再生水次氯酸钠消毒工艺控制策略研究

时间：2024-08-31

田雨

（北京市华新源再生水有限责任公司，北京 100124）

再生水是指以城市污水处理厂一级或二级排放水为水源，经深度处理后，水质指标低于生活饮用水，但高于允许排放污水的可重复使用的一种水资源，是国际公认的“第二水源，可用于农林牧渔业用水、城市杂用水、工业用水、环境用水、补充水源水等方面。

2002年SARS疫情发生后，再生水利用的环境与健康问题开始受到关注，学者们对再生水利用的关注点开始转向卫生安全方面。由于污水厂常规生化处理工艺对所收集污水中的病原微生物灭活能力有限，且《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中，未对污水处理厂一级或二级排放水消毒处理进行强制要求，为了防止水介传染病的传播，在再生水生产中必须设置消毒处理工艺，以确保病原微生物量降至安全水平。

再生水水源成分复杂多变，出水余氯要求高，目前专门针对再生水消毒工艺精准控制研究较少。本文将以A再生水厂为例，探讨影响再生水次氯酸钠消毒剂工艺稳定运行的各类因素，提出切实有效的控制策略，力争达到既保证再生出水余氯指标100%合格，又有效降低次氯酸钠投加量的双赢目标。

1、A水厂再生水生产流程

G污水处理厂排放水，通过专用管线输送至A水厂预沉大湖内。经预沉后由中间泵站提升至配水塔，并在配水塔上完成三氯化铁混凝剂和次氯酸钠消毒剂的初次投加。接着通过重力流的作用将水输送至机械加速澄清池，完成混凝、沉淀、澄清处理。随后进入V型滤池进行过滤，滤后水通过补加次氯酸钠达到进一步消毒的目的，最终进入清水池存储，经配水泵房加压后由再生水专用配水管网输送至公园、河道、居民小区等终端用户，工艺流程详见图1。

图1 A水厂再生水生产流程

2、A水厂再生水出水水质情况

A水厂再生水用于园林绿化、环卫、河湖补水和居民冲厕等多种用途，其水质应同时满足《城市污水再生利用—城市杂用水水质》（GB/T 18920-2002）及《城市污水再生利用—景观用水水质》（GB/T 18921-2019）要求，见表1。

表1 A水厂再生水出水情况

根据A水厂2019年再生水水质年均值显示，除总氮指标因受限于工艺去除效果欠佳外，其他指标均优于《城市污水再生利用—城市杂用水水质》（GB/T 18920-2002）及《城市污水再生利用—景观用水水质》（GB/T 18921-2019）要求。

3、A水厂再生水消毒工艺运行情况

消毒工艺是控制再生水水质的重要环节。A水厂采用次氯酸钠消毒工艺，采用多台米顿罗G系列往复式隔膜计量泵定量投加。A再生水厂建有次氯酸钠地下储池2座，满储量为140吨，生产所用商品次氯酸钠有效氯含量10%左右。

次氯酸钠加氯量分为两部分，一部分为需氯量，另一部分为余氯量，只有当加氯量大于需氯量时，才会产生余氯。加氯量不足无法保证余氯符合国标要求，更无法起到抑制管网中细菌、大肠杆菌等微生物大量繁殖的作用。而加氯量过量，则会造成消毒副产物增加，制水成本升高，管网腐蚀加速。

与饮用水厂较为平稳的水源水质和加氯量相比，再生水生产因受水源水质影响，加氯量波动频繁。A水厂全年日均加氯量为10.3mg/L，最高为21.6mg/L，最低仅为4.3mg/L，见图2。

图2 A水厂2019年日均加氯量

4、造成A水厂次氯酸钠加氯量波动的主要原因

4.1 水源水质波动

（1）氨氮

A水厂再生水生产以G污水处理厂排放水为水源，根据2019年G污水处理厂排放水中氨氮日检数据图3显示，全年氨氮低于0.5mg/L为238天，占65%；氨氮为0.5～1.0mg/L为62天，占17%；高于1.0mg/L为65天，占18%，最高值为14.4mg/L，最低值为0.08mg/L，两者相差百余倍。

图3 2019年G污水处理厂排放水中氨氮含量

其中6月至10月G氨氮基本处于平稳状态，而11月至次年5月，G污水处理厂氨氮去除能力下降，波动异常剧烈。造成氨氮波动的原因，主要是G厂采用生物脱氮除磷工艺，而硝化反应的最适宜温度为30～35℃，当温度低于15℃时消化反应速度下降明显，氨氮去除能力降低。

（2）亚硝酸盐氮

2019年G厂排放亚硝酸盐含量波动也异常频繁，全年最高值为3.2mg/L，最低值为0.02mg/L，两者相差1600倍。全年亚硝酸盐氮低于0.5mg/L为149天，占41%；亚硝酸盐氮为0.5～1.0mg/L为118天，占32%；高于1.0mg/L为98天，占27%，详见图4。

图4 2019年G污水处理厂排放水中亚硝酸盐氮含量

（3）微生物

根据A水厂2019年检测，G污水处理厂排放水中，总大肠菌群及粪大肠菌群指标也存在一定的波动，见表2。

表2 2019年G污水处理厂排放水中总大肠菌群和粪大肠菌群数据

4.2 A水厂预沉大湖内藻类

A水厂厂内建有容积6万m3预沉大湖一座。大湖水深较浅，水流比较缓慢，由于不间断供水需求，A水厂十余年未进行底泥清淤，湖内氮磷营养物质极为丰富，加上适宜的光照、温度、pH值、溶解氧等生态因子的作用，湖内藻类生长速度极快。根据2018、2019年利用德国bbe公司便携式藻类分析仪（Algae Torch）对A水厂预沉大湖内总藻数量监测数据显示，每年3～10月是藻类大量爆发的时期，湖内总藻数量可达每升几千万个。

