泵站原水水质变化情况探讨研究

贾柏樱， 姚 慧， 路 桢， 冯 涛， 刘晓冰， 张 鹏

(天津水务集团有限公司引江市区分公司，天津300122)

天津某泵站于2015年1月正式运行，主要构筑物包括电站、泵房、调节池等。近几年引江原水检测数据表明，其水质基本满足《地表水质量标准》(GB3838—2002)地表水Ⅲ类水体的标准，绝大部分指标达到Ⅱ类或Ⅰ类标准。但是进入泵站调节池的原水中混杂有大量悬浮物质，造成调节池进口附近区域产生严重的淤积问题，对水质产生潜在的隐患，同时耗氧量、碱度、硬度、叶绿素、藻类[1]等指标随着调节池内不断的淤积或季节温度的改变，会有不同程度的变化。为关注原水水质和淤积的变化情况，笔者于2018—2020年对南水北调入津工程沿线不同断面的原水、水厂出水的主要水质指标及淤积物成分进行检测试验，同时结合水厂工艺过程，研究分析不同时期、不同时段水质变化规律及不同水质问题的解决方案或建议，以期为改善水质提供技术支持。

1 试验材料与方法

对南水北调入津工程沿线不同节点断面的水质进行检测分析，取水断面包括：原水断面1、原水断面2、原水断面3、原水断面4、王庆坨水库、西河(曹庄)泵站调节池、水厂出水(1#水厂为凌庄水厂、2#水厂为津滨水厂)，如图1所示。

图1 原水沿线取水断面与出厂水示意Fig.1 Schematic diagram of raw water intake section and treated water

检测分析原水的温度、浊度、pH、耗氧量、碱度、硬度、叶绿素、藻类计数[2]等指标，同时对淤积物的成分进行小试和检测分析，根据分析研究结果提出控藻、降低有机物含量等建议。

2 结果与讨论

2.1 沿程水质的变动特征

为了对原水水质沿程变动规律与水厂净化效果进行分析，采集沿程4个原水断面、1座泵站调节池和2座水厂出厂水水样，水质见表1。

表1 原水水质沿程变化Tab.1 Quality of raw water along the route

2.1.1浊度

从原水断面1至原水断面4，引江原水浊度较为稳定并维持在较低水平，至原水泵站后有大幅度增长，经水厂处理后又显著回落。这表明原水经过管渠长距离输送进入泵站调节池后，池内固有淤积物会引起水体浊度升高，经过水厂净化处理后显著降低。

2.1.2pH

从原水断面1至原水泵站，引江原水pH较为稳定，经水厂处理后下降至7.7左右。出厂水pH较原水大幅降低，分析认为这是由于2座水厂投加酸性的硫酸铁与聚合氯化铝所引起，酸化后水体pH符合要求。

2.1.3总碱度

从原水断面1至原水泵站，引江原水总碱度情况较为稳定，经水厂处理后略有降低，与pH的沿程变化规律相同。

2.1.4高锰酸盐指数

从原水断面1至原水泵站，引江原水高锰酸盐指数较为稳定，经水厂处理后略有降低。这表明2座水厂能够有效去除原水中的还原性有机物，其中2#水厂的去除效果优于1#水厂。

2.1.5总硬度

原水断面1至原水断面3，引江原水总硬度值较为稳定，而从原水断面3至原水泵站逐渐降低，经水厂处理后略有升高。

从检测数据看，原水pH、总碱度、总硬度、高猛酸盐指数在各断面间变化不大，变化趋势大体一致，但是在原水断面4处水质略有变化，高锰酸盐指数略有升高，碱度、硬度略有下降。

综合分析得出，引江原水水质沿程略有变化，但各点位均符合地表水Ⅲ类水体标准，各项水质指标基本稳定。经水厂处理后，原水的pH、碱度有所降低，硬度变化不显著，浊度、高锰酸盐指数去除效果较明显，且2#水厂比1#水厂去除效果略好[3]。

2.2 原水水质随时间的变动特征

采集2018年至2020年西河泵站进口、出口水样，分析原水水质的逐月变动特征。

2.2.1总硬度

原水总硬度在该3年间受季节性影响且变化趋势一致，如图2所示。高温季节总硬度较低且小于110 mg/L，最低值99 mg/L出现在2019年8月；中低温季节总硬度较高且在110 mg/L以上，最高值138 mg/L出现在2019年3月。

图2 2018—2020年原水总硬度的变化Fig.2 Variation of raw water total hardness from 2018 to 2020

