二氧化碳投加系统在净水厂工艺应用的研究进展

二氧化碳投加系统在净水厂工艺应用的研究进展

刘晨, 李苗苗

（武汉市水务集团有限公司, 湖北武汉, 430000）

摘要针对原水pH偏高造成净水厂出厂水铝浓度过高的水质问题，本文对目前国内采用的二氧化碳投加技术调节原水pH的工艺应用进展进行了研究。结果表明，投加二氧化碳不仅可稳定有效控制原水pH值、降低出厂水铝的含量，还可降低水厂运行成本，对保障水厂出厂水水质具有十分重要的意义。

关键词二氧化碳pH铝净水厂

铝是一种金属物质，一旦进入人体，会在人体内不断地累积，造成急性神经系统的损伤[1]。近年来，国内很多地区多座水厂都面临生活饮用水铝含量较高甚至超标的风险，饮用水中铝含量过高问题日益引起了普遍重视[2]。新国标《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）提出，出厂水铝指标的浓度不得超过0.20mg/L。

国内很多水厂采用的混凝剂是铝盐，当原水pH较高时，铝盐混凝效果变差，可能造成铝溶出量增加，使得出厂水的铝含量升高。造成这种现象的主要原因是原水pH值会影响混凝剂的水解效果，进而影响水中溶解铝的含量。因此，对于季节性原水pH值较高的水厂，如何有效调节原水pH值，保障出厂水铝指标达标成为亟待研究的重要课题。

目前，针对原水pH值较高导致出厂水铝指标存在超标风险的问题，国内水厂主要采取更换酸化混凝剂或加酸方式用以降低原水pH。以上两种方式存在以下弊端：更换酸化混凝剂一方面可能会增加生产成本，另一方面混凝剂的切换不利于水厂工艺运行的稳定性；以加酸方式调节原水pH不易稳定控制，同时强酸具有腐蚀性且属于易制毒危化品，容易引发安全事故[3]。二氧化碳（CO2）投加技术能够快速、稳定地控制原水pH值且具有环保、安全等特点，现逐步被应用于水处理行业。[4-5]

1 二氧化碳的投加方式

CO2投加技术是一项有效的用来调节原水pH值的方法，该技术有两种投加方式：“气/液”投加（将CO2气体直接加注到原水中）和“液/液”投加（将CO2与水充分混合形成碳酸后，以液体方式加入到原水中）。2020年9月底∽10月底，上海南汇自来水有限公司针对两种投加方式分别对惠南水厂和航头水厂开展了二氧化碳投加对比试验[6]。“气/液”投加方式的原理，是在原水管道上安装插入式气体喷嘴，利用液态CO2汽化后产生的压力，经调压后向管道内直接注入CO2气体（见图1）。“液/液”投加方式的原理，是先将CO2气体溶解于原水中，形成碳酸后配入原水主管(见图2)。二氧化碳利用率统计结果显示，“气/液”与“液/液”两种投加方式的二氧化碳利用率较高且差别不大，两者均在83%∽99%之间波动，平均值可达到93.6%。其中，惠南水厂CO2投加（采用“气/液”投加）的利用率为94.3%，航头水厂CO2投加（采用“液/液”投加）的利用率为92.9%。

图1 “气/液”投加工艺流程

图2“液/液”投加工艺流程

深圳市上南水厂[7]采用“液/液”投加方式，CO2经减压阀由液态变为气态后，在水射器的带动下进入原水管中。为确定CO2投加量，需在投加CO2前后端各安装一台在线pH仪，以实时在线数据作为反馈值。该套系统由气化CO2系统、载体增压水系统、旋流混合反应系统、水射器投加装置组成。CO2罐体储存为低温高压液态，通过电加热调节阀加热气化为常温低压气态投加，增压水泵将混合水体升压到0.45 MPa，与CO2气体在旋流混合反应管内高效混合，形成碳酸溶液，注入到水体中，调节水体pH。根据试验结果，利用此种投加方式可将CO2利用率提高到95%以上。

2 原水pH调节效果

山东某市给水厂对不同pH值条件下使用聚合氯化铝（PAC）作为混凝剂时出厂水铝含量进行了研究[8]，pH对铝的形态有较大影响，当pH较高时铝盐混凝剂及进水中的铝会转化成溶解性铝，造成出厂水的Al浓度明显升高。根据研究结果表明，当原水pH低于8.2时，混凝过程形成的正电聚合水解产物使水中胶体颗粒和部分有机物得到充分的混凝，可提高铝盐混凝剂的混凝效果，使出厂水铝的浓度得到有效控制。因此，为降低出厂水Al含量，应在原水pH≤8.2时使用聚合氯化铝更有效。

