)原水pH值控鋁的運行費用。

青草沙水庫水源地在夏季易滋生藻類，藻類的生長消耗了水中的碳酸根進而導致水體pH值升高。pH值對水中鋁的含量有很大影響，pH值高時鋁以溶解態(tài)AlO₂^-存在，pH值低時則以溶解態(tài)Al³⁺存在。原水pH值的變化會影響混凝劑的水解程度，進而降低混凝效果，同時也會影響水中溶解鋁的含量。根據2019年6月—10月上海南匯自來水有限公司對出廠水總鋁含量和pH值關系的統(tǒng)計，隨出廠水pH值升高，水中余鋁含量逐漸增大，pH值>7.1時鋁含量將超過0.1 mg/L。水中鋁的含量隨著pH值升高而增大的原因是生成了較多溶解態(tài)的Al(OH)₄^-，導致水中殘余鋁量增多。

為了提高出廠水水質，南匯自來水公司提出了將出廠水總鋁含量控制在0.1 mg/L以下的廠控標準，水廠采用了酸化混凝劑、投加鹽酸或硫酸作為中和劑等方法來降低原水pH值，但存在應用成本較高、環(huán)保安全隱患及余鋁控制不穩(wěn)定等問題，因此亟需研發(fā)一種更加經濟、環(huán)保、安全、穩(wěn)定的新技術來控制原水pH值。投加二氧化碳調節(jié)pH值技術在水處理行業(yè)越來越受到關注，國內外二氧化碳在水處理中的應用主要體現在以下三個方面：軟化水處理、代替部分酸性物質中和堿性廢水以及工業(yè)循環(huán)冷卻水處理。另外，二氧化碳中和技術也應用于食品、飲料、化學制藥和紡織等行業(yè)。夏季水廠原水富營養(yǎng)化導致的藻類含量升高是中小型水廠面臨的普遍性問題，但國內自來水廠采用外加二氧化碳調節(jié)pH值控制出廠水中鋁含量的生產性實踐較少，因此，有必要開展有關生產性試驗研究。考察了“氣/液”（將二氧化碳氣體直接加注到原水中）、“液/液”（ 二氧化碳與水充分混合形成碳酸后，以液體方式加入到原水中）兩種二氧化碳投加方式的技術經濟差異，以期為同類水廠的運行提供數據支撐和技術支持。

01 工藝流程及技術路線

1.1 工藝流程

二氧化碳生產性試驗在上海南匯自來水有限公司下屬的惠南水廠和航頭水廠進行，兩個水廠的原水均來自青草沙水庫，設計日供水量分別為44×10⁴m³/d和24×10⁴ m³/d，采用常規(guī)制水工藝，混凝劑為聚氯化鋁（PAC）工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程

1.2 研究技術路線

水中的二氧化碳、碳酸鹽和碳酸氫鹽之間相互作用而構成一個復雜的可逆碳酸鹽體系，系統(tǒng)中任何一種離子濃度的變化都將引起 pH 值的變化。而二氧化碳含量又受水溫、有機物氧化分解、藻類光合作用和水生生物的呼吸作用等影響。水溫升高，二氧化碳在水中的溶解度降低，水中二氧化碳的含量減少；水中有機物氧化分解緩慢，產生的二氧化碳量變少；當藻類光合作用速率超過水生生物呼吸速率時，二氧化碳不斷被消耗，水中二氧化碳的含量減少。二氧化碳含量的減少致使水中碳酸鹽平衡被破壞，水中氫離子數目減少，因而水體pH 值升高。

二氧化碳調節(jié)pH值技術的原理是將二氧化碳注入水中，補充因藻類光合作用而消耗的二氧化碳，增加水中的氫離子濃度，達到降低pH值的目的。據此制定如圖2所示的研究技術路線。

圖2 研究技術路線

1.3 生產性試驗

1.3.1 A系統(tǒng)“氣/液”投加方式

A系統(tǒng)（以下稱“惠南試驗組”）利用惠南水廠生產線進行試驗，設計水量為8×10⁴  m³/d，“氣/液”投加裝置設計CO₂投加量為0～50 kg/h，二氧化碳加注點為原水管前加氯之后，采用“氣/液”投加方式，即在原水管道安裝插入式氣體噴嘴，利用液態(tài)二氧化碳氣化后產生的壓力，經調壓后向管道內直接注入二氧化碳氣體（見圖3）。

