基于HACCP體系的水廠投加系統(tǒng)的風險管理

徐錦濤，張葆華

(佛山市順德區(qū)水業(yè)控股有限公司，廣東佛山 528000)

水廠常規(guī)投加系統(tǒng)包括投礬系統(tǒng)和投氯系統(tǒng)兩大部分，通過投加系統(tǒng)自動精準地投加混凝劑和消毒劑，是確保工藝效果穩(wěn)定和提高生產(chǎn)效率的前提和保障。相對于其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在供水生產(chǎn)中，對于投加系統(tǒng)的風險管理和控制至關重要，一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)將直接癱瘓。近幾年來，隨著智慧水務的推進發(fā)展，供水行業(yè)對投礬、加氯系統(tǒng)的研究更多地傾向于智能化投加領域，追求智慧決策和自動控制，但對于投加系統(tǒng)在供水生產(chǎn)中的風險管理則較少被研究[1]。風險管理流程的實施是為了更好地應對突發(fā)故障的影響并防止其發(fā)生。其中，危害分析和關鍵控制點(hazard analysis and critical control points，HACCP)體系是食品行業(yè)對食品生產(chǎn)的全過程質(zhì)量控制體系，是生產(chǎn)過程的有效監(jiān)測，目前已經(jīng)成功應用于水廠生產(chǎn)的風險管理，是一種可接受的用于指導在供水系統(tǒng)中識別危害和建立控制體系的水質(zhì)管理工具，但研究較多集中在水廠水質(zhì)管理的整體內(nèi)部控制，缺少技術理論分析和對局部系統(tǒng)管理風險的深入探討[2-5]。

本文以自來水廠常規(guī)投礬、加氯系統(tǒng)為例，按照HACCP體系，通過對藥劑性質(zhì)和投加系統(tǒng)進行技術分析，并結(jié)合故障樹分析方法確定主要危害，確定關鍵控制點和關鍵限值，提出實現(xiàn)投加系統(tǒng)風險可控的有效措施。

1 投加系統(tǒng)基本情況

案例水廠設計處理能力為9×104m3/d，實際供水量約為8.8×104m3/d。原水取自西江，渾濁度為10～20 NTU，原水各項水質(zhì)指標中，除總磷和糞大腸菌群在Ⅱ～Ⅳ類指標值限值，其余項目均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)基本項目Ⅰ類指標和補充項目指標限值要求。水廠出廠水水質(zhì)較好，渾濁度控制在0.15～0.20 NTU，各項指標均符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)。

該水廠采用常規(guī)混凝-沉淀-過濾工藝，在配水井投加聚合氯化鋁作為混凝劑，整個工藝流程中分3次加氯，分別是配水井前加氯助凝、濾池出水管道中后加消毒以及清水池出水管道中補加氯保持余氯。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 案例水廠工藝流程及投加系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Process Flow and Dosing System of the WTP of Case

聚合氯化鋁投加系統(tǒng)包括儲存系統(tǒng)、投加系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，質(zhì)量分數(shù)為4%的聚合氯化鋁溶液儲存在混凝土礬池，通過計量泵投加。次氯酸鈉投加系統(tǒng)主要包括進藥系統(tǒng)、軟水系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、投加系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，質(zhì)量分數(shù)為10%的成品次氯酸鈉溶液被軟水稀釋成4.8%有效氯的次氯酸鈉溶液后，再進行儲存和投加。投加控制系統(tǒng)設置PLC子站，投礬采用常規(guī)流量比例前饋控制系統(tǒng)，加氯根據(jù)制水流量、余氯反饋進行控制，由中控室統(tǒng)一控制。

2 HACCP體系的構(gòu)建方法

首先對次氯酸鈉、聚合氯化鋁進行產(chǎn)品特性分析，如表1所示。

表1 產(chǎn)品特性分析Tab.1 Analysis of Product Characteristics

其次，總結(jié)其對投加系統(tǒng)的影響，確定投加系統(tǒng)風險點。根據(jù)風險發(fā)生的評分標準進行半定量分析，通過故障分析樹的方法進行危害分析，制作危害分析表、風險綜合評估表，并根據(jù)“確定關鍵控制點流程圖”制作危害分析流程表和HACCP計劃表，具體分析方法參考廈門水務集團的研究經(jīng)驗[2]。

