田 雨

（北京市華新源再生水有限責(zé)任公司，北京 100124）

再生水是指以城市污水處理廠一級(jí)或二級(jí)排放水為水源，經(jīng)深度處理后，水質(zhì)指標(biāo)低于生活飲用水，但高于允許排放污水的可重復(fù)使用的一種水資源，是國際公認(rèn)的“第二水源，可用于農(nóng)林牧漁業(yè)用水、城市雜用水、工業(yè)用水、環(huán)境用水、補(bǔ)充水源水等方面。

2002年SARS疫情發(fā)生后，再生水利用的環(huán)境與健康問題開始受到關(guān)注，學(xué)者們對(duì)再生水利用的關(guān)注點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向衛(wèi)生安全方面。由于污水廠常規(guī)生化處理工藝對(duì)所收集污水中的病原微生物滅活能力有限，且《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）中，未對(duì)污水處理廠一級(jí)或二級(jí)排放水消毒處理進(jìn)行強(qiáng)制要求，為了防止水介傳染病的傳播，在再生水生產(chǎn)中必須設(shè)置消毒處理工藝，以確保病原微生物量降至安全水平。

再生水水源成分復(fù)雜多變，出水余氯要求高，目前專門針對(duì)再生水消毒工藝精準(zhǔn)控制研究較少。本文將以A再生水廠為例，探討影響再生水次氯酸鈉消毒劑工藝穩(wěn)定運(yùn)行的各類因素，提出切實(shí)有效的控制策略，力爭達(dá)到既保證再生出水余氯指標(biāo)100%合格，又有效降低次氯酸鈉投加量的雙贏目標(biāo)。

1、A水廠再生水生產(chǎn)流程

G污水處理廠排放水，通過專用管線輸送至A水廠預(yù)沉大湖內(nèi)。經(jīng)預(yù)沉后由中間泵站提升至配水塔，并在配水塔上完成三氯化鐵混凝劑和次氯酸鈉消毒劑的初次投加。接著通過重力流的作用將水輸送至機(jī)械加速澄清池，完成混凝、沉淀、澄清處理。隨后進(jìn)入V型濾池進(jìn)行過濾，濾后水通過補(bǔ)加次氯酸鈉達(dá)到進(jìn)一步消毒的目的，最終進(jìn)入清水池存儲(chǔ)，經(jīng)配水泵房加壓后由再生水專用配水管網(wǎng)輸送至公園、河道、居民小區(qū)等終端用戶，工藝流程詳見圖1。

圖1 A水廠再生水生產(chǎn)流程

2、A水廠再生水出水水質(zhì)情況

A水廠再生水用于園林綠化、環(huán)衛(wèi)、河湖補(bǔ)水和居民沖廁等多種用途，其水質(zhì)應(yīng)同時(shí)滿足《城市污水再生利用—城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920-2002）及《城市污水再生利用—景觀用水水質(zhì)》（GB/T 18921-2019）要求，見表1。

表1 A水廠再生水出水情況

根據(jù)A水廠2019年再生水水質(zhì)年均值顯示，除總氮指標(biāo)因受限于工藝去除效果欠佳外，其他指標(biāo)均優(yōu)于《城市污水再生利用—城市雜用水水質(zhì)》（GB/T 18920-2002）及《城市污水再生利用—景觀用水水質(zhì)》（GB/T 18921-2019）要求。

3、A水廠再生水消毒工藝運(yùn)行情況

消毒工藝是控制再生水水質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。A水廠采用次氯酸鈉消毒工藝，采用多臺(tái)米頓羅G系列往復(fù)式隔膜計(jì)量泵定量投加。A再生水廠建有次氯酸鈉地下儲(chǔ)池2座，滿儲(chǔ)量為140噸，生產(chǎn)所用商品次氯酸鈉有效氯含量10%左右。

次氯酸鈉加氯量分為兩部分，一部分為需氯量，另一部分為余氯量，只有當(dāng)加氯量大于需氯量時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生余氯。加氯量不足無法保證余氯符合國標(biāo)要求，更無法起到抑制管網(wǎng)中細(xì)菌、大腸桿菌等微生物大量繁殖的作用。而加氯量過量，則會(huì)造成消毒副產(chǎn)物增加，制水成本升高，管網(wǎng)腐蝕加速。

與飲用水廠較為平穩(wěn)的水源水質(zhì)和加氯量相比，再生水生產(chǎn)因受水源水質(zhì)影響，加氯量波動(dòng)頻繁。A水廠全年日均加氯量為10.3mg/L，最高為21.6mg/L，最低僅為4.3mg/L，見圖2。

圖2 A水廠2019年日均加氯量

4、造成A水廠次氯酸鈉加氯量波動(dòng)的主要原因

4.1 水源水質(zhì)波動(dòng)

（1）氨氮

A水廠再生水生產(chǎn)以G污水處理廠排放水為水源，根據(jù)2019年G污水處理廠排放水中氨氮日檢數(shù)據(jù)圖3顯示，全年氨氮低于0.5mg/L為238天，占65%；氨氮為0.5～1.0mg/L為62天，占17%；高于1.0mg/L為65天，占18%，最高值為14.4mg/L，最低值為0.08mg/L，兩者相差百余倍。