圖3 “氣/液”投加工藝流程

1.3.2 B系統(tǒng)“液/液”投加方式

B系統(tǒng)利用航頭水廠二期2^#沉淀池（以下稱“航頭試驗組”）進行試驗，設計水量為6 ×10⁴m³/d，“液/液”投加裝置設計CO₂投加量范圍為0～50 kg/h，二氧化碳加注點為2^#原水管的前加氯之前，并與二期1^#沉淀池（以下稱“航頭加酸組”）進行比較。采用“液/液”投加方式，即先將二氧化碳氣體溶解于水廠原水，制成富含二氧化碳的偏酸性水，再混配入原水主管（見圖4）。圖5為惠南水廠、航頭水廠現場CO₂投加生產性試驗裝置。

圖4 “液/液”投加工藝流程

  圖5 CO₂投加系統(tǒng)試驗裝置

02 結果與分析

2.1 二氧化碳調節(jié)pH值的應用分析

2.1.1 原水pH、水溫對鋁指標的影響

由于鋁鹽混凝劑在水解過程中吸熱，不同的水溫會影響鋁鹽的水解程度。為了表征水溫對鋁的影響，利用恒溫培養(yǎng)箱將原水調至不同溫度，并進行混凝攪拌試驗，出水經0.45 μm的微孔濾膜過濾去除濁度后，測定總鋁指標。利用惠南水廠2020年9月15日原水（濁度為6.01 NTU，pH值為8.23）進行試驗：在水溫為25、28℃時 投加加酸PAC混凝劑（pH為3.0），在9、15和20℃投加常規(guī)PAC混凝劑（pH為4.0），投加量均為20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L，結果如圖6所示。

圖6 出廠水鋁與溫度的關系

由圖6可知，在水溫度9 ℃、pH值7.5時，過膜后的總鋁含量為0.038 mg/L，而當水溫為28 ℃、pH值為7.61時，過膜后的總鋁含量為0.283 mg/L，在相同或者相近的pH值條件下，原水溫度越低，溶解性鋁含量也越低。為了使出廠水總鋁含量低于0.1 mg/L，二氧化碳調節(jié)pH值需針對原水水溫變化設定不同的pH調節(jié)目標值，原水水溫為20 ℃時pH調節(jié)目標值為7.7，原水水溫為25 ℃時pH調節(jié)目標值為7.2。

2.1.2 二氧化碳投加量與pH值的對應關系

2020年10月利用A系統(tǒng)“氣/液”投加方式在惠南水廠開展了二氧化碳投加試驗。當天原水pH值為8.21，水溫為24 ℃，前加氯（以有效氯計）為0.56 mg/L，通過二氧化碳投加控制系統(tǒng)將pH值控制目標由7.8逐步調至7.1，利用在線pH儀和科里奧利氣體流量計觀察不同pH值下二氧化碳的投加量變化，結果如圖7所示。二氧化碳的投加量與pH值的下降有一定的關系。當pH值由7.8調至7.4時，二氧化碳投加增量約為4 mg/L；當pH值由7.4調至7.1時，二氧化碳投加增量約為10 mg/L，是前者的2.5倍。因此，當pH值控制目標在7.4以上時，投加二氧化碳比較經濟。

圖7  pH控制值與二氧化碳投加量的關系

2.1.3 pH值的控制效果分析

2020年10月9日—10月30日航頭水廠、惠南水廠投加二氧化碳后的pH控制目標為7.4，通過在線pH儀日平均值得出pH的實際控制情況，期間原水pH值在8.0～8.7之間波動，無論是“氣/液”投加還是“液/液”投加組，在投加二氧化碳后日均pH值始終在7.4±0.1之間波動，說明兩種投加方式均能實現對pH值的準確、穩(wěn)定控制（見圖8）。

圖8 投加二氧化碳后的pH值變化 

2.1.4  二氧化碳利用率

二氧化碳利用率是衡量二氧化碳投加效率的一項重要指標，它直接影響二氧化碳的投加成本以及控制效果。對2020年9月底—10月底二氧化碳利用率的統(tǒng)計結果顯示，“氣/液”投加與“液/液”投加的二氧化碳利用率均在83%～99%之間波動，平均達到93.6%，說明二氧化碳利用率較高。其中，采用“氣/液”投加的惠南水廠的利用率為94.3%，采用“液/液”投加的航頭水廠的利用率為92.9%，即兩種投加方式的二氧化碳利用率差別不大。