5、次氯酸钠消毒工艺控制策略

G污水处理厂排放水中氨氮、亚硝酸盐氮及微生物指标的无规律波动及A水厂预沉大湖内藻类大量繁殖，极易影响次氯酸钠消毒药剂的稳定投加。通过前期研究，设计并使用次氯酸钠投加自动控制系统可以解决运行人员经验不足，遇突发水质变化调整不及时、耗费大量人工成本进行加密检测的问题。

表3 2018、2019年A水厂预沉大湖内总藻数量

5.1系统工作原理

A水厂原本仅在清水池出水处设有一台哈希Cl17在线余氯检测仪，用于检测出厂水总氯。从次氯酸钠消毒药剂在配水塔上调整投加量到清水池出水在线余氯数据有所反馈需要近2个小时，为缩短消毒工艺响应时间，在机加池出水处增设了一台哈希Cl17在线余氯检测仪，数据反馈时间由2小时缩短至40分钟。另一方面，当在线余氯检测仪检测出机加池出水余氯出现大幅降低的情况，可及时开启清水池出水后补氯计量泵，以保证出水余氯符合国标要求。

将机加池在线余氯检测仪的输出信号，输入到次氯酸钠投加计量泵的控制系统中，参与计量泵消毒药剂投加控制调节。

图5 计量泵自动化系统

具体为：机加池在线余氯检测仪每3分钟检测一次的数据通过PLC进行采集，处理后传递给控制室电脑。电脑对实时的余氯进行分析，当余氯处于预先设定余氯控制范围内时，余氯反馈信号不参与计量泵的控制调整，当余氯超出或低于预先设定余氯控制值范围时，余氯反馈信号参与计量泵运行的控制调整，自动进行药剂投加增减，并根据设定的间隔对余氯数据再次检测比对，检验纠偏幅度是否已达到要求，如不符合要求将继续多次进行纠偏调节直至余氯稳定控制在设定范围内。此套系统在各项数据收集分析过程中会逐渐形成一个学习过程，达到各参数的非线性计算比例，具体操作界面见图6。

图6 自动投加系统界面

5.2 主要系统参数设定

（1）机加池余氯上、下限值设定

机加池余氯上、下限值是指机加池出水余氯控制范围，可根据水质、季节等条件变化进行人工调整。每年4月至9月，藻类易在A水厂砂滤池内聚集，造成滤前、滤后余氯存在一定的损耗，根据前期试验结果，余氯损耗最高可达40～50%，故对机加池出水余氯限值进行适当提高，将下限设定为2.0mg/L，上限为2.3mg/L。每年10月至次年3月，滤前、滤后余氯损耗为10～20%，则将下限设定为1.5mg/L，上限为1.8mg/L，即可满足《城市污水再生利用--城市杂用水水质标准》（GB/T 18920-2002）中接触30min后出水总余氯大于1.0mg/L的要求。

（2）投加量基数

投加量基数是指正常水质条件下的次氯酸钠投加量，主要由A水厂大湖原水需氯量及机加池出水需保证余氯量两部分确定。根据多年需氯量实验数据及机加池出水余氯要求，A水厂次氯酸钠工艺投加基数设定为100mg/L。

（3）投加量纠偏

投加量纠偏是指当机加池出水在线总余氯数值超出上、下限值时，次氯酸钠加药泵在投加量基数上自动增、减的量。A水厂将投加量纠偏设定为5mg/L，即当机加池出水在线总余氯数值低于下限值时，在原100mg/L基数上自动增加5mg/L，按105mg/L投加；当机加池出水在线总余氯数值高于上限值时，在原100mg/L基数上自动减少5mg/L，按95mg/L投加。

（4）投加量（合数）

投加量（合数）是指在投加量基数上进行多次纠偏调整后的实际投加量。

（5）间隔调节时间

通过试验我们发现，自A水厂配水塔上调整次氯酸钠投加量至机加池出水总余氯出现变化需要40min。当水中含有氨氮时，为保证其与次氯酸钠完全反应，至少需要60min。故将调整间隔设定为60min，以保证总余氯检测数据与投加量调整匹配。

6、结论

6.1 A水厂再生水出水余氯合格率增加，机加池出水余氯波动变缓

未使用次氯酸钠智能投加系统以前，A水厂再生水出水余氯波动范围为0.2～2.4mg/L之间，全年近25%的天数余氯低于1.0mg/L。自动投加系统上线后，余氯波动变化范围收窄为0.8～1.8mg/L，出水余氯合格率大幅提高。

6.2 减少水质波动下的人工调整工作量

未使用次氯酸钠智能投加系统以前，A水厂如遇G污水处理厂排放水中氨氮、亚硝酸盐氮等指标大幅上升，运行人员便需要对机加池出水及出厂水余氯情况加密检测，化验人员进行需氯量实验，并根据检测及实验结果不断调整次氯酸钠投加量，以保证出水余氯达标。自动投加系统上线后，仅通过对余氯在线数据的比对分析便可进行智能纠偏，大大减少了运行人员及化验人员的工作强度。