哈爾濱氣化廠（達連河）供水系統應對硝基苯污染的措施與效果

崔福義¹ 李偉光¹ 張悅² 趙志偉¹ 姜殿臣³ 韓雪東³ 呂德全³ 牛玉梅³ 張振宇¹

(1哈爾濱工業大學 黑龍江 哈爾濱 150090 2.建設部城市建設司 北京 100835 3哈爾濱氣化廠 黑龍江 哈爾濱 154854)

　　摘要:本文介紹了哈爾濱氣化廠（達連河）供水水源受硝基苯污染及應急供水措施的制定與實施情況，評價了應急供水工藝對硝基苯的實際去除效果。實踐證明，所采取的原水中投加粉末活性炭、強化混凝沉淀、炭砂濾池等應急措施有效可靠，在硝基苯最高超標倍數達到14.22倍的情況下，保證了供水水質，實現了不中斷供水的目標。粉末活性炭起到了主要的去除硝基苯作用，在取水口投加、利用11.9km長的輸水管道保證充分的吸附時間是技術成功的關鍵。此次成功的應急供水積累了寶貴的經驗，可以供進一步研究參考。
　　 關鍵詞：硝基苯，粉末活性炭，強化混凝，炭砂濾池，應急供水

Approach and Effect of Removing Nitrobenzene Pollution in Harbin Gasification Plant (Dalianhe) Water Supply System

Cui Fuyi¹ Li Weiguang¹ Zhang Yue² Zhao Zhiwei¹ Han Xuedong³ Lv Dequan³ Zhang Zhenyu¹

(1 Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China 2.Urben Construction Department of Construction Ministry Beijing 100835 3 Harbin Gasification Plant 154854)

Abstract: The paper introduces the nitrobenzene pollution of water source of harbin gasification plant (dalianhe) and the emergent approach of water supply, evaluates the removing effect of nitrobenzene of the emergent process. It is proved that feeding PAC, enhanced coagulation sedimentation and carbon-sand filter are all effective and dependable emergent approaches. Under the condition of the maximum times of nitrobenzene over the standard up to 14.22,the approaches can guarantee the standard water supply and the continuous water supply. PAC play an important role in this process .The key technique is feeding PAC at the intake and keep the enough adsorption time by means of the 11.9km pipe. The successful emergent water supply approach has accumulated rich experience which can be used as a good reference for the further study.

Key words: nitrobenzene, PAC，enhanced coagulation, carbon-sand filter, water supply in emergency

　　2005年11月13日，吉化公司雙苯廠爆炸導致松花江水體受到硝基苯嚴重污染，給沿江城市和工礦企業用水安全帶來嚴重威脅，位于哈爾濱市城區下游達連河鎮的哈爾濱氣化廠供水同樣面臨嚴峻的考驗。11月29日，受建設部和黑龍江省、哈爾濱市政府委托，以張悅為組長、崔福義為技術負責人的專家組急赴達連河，應對松花江水污染。專家組在達連河奮戰9晝夜，成功地解決了污染帶來的問題，確保氣化廠供水不中斷，從而保證了哈爾濱市人民燃氣供應正常。本文擬對此次應對污染的情況進行介紹。

1. 哈爾濱氣化廠供水概況

　　哈爾濱氣化廠地處哈爾濱市依蘭縣達連河鎮，位于松花江南岸，距哈爾濱市城區下游300多公里，承擔著向哈爾濱市76萬戶居民，3000余戶工業企業和商服用戶供應燃氣的任務。其供水分廠負責氣化廠生產用水的供應，生產供水量為5萬m³/d，以松花江水為水源。氣化廠供水分廠水處理工藝見圖1。松花江原水由江心取水頭進入岸邊取水泵房，水泵加壓后經11.9km長、直徑800mm的輸水管送入廠內穩壓井；在穩壓井投加液體聚合鋁混凝劑后進入反應池和沉淀池，然后經煤砂雙層濾池過濾、消毒后進入清水池備用。

