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供水企業如何做好原水水質風險預警的感知層建設?

2020-11-12 15:11來源:水務加作者:清時捷科技 

導語


供水企業的智慧化建設工作中,不可避免涉及智慧決策模塊。其中水質風險是該模塊的重點關注問題。如何做好原水水質風險預警的感知?需要了解以下兩個核心工藝技術問題:

  1. 哪些指標持續上升易引發水質問題?

  2. 不同風險指標,現行常用檢測方式和檢測能力如何?

風險預警建立的技術邏輯

生活飲用水衛生標準GB5749-2006中,對出廠水106項指標進行了限值要求。哪些指標持續上升易引發水質問題,是建立水質風險預警機制的核心問題。

風險指標的篩選需要通過全面深入分析所在地多年原水、出廠水及管網水水質數據,結合水質日常監測情況,提取重要水質指標的預警指導值。

結合不同指標現行的檢測方式和檢測能力,制定多級監測頻率。在此基礎上,確定水質出現風險時的相應監測方案和針對性解決措施。

風險預警建立的指標

01

濁度

濁度是一個綜合性水質指標,與水的外觀、色、嗅和味等其他水質指標緊密相關。

作為凈水廠處理的主要對象之一,濁度是一種廣泛用于控制和監測水處理廠運行中顆粒物去除率的替代參數,其波動對水廠的生產會造成較大的沖擊。因此,建議將濁度作為原水水質波動風險的預警指標。

原水濁度波動可能主要受降雨和水源的影響,季節性泄洪或調配也會造成影響。

降雨導致水中大量的泥沙翻滾,使原水濁度明顯升高;水庫水源的水相對較為靜態和穩定,濁度比較穩定,值較低;而河流水源的水一般不太穩定且處于流動狀態,濁度變化相對較大。

不同水廠的水源地類型,呈現不同變化規律。

比如河流性水源地、水庫型水源地會呈現出不同的變化范圍。不同供水企業應當根據水源地三年內監測結果,確定濁度的常規范圍。

以深圳某水庫型水源地為例,常規范圍與河流型有顯著不同:水庫水源小于30NTU;河流水源低于100NTU。與此對應出水的濁度均符合國家標準,這說明水廠的現行的工藝和參數基本是與原水相適應的。

因此,濁度作為預警指標時,需根據歷史數據分析出常規范圍。然后根據出水質量,判斷現行工藝應對水質波動的能力。進而確定預警限值。

圖1a 某水庫水源的原水濁度變化示例

圖1b 某河流水源水廠的原水水濁度變化示例

濁度的檢測目前市場上有成熟的在線檢測裝置,也有成熟的手持便攜式檢測裝置,裝置配件損耗少,綜合來講,此指標的檢測難度和成本較低,建議供水企業創造條件,保持較高監測頻率。

02

pH

pH值反映水的酸堿性,pH過低的水具有腐蝕性和侵蝕性,會造成管網銹蝕,水質發黃,另外pH超出一定范圍也會對人體健康產生影響,對水質處理工藝運行效果有顯著影響。

因此,水的pH必須控制在合理的范圍內,國家標準為6-9,根據水質處理工藝效果的要求,需要進行階段性必要調控。

pH在混凝、消毒等水處理工藝中是一個重要的控制因素,比如pH會影響混凝沉淀中膠體和藻類的電荷,控制水中化學反應動力學;決定混凝劑的水解速度和水解產物類型、濃度和電荷;控制金屬氫氧化物沉淀在水中的溶解度等。

不同反應對pH的要求是有差異的,同時化學反應的結果又會一定程度的改變pH值。

因此,pH需要在一個比較平衡的范圍,才不會對工藝過程產生顯著的影響,一般認為,原水pH在6.5-8.5之間時,工藝不需要做太大調整。

圖2a是深圳多個水廠的歷史原水pH值的情況。

圖2a 某多水廠原水pH變化示例

各水廠原水pH基本在6.5-7.5間,平均pH值為7.07,最大值為8.65;出水的pH為7.0-8.0,弱堿性。

各供水企業應對水廠原水歷史數據進行相似分析,以提取常見范圍,評估工藝運行效率。

圖2b 某多水廠出水pH變化示例

pH的檢測難度和成本與濁度情況類似,且對多個工藝運行效果有顯著影響,建議供水企業創造條件,保持較高監測頻率。

03

嗅味

嗅味是人類最能直接感受得到的飲用水水質指標之一,也是用戶敏感的感官指標之一。

水中嗅味問題異常復雜,嗅味來源物質多樣,嗅味種類往往也差別較大。

圖3是深圳歷史上多個水廠檢測出的原水嗅味情況。

圖3 多水廠原水嗅味變化情況

從圖中看出,嗅味是長期以來原水一直存在的水質現象,而且異常嗅味等級從0到3均有一定頻率地出現。當嗅味等級達到3時,用戶會有較多關注。且普通的工藝難以控制達標,屬于防控措施較復雜的指標。

