原水厂集水井溶解氧过低原因分析及应对控制措施

袁 君，焦 洁，胡淑圆，陆纳新，笪跃武，陈 燚

(无锡市水务集团有限公司，江苏无锡 214031)

溶解氧(dissolved oxygen，DO)是指以分子状态溶存于水中的氧气单质。水体中溶解氧可作为指示水体污染状态的重要指标。清洁地表水的溶解氧含量接近饱和，当水体受到污染时溶解氧降低[1]。溶解氧降低可能是由于物理、化学、生物的消耗影响，其中，化学消耗主要包括有机物及无机物的氧化，生物消耗主要包括动植物及微生物维持新陈代谢所消耗的氧气[1]。

某原水厂集水井原水溶解氧的长期监测结果显示，2009年—2014年夏季溶解氧持续降低，2014年夏季集水井溶解氧达到最低值(3.8 mg/L)，而在集水井前端相距2 510 m的取水口溶解氧含量为6.14 mg/L。本课题结合实际生产运行情况对溶解氧下降的原因进行分析与探摸验证，制定改进方案并实施。

该原水厂取水设计规模为100万m3/d，取水头部位于离岸3 km的湖心处。取水头部是外形为菱形的桶状钢结构，侧面开设进水孔，孔口处设格栅阻挡漂浮物。2根长为2 510 m的DN2600自流管与4根长为230 m的DN1600虹吸管采用集水井形式相连，如图1所示。DN2600自流管进集水井处设圆闸门，控制取水；集水井进水面上设4处闸门，起到远、近取水口切换取水的作用。

图1 某原水厂取水头部及取水管示意图

1 存在问题及原因分析

1.1 存在问题

原水厂取水自流管2008年投产运行，2011年后的夏季出现了集水井原水溶解氧偏低现象，2014年溶解氧最低值为3.8 mg/L(夏季)，为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类～Ⅳ类。为确保供水安全稳定优质，避免因阶段性的水体中溶解氧过低造成其他次生问题，如取水水体厌氧导致的水质恶化进而影响后续水处理构筑物的正常运行，对这一现象进行了深入分析。

自流管投运后不同年份集水井、取水口年均溶解氧值及其差异如表1所示。

由表1可知，投运后的两年，水源厂集水井原水与湖区年平均溶解氧基本一致，从2011年开始，差值逐年增大。为进一步了解这一现象，统计了2011年—2014年9月(即集水井溶解氧低未得以解决)水温、自流管运行工况(管道内流速)以及取水口、集水井内溶解氧差值的逐月对比情况，如图2所示。在水温较低的情况下，无论自流管内流速快慢，取水口和集水井的溶解氧基本不存在差值；但在气温较高的月份，差值较大。

表1 集水井、取水口年均溶解氧值及其差异

图2 取水口、集水井溶解氧差值及水温、自流管内流速逐月变化情况

1.2 原因分析

原水厂在清理调节池等构筑物中曾发现，池壁内附着一些类似贝类生物。根据上述现象分析推测，在自流管中极有可能存在类似贝类的水生生物，如淡水壳菜、河蚬等，其生长过程可消耗大量溶解氧。

为验证这一推测，进行了取水头部和管道内壁的水下探摸工作，发现整个取水箱底有30～40 cm的淤积泥；壁板紧靠管道位置有少量贻贝，范围较小，厚度在1 cm左右；取水格栅上局部有少量贻贝，厚度在1 cm左右。其附着数量与管道内流速关系如表2所示[2]。

表2 淡水壳菜附着数量与管道内流速关系

淡水壳菜附着生活，常形成非常稠密层层堆叠的群体，生长厚度可达3～5 cm，以滤食水体中的硅藻、原生动物和有机碎屑等为生。淡水壳菜属于耗氧生物，对水中溶解氧影响较大，在繁殖生长期间内，水温、溶解氧是幼体的主要影响因素，生长过程可消耗大量溶解氧，同时，成熟个体的死亡也加速了溶解氧的下降速度。越高的种群密度，越能加快溶解氧整体的下降速度[3]。

原水厂取水口的格栅无法拦截成年淡水壳菜，极小的淡水壳菜幼虫(体长只有数百微米)更能顺利进入管道，附着在内壁生长。因此，造成集水井内原水低于取水口水体溶解氧的主要原因是管壁内零散分布淡水壳菜群落等好氧微生物，在水温合适时大量繁殖过度耗氧；此外，自流管管道流速过低，加剧了这一过程。水厂生产过程中出现阶段性的水体中溶解氧过低，且在没有实施任何措施的情况下，自流管内水体的溶解氧随着时间的推移将愈来愈低，给供水水质安全带来挑战。另外，管壁内淡水壳菜等耗氧生物的生长和繁殖也必然会减小管道的过水断面，增大管道糙率，从而降低管道输水能力。虽然目前的取水量较小，淡水壳菜等好氧生物的生长尚不满1 cm，未出现此现象，但随着附着好氧生物的生长加厚，会影响设计负荷下的生产运行。针对此，制定了相应的方案与措施，以抑制或灭活管道内好氧生物的生长繁殖等活动并将其从管壁内去除。

