CO2应用于中小型水厂原水pH值调控生产性试验

黄孟斌，吕 华，王梅芳，杨 峰，武 洋，向 伟

(深圳市深水宝安水务集团有限公司，广东深圳 518001)

净水厂原水pH的控制对于水质稳定性非常重要，对水化学有较大的影响，适宜的pH可以使净水工艺中的混凝、消毒等处理效果和效率达到最优。目前，水体富营养化导致的藻类问题越发严峻，而原水的pH往往由于藻类等因素而上下浮动[1]。因此，需要在净水处理前对原水进行pH的调整与控制。

碳酸是一种环保型酸化剂，无需进行危险性、侵蚀性酸的防护与处理，可以直接注入到管道、水池和浅渠中。因此，利用CO2制备碳酸溶液的投加系统被广泛应用于北美洲、亚洲净水厂的pH控制[2]。国内用CO2处理饮用水尚处于起始和初步研究阶段，本文选择石岩水库水源的深圳市上南水厂，探讨CO2调控原水pH的特点和优势。

1 试验背景

上南水厂是一家集常规工艺和深度处理工艺于一体的中小型水厂(图1)，设计规模为10万m3/d，首期建设于1987年，分为4期，实际供水量为5.5万m3/d。

图1 水厂工艺流程图Fig.1 Process Flow of the WTP

水厂原水取自石岩水库(表1)，茅洲河上游干流，水质受周边环境及季节影响，pH值波动较大，一般在5.8～9.7(图2)。藻类季节性暴发，最高为107个/L，易引起铝离子、消毒副产物、2-甲基异莰醇(2-MIB)等物质的升高，带来出厂水水质风险。

表1 石岩水库主要水质的变化Tab.1 Variation of Water Quality in Shiyan Reservoir

图2 水厂原水pH变化Fig.2 Variation of pH Value of Raw Water in WTP

2 试验方法

2.1 试验流程

本次试验设备选用上海轩铺的全自动CO2投加系统，设计投加量为10 kg/h，CO2溶于水会生成碳酸，将预反应生成的碳酸注入到待处理的水中，碳酸与碱迅速发生化学反应，达到了降低且稳定水中pH的目的。

水厂CO2投加方式如图3所示，CO2从钢瓶出来后，经减压阀由液态变为气态，利用气态CO2释放高效混合碳酸系统，在水射器的带动下，投加入DN900原水管中，在投加CO2前后各安装在线pH仪表，确定投加量。

图3 CO2投加系统工艺流程Fig.3 Process Flow of CO2 Dosing System

2.2 CO2释放高效混合碳酸系统

本套系统由气化CO2系统、载体增压水系统、旋流混合反应系统、水射器投加装置组成。CO2罐体储存为低温高压液态，通过电加热调节阀加热气化为常温低压气态投加，增压水泵将混合水体升压到0.45 MPa，与CO2气体在旋流混合反应管内高效混合，形成碳酸溶液，注入到水体中，调节水体pH。此方式运行稳定，可将CO2利用率提高到95%以上。CO2可用于调节pH值、水体再矿化调节碱度以及强化絮凝等，其特点在于不会造成水体pH突变，强化絮凝时多余CO2也易吹脱。

3 结果分析

CO2投加系统于2020年8月正式投入试验性生产，水厂定期对铝离子和消毒副产物、有机物进行检测，评价其对水质的作用效果。试验数据累积时间为2020年6月—9月。

3.1 不同pH对应流程水铝离子的变化

试验期间，持续检测CO2投加后不同pH对应的沉后水和滤后水铝离子的浓度，如图4所示。一、二期和三、四期廊道pH取样点为CO2投加后与投加碱铝之间，为反馈pH取样点。

图4 不同pH对应的铝离子变化Fig.4 Aluminum Ion Variation Corresponding to Different pH Values

由图4可知，投加CO2后的沉后水，其铝离子基本在0.15～0.28 mg/L，滤后水的铝离子为0.10～0.20 mg/L。其中，当pH值为7.40～7.80时，沉后水铝离子浓度为0.15～0.18 mg/L，滤后水铝离子为0.10～0.13 mg/L，符合水厂水质控制标准，同时满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。因此，控制CO2投加后pH值在7.40～7.80即可。

由表2可知，CO2投加前后的pH改善明显，基本控制在最佳混凝沉淀pH值(7.4～7.8)。CO2投加进原水后，对低区段pH值(8.0～9.0)的反应明显，对高区段pH值(>9)的反应较为困难。分析原因，pH所对应的原水温度和水质有关，CO2的溶解度也随水温变化，温度升高，CO2溶解混合反应效率越低。

