簡介
很多美國城市在努力遵守環(huán)保署《安全飲用水法》中各項法規(guī)的同時，越來越重視降低城市水處理廠的運營成本。如今許多水處理廠（例如科羅拉多州恩格爾伍德市水處理廠）采用總有機碳（TOC）監(jiān)測技術(shù)來優(yōu)化水處理工藝，從而在生產(chǎn)高質(zhì)量飲用水的同時，顯著降低了水處理工藝的成本。
問題
美國環(huán)保署的《消毒劑和消毒副產(chǎn)物規(guī)則（D/DBPR）》旨在限制飲用水中有害副產(chǎn)物的含量，這些有害副產(chǎn)物主要來自于水源中天然存在的有機物（TOC）與水處理廠使用的消毒工藝用料之間的相互反應(yīng)。該規(guī)則不僅規(guī)定了消毒副產(chǎn)物【DBP，例如三鹵甲烷（THM）和鹵乙酸（HAA5）】的濃度限值，還規(guī)定了TOC去除率。許多水處理廠都采用傳統(tǒng)的或直接的過濾處理工藝，即用混凝劑去除TOC。美國環(huán)保署用“強化混凝"一詞來定義用傳統(tǒng)水處理方法限制DBP生成和提高TOC（也稱DBP前體）去除率的工藝。
水處理廠常常以為“強化混凝"和提高TOC去除率等同于提高運營成本。但如果水處理廠能夠真正了解本廠水中的TOC狀況，以及各項工藝參數(shù)變化對TOC的影響，運營成本就會不升反降。事實證明，通過監(jiān)測TOC來優(yōu)化水處理工藝，能夠顯著降低水處理的成本。雖然優(yōu)化“強化混凝"工藝并無萬全之策可循，但對影響TOC去除率的工藝參數(shù)進行日常監(jiān)測，可以得到非常有價值的信息。即使在水質(zhì)頻繁波動的情況下，水處理廠也能夠滿足法規(guī)對TOC去除率的要求，而不必?fù)?dān)心投加過量或不足量的混凝劑。
在混凝過程中，TOC去除率取決于多項工藝參數(shù)，包括混凝劑種類、混凝劑投加量、水的pH值?？偟膩碚f，TOC去除效率隨著混凝劑投加量的增加而提高。但不同的混凝劑有不同的TOC去除效果，尤其是在pH值不同的情況下更是如此。大多數(shù)混凝劑的投加量都有閾值。超過閾值后，繼續(xù)投加混凝劑不僅不會進一步提高TOC去除率，反而會產(chǎn)生更多廢物。這就會增加混凝劑的消耗量和處理廢物的成本，而不會進一步降低水中的TOC含量。因此，對于水處理廠而言，充分了解各項工藝參數(shù)變化對TOC去除率的影響至關(guān)重要。
解決方案
雖然很難確定在水處理過程中所有參數(shù)之間的具體關(guān)聯(lián)性，但TOC分析儀可以幫助水處理廠揭開優(yōu)化工藝的神秘面紗。工藝優(yōu)化研究的第一步通常是燒杯試驗，即從水處理廠提取少量水樣，放在多個實驗室燒杯中，然后分別加入不同的化學(xué)試劑。燒杯試驗結(jié)合TOC儀器吸樣檢測和濁度檢測，可以有效地比較各種混凝劑及其應(yīng)用效果。以往，人們通過目測燒杯試驗來觀察顆粒間的粘附情況，以判斷濁度去除效果。但由于去除濁度的較佳混凝條件并不總是與去除TOC的較佳混凝條件一致，這就使得水處理廠必須同時監(jiān)測TOC和濁度。
通過燒杯試驗選定了一種混凝劑或幾種混凝劑的混合物之后，就需要進行連續(xù)的TOC監(jiān)測。由于水處理廠的源水情況（包括pH值、堿度、有機物成分）可能頻繁變化，因此在線式TOC監(jiān)測就成為頻繁觀察工藝流程的有效方法。在線型TOC分析儀可以連續(xù)測量進水和出水的TOC，使水處理廠能夠根據(jù)水在廠內(nèi)的停留時間計算出實際TOC去除率。水處理廠可以在必要時調(diào)整混凝劑投加量、pH值、以及其它參數(shù)，以進一步提高TOC去除率。如果水處理廠僅僅依靠第三方實驗室來檢測TOC，檢測結(jié)果總是來得太晚，無法用于優(yōu)化當(dāng)前的工藝參數(shù)。
位于科羅拉多州恩格爾伍德市（在丹佛市郊）的艾倫水處理廠是一家傳統(tǒng)的水處理廠，日處理能力為2800萬加侖（10.6萬立方米/天）。該廠的主要水源是南普拉特河。該廠用硫酸鋁（一種常用混凝劑）在三級絮凝系統(tǒng)中對水進行處理，然后將處理過的水導(dǎo)入沉淀池（見圖1）。絮凝和沉淀預(yù)處理之后，將水通過顆粒活性炭（GAC）過濾器進行過濾。
圖1：恩格爾伍德市水處理廠的預(yù)處理
在進行第一階段D/DBPR合規(guī)性任務(wù)時，該廠以平均60mg/L的比例投加硫酸鋁。在此投加量下，TOC去除率和消毒副產(chǎn)物濃度均達到法規(guī)要求。但該廠每年需支出近137,000美元的混凝劑成本，另外每年還需支付100,000美元來處置預(yù)處理過程產(chǎn)生的污泥。
第二年隨著混凝劑價格的提高，該廠進行了有限的工藝調(diào)整試驗，將TOC樣品送到第三方實驗室進行檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不明顯影響TOC去除率的情況下，可以將混凝劑用量降至45mg/L，仍能達到D/DBPR法規(guī)的要求。
第三年該廠購置了一臺Sievers® TOC分析儀，全面開展工藝優(yōu)化研究。操作人員用此臺TOC分析儀持續(xù)監(jiān)測進水和出水的TOC，將混凝劑投加量調(diào)整至36mg/L后仍能達標(biāo)。該廠的混凝劑成本降至86,000美元，污泥處置費也減少了近一半，降至50,600美元。購置了Sievers TOC分析儀之后，該廠每年節(jié)省成本超過100,000美元。
結(jié)論
通過持續(xù)的工藝監(jiān)測，恩格爾伍德市水處理廠如今已將硫酸鋁的投加量進一步優(yōu)化至20mg/L，仍能達到法規(guī)對TOC去除率和沉淀濁度的要求。盡管自實施第一階段D/DBPR合規(guī)性任務(wù)以來，混凝劑的價格提高了30%，但該廠采用如今的投加量，每年可節(jié)省超過145,000美元。
在購置Sievers TOC分析儀之前，我們需要將樣品送到實驗室進行檢測，至少需要兩周時間才能拿到結(jié)果。這種效率對于合規(guī)性監(jiān)測來說問題不大，但對于工藝優(yōu)化來說卻毫無幫助。我們現(xiàn)在有了TOC分析儀，操作人員可以立即查看監(jiān)測結(jié)果，并據(jù)此調(diào)整工藝參數(shù)。TOC分析儀能夠幫助我們節(jié)省化學(xué)品用量和降低殘留物管理成本，遠(yuǎn)遠(yuǎn)物超所值。
——恩格爾伍德市水務(wù)生產(chǎn)管理員
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