Apa este sursa vieții, iar calitatea apei potabile are un impact direct asupra sănătății publice și stabilității sociale. Stațiile de tratare a apei, ca centru care conectează apa brută și utilizatorii, sunt cruciale pentru o funcționare stabilă și un control precis. În timpul iernii, stațiile de tratare a apei care folosesc rezervoare ca sursă se confruntă adesea cu valori anormal de ridicate ale pH-ului în apa lor brută. Acest lucru nu afectează numai stabilitatea procesului de tratare a apei, dar pune și provocări pentru stabilitatea chimică și indicatorii senzoriali ai efluentului. Modificările pH-ului afectează direct eficiența unităților de tratare de bază, cum ar fi coagularea și dezinfecția, și pot cauza probleme de coroziune sau detartrare în rețeaua de transport a apei. Prin urmare, o analiză amănunțită a cauzelor care stau la baza creșterii valorilor pH-ului în rezervoare în timpul iernii și dezvoltarea unor strategii științifice și eficiente de ajustare a procesului în consecință, sunt cheia pentru asigurarea securității alimentării cu apă și pentru îmbunătățirea funcționării și gestionării rafinate a stațiilor de tratare a apei. Acest raport va elabora în mod sistematic această problemă.
I. Analiza Cauzei Specifice
Creșterea pH-ului rezervorului în timpul iernii este un fenomen complex rezultat din efectele combinate ale mai multor factori. Principalele cauze pot fi rezumate după cum urmează:
1. Schimbări sezoniere ale activității biochimice acvatice (cauza fundamentală)
1.1 Activitate redusă a algelor: Vara, temperaturile ridicate ale apei și lumina puternică a soarelui duc la o creștere a creșterii algelor și la fotosinteză viguroasă, consumând dioxid de carbon (CO₂) și producând oxigen. Procesul chimic este: CO₂ + H₂O + Lumină → (CH₂O)ₙ (materie organică) + O₂. Acest proces consumă o cantitate mare de CO₂ liber în apă, deplasând echilibrul chimic CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ spre stânga, rezultând o scădere a concentrației de H⁺ și o creștere semnificativă a pH-ului.
1.2 Inversarea de iarnă: În timpul iernii, temperatura apei scade și lumina soarelui slăbește, provocând o scădere bruscă sau chiar oprirea fotosintezei la alge. Simultan, respirația în apă (inclusiv de către microorganisme și pești) crește relativ, consumând oxigen și producând CO₂. Acumularea de CO₂ deplasează echilibrul chimic spre dreapta, crescând concentrația de H⁺ și scăzând teoretic pH-ul. Cu toate acestea, situația este mai complexă în rezervoarele adânci.
2. Stratificarea și inversarea temperaturii apei (motive fizico-chimice de cuplare)
2.1 Stratificarea de vară: Vara, rezervoarele experimentează stratificarea temperaturii apei. Apa de suprafață (epilimnion) este caldă, cu alge active; apa de adâncime (hipolimnion) este rece și deficitară de oxigen-, unde materia organică se descompune în condiții anaerobe, producând substanțe alcaline precum azotul amoniac (NH₃) și hidrogenul sulfurat (H₂S).
2.1 Turnover de iarnă: în timpul toamnei și al iernii, pe măsură ce temperaturile scad, apa de suprafață se răcește și devine mai densă, determinând-o să se scufunde în fund și declanșând amestecarea verticală prin convecție în întregul rezervor-fenomen cunoscut sub numele de „revoluție a rezervorului”. În timpul acestui proces, apa rece bogată în substanțe alcaline (cum ar fi azotul amoniac) acumulată la fund este transportată în tot corpul de apă. Azotul amoniac se dizolvă în apă pentru a forma hidroxid de amoniu, care este alcalin: NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH⁻. Adăugarea directă de OH⁻ crește rapid valoarea pH-ului apei.
3. Modificări ale alcalinității apei și sistemelor tampon
3.1 Corpurile de apă naturale conțin un sistem tampon de CO₂-HCO₃⁻-CO₃²⁻. În timpul iernii, datorită producției reduse de CO₂ din activitatea biologică și apariției substanțelor alcaline din fund, alcalinitatea totală a apei (compusă în principal din HCO₃⁻ și CO₃²⁻) poate crește relativ. Când concentrația de HCO₃⁻ este mare și presiunea parțială a CO₂ este scăzută, corpurile de apă sunt mai predispuse să devină alcaline.