表2 投加CO2前后pH变化Tab.2 pH Value Variation before and after Dosing CO2

3.2 对浑浊度的去除效果

对比分析不同工况下浑浊度的变化，如表3所示。

表3 CO2对浑浊度去除效果的对比(原水pH值为8.0～9.0)Tab.3 Comparison of Effect of CO2 on Turbidity Removal (pH Value 8.0～9.0 of Raw Water)

(1)工况1和工况2：在不开启CO2的前提下，通过增加碱铝的投加量达到控制流程水浑浊度的目的，碱铝单耗增加1.0 mg/L，沉后水浑浊度降低了52%，滤后水浑浊度降低了62%，出厂水浑浊度达标。

(2)工况1和工况3：在开启CO2的前提下，碱铝单耗不变，控制原水廊道pH值在7.4～7.8，流程水浑浊度的去除效果提升明显，出厂水浑浊度达标，沉后水铝离子均值由0.17 mg/L下降至0.15 mg/L，滤后水铝离子均值从0.14 mg/L下降至0.12 mg/L，达到水厂内控标准(≤0.12 mg/L)，可被有效控制。试验证明，CO2投加系统效果明显，可应对原水pH升高带来的铝离子超标问题，达到试验预期。

在原水pH较高的情况下，通过单独增加碱铝单耗的方式控制浑浊度，存在铝离子超标的风险。其中，沉后水铝离子检出的平均值为0.35 mg/L，超过生活饮用水卫生标准；滤后水铝离子检出的平均值为0.16 mg/L，且斜管沉淀池积泥速度增加，工艺池清洗间隔时间缩短。

3.3 对有机物及副产物的影响

(1)水厂一、二期为臭氧-活性炭短流程深度处理工艺。在CO2投加系统未运行前，该工艺在原水pH值为8.0～9.0时，对耗氧量的去除率在37.5%左右，对氨氮的去除率为38%；开启CO2投加后，对耗氧量的去除率达到48.5%，对氨氮的去除率为40%，提升效果明显。

(2)对于一、二期的深度处理工艺，投加CO2后的深度处理工艺对2-MIB的去除率比未投加CO2时增长12%，如表4所示。

表4 CO2对2-MIB去除效果的对比Tab.4 Comparison of Removal Effect of CO2 on 2-MIB

分析原因：通过投加CO2，强化混凝沉淀效果，提升深度处理前水质效果，消毒副产物的前体物得到有效去除；经过深度处理工艺后，消毒副产物得到有效控制[2]，导致2-MIB的去除率升高，滤后水2-MIB浓度远低于10.1 ng/L，出厂水低于《深圳市生活饮用水水质标准》的限值。

4 创新点分析

(1)运行CO2投加系统：液态CO2净重为400 kg，总价为2 000元，单价为5元/kg。按照2 m3/h的平均投加量，密度为1.826 g/L，水厂进水量为2 400 m3/h，计算增加的CO2制水成本为0.008元/m3。通过增加碱铝单耗调控原水pH：碱铝单价为906元/t，按照增加1.0 mg/L的碱铝投加量，计算增加的碱铝制水成本为0.009 1元/m3。CO2的单位制水成本略低于碱铝。

(2)从运行管理和危害性分析，碱铝的腐蚀性对管材、设备要求高，维修保养频次高；对运行人员的安全操作要求高；碱铝投入工艺池水体中易引起出厂水中铝离子超标，不利于居民饮用水安全。碳酸作为环保型弱酸，具有经济、安全、易储存、对环境无腐蚀等特点，在调控水质pH方面具有绝对优势。

5 结论

(1)由CO2投加系统运行前后数据分析可知，CO2作为环保型弱酸剂，可以有效地调控原水pH。混凝沉淀pH值在7.40～7.80，且保证铝离子不超标的前提下，滤后水浑浊度可控制在0.12 NTU左右，pH调控效果明显。

(2)针对石岩水库原水pH波动较大，水厂投加CO2，不但极大地改善了pH升高带来的混凝沉淀效果差的问题，而且对比深度处理工艺和常规处理工艺，出水有机物和2-MIB的去除率均有明显的提升，充分保障了水质安全。

(3)水厂实际运行水量较小，CO2使用量不大，单位制水成本为0.008元/m3，处理成本较低。本套系统采用的是气态溶解高效混合投加方式，对大型水厂应用CO2气体调控原水pH有借鉴价值。