2 应对措施制定与实施

2.1 应对措施

目前，控制淡水壳菜的方法主要有生物、物理及化学方法[4]。深圳水务协同哈尔滨工业大学及南昌大学在“十一五”期间进行了淡水壳菜控制的实验室和生产性试验，分析比较不同药剂的氧化杀灭效果，结果显示次氯酸钠是经济性、应用性强的杀灭淡水壳菜的氧化剂。它不仅能杀死淡水壳菜，还能溶解足丝，降低其附着能力，使其更容易被水流冲刷下来。提高管道中的水流速度能够增加淡水壳菜的去除量，脉冲水流比恒流效果好。水流冲刷与氧化剂的协同作用强于水流单独的冲刷作用[3]。

鉴于原水厂集水井原水与湖区水质溶解氧相差较大，考虑在取水头部投加药剂，抑制生物生长繁殖等活动，以消除或减小水质差异。

2.2 投加方案

2.2.1 投加药剂

结合已有的试验研究成果与调研情况，考虑可操作性与实施性，本方案选定次氯酸钠为氧化剂。考虑淡水壳菜杀灭效率，同时减少消毒副产物的形成，尽可能少地增加水的致突变活性，方案设计最大投加量为2 mg/L，具体根据每次投加时运行实际与小样试验等确定。

2.2.2 投加方式

根据原水厂的现场实际，对比了以下3种方案，如表3所示。

表3 3种方案的比较

方案一：厂内投加，主要是在原水厂内建设次氯酸钠投加系统(根据现状，需新建储液池，增设计量泵)，铺设总长约为3 200 m的加药管道至取水头部，考虑投加的稳定可靠，管道设置2根。

方案二：取水头部投加(建设平台)，即在离岸3 km处设置一座永久性固定平台，在平台上建设次氯酸钠投加系统，进行投加。

方案三：取水头部投加(租用船只)，将方案二中需要设置的平台部分，改为租用船只。为避免碰撞取水头部，选择取水口保护桩外一警示牌处为船只停靠位置，搭建简易可靠的加氯平台，并从该位置敷设管道至取水头部。

经调研与咨询，每年的淡水壳菜繁殖期和夏季，在原水厂取水管道头部连续投加一周以上的药剂，基本可消除取水管道前后的水质差异。因此，综合实际应用需求与施工现场诸多因素，选用方案三，主要工程内容：在水源厂取水口保护桩外的一警示牌处搭建加氯平台，从该位置铺设2根DN80的管道至2个取水头部，管长东侧为245 m，西侧为240 m，管材使用不锈钢管(316)，如图3所示。

图3 投加管道铺设示意图

2.3 进水流速控制

因供水调度工作随城市整体供水格局的发展适时调整，该原水厂正常运行工况下取水量前期有所下降，后期又逐步提高，自流管道内流速先降低再升高，其内理论流速与流量关系如表4所示。考虑到管道里有部分淤积，实际流速比计算出的理论流速稍大。

表4 2011年—2020年夏季平均流量下的自流管道内流速

为确保管道内壁的冲刷效果，运行过程中对照表2、表4与实际冲刷情况，必要时采取单管运行策略，确保流速保持在0.6 m/s以上。

2.4 方案实施

根据确定后的方案，完成了取水头部新设加氯平台的建设工作。

(1)药剂投加时期：在淡水壳菜类好氧生物大量繁衍前约一周开始投加，一般为5月中旬，最终结合每年的天气、水温情况进行确定。且考虑到温度升高，反应速度加快[5]，产生的消毒副产物三卤甲烷总量升高很快，应尽量避免7月、8月温度较高时在取水头部投加次氯酸钠。持续投加时间根据投加实际进行调整，一般在一个月内。

(2)药剂投加方式：在运行初期采用间歇式，初期投加4 h，集水井余氯按照0.3 mg/L的控制要求调整投加初始质量浓度(2.5～3.0 mg/L)。一方面，避免了初期因药剂投量大，引起管道内淡水壳菜杀死和排出数量过多，堵住管道，甚至出现水质恶化的现象；另一方面，利于突发事件的应对。在后续运行中，除投加船上料、避风等情况停止投加外，采用全天投加。另外每年根据排出的贻贝生物情况及数量、水质数据，适当调整投加方式、投加量、持续时间，如表5所示。

表5 2015年—2020年次氯酸钠投加时间和投加量

(3)运行控制：原水厂2根自流管内流速小于0.6 m/s，实施单管、交替运行，在保证冲刷效果的同时可防止停运管道内的水质恶化。

(4)水质检测：前期通过监测pH、水温、溶解氧、藻类等水质参数，判断淡水壳菜群体生长繁殖的状况和规律。通过观察淡水壳菜平均壳长变化，推测出种群繁殖的时期。药剂投加时期，除原水常规指标外，增加余氯指标与相应频次，同时采样检测水中消毒副产物浓度。

