简介
很多美国城市在努力遵守环保署《安全饮用水法》中各项法规的同时,越来越重视降低城市水处理厂的运营成本。如今许多水处理厂(例如科罗拉多州恩格尔伍德市水处理厂)采用总有机碳(TOC)监测技术来优化水处理工艺,从而在生产高质量饮用水的同时,显著降低了水处理工艺的成本。
问题
美国环保署的《消毒剂和消毒副产物规则(D/DBPR)》旨在限制饮用水中有害副产物的含量,这些有害副产物主要来自于水源中天然存在的有机物(TOC)与水处理厂使用的消毒工艺用料之间的相互反应。该规则不仅规定了消毒副产物【DBP,例如三卤甲烷(THM)和卤乙酸(HAA5)】的浓度限值,还规定了TOC去除率。许多水处理厂都采用传统的或直接的过滤处理工艺,即用混凝剂去除TOC。美国环保署用“强化混凝”一词来定义用传统水处理方法限制DBP生成和提高TOC(也称DBP前体)去除率的工艺。
水处理厂常常以为“强化混凝”和提高TOC去除率等同于提高运营成本。但如果水处理厂能够真正了解本厂水中的TOC状况,以及各项工艺参数变化对TOC的影响,运营成本就会不升反降。事实证明,通过监测TOC来优化水处理工艺,能够显著降低水处理的成本。虽然优化“强化混凝”工艺并无万全之策可循,但对影响TOC去除率的工艺参数进行日常监测,可以得到非常有价值的信息。即使在水质频繁波动的情况下,水处理厂也完全能够满足法规对TOC去除率的要求,而不必担心投加过量或不足量的混凝剂。
在混凝过程中,TOC去除率取决于多项工艺参数,包括混凝剂种类、混凝剂投加量、水的pH值。总的来说,TOC去除效率随着混凝剂投加量的增加而提高。但不同的混凝剂有不同的TOC去除效果,尤其是在pH值不同的情况下更是如此。大多数混凝剂的投加量都有阈值。超过阈值后,继续投加混凝剂不仅不会进一步提高TOC去除率,反而会产生更多废物。这就会增加混凝剂的消耗量和处理废物的成本,而不会进一步降低水中的TOC含量。因此,对于水处理厂而言,充分了解各项工艺参数变化对TOC去除率的影响至关重要。
解决方案
虽然很难确定在水处理过程中所有参数之间的具体关联性,但TOC分析仪可以帮助水处理厂揭开优化工艺的神秘面纱。工艺优化研究的第一步通常是烧杯试验,即从水处理厂提取少量水样,放在多个实验室烧杯中,然后分别加入不同的化学试剂。烧杯试验结合TOC仪器吸样检测和浊度检测,可以有效地比较各种混凝剂及其应用效果。以往,人们通过目测烧杯试验来观察颗粒间的粘附情况,以判断浊度去除效果。但由于去除浊度的最佳混凝条件并不总是与去除TOC的最佳混凝条件一致,这就使得水处理厂必须同时监测TOC和浊度。
通过烧杯试验选定了一种混凝剂或几种混凝剂的混合物之后,就需要进行连续的TOC监测。由于水处理厂的源水情况(包括pH值、碱度、有机物成分)可能频繁变化,因此在线式TOC监测就成为频繁观察工艺流程的最有效方法。在线型TOC分析仪可以连续测量进水和出水的TOC,使水处理厂能够根据水在厂内的停留时间计算出实际TOC去除率。水处理厂可以在必要时调整混凝剂投加量、pH值、以及其它参数,以进一步提高TOC去除率。如果水处理厂仅仅依靠第三方实验室来检测TOC,检测结果总是来得太晚,无法用于优化当前的工艺参数。
位于科罗拉多州恩格尔伍德市(在丹佛市郊)的艾伦水处理厂是一家传统的水处理厂,日处理能力为2800万加仑(10.6万立方米/天)。该厂的主要水源是南普拉特河。该厂用硫酸铝(一种常用混凝剂)在三级絮凝系统中对水进行处理,然后将处理过的水导入沉淀池(见图1)。絮凝和沉淀预处理之后,将水通过颗粒活性炭(GAC)过滤器进行过滤。
图1:恩格尔伍德市水处理厂的预处理
在进行第一阶段D/DBPR合规性任务时,该厂以平均60mg/L的比例投加硫酸铝。在此投加量下,TOC去除率和消毒副产物浓度均达到法规要求。但该厂每年需支出近137,000美元的混凝剂成本,另外每年还需支付100,000美元来处置预处理过程产生的污泥。
第二年随着混凝剂价格的提高,该厂进行了有限的工艺调整试验,将TOC样品送到第三方实验室进行检测。结果发现,在不明显影响TOC去除率的情况下,可以将混凝剂用量降至45mg/L,仍能达到D/DBPR法规的要求。
第三年该厂购置了一台Sievers TOC分析仪,全面开展工艺优化研究。操作人员用此台TOC分析仪持续监测进水和出水的TOC,将混凝剂投加量调整至36mg/L后仍能达标。该厂的混凝剂成本降至86,000美元,污泥处置费也减少了近一半,降至50,600美元。购置了Sievers TOC分析仪之后,该厂每年节省成本超过100,000美元。
结论
通过持续的工艺监测,恩格尔伍德市水处理厂如今已将硫酸铝的投加量进一步优化至20mg/L,仍能达到法规对TOC去除率和沉淀浊度的要求。尽管自实施第一阶段D/DBPR合规性任务以来,混凝剂的价格提高了30%,但该厂采用如今的投加量,每年可节省超过145,000美元。
在购置Sievers TOC分析仪之前,我们需要将样品送到实验室进行检测,至少需要两周时间才能拿到结果。这种效率对于合规性监测来说问题不大,但对于工艺优化来说却毫无帮助。我们现在有了TOC分析仪,操作人员可以立即查看监测结果,并据此调整工艺参数。TOC分析仪能够帮助我们节省化学品用量和降低残留物管理成本,远远物超所值。
——恩格尔伍德市水务生产管理员
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