4. Factori umani și de mediu
4.1 Poluarea sursă ne-punctivă agricolă: dacă există teren agricol în bazinul rezervorului, scurgerile de iarnă de pe terenurile agricole pot conține componente de îngrășăminte alcaline sau levigați din sol care nu au fost complet absorbite de culturi, afectând pH-ul după intrarea în rezervor.
4.2 Modificări ale condițiilor hidrologice: Precipitațiile reduse și afluxul de rezervor în timpul iernii slăbesc capacitatea de diluare a poluanților, ducând potențial la o creștere a concentrației relative a anumitor substanțe alcaline.
Rezumat: Factorii de bază pentru creșterea pH-ului rezervorului în timpul iernii sunt consumul redus de CO₂ din cauza scăderii fotosintezei algelor și factorul crucial al stratificării și răsturnării temperaturii apei, care transportă substanțele alcaline din stratul inferior către întregul corp de apă.
II. Ajustarea eficientă a procesului și tratarea problemelor
Confruntându-se cu apa brută cu-pH ridicat, instalațiile de apă trebuie să adopte o strategie cuprinzătoare de „monitorizare și avertizare timpurie, control pe mai multe-niveluri și asigurare a siguranței”.
1. Consolidați monitorizarea surselor și avertizarea timpurie
1.1 Stabiliți un sistem zilnic de raportare a calității apei brute: creșteți frecvența indicatorilor de testare, cum ar fi pH-ul, temperatura apei, alcalinitatea, azotul amoniac și densitatea algelor apei brute la punctul de admisie pentru a înțelege cu promptitudine tendințele în schimbare.
1.2 Colaborarea cu Direcțiile Hidrologice și de Protecția Mediului: Înțelegerea dinamicii hidrologice a lacului de acumulare și situația surselor de poluare din cadrul bazinului hidrografic, prezicerea posibilului timp de „revărsare a rezervorului” și pregătirea din timp.
2. Ajustarea unităților de proces de bază
2.1. Ajustarea procesului de coagulare
2.1.1 Problemă: pH-ul excesiv de ridicat va afecta grav forma de hidroliză a coagulanților tradiționali de aluminiu/sare de fier, generând complexe încărcate negativ, ducând la efect de coagulare slab, flocuri mici, dificultate în sedimentare, turbiditate crescută a efluentului și conținut potențial de aluminiu rezidual crescut.
2.2 Contramăsuri:
2.2.1 Înlocuirea coagulantului: acordați prioritate înlocuirii sulfatului de aluminiu cu clorură de polialuminiu (PAC). Hidroliza PAC este mai puțin afectată de pH, menținând o bună performanță de coagulare pe un interval larg de pH (în special neutru până la ușor alcalin).
2.2.2 Adăugarea de coagulanți auxiliari: Utilizați coagulanți polimerici (cum ar fi poliacrilamidă, PAM) pentru a îmbunătăți structura floculului și proprietățile de sedimentare.
2.2.3 Ajustarea pH-ului pre-coagulării (măsură cheie): adăugați substanțe acide înainte de coagulare pentru a scădea pH-ul apei brute la intervalul optim pentru acțiunea coagulantei (de obicei 6,5-7,5 pentru sulfatul de aluminiu și 6,5-8,0 pentru PAC).
2.3. Ajustarea pH-ului (adăugarea de acid)
2.3.1 Scop: Nu numai pentru a asigura performanța de coagulare, ci și pentru a asigura stabilitatea chimică a efluentului și pentru a preveni coroziunea sau detartrarea conductei.
2.4. Selectarea punctului de adăugare a acidului:
2.4.1. Adăugarea pre-coagulării: servește în primul rând la optimizarea procesului de coagulare.
2.4.2. Adăugat după filtrare sau înaintea rezervorului de apă limpede: Folosit pentru ajustarea finală precisă a pH-ului apei tratate, stabilizând-o în intervalul standard național (de obicei 6,5-8,5) și cât mai aproape posibil de neutru până la ușor alcalin (de exemplu, 7,0-7,8) pentru a menține stabilitatea chimică a apei.
2.4.3. Selectarea acidificatorilor: dioxid de carbon (CO₂) de calitate alimentară, acid sulfuric (H₂SO₄), acid clorhidric (HCl).