2.2.2总碱度

原水总碱度的变化与总硬度类似，高温季节总碱度较低且小于90 mg/L，最低值78 mg/L出现在2020年9月；中低温季节总碱度较高且在90 mg/L以上，最高值111 mg/L出现在2018年5月。总碱度与总硬度具有相同的变动特征，与原水中藻类微生物代谢活性直接相关。高温季节，藻类的光合作用强于呼吸作用，水中大量CO2转变为碳酸根离子，进而形成碳酸钙沉淀。相反，低温季节下水中微生物的呼吸作用强于光合作用，释放大量CO2进入水中，这也是典型的水库型原水水质变动特征。

图3 2018—2020年原水总碱度的变化Fig.3 Variation of raw water total alkalinity from 2018 to 2020

2.2.3CODMn

2018年和2020年，西河泵站水样的CODMn变化趋势较为一致，均在第二季度达到最高值，第四季度降至最低值。2019年的CODMn水平较为稳定且数值偏低，如图4所示。最低值1.6 mg/L出现在2018年11月至2019年5月，最高值2.9 mg/L出现在2018年8月和2020年6月。

图4 2018—2020年原水耗氧量的变化Fig.4 Variation of raw water oxygen consumption from 2018 to 2020

2.2.4总叶绿素

总叶绿素含量受季节性影响较大，2018—2020年每年的变化趋势较为相同，即随着温度升高，水中藻类微生物含量增大，则叶绿素含量明显增加，同时第二和第三季度表现较为明显，如图5所示。最高值40.46 μg/L出现在2020年6月，最低值0.45 μg/L出现在2019年2月。

图5 2018—2020年原水叶绿素的变化Fig.5 Variation of raw water total chlorophyll from 2018 to 2020

2.2.5藻类计数

原水中藻类[4]含量受季节性影响较大，每年变化趋势较为相同，即随着温度升高，水中生物含量增大，则藻类含量明显增加，同时第二和第三季度表现较为明显，如图6所示。最高值2 153×104个/L出现在2020年6月，最低值55×104个/L出现在2020年1月。

图6 2018—2020年原水藻类计数的变化Fig.6 Variation of raw water algae counts from 2018 to 2020

2.2.6其他指标

此外，考察了溶解氧、TOC、土臭素、2-甲基异莰醇等指标的逐月变动情况。2018年至2020年间，引江原水中基本未检测出土臭素与2-甲基异莰醇；溶解氧含量具有显著的温度相关性，随温度升高而降低，反之则升高；TOC、总磷、铁、锰总体稳定，总磷通常小于0.01 mg/L。2018年，总氮基本都在1.0 mg/L以上，2020年较2019年有所降低。

研究中还发现，西河泵站原水的溶解氧、菌落总数随水深增加而降低，CODMn和总氮随水深增加而增大；不同深度的总有机碳、总碱度、总磷、pH、粪大肠菌群变化不大，基本稳定；pH在8.27～8.60之间；叶绿素、氨氮随水深不同而有所变化，但变化不稳定；不同深度微囊藻毒素[5]、锰均未检出。

2.3 泵站淤积特征与处理方法

2.3.1淤积特征分析

原水泵站调节池进口有明显可见的悬浮物质，在水流的冲击下更为明显。泵站调节池经过近几年的正式运行，进口区域已经产生了很深的淤积物，最深超过7.0 m。上游加大供水量时，原水浊度、叶绿素会有明显的变化。如2020年6月上游加大供水量期间原水叶绿素最大升高到40.46 μg/L，可通过应急处置投加次氯酸钠降低其含量。

针对调节池进口处淤积的现象，为保证调节池的安全运行和水质安全，2020年每月对调节池内淤积物进行测量统计，结果见表2。

表2 2020年原水泵站调节池淤积情况Tab.2 Silting situation of regulating tank of raw water pump station in 2020

由勘测统计情况得知，截至2020年12月18日调节池内淤积物总量为117 129.0 m3，其中西北侧淤积物总量为68 413.7 m3(约占总淤积量的58.41%)，死水位-2 m以上淤积量为26 414.9 m3，淤积最大高程为2.21m。死水位-2 m以上淤积物总量仍以205.16 m3/d的平均速度增长(取10月至12月增长平均值)，给原水水质带来安全隐患。

对池内污泥进行表观分析，均匀晃动盛放泥沙的实验瓶可以观察到：污泥经晃动有气泡产生；沉淀30 min后，底部泥沙为深棕色，可见明显的沙粒状物质；上清液为棕色，上部漂浮有细小颗粒物，污泥中混有纤维类物质；嗅觉气味为腥臭味。底部泥沙中所含的有机成分在微生物代谢作用下会引起水质恶化。检测分析发现，污泥中含有大量碳酸化合物，是产生气泡的主要原因。