圖1水廠水處理工藝

2. 應急供水技術方案

　　松花江是氣化廠唯一的供水水源。由于廠內儲水能力僅能維持幾個小時的供水，一旦硝基苯超標導致水廠停產、供水中斷、造成氣化廠停產，將給哈爾濱市人民生活與生產帶來十分嚴重的影響和后果。為此，省市政府明確提出要求，必須采取有力措施，確保在松花江水受到硝基苯污染的情況下，保證供水水質合格，保證氣化廠生產安全和哈爾濱市的燃氣供應。因此，確保任何情況下不中斷供水，是此次應急供水的目標。
　　 根據《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）規定，水源水中硝基苯濃度應低于0.017mg/L，由于供水水質標準中沒有硝基苯指標，研究決定采用0.017mg/L作為水廠供水中硝基苯濃度控制限值。對于松花江達連河斷面硝基苯超標倍數的預估，要參考上游斷面情況確定，可借鑒的主要信息有：上游哈爾濱市區最高超標33倍，松花江沿程的超標倍數在下降。據此預計達連河斷面最高超標倍數約在20倍左右，為求萬無一失，配套試驗及應急方案按50倍考慮。要解決的關鍵問題是必須采取有效的技術手段，在原水中硝基苯超標達到50倍的情況下，使之去除到不超過0.017mg/L的標準值。
　　 根據對硝基苯特性的基本認識和初步的試驗結果，現有水廠凈水工藝去除硝基苯的能力有限，難以滿足要求，必須對供水系統進行應急改造。在選擇應急方案時，考慮到活性炭對硝基苯有較好的吸附性能，應該將活性炭吸附作為優先考慮的措施，同時還要充分利用現有設施，在有限的時間內以較少的工藝改造工作量滿足應急供水的要求。在水廠已經初擬的應急方案基礎上，確定的方案如下：在江邊取水泵房水泵吸水管投加粉末活性炭（PAC），由取水泵進行充分混合，利用11.9km長的輸水管在長達5個多小時的原水輸送過程中，活性炭與水充分接觸吸附硝基苯；在混凝沉淀單元，優化混凝劑投加量，投加活化硅酸助凝，加強沉淀池排泥；將原有的煤砂濾池改造為炭砂濾池，將原無煙煤（500mm）+石英砂（500mm）濾料，更換為顆粒活性炭（1700mm）+石英砂（400mm）。在此方案中，粉末活性炭的吸附作用是關鍵，水在輸水管中的停留時間可以達到5.7h，能充分發揮吸附作用，從供水安全保障的多級屏障觀念出發，應該力求硝基苯在此階段被吸附去除達標。相應帶來的問題是大量投加的粉末活性炭相對密度小、沉淀性能差、不易通過排泥排出，極易從沉淀池流出進入濾池，給過濾增加負擔。為此，在混凝沉淀階段的任務就是要通過強化混凝，提高沉淀對水中膠體顆粒及粉末活性炭的去除率，盡量減少沉淀池表面的浮炭；同時加強排泥，防止活性炭在池底大量堆積。炭砂濾池是保障出水中硝基苯達標的最后屏障，水在顆粒活性炭層中的停留時間短，吸附去除能力有限，不應使其承擔過多的去除硝基苯的任務，主要作為儲備性環節。
　　 具體的各種藥劑的投加量及硝基苯的去除效率，應在隨后的試驗中解決。

3. 應急供水實施效果

　　 2005年12月2日11時，松花江達連河斷面首次檢出硝基苯為0.01288mg/L，此后硝基苯濃度在波動中增加，至12月5日14時達到最大值，超標14.22倍，此后又在波動中下降，至12月8日17時，降至標準值以下。具體變化情況見圖2。與上游各斷面情況比較，達連河斷面硝基苯超標倍數進一步下降，超標持續時間延長，濃度波動增強。

圖2 達連河段面硝基苯濃度變化

3.1粉末活性炭對硝基苯的吸附效果

　　 粉末活性炭炭種為唐山生產的木質炭，主要性能指標見表1。

表1 應急供水用粉末活性炭主要性能指標

　　在污染團到達前，通過模擬試驗確定了不同硝基苯超標倍數下的最佳粉末活性炭投加量,得到的結論是吸附時間應保證在2h以上，對應不同超標倍數下的投炭量見表2，可以將硝基苯吸附去除到標準值以內。

表2 不同超標倍數下的投炭量

　　在應急供水生產上，考慮到水樣檢測存在滯后，以及水質的波動因素，為了確保安全可靠，在試驗數據基礎上，適當提高炭投加量。獲得的實際吸附去除效果按炭投加量區分，見圖3、4、5所示。