2.2控鋁效果分析

2.2.1 二氧化碳控鋁效果

為了客觀地反映二氧化碳調節(jié)pH值的控鋁效果，采用加酸與投加二氧化碳的試驗組進行比較。A系統(tǒng)“氣/液”投加組采用pH值為4.3左右的標準PAC，加酸組投加pH值為3.0左右的加酸特制PAC，二氧化碳投加試驗組和加酸組濾后pH平均值均為7.45，經濾池過濾后，檢測出水中總鋁含量，結果如圖9所示。

圖9 加二氧化碳試驗組與加酸組濾后水質總鋁量對比

“氣/液”投加試驗組平均濁度為0.06 NTU，加酸組為0.05 NTU，而試驗組的濾后平均總鋁含量為0.078 mg/L，加酸組為0.103 mg/L，較前者高32.1%。由此可見，投加二氧化碳的控鋁效果更好。因此，在濾后pH值和濁度相近的情況下，二氧化碳投加技術可以更有效、更穩(wěn)定地控鋁。

2.2.2 對PAC投加量的影響

PAC的主要作用是降低濁度，但是為了控制出廠水中總鋁的含量， PAC還承擔著調節(jié)原水pH值的作用，特別是在夏季藻類爆發(fā)導致原水pH值升高時，為了確保出水鋁達標，要將PAC加酸使藥劑pH值調至3.0左右，因此PAC的投加量較大。如圖10所示，惠南水廠2019年夏季7月、8月和9月的PAC平均投量分別為56.9、57.8、57.8 mg/L，而冬季12月、1月、2月的PAC平均投量分別為39.6、27.2、30.1 mg/L，在原水中藻類爆發(fā)的夏季PAC用量遠高于冬季。

圖10 惠南水廠2019年月平均PAC投量

本次試驗中，試驗組二氧化碳起到調節(jié)pH值的作用，PAC主要承擔混凝去濁的作用。2020年10月中下旬對惠南水廠二氧化碳投加試驗組與加酸組的PAC投加量進行統(tǒng)計，試驗組的PAC用量平均為25 mg/L，加酸組平均為39.2 mg/L（范圍為35～45 mg/L），說明采用二氧化碳投加技術后，在濾后水濁度基本一致的情況下，二氧化碳投加試驗組比加酸組的PAC耗用量降低了36.2%，且對總鋁指標的控制效果更好。

2.3 二氧化碳技術經濟效益分析

比較2020年9月21日—10月30日惠南水廠二氧化碳投加試驗組（“氣/液”投加方式）與常規(guī)加酸組（加酸PAC控鋁方式）、航頭水廠二氧化碳投加試驗組（“液/液”投加方式，配備1臺15 kW增壓泵）與常規(guī)加酸組（加酸PAC控鋁方式）的運行成本。“氣/液”和“液/液”投加試驗組的CO₂平均投加量分別為9.02、8.47 mg/L（試驗階段采用5m³CO₂儲罐，CO₂氣體單價1600元/噸、正式投產后將采用20-30m³CO₂儲罐，CO₂氣體單價降至1100元/噸）；惠南水廠 “氣/液”投加試驗組和加酸組的PAC平均投加量分別為27.3、40.4 mg/L；航頭水廠 “液/液”投加試驗組和加酸組的PAC平均投加量分別為25、42.9 mg/L。兩個水廠運行成本的比較見表1。

由表1可知，惠南水廠試驗組的運行成本比傳統(tǒng)加酸組高2.6元/1 000 m³，航頭水廠試驗組的運行成本比傳統(tǒng)加酸組高1.5元/1 000 m³。然而，采用二氧化碳技術后出水鋁含量可以穩(wěn)定控制在0.1 mg/L以內，而常規(guī)加酸PAC工藝即便大幅提高混凝劑投加量，也無法確保出廠水鋁含量穩(wěn)定滿足內控要求。同時，由于試驗階段的二氧化碳單價較大規(guī)模應用后單價降至1100元/噸，惠南水廠投加二氧化碳的運行成本較常規(guī)加酸PAC工藝節(jié)約1.9元/1 000 m³，航頭水廠節(jié)約2.8元/1 000 m³。