2.3.2淤积物质分选处理

① 步骤1

取450 mL泥液(图7.a)，加入2.5 mL药剂A溶液，反应5 min后加入11.9 mL药剂B溶液，反应4 h。

一次水洗加水至2 L，沉淀1 h后有机无机组分分选效果如图7.b所示。观察发现上清液较为浑浊且含有较多的悬浮物，但能明显观察到分层现象。底部沉淀物以无机泥沙为主，脱水性能良好，分离出的无机污泥见图7.c。

图7 无机污泥分离过程Fig.7 Separation process of inorganic sludge

② 步骤2

取步骤1所得上清液(有机污泥部分)1.7 L，依次加入药剂C溶液2 mL、1% PAM约10 mL、10% PAC约13 mL，有絮体沉淀物产生。上清液较步骤1时变得更加清亮，部分悬浮物在药剂作用下沉淀，沉淀物呈絮状，含水率约为97%，性状与市政污泥中的浓缩污泥较为相似，分离效果见图8。

图8 有机污泥沉淀效果 Fig.8 Sedimentation effect of organic sludge

③ 步骤3

取步骤2产生的絮体污泥进行过滤处理，可得到污泥与过滤液，其中过滤液澄清且成呈淡黄色，主要是因为该部分滤液中溶解部分有机物质。絮凝上清液COD为99.1 mg/L，氨氮为27.4 mg/L，TN为42.5 mg/L，TP为2.41 mg/L，可达到《天津市污水综合排放标准》(DB 12/356—2018)中三级排放标准(COD<500 mg/L、氨氮<35 mg/L、磷酸盐<3 mg/L)。

2.3.3分选后污泥性质

分别对原泥、步骤1中的无机污泥和步骤3中的有机污泥热值进行检测，得到厡泥热值为536.4 kcal/kg，无机污泥热值为178.7 kcal/kg，有机污泥的热值为1 015.1 kcal/kg。可见，经过分选处理后，无机泥沙中有机物成分有效减少，可显著降低后期堆放过程中臭气产生量；分选得到的有机污泥热值更高，可用于堆肥或焚烧处理。

实验结果显示，原水泵站调节池底部泥沙采用有机无机分选技术进行处理，在技术上可行，能够有效解决泥沙处理处置问题，不会造成二次污染。调节池底部泥沙经过有机无机分选后，无机泥沙热值很低，有机成分减少，无机成分含量提高；处理后的泥沙性质更加稳定，不易发臭。无机污泥利用价值高，可作为建材使用；分离得到的有机污泥热值较高，可用于堆肥或焚烧处理；有机无机污泥脱水产生的滤液达到《天津市污水综合排放标准》(DB 12/356—2018)中三级标准，可直接排入市政管网。

3 结论与建议

① 引江沿线原水pH、总碱度、总硬度各断面数值变化不大，变化趋势大体一致，基本稳定，但是原水断面4的高锰酸盐指数略有升高，碱度、硬度略有下降。

② 经水厂处理后，出厂水的pH、碱度有所降低，氯化物、氨氮升高，硬度变化不大，对浊度、高锰酸盐指数去除效果较明显，2#水厂优于1#水厂。深度处理工艺[6]对目前的引江原水中的浊度、高锰酸盐指数的去除要好于常规处理工艺。

③ 调节池底部泥沙经过有机无机分选后，性质更加稳定，不易发臭，可作为建材使用。分离得到的有机污泥，热值较高，可用于堆肥或焚烧处理。污泥脱水产生的滤液符合《天津市污水综合排放标准》(DB 12/356—2018)三级标准，可直接排入市政管网。因此，针对原水泵站调节池底部泥沙采用有机无机分选技术进行处理在技术上可行，能够有效解决泥沙处理处置问题，不会造成二次污染。

④ 水厂应及时关注上游加大供水量时原水叶绿素的变化，必要时采取投加次氯酸钠的方法降低有机物含量。

⑤ 鉴于调节池淤积情况，目前的清淤方式不能彻底将淤积物清除，建议考虑再建设1个备用调节池，实现调节池的彻底清淤，以确保原水水质安全。

⑥ 数据分析表明，近几年原水CODMn含量不断升高。建议上游单位采取一定的措施进行干预，解决CODMn升高与下游淤积等问题。