(5)构筑物清理：在氧化剂和水力冲刷双重作用下，管道内贻贝类生物会排入厂内集水井，为保证集水井内水质，投药期间定期清理集水井底的生物。在投药过程中，观察提升泵房的旋转滤网，生物较多时应及时清理。集水井内、旋转滤网清理出的贻贝类生物清理后运送至适当地方。

3 实施效果

3.1 溶解氧变化

如图4所示，2015年—2020年投加次氯酸钠(2017年未投加)进行清洗管道。由于2018年—2020年水量增大，为控制次氯酸钠投加质量浓度为2.5～3 mg/L，此3年次氯酸钠投加量增大。集水井和旋转滤网清理出大量贻贝类生物(11.5～19.1 t)，有效减缓并抑制了取水管道内淡水壳菜群落等好氧微生物的大量繁殖。溶解氧在取水管道内的衰减变缓，管道前后水质溶解氧差异未进一步扩大(除2017年)，集水井内溶解氧质量浓度未出现过低现象(基本在5 mg/L及以上)，为确保供水稳定、安全、优质增添了前道屏障。清洗后的一段时间里，2018年和2020年溶解氧差值较高，可能是因为5月初开始投加到5月底结束，此时淡水壳菜并未大量繁殖，6月温度升高，淡水壳菜重新生长。因此，建议开始投加时间可以考虑在5月中下旬。

图4 2015年—2020年次氯酸钠投加量及管道生物流出量

水温影响水体中溶解氧饱和度，水温愈高，水中溶解氧含量愈低。因此，需特别关注水温在20 ℃以上的5月—10月初。以2015年次氯酸钠投加实施为例，投加时间为6月4日—27日，持续24 d，用量为147 t(药剂有效浓度为8%～10%)，该时段取水口与集水井溶解氧如图5所示。停止次氯酸钠投加一段时间后，溶解氧差值出现反弹，说明淡水壳菜等耗氧生物又在管道里生存，但考虑到在夏季高温时投加次氯酸钠有消毒副产物增加的风险，因此，次氯酸钠未继续投加。但经过次氯酸钠投加清洗后，在南泉取水口湖域溶解氧与2014年同期相近的情况下，集水井原水溶解氧均值仍保持在7.3 mg/L以上，较2014年同期相同水温(22～25 ℃)条件下提高1.2 mg/L。在水温高于25 ℃后，集水井溶解氧虽有下降趋势，但仍能维持在6 mg/L左右，符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类以上。综上，方案的实施达到了预期的效果。

图5 取水口、集水井溶解氧

3.2 对后续工艺的影响

取水头部投加次氯酸钠，可以抑制好氧生物的过度耗氧，但对水体水质会带来消毒副产物增加的风险。为此，在实施期间，尽量控制集水井内余氯保持在0.1～0.5 mg/L；同时，对后续各工艺阶段消毒副产物产生情况进行跟踪，如图6所示。

图6 取水头部次氯酸钠投加前后消毒副产物变化

因原水厂与净水厂距离较远，为控制藻类等，原水厂出厂设置加氯工艺，净水厂采用多点加氯手段。当取水头部未投加次氯酸钠时，原水厂集水井基本未检出三卤甲烷；当取水头部投加次氯酸钠后，集水井中三氯甲烷、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和三溴甲烷均有检出，且原水厂出厂水中消毒副产物含量有所上升，但三卤甲烷比值基本在0.7及以下。净水厂出厂水三卤甲烷比值并未大幅增加，说明净水厂后续工艺(含深度处理)对消毒副产物有较好的处理效果。由此可见，原水厂取水头部投加次氯酸钠未对后续净水厂的工艺造成负担。

此外，考虑到温度升高，反应速度加快[4]，三卤甲烷总量升高很快，应在水温较低的情况下投加次氯酸钠以排除管道内好氧生物的影响。

4 结论

(1)原水厂取水自流管2008年投产运行，2011年出现了集水井原水溶解氧偏低现象，2014年溶解氧最低值为3.8 mg/L(夏季)。经分析与探摸验证，其主要原因是自流管管壁内零散分布淡水壳菜群落等好氧微生物，水温合适时大量繁殖过度耗氧；此外，自流管管道流速过低，加剧了这一过程。

(2)为确保供水安全、稳定、优质，避免因阶段性的水体中溶解氧过低造成其他次生问题，经充分调研与论证，实施了如下措施：在取水头部投加次氯酸钠药剂，抑制或灭活管道内好氧生物生长繁殖，同时加大流速对剥落的淡水壳菜贻贝类水生生物的有效冲刷。

(3)2015年—2020年的生产实践表明，在5月中下旬投加次氯酸钠为宜，投加量为2.5～3 mg/L。并根据集水井内余氯等水质情况以及排出的贻贝生物数量、水质数据，可适当调整投加方式、投加量、持续时间，能有效确保管道内好氧生物的排除效果，同时不对后续生产工艺造成负担。