圖3 2019年G污水處理廠排放水中氨氮含量

其中6月至10月G氨氮基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，而11月至次年5月，G污水處理廠氨氮去除能力下降，波動(dòng)異常劇烈。造成氨氮波動(dòng)的原因，主要是G廠采用生物脫氮除磷工藝，而硝化反應(yīng)的最適宜溫度為30～35℃，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)消化反應(yīng)速度下降明顯，氨氮去除能力降低。

（2）亞硝酸鹽氮

2019年G廠排放亞硝酸鹽含量波動(dòng)也異常頻繁，全年最高值為3.2mg/L，最低值為0.02mg/L，兩者相差1600倍。全年亞硝酸鹽氮低于0.5mg/L為149天，占41%；亞硝酸鹽氮為0.5～1.0mg/L為118天，占32%；高于1.0mg/L為98天，占27%，詳見圖4。

圖4 2019年G污水處理廠排放水中亞硝酸鹽氮含量

（3）微生物

根據(jù)A水廠2019年檢測(cè)，G污水處理廠排放水中，總大腸菌群及糞大腸菌群指標(biāo)也存在一定的波動(dòng)，見表2。

表2 2019年G污水處理廠排放水中總大腸菌群和糞大腸菌群數(shù)據(jù)

4.2 A水廠預(yù)沉大湖內(nèi)藻類

A水廠廠內(nèi)建有容積6萬m3預(yù)沉大湖一座。大湖水深較淺，水流比較緩慢，由于不間斷供水需求，A水廠十余年未進(jìn)行底泥清淤，湖內(nèi)氮磷營養(yǎng)物質(zhì)極為豐富，加上適宜的光照、溫度、pH值、溶解氧等生態(tài)因子的作用，湖內(nèi)藻類生長速度極快。根據(jù)2018、2019年利用德國bbe公司便攜式藻類分析儀（Algae Torch）對(duì)A水廠預(yù)沉大湖內(nèi)總藻數(shù)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，每年3～10月是藻類大量爆發(fā)的時(shí)期，湖內(nèi)總藻數(shù)量可達(dá)每升幾千萬個(gè)。

5、次氯酸鈉消毒工藝控制策略

G污水處理廠排放水中氨氮、亞硝酸鹽氮及微生物指標(biāo)的無規(guī)律波動(dòng)及A水廠預(yù)沉大湖內(nèi)藻類大量繁殖，極易影響次氯酸鈉消毒藥劑的穩(wěn)定投加。通過前期研究，設(shè)計(jì)并使用次氯酸鈉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)可以解決運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)不足，遇突發(fā)水質(zhì)變化調(diào)整不及時(shí)、耗費(fèi)大量人工成本進(jìn)行加密檢測(cè)的問題。

表3 2018、2019年A水廠預(yù)沉大湖內(nèi)總藻數(shù)量

5.1系統(tǒng)工作原理

A水廠原本僅在清水池出水處設(shè)有一臺(tái)哈希Cl17在線余氯檢測(cè)儀，用于檢測(cè)出廠水總氯。從次氯酸鈉消毒藥劑在配水塔上調(diào)整投加量到清水池出水在線余氯數(shù)據(jù)有所反饋需要近2個(gè)小時(shí)，為縮短消毒工藝響應(yīng)時(shí)間，在機(jī)加池出水處增設(shè)了一臺(tái)哈希Cl17在線余氯檢測(cè)儀，數(shù)據(jù)反饋時(shí)間由2小時(shí)縮短至40分鐘。另一方面，當(dāng)在線余氯檢測(cè)儀檢測(cè)出機(jī)加池出水余氯出現(xiàn)大幅降低的情況，可及時(shí)開啟清水池出水后補(bǔ)氯計(jì)量泵，以保證出水余氯符合國標(biāo)要求。

將機(jī)加池在線余氯檢測(cè)儀的輸出信號(hào)，輸入到次氯酸鈉投加計(jì)量泵的控制系統(tǒng)中，參與計(jì)量泵消毒藥劑投加控制調(diào)節(jié)。

圖5 計(jì)量泵自動(dòng)化系統(tǒng)

具體為：機(jī)加池在線余氯檢測(cè)儀每3分鐘檢測(cè)一次的數(shù)據(jù)通過PLC進(jìn)行采集，處理后傳遞給控制室電腦。電腦對(duì)實(shí)時(shí)的余氯進(jìn)行分析，當(dāng)余氯處于預(yù)先設(shè)定余氯控制范圍內(nèi)時(shí)，余氯反饋信號(hào)不參與計(jì)量泵的控制調(diào)整，當(dāng)余氯超出或低于預(yù)先設(shè)定余氯控制值范圍時(shí)，余氯反饋信號(hào)參與計(jì)量泵運(yùn)行的控制調(diào)整，自動(dòng)進(jìn)行藥劑投加增減，并根據(jù)設(shè)定的間隔對(duì)余氯數(shù)據(jù)再次檢測(cè)比對(duì)，檢驗(yàn)糾偏幅度是否已達(dá)到要求，如不符合要求將繼續(xù)多次進(jìn)行糾偏調(diào)節(jié)直至余氯穩(wěn)定控制在設(shè)定范圍內(nèi)。此套系統(tǒng)在各項(xiàng)數(shù)據(jù)收集分析過程中會(huì)逐漸形成一個(gè)學(xué)習(xí)過程，達(dá)到各參數(shù)的非線性計(jì)算比例，具體操作界面見圖6。