深圳市上南水厂对原水投加CO2后不同pH对应的沉后水和滤后水铝离子的浓度进行了持续跟踪和检测[7]，当pH值为7.40∽7.80 时，沉后水铝离子浓度为0.15～0.18 mg/L，滤后水铝离子为0.10～0.13 mg/L，符合水厂出厂水水质控制标准。因此，CO2投加后控制pH值在7.40～7.80即可。

针对CO2投加量与pH值的对应关系，上海市惠南水厂进行了相关生产试验的研究[6]。当pH值由7.8调至7.4时，CO2投加增量约为4mg/L；当pH值由7.4调至7.1时，CO2投加增量约为10 mg/L，是前者的2.5倍。因此，当pH值控制目标在7.4以上时，投加CO2比较经济。以pH值7.4为控制目标，根据在线pH仪实时监测数据可得出

日平均值，进而掌握每日pH值实际控制情况。试验期间，该厂原水pH值在8.0～8.7范围内波动，利用两种CO2投加方式（“气/液”和“液/液”）均能实现日均pH值在7.4 ± 0.1范围内，充分说明两种投加方式对于原水pH值的准确、稳定控制有较好的效果。

各水厂通过生产试验表明，CO2投加技术可稳定有效降低原水pH，保障出厂水铝指标含量可控，但最佳pH值的设定还需净水厂结合实际效果与生产成本在实际生产中不断摸索。

3 CO2投加技术经济效益分析

CO2投加工艺除了可以降低出厂水铝的浓度，优化出厂水质，还可以降低生产成本。二氧化碳调节pH技术可有效减少混凝剂投加量，吴雪飞[3]在上海某水厂利用二氧化碳调节pH技术有效减少混凝剂投加量，降低幅度在30%~50%；上海惠南水厂[6]采用二氧化碳投加技术后，混凝剂的用量减少了约36%，大大降低了混凝剂投入成本。

另一方面，CO2投加工艺也可以降低水厂泥处理系统污泥量。自来水厂污泥主要由以下成分组成：原水中的各种杂质及污染物、水处理过程中加入的混凝剂以及过滤工艺中跑漏的石英砂等。当水厂加大混凝剂投加量时，水厂泥处理系统泥饼产量也会随之增加，增加了泥处理系统的运行负荷，同时也增加了泥饼外运处置的费用。因此，CO2投加技术不仅可降低混凝剂的投加量，还可以减少泥饼外运处置成本，有利于水厂节能降耗。

4 总结与建议

（1）CO2投加技术可有效降低原水pH，有效控制出厂水铝浓度，保障出厂水质达标。

（2）结合国标或内标关于出厂水铝指标浓度的相关要求，建议水厂根据实际运行情况在平衡投加效果与运行成本的前提下不断摸索CO2最佳投加量，作为指导生产的重要指南。

（3）该技术可在出水浑浊度不受影响前提下有效减少混凝剂投加量，同时亦可减少泥处理系统泥饼产量，缓解泥处理系统运行负荷，也可在一定程度上降低水厂的运行成本。

（4）建议将CO2投加点前后的在线pH仪实时监测数据上传到水厂中控室，由于该仪表的显示数据将直接影响CO2投加程序的控制，因此，水厂应加强对在线仪表的运行维护确保其准确性，为CO2投加技术的顺利运行提供必要的参数。

参考文献：

[1]孙茂艳. 生活饮用水中铝含量调查[J]. 食品安全导刊, 2019(8): 32-32.

[2]山东省住房和城乡建设厅.十七市供水厂出水饮水安全状况[EB/OL].(2017-12-23)[2020-01-15].http://zjt.shandong.gov.cn/.

[3]吴雪飞. 二氧化碳投加在水厂处理高pH原水上的应用及效果[J]. 净水技术, 2022, 41(s1): 40-44, 249.

[4]王旭晨, 汪琳, 徐凤州, 等. 原水pH值升高导致出厂水余铝含量升高的应对措施[J]. 中国给水排水, 2019, 35(23): 58-61．

[5]刘锦荣, 刘小东, 杨瑞利, 等. 优化投加二氧化碳解决原水pH异常升高问题[J]. 给水排水, 2018, 54(s2): 11-12.

[6]陈德放, 李梅, 张华军, 等. 投加二氧化碳控制出厂水铝含量的生产性试验[J]. 中国给水排水, 2021, 37(23): 9-14.

[7]黄孟斌, 吕华, 王梅芳, 等. CO2应用于中小型水厂原水pH值调控生产性试验[J]. 净水技术, 2021, 40( 6): 62－64, 125.

[8]张宇, 杨艳玲, 于海宽, 等. 给水厂铝超标的影响因素与调控措施[J]. 水处理技术, 2021, 47(6): 84-87.