按照惠南水廠2019年7月—2020年6月加酸液體PAC混凝劑平均用量47 mg/L測算，預計使用二氧化碳后混凝劑用量可降至30 mg/L，降幅為36.2%。以該廠日均供水量為30x10⁴m³/d計算，全年減少混凝劑支出約185萬元。同時，少加混凝劑后，因污泥減量還可節(jié)約污泥處置費約20萬元。二氧化碳平均投加量按照10 mg/L計算，年增加二氧化碳支出約120萬元，預計該廠每年可以節(jié)約制水成本約85萬元。

03 結論與建議

    來源：中國給水排水

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[1]陳德放,李梅,張華軍,等.投加二氧化碳控制出廠水鋁含量的生產性試驗[J].中國給水排水,2021,37(23):9-14.
　CHEN De-fang,LI Mei,ZHANG Hua-jun,et al.Controlling Aluminum Content in Finished Water of Waterworks by Dosing Carbon Dioxide[J].China Water & Wastewater,2021,37(23):9-14.

點擊復制

 

投加二氧化碳控制出廠水鋁含量的生產性試驗

中國給水排水[ISSN:1000-4062/CN:12-1073/TU] 卷: 第37卷 期數: 2021年第23期 頁碼: 9-14 欄目: 出版日期: 2021-12-01

Title:

Controlling Aluminum Content in Finished Water of Waterworks by Dosing Carbon Dioxide

作者:

陳德放¹，李梅¹，張華軍¹，馬順君¹，高海燕¹，談巍¹，王文喜²，何堅²

(1.上海浦東水務<集團>有限公司，上海201300；2.復旦大學環(huán)境科學與工程系，上海200438)

Author(s):

CHEN De-fang¹，LI Mei¹，ZHANG Hua-jun¹，MA Shun-jun¹，GAO Hai-yan¹，TAN Wei¹，WANG Wen-xi²，HE Jian²

(1. Shanghai Pudong Water Group, Shanghai 201300, China; 2.Department of Environment Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200438, China)

關鍵詞:

pH; 鋁含量; 二氧化碳; 出廠水

Keywords:

pH; aluminum content; carbon dioxide; finished water of waterworks

摘要:

針對上海南匯自來水有限公司惠南水廠和航頭水廠受青草沙水庫季節(jié)性藻類生長影響，出現原水pH值升高導致出廠水鋁含量升高的問題,開展了投加二氧化碳調節(jié)原水pH值控制余鋁的生產性試驗。結果表明：投加二氧化碳調節(jié)原水pH值的控鋁效果穩(wěn)定，出廠水鋁含量可穩(wěn)定在0.1 mg/L以內。其中，“氣/液”投加裝置的二氧化碳利用率為94.3%，二氧化碳投加量為9.02 mg/L，PAC投加量減少了13.1 mg/L；“液/液”投加裝置的二氧化碳利用率為92.9%，二氧化碳投加量為8.47 mg/L，PAC投加量減少了17.9 mg/L，有效降低了水廠投加加酸PAC調節(jié)原水pH值控鋁的運行費用。

Abstract:

The Huinan Waterworks and Hangtou Waterworks in Shanghai City use Qingcaosha Reservoir as the water source. Due to the seasonal algae growth, the increase in the pH value of the raw water leads to an increase in the aluminum content in the finished water of waterworks. In order to control residual aluminum content, the production test of adding carbon dioxide to adjust the pH value was carried out. The results showed that the effect of controlling aluminum was stable when the pH value of raw water was adjusted by carbon dioxide, with the aluminum content in finished water kept less than 0.1 mg/L. In the experiment, the utilization rate of carbon dioxide in the “gas/liquid” dosing device reached 94.3% with a carbon dioxide dosage of 9.02 mg/L, and PAC dosage was reduced by 13.1 mg/L; meanwhile, the utilization rate of carbon dioxide in the “liquid/liquid” dosing device was 92.9% with a carbon dioxide dosage of 8.47 mg/L, and PAC dosage was reduced by 17.9 mg/L. This method can effectively reduce the operating cost of waterworks which applies acid�瞐dded PAC to adjust the pH value of raw water to reduce aluminum content.

更新日期/Last Update: 2021-12-01