圖3 PAC投加量為30mg/L時硝基苯的去除效果

圖4 PAC投加量為40mg/L時硝基苯的去除效果

圖5 PAC投加量為50mg/L時硝基苯的去除效果

　　由圖3、4、5可見，在各種原水硝基苯濃度超標倍數下，通過調整PAC投量，可以保證硝基苯的平均去除率達到95％左右，一般不低于90％。這些生產性數據和實驗室燒杯試驗的結果相近，但是去除率要低2～3個百分點，這是由于操作條件不同造成的。數據說明以燒杯試驗模擬生產情況、指導生產運行是可行的。
　　 從以上數據還可以看出，雖然原水的硝基苯濃度波動較大，但在投加PAC之后水中殘留硝基苯濃度均低于0.017mg/L的限值，證明PAC對水中硝基苯的去除具有很好的效果和很高的穩定性，這為最終出水達標提供了可靠的保證。
3.2混凝沉淀的強化及對硝基苯的協同去除作用
　　 投加粉末活性炭后，會影響絮體的結構、形態，以及沉淀性能。在沉淀池中大量粉末活性炭形成泥炭層，影響排泥；出水濁度值可能偏高，會縮短濾池的運行周期、增加反沖洗頻率，嚴重情況下大量漂浮粉末活性炭進入濾池會導致濾池堵塞。為解決上述問題，對混凝沉淀進行強化。
　　 通過小試確定了在投加活性炭的情況下，混凝劑的投加量與出水濁度之間的關系。當粉末活性炭投加量在50mg/L以下時，混凝劑聚合鋁（PACl）投加量為0.11mL/L，助凝劑活化硅酸投加量為0.01mL/L，沉淀池出水濁度可控制在3.0NTU以下，滿足濁度控制要求。當粉末活性炭投量更高時，沉淀池出水濁度會有升高。實踐表明，加強排泥是非常重要的，否則可能由于粉末活性炭沉降性能不好而上浮，沉淀池出水漏炭增加。
　　 燒杯試驗證明，在不投加粉末活性炭的條件下，混凝沉淀對硝基苯的去除作用微弱。但是從圖6可以看出，在投加粉末活性炭后，混凝沉淀對硝基苯有40％～90％的去除率，出水硝基苯含量基本在0.005mg/L以下。該去除率是預先投加PAC的吸附和混凝沉淀的共同作用來實現的。在混凝沉淀的過程中，沒有達到吸附飽和的PAC會繼續進行硝基苯的吸附，同時混凝劑的水解產物也會與活性炭微粒及水中的有機物、膠體等發生聚集，產生某種協同作用，提高了對水中硝基苯的去除能力。這一現象是值得關注的。同時，從圖中還可以看出，在進水硝基苯濃度較高時，混凝沉淀對硝基苯的去除率也在較高的水平。

圖6 混凝沉淀對硝基苯的去除效果

3.3炭砂濾池的運行及對硝基苯的去除作用
　　 少量粉末活性炭會從沉淀池泄漏進入濾池。炭砂濾池是截留這些漏炭的唯一環節。對濾池20min內初濾水進行連續監測，未發現濾池有明顯漏炭。
　　 圖7的實測生產數據表明，炭砂濾池對低濃度硝基苯的去除率在20％～80％之間，濾前水硝基苯濃度越高，去除率越高。過濾出水中硝基苯的含量均在0.002mg/L以下遠低于規定的限值，為水質安全提供了可靠的保證。

圖7炭砂過濾對硝基苯的去除效果

3.4硝基苯總體去除情況
　　投加粉末活性炭、強化混凝沉淀和炭砂濾池，從不同層次共同保障了對硝基苯的去除效果和水廠的正常運行，為在硝基苯污染期間的應急供水構筑了多級安全屏障。
　　在原水硝基苯超標最高達14.22倍的情況下，上述工藝組合對硝基苯的總去除率平均達到99.4％，最終過濾出水中硝基苯的含量均在0.002mg/L以下，效果優異。在對原水中硝基苯去除的貢獻份額中，粉末活性炭的平均去除率達到94.8%，是去除硝基苯的主要環節；混凝沉淀的平均去除率為3.8％，其主要作用是保證粉末活性炭從水中被有效去除；過濾是保證水質的最后屏障，對硝基苯也有0.8％的平均去除率（見圖8）。

圖8各單元環節對硝基苯的去除率

4. 結論

　　（1）實踐證明，所采用的應急技術方案是完全正確的，粉末活性炭、強化混凝沉淀、炭砂濾池構成了應急供水的多級處理環節，各自發揮著特定的作用。上述應急工藝保證了在硝基苯最大超標14.22倍的情況下，供水中殘留硝基苯始終未超標，實現了不中斷供水的目標。
　　 （2）粉末活性炭承擔了去除硝基苯的主要任務，在取水口部投加，使之有充足的吸附時間是保證充分發揮作用的基本條件，是十分重要的措施。
　　 （3）將應對污染的技術措施盡量前移，將問題解決在較前段的水處理單元環節中，后續環節起緩沖與安全余量的作用，“關口前移”是確保供水水質安全的重要經驗。
　　 （4）水廠應根據特定的水源水體情況，研究可能發生的污染問題及應對措施。在水廠有針對性地設置應對水質突發事件的備用設施是很有必要的，尤其在水廠設計中應引起重視。包括投加粉末活性炭在內的各種藥劑投加設施投資少、用途廣、啟動迅速，可作為應急備用設施的首選。
　　 本次在哈爾濱氣化廠（達連河）的應對硝基苯污染工作，積累了水廠應對突發性水污染事件的寶貴經驗。在隨后的研究工作中，筆者又專門對粉末活性炭吸附和強化混凝沉淀去除硝基苯的技術進行了較為系統的研究，相關研究文章將陸續發表。
　　 本次應急供水技術工作是專家組會同哈爾濱氣化廠、黑龍江省及哈爾濱市有關部門、以及一批水質分析、試驗人員在9晝夜的連續奮戰中共同進行的，正是上述單位與人員的辛勤工作與密切合作取得了應對水污染的成功，本文是對這一工作成果的初步總結，筆者對所有有關人員表示衷心的感謝。