由于嗅味是感官性指標,檢測存在個體感知差異,同時卻是用戶較敏感的水質指標。

市面上暫無機械性定量檢測工具,需要建立專業檢測人員團隊實施檢測。檢測方法的專業程度能將檢測人員的主觀誤差保持較低水平。

建議供水企業視能力范圍,以用戶體驗為導向,盡量提高監測頻率。

04

溶解氧

水的溶解氧與受污染程度密切相關,當水體受到有機物污染,耗氧嚴重,溶解氧得不到及時補充,水中有機物會發生腐敗而使水體變黑、發臭,從而產生色度和嗅味異常的問題。

另外溶解氧也會影響鐵、錳去除效果,當溶解氧偏低時,鐵、錳去除率降低,存在鐵、錳超標風險。

圖4是深圳歷史上多個水廠的溶解氧情況,基本在5-10mg/L之間變動,當溶解氧低于5mg/L時,水體受到的污染應予以關注。

圖4 某多水廠原水溶解氧變化示例

此指標的檢測方法為化學氧化法,市面上也存在成熟的便攜式檢測工具。建議企業保持較高監測頻率。

05

氨氮

水中的氨氮主要來源于生活污水中含氮有機物的初始污染,受微生物作用,可分解成亞硝酸鹽氮,繼續分解最終成為硝酸鹽氮。

水中的亞硝酸鹽氮過高,飲用此水將和蛋白質結合形成亞硝胺,是一種強致癌物質,長期飲用對身體極為不利。

此外,氨氮的高低會對氯消毒工藝產生影響(加氯量和加氯點),操作不當會引起消毒副產物的問題。

圖5表示了多水廠原水氨氮的示例,水廠原水氨氮含量大部分時候在0.05-0.35mg/L之間變動,偶有受到生活污水的污染的風險,但總體仍在水廠處理可控范圍之內。

圖5 多水廠原水氨氮變化示例

因此,根據水源地水質情況,以地表水Ⅱ類標準0.5mg/L建立氨氮突變水質的預警和應急調控。當氨氮超過該值時,應調整工藝,保證出水水質。

此指標的檢測一般使用分光光度法,需要購置分光光度計和專用化學檢測藥劑,并由專業檢測人員進行檢測。

06

高錳酸鹽指數(CODMn)

高錳酸鹽指數反映了水受有機物污染的程度。

水體中的耗氧有機物來源較多,排放量大,是一種普遍性的污染。耗氧有機物一般不具有毒性,且易為微生物所利用分解。

但這類有機物在氧化分解時會消耗水體中大量的溶解氧從而引起水質的惡化,破壞水體功能;水中耗氧有機物的分解常常釋放出營養物質——氮、磷、硫等,引起水體中藻類的大量繁殖,容易引起水體的富營養化。

圖6分別為原水和處理出水的高錳酸鹽指數情況。從數據看出,原水的CODMn一般在1-3mg/L之間,去除率為20%-65%。

圖6a 原水高錳酸鹽指數示例

圖6b 相應去除率

雖然出水CODMn始終<3mg/L,符合國家生活飲用水標準。但應看到,水廠常規處理工藝對CODMn去除率有限,現有工藝很難滿足飲用水處理要求。

因此,此案例中CODMn應作為水廠原水水質突變的預警指標,預警值為小于3mg/L。“一廠一策”,供水企業需要根據歷史原水及出水水質情況,評估原水水質風險及現行工藝處理能力。

此指標的檢測一般使用化學滴定法,所需購置的儀器和藥劑成本低,但需要專業檢測人員進行操作。建議企業保持一定的監測頻率。

07

總錳

錳易引發“黃水”問題,導致用戶投訴。水源為地表水的,總錳含量相對不高,但易出現季節性變化。地下水則相應較高。

圖7為深圳歷史多水廠的原水和總錳去除率情況。

圖7a 原水總錳變化情況

圖7b 總錳去除率

從圖中看出,原水總錳含量一般都小于0.1mg/L,但也存在大于0.2mg/L的情況;錳去除率為40%-90%,出廠水含量一般小于0.02mg/L,低于飲用水衛生標準中對錳的要求(低于0.1mg/L)。

根據我司原水正常錳含量范圍,原水總錳預警值定為小于0.2mg/L。“一廠一策”,供水企業需要根據歷史原水及出水水質情況,評估原水水質風險及現行工藝處理能力。

此指標的檢測可采用原子分光光度法或化學分光光度法,需購置對應儀器和藥劑,對專業檢測人員的操作水平要求較高。

在線監測儀器的檢出限值較高,需要進行比對和儀器維護。建議企業保持一定的監測頻率。

08

2-MIB(二甲基異茨醇)和土臭素(二甲基萘烷醇)