圖6 自動(dòng)投加系統(tǒng)界面

5.2 主要系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

（1）機(jī)加池余氯上、下限值設(shè)定

機(jī)加池余氯上、下限值是指機(jī)加池出水余氯控制范圍，可根據(jù)水質(zhì)、季節(jié)等條件變化進(jìn)行人工調(diào)整。每年4月至9月，藻類易在A水廠砂濾池內(nèi)聚集，造成濾前、濾后余氯存在一定的損耗，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，余氯損耗最高可達(dá)40～50%，故對(duì)機(jī)加池出水余氯限值進(jìn)行適當(dāng)提高，將下限設(shè)定為2.0mg/L，上限為2.3mg/L。每年10月至次年3月，濾前、濾后余氯損耗為10～20%，則將下限設(shè)定為1.5mg/L，上限為1.8mg/L，即可滿足《城市污水再生利用--城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18920-2002）中接觸30min后出水總余氯大于1.0mg/L的要求。

（2）投加量基數(shù)

投加量基數(shù)是指正常水質(zhì)條件下的次氯酸鈉投加量，主要由A水廠大湖原水需氯量及機(jī)加池出水需保證余氯量兩部分確定。根據(jù)多年需氯量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及機(jī)加池出水余氯要求，A水廠次氯酸鈉工藝投加基數(shù)設(shè)定為100mg/L。

（3）投加量糾偏

投加量糾偏是指當(dāng)機(jī)加池出水在線總余氯數(shù)值超出上、下限值時(shí)，次氯酸鈉加藥泵在投加量基數(shù)上自動(dòng)增、減的量。A水廠將投加量糾偏設(shè)定為5mg/L，即當(dāng)機(jī)加池出水在線總余氯數(shù)值低于下限值時(shí)，在原100mg/L基數(shù)上自動(dòng)增加5mg/L，按105mg/L投加；當(dāng)機(jī)加池出水在線總余氯數(shù)值高于上限值時(shí)，在原100mg/L基數(shù)上自動(dòng)減少5mg/L，按95mg/L投加。

（4）投加量（合數(shù)）

投加量（合數(shù)）是指在投加量基數(shù)上進(jìn)行多次糾偏調(diào)整后的實(shí)際投加量。

（5）間隔調(diào)節(jié)時(shí)間

通過試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，自A水廠配水塔上調(diào)整次氯酸鈉投加量至機(jī)加池出水總余氯出現(xiàn)變化需要40min。當(dāng)水中含有氨氮時(shí)，為保證其與次氯酸鈉完全反應(yīng)，至少需要60min。故將調(diào)整間隔設(shè)定為60min，以保證總余氯檢測(cè)數(shù)據(jù)與投加量調(diào)整匹配。

6、結(jié)論

6.1 A水廠再生水出水余氯合格率增加，機(jī)加池出水余氯波動(dòng)變緩

未使用次氯酸鈉智能投加系統(tǒng)以前，A水廠再生水出水余氯波動(dòng)范圍為0.2～2.4mg/L之間，全年近25%的天數(shù)余氯低于1.0mg/L。自動(dòng)投加系統(tǒng)上線后，余氯波動(dòng)變化范圍收窄為0.8～1.8mg/L，出水余氯合格率大幅提高。

6.2 減少水質(zhì)波動(dòng)下的人工調(diào)整工作量

未使用次氯酸鈉智能投加系統(tǒng)以前，A水廠如遇G污水處理廠排放水中氨氮、亞硝酸鹽氮等指標(biāo)大幅上升，運(yùn)行人員便需要對(duì)機(jī)加池出水及出廠水余氯情況加密檢測(cè)，化驗(yàn)人員進(jìn)行需氯量實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷調(diào)整次氯酸鈉投加量，以保證出水余氯達(dá)標(biāo)。自動(dòng)投加系統(tǒng)上線后，僅通過對(duì)余氯在線數(shù)據(jù)的比對(duì)分析便可進(jìn)行智能糾偏，大大減少了運(yùn)行人員及化驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度。

6.3 有效降低消毒藥劑投加量

未使用次氯酸鈉智能投加系統(tǒng)以前，A水廠運(yùn)行人員為保證出廠水余氯符合國標(biāo)要求，通常采取機(jī)加池出水高余氯控制的方式，既造成消毒藥劑的浪費(fèi)又易腐蝕輸水設(shè)備及管道。智能投加系統(tǒng)上線后通過機(jī)加池余氯上限控制，避免了人為調(diào)整過量的問題，降低了消毒藥劑的消耗量。