2.1 投加系統(tǒng)風險分析

2.1.1 投礬系統(tǒng)風險分析

(1)聚合氯化鋁是廣泛使用的混凝劑，通常是由鋁灰或含鋁礦物通過酸溶、堿溶或兩步法加工制得的無機高分子化合物，在長期使用過程中自身容易沉積附著在礬池和管道中形成礬泥，堵塞管道。根據(jù)實踐經(jīng)驗，可以通過加裝沖洗管道，每隔30 d反沖洗約4 h，或每隔15 d采用60 L 20%的NaOH溶液浸泡30 min去除[6]。除此之外，對計量泵進行技改也是其中一個可行辦法。選用磁力離心泵、智能調(diào)節(jié)電動球閥、電磁流量計及控制單元等設備實現(xiàn)恒流投加，通過控制器對智能電動球閥、流量計進行數(shù)據(jù)采集及PID進行控制，即使出現(xiàn)管道堵塞，PLC也能自動調(diào)節(jié)電動閥開度進行沖洗[7]。

(2)對于南方水廠，供水企業(yè)經(jīng)常要求聚合氯化鋁廠家根據(jù)低溫低濁的原水條件調(diào)整藥劑配方，在藥劑中加入助凝劑并降低鹽基度以提高混凝效果。研究[8-9]分析，降低鹽基度利于低溫低濁水質(zhì)的處理，但絮凝劑的形態(tài)分布會發(fā)生變化。如果配方調(diào)整不佳，新舊混凝劑混合后，隨著鹽基度的大幅改變，多核羥基絡合物的形態(tài)逐漸發(fā)生變化，助凝劑成分很可能會參與該過程，導致水不溶物出現(xiàn)。前期研究在實踐中曾觀察到白色混合物大量析出，一旦出現(xiàn)，投加系統(tǒng)就會堵塞斷藥。因此，建議盡可能減少聚合氯化鋁配方的調(diào)整，若確實需要調(diào)整，應做好配方調(diào)整記錄和到貨檢驗記錄，及時在化驗室開展新舊混凝劑的混合試驗和混凝沉淀試驗，密切關注藥劑投加量的變化，一旦出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，應立即切換備用管道，清洗或更換堵塞管道。

(3)聚合氯化鋁不適用于低堿度原水，因為聚合氯化鋁水解會導致氫離子濃度增加，影響混凝反應效果，這種情況可以通過補充堿性物質(zhì)的方法來解決。

(4)聚合氯化鋁具有腐蝕性，管道接口容易滲漏，影響投加效果。該問題可以通過加強巡檢、雙表法實現(xiàn)在線監(jiān)測等方式來解決。

(5)在藻類暴發(fā)或原水pH異常時，原水pH值升高至8.0以上，容易導致聚合氯化鋁形成偏鋁酸可溶物質(zhì)，導致出水鋁超標。解決辦法是投加堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)反應池pH。

2.1.2 加氯系統(tǒng)風險分析

(1)研究發(fā)現(xiàn)，當水質(zhì)受到污染時(氨氮等超標)，在線儀表監(jiān)測余氯結(jié)果與實驗室結(jié)果偏差較大，導致補加氯無法精準控制，出廠水余氯容易超標。另外，每次校正后監(jiān)測1個月左右，余氯在線儀表在正常水質(zhì)條件下仍會出現(xiàn)偏差。解決的方法是在氨氮污染期間，通過對原水氨氮的化驗結(jié)果，利用折點加氯的原理投加氯，控制儀表校正周期在29 d內(nèi)，水質(zhì)污染恢復正常后立即校正儀表，并建立崗位化驗室[6]，在特殊時期采用化驗強化檢測制度。

(2)自來水衛(wèi)生消毒主要依靠后加氯，后加氯的投加點一般選擇在濾后出水管，但是清水池液位不斷變化，容易導致消毒CT值不達標，出水微生物超標。一般在運行過程中應盡量保持清水池高水位運行，若清水池水位較低，此時應注意提高后加氯的投加量并減少補加氯量。最切實的消毒保障是建設消毒池。

(3)后加氯投加點和余氯檢測儀若選擇不佳，容易導致后加氯與濾后水混合不充分、余氯反饋結(jié)果有誤等問題，導致消毒控制混亂。一般的經(jīng)驗辦法是后加氯點設于濾池集水渠始端，總余氯檢測儀置于清水池進水口，采用比例控制與反饋調(diào)節(jié)的模式[10]。