MIB和土臭素是飲用水中的最為普遍的致嗅物質,是一種由地表水中藍藻(藍綠藻)和放線菌(細菌)產生的一種天然萜烯醇化合物。

在水中的溶解度不高,是微極性脂溶性化合物。

它們在室溫下呈半揮發性,在含量低時分別為霉味和土臭味,人的嗅覺對其極為敏感,嗅閾值僅為ng級別。

因此,2-MIB和土臭素經常成為研究關注的對象。

研究表明,傳統的工藝對于2-MIB和土臭素的去除雖有部分效果,但并不理想(僅達到50%),還需依賴其他深度處理工藝。

研究顯示,人類嗅覺對土臭素感知濃度為30ng/L。

其檢測方法一般需要使用GC-MS儀器,所需儀器成本較高,對檢測操作人員的專業程度要求也較高。建議企業視能力范圍進行外委檢測。

09

藻類

南方濕熱氣候,每年的4、5月和7、8月份都會發生水源藻類大量繁殖的情況。由于藻類爆發會引起一些問題:

(1)部分藻類分解或腐爛時會產生異嗅物質,比如土臭素、二甲基異莰醇等;

(2)藻類及其可溶性代謝產物是Ames試驗氯化致突變前體物;

(3)增加預氧化劑、混凝劑及消毒劑的投加量;

(4)藻細胞密度過高,或某些具有聚集性能的藻類會引起濾池嚴重堵塞,嚴重影響水廠的供水能力。

引起濾池堵塞的藻類以硅藻為主,由于硅藻有堅硬的外殼,不能被一般的氧化劑滅活和破壞,在濾池表面不斷積累后,形成一層厚厚的毯狀物覆蓋在濾池表面。導致濾池堵塞的硅藻一般沒有產毒素能力。

(5)微囊藻、魚腥藻等藍藻在腐爛或分解時,會產生毒性很強的藻毒素。我國現行的飲用水水質標準規定,藻毒素含量不能超過10μg/L。北方地區季節性變化明顯。

藻類主要是通過增加水處理難度間接影響其它水質指標,因此將其列入預警指標。當超過1×107個/L時易出現水質問題,因此,預警指導值定為不大于1×107個/L。

深圳歷史原水藻類基本低于1×107個/L,如圖9所示。

圖9 原水藻類變化示例

10

橈足類浮游動物

國內外大量研究發現浮游動物體表和體內含有大量的細菌等病原體,由于其生命頑強,且有游動性,易穿過水處理工藝設施進入城市管網,對飲用水安全構成了潛在威脅。

劍水蚤為代表的橈足類浮游動物具有堅硬的甲殼,抗氧化性強。較大的劍水蚤肉眼可見,似白色肉蟲,其在飲用水中出現,給用戶的感官印象非常差,而且劍水蚤類浮游動物是血吸蟲等致病生物的中間宿主,是疾病傳播的途徑之一,會給飲用水安全帶來潛在威脅。

劍水蚤繁殖能力強,游動性大,容易穿透濾池進入管網;它還具有較強的抗氧化性,常規水處理的消毒工藝難以將其殺滅。

以往,以劍水蚤為代表的橈足類浮游動物已在許多城市水源特別是水庫、湖泊類水源水中出現。

劍水蚤等在常規給水處理工藝過程還可能發生二次繁殖,使得出廠水的劍水蚤增加。主要原因可能有:

(1)當殘余劍水蚤流人沉淀池后,會隨形成的絮凝體沉淀下來,但在排泥周期較長情況下,污泥沉積區為沉降下來的劍水蚤提供了良好的生活場所,劍水蚤得以大量繁殖,并游動到上部清水層,使沉淀池出水劍水蚤增加。

(2)在過濾過程中,劍水蚤由于其個體較大一般會被濾池截留,但濾料為截留的劍水蚤提供了良好的棲息場所,使劍水蚤得以增殖,增殖的蚤卵或幼蟲有堵塞濾池甚至穿透濾料可能,濾池反沖洗水廢水再次回流進水處理系統中,也會使濾池中劍水蚤富集。

由于以劍水蚤為代表的橈足類浮游動物的這種二次繁殖的能力,我們需要對水廠原水進行充分的預防和監控,一般認為,當發現橈足類(數量超過1000個/100L),應啟動預警機制,調整工藝應對。

此指標的檢測需要對取樣點進行掛網,肉眼檢測即可。且用戶敏感度高,因此建議企業保持較高監測頻率。


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來源:水務加


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