通过监测总有机碳TOC和优化工艺来降低饮用水厂的运营成本

2026-01-27 09:34:10, Sievers分析仪 Sievers分析仪（威立雅）

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。

现场配备了TOC分析仪的水处理厂可以根据本厂的水质要求和经济性准则做出最有利的决策，包括选择最能优化工艺的混凝剂用量和其它操作参数。如果TOC去除率达到了饮用水标准，水处理厂就可以尝试减少混凝剂用量，以期节省混凝剂成本，同时减少废物的产生量和处理费用。恩格尔伍德市水处理厂正是这样做的。

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。

Sievers^® M5310 C TOC分析仪，能自动计算进出样品流的TOC去除率，帮助水厂符合DBP法规要求，优化混凝、絮凝等工序的化学加药，节约成本。

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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