(4)為了抑制次氯酸鈉分解，通常廠家在溶液中加入碳酸鈉和硅酸鈉，軟水器故障也會導致溶液中鈣、鎂離子濃度升高，這時次氯酸鈉較高的游離堿容易導致溶液中的鈣、鎂離子形成氫氧化物結(jié)晶沉淀，堵塞管道。解決的辦法是對插入水面以下投加管道進行斜面切割，切口順水流方向，以形成局部真空，插入管采用快速裝卸方法，并定期檢查軟化水系統(tǒng)等，避免堵塞[10]。

(5)次氯酸鈉容易自然分解產(chǎn)生氧氣，導致加藥管積氣斷流，解決辦法是采取小管徑(DN20)減少內(nèi)積氣，并加裝高位排氣閥[10]。

(6)次氯酸鈉具有腐蝕性，管道接口容易滲漏，影響投加效果。該問題可以通過加強巡檢、雙表法實現(xiàn)在線監(jiān)測等方式來解決。

(7)原水氨氮超標或有機物較多，容易導致前加氯過量投加，生成三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物，影響飲用水安全，解決辦法是采用氯胺消毒或折點加氯。

2.2 制定危害分析流程表

根據(jù)上述技術分析結(jié)果和投加系統(tǒng)特點，結(jié)合故障樹分析、決策樹分析和HACCP分析方法，可做出危害分析流程表(僅列出顯著危害)，如表2所示。對每個潛在危害從可能性(5分)、嚴重性(5分)、不可探測性(5分)3個維度進行評價，3個評分乘積不低于25分為顯著性危害，但一旦發(fā)生會造成嚴重供水安全事件的，將打破常規(guī)分值限值而列為顯著性危害。其他流程步驟均參照成熟的經(jīng)驗案例[2,4-5]，這里暫不列出。水廠常規(guī)投加系統(tǒng)的顯著危害總結(jié)為7個，分別是投礬系統(tǒng)的鋁超標、渾濁度偏高、礬泥堵塞管道導致斷藥、不溶物堵管斷藥，以及加氯系統(tǒng)的CT值不達標導致殘留微生物超標、投加和控制不合理導致微生物超標、儀表不準導致余氯超標。

表2 投加系統(tǒng)危害分析流程表Tab.2 Hazard Analysis Flow Table of Dosing System

2.3 確定關鍵控制點和建立HACCP計劃

運用決策樹分析確定HACCP體系中的關鍵控制點[2]，可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的投礬加氯系統(tǒng)一共有7個關鍵控制點，針對這7個關鍵控制點，需要制定關鍵限值和糾偏措施，用于記錄和驗證關鍵控制點的監(jiān)測值是否能夠達到要求，按照水廠內(nèi)控要求和國家、行業(yè)技術標準，制定如下HACCP計劃表，如表3所示。

表3 投加系統(tǒng)HACCP計劃Tab.3 HACCP Plan for Dosing System

3 結(jié)論和建議

(1)通過技術理論分析，有利于確定水廠常規(guī)投加系統(tǒng)的各種風險點，以此為基礎建立水廠局部系統(tǒng)HACCP體系，更具有技術針對性和實踐性，容易實現(xiàn)對局部系統(tǒng)的深入和透徹分析，可操作性強，有一定的推廣應用價值。

(2)常規(guī)水廠的投加系統(tǒng)一般包括7個關鍵控制點，其中投礬系統(tǒng)4個關鍵控制點綜合評分有3個低于25分，其評定為顯著性危害是考慮到其可能導致的水質(zhì)風險并帶來較大的社會影響，因此，投礬系統(tǒng)的風險控制尤為重要，在生產(chǎn)運行中應以事前控制為主。加氯系統(tǒng)的風險顯然比投礬系統(tǒng)要大，在生產(chǎn)過程中需要著重控制。

(3)對于投礬系統(tǒng)中的礬泥堵塞管道以及加氯系統(tǒng)的微生物超標，完全可通過技術改造消除關鍵控制點，如通過以磁力離心泵、智能調(diào)節(jié)電動球閥為核心的PID改造，實現(xiàn)恒流自動沖洗防堵塞；通過新建消毒池、合理調(diào)整后加氯、在線余氯取樣點以及加氯控制方式，可以避免微生物超標，從而縮減控制點至4個，大大降低管理難度。

(4)應加強水廠投礬加氯系統(tǒng)的智能化改造，更好地解決投加系統(tǒng)風險管理問題，切實保障供水生產(chǎn)的安全。