2.5. CO₂ (Recomandat): Cea mai mare siguranță, fără pericol de coroziune și reacționează cu alcalinitatea din apă pentru a produce HCO₃⁻. Procesul de ajustare este treptat și nu va provoca supra-aciditate localizată. Formula reacției este: CO₂ + OH⁻ → HCO₃⁻. Cu toate acestea, investiția în echipamente și costurile de operare pot fi mai mari.
2.5.1 Acid sulfuric/acid clorhidric: Capacitate puternică de ajustare a pH-ului și cost redus, dar foarte coroziv. Sunt necesare proceduri stricte de operare de siguranță și control al dozelor pentru a evita scăderile localizate ale pH-ului care ar putea coroda echipamentele sau pot afecta procesele ulterioare.
2.6 Optimizarea procesului de dezinfecție
2.6.1 Problemă: pH-ul crescut afectează semnificativ eficacitatea dezinfectării cu clor. Acidul hipocloros (HOCl) este principalul component dezinfectant, existând în echilibru cu hipocloritul (OCl⁻): HOCl ⇌ H⁺ + OCl⁻. Cu cât pH-ul este mai mare, cu atât este mai mare proporția de OCl⁻, în timp ce capacitatea de dezinfecție a OCl⁻ este de numai 1/80-1/100 cea a HOCl.
2.6.2 Contramăsuri:
2.6.3 Asigurarea timpului de contact (valoarea CT): La niveluri mai mari ale pH-ului, cerința privind valoarea CT trebuie îndeplinită prin creșterea dozei de clor sau extinderea timpului de contact pentru dezinfecție pentru a asigura eficacitatea dezinfectării.
2.6.4 Luați în considerare metode alternative de dezinfecție: Dezinfecția cu cloramină poate fi utilizată ca metodă auxiliară sau alternativă. Cloramina are o stabilitate mai mare și este mai puțin afectată de pH, dar efectul său de dezinfecție este mai lent. De asemenea, poate fi evaluată fezabilitatea dezinfectării combinate cu ultraviolete (UV) și cu clor.
3. Managementul operațiunii și răspunsul în situații de urgență
3.1 Efectuați teste pentru pahar: Efectuați zilnic teste pentru pahar de coagulare pe baza calității apei brute pentru a determina în mod dinamic tipul și doza optime de coagulant și dacă este necesară pre-acidificarea și doza acesteia.
3.2 Consolidarea monitorizării procesului: Stabiliți puncte de monitorizare a calității apei după fiecare unitate de proces (coagulare, sedimentare, filtrare) pentru a monitoriza îndeaproape schimbările de turbiditate și pH și pentru a oferi feedback și ajustări în timp util.
3.3 Plan de urgență: Elaborați un plan de urgență pentru o creștere bruscă a pH-ului apei brute, definind clar capacitatea maximă de dozare a sistemului de acidificare, rezerva de substanțe chimice de rezervă și intervalul de control al parametrilor de proces la diferite niveluri de pH.
Pe scurt, problema creșterii pH-ului apei brute în instalațiile de apă în timpul iernii este un rezultat inevitabil al efectelor combinate ale ciclurilor hidrologice naturale și ale proceselor biochimice acvatice. Operatorii de instalații de apă trebuie să dețină-strategii de răspuns sistematice și anticipative pentru a rezolva această problemă. Consolidarea monitorizării-în timp real și avertizarea timpurie a calității apei brute, înțelegerea profundă a mecanismului de impact intrinsec al modificărilor pH-ului asupra proceselor de bază, cum ar fi coagularea și dezinfecția și aplicarea flexibilă a reglării sinergice pe mai multe-niveluri prin tehnici precum ajustarea pH-ului, optimizarea coagulantului și dezinfecția îmbunătățită sunt cheia pentru rezolvarea eficientă a acestei provocări sezoniere. În cele din urmă, asigurarea faptului că calitatea efluentului îndeplinește pe deplin standardele va permite funcționarea sigură, stabilă și economică a sistemului de alimentare cu apă, asigurând în mod eficient siguranța „apei de la robinet” a oamenilor. Aceasta nu este doar o cerință tehnică, ci și o reflectare concentrată a responsabilității sociale și a capacităților profesionale ale companiilor de furnizare a apei.