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
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。
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。
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
北京新恒能分析仪器有限公司
http://www.yaojian.com.cn
赵经理：13701397969
服务热线：010- 59602519
询价热线：010- 59602317
更多信息，扫描二维码关注微信公众号
-
-
用Sievers InnovOx ES实验室型TOC分析仪分析硫酸中的总有机碳
挑战很多工艺使用无机酸作为重要原料。在确定特定应用的适用性时，尤其是在确定该应用对工艺和产品的影响时，准确评
넶8 2026-01-28 -
-
-
