對(duì)給水常規(guī)處理技術(shù)改進(jìn)的一些設(shè)想
近年來，針對(duì)我國(guó)水資源污染較為普遍的現(xiàn)狀，對(duì)微污染水源的處理技術(shù)開展了大量的研究，取得了很大成果。生物預(yù)處理和臭氧——活性炭深度處理已開始在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。相對(duì)來說，對(duì)于常規(guī)處理技術(shù)的開發(fā)研究，顯得較為薄弱。
以“混凝--沉淀--過濾--消毒”組成的常規(guī)凈水工藝是給水處理的核心，它不但是出水濁度和細(xì)菌指標(biāo)的重要保證，而且對(duì)于去除部分有機(jī)物和微量污染物質(zhì)也具有一定的作用。同時(shí)，常規(guī)處理目前仍是凈水工藝中應(yīng)用最為廣泛的處理手段。因此，對(duì)于常規(guī)處理技術(shù)的研究具有十分重要的意義。
應(yīng)該說，通過長(zhǎng)期來對(duì)常規(guī)處理技術(shù)的研究和大量的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐，積累了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)。采用的工藝和構(gòu)筑物形式一般已能適應(yīng)各種水源的凈水處理要求，于是也就降低了進(jìn)一步開展對(duì)常規(guī)處理研究的迫切性。
在凈水廠設(shè)計(jì)中，采用靜態(tài)混合器混合、折板絮凝、平流沉淀池沉淀和氣水反沖均質(zhì)濾料濾池過濾，幾乎成了目前一種比較固定的模式。當(dāng)然，上述概念的形成也是通過長(zhǎng)期來對(duì)各種凈水構(gòu)筑物進(jìn)行比較而形成的，具有一定的合理性。但是，事物是需要發(fā)展的，常規(guī)處理工藝也一樣，也需要不斷開發(fā)、創(chuàng)新，在實(shí)踐中不斷探索和完善。
本著這一想法，本文就助凝劑的應(yīng)用以及混合、絮凝、沉淀、過濾等構(gòu)筑物形式提出一些粗淺的不成熟的設(shè)想，以供大家討論，目的是引起大家對(duì)繼續(xù)開展常規(guī)處理工藝研究的關(guān)注。
2、有機(jī)高分子絮凝劑的應(yīng)用
對(duì)有機(jī)高分子絮凝劑在混凝過程中的作用，理論上已有很好的認(rèn)識(shí)。有機(jī)高分子絮凝劑通過粘結(jié)架橋作用，可使形成的絮粒粗大、密實(shí)，具有較好的沉降性能，有利于在沉淀構(gòu)筑物內(nèi)沉降分離。
歐洲一些水處理公司推薦的沉淀構(gòu)筑物，其采用的設(shè)計(jì)指標(biāo)明顯高于我們。例如，德利滿公司的Densadeg、OTV公司的Actiflo等，除了采用其它一些措施外，一個(gè)很重要的因素是采用了高分子絮凝劑。
在我國(guó)目前對(duì)高分子絮凝劑的應(yīng)用還僅限于高濁度水和個(gè)別低溫水的處理，作為常用的助凝劑還未得到普遍的采用。
之所以高分子絮凝劑未能得到普遍應(yīng)用主要有二方面的原因：一是擔(dān)心聚丙烯酰胺中丙烯酰胺單體的毒性；另一是可能引起藥劑投加費(fèi)用的增加。
關(guān)于丙烯酰胺的毒性問題，我國(guó)從1968年開始進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)14年的動(dòng)物毒理實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上并參考其它國(guó)家的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，提出：“在飲用水中，聚丙烯酰胺最高允許濃度，經(jīng)常使用時(shí)為1mg／l，非經(jīng)常使用時(shí)為2mg／l。”同時(shí)對(duì)聚丙烯酰胺產(chǎn)品也制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB17514—1998)，規(guī)定用于飲用水的單體含量應(yīng)小于0．05％。
美國(guó)“EPA現(xiàn)行一級(jí)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(1996，10)”要求：使用聚丙烯酰胺的投藥量為1mg／l時(shí)，其單體丙烯酰胺含量應(yīng)≤0．05％。世界衛(wèi)生組織《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》(第二版)中規(guī)定：飲用水中丙烯酰胺的指標(biāo)值為0．5μg／l。上述標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)制定的標(biāo)準(zhǔn)是一致的。
作為對(duì)水質(zhì)要求較高的歐共體國(guó)家，其應(yīng)用聚丙烯酰胺作為絮凝劑在世界各國(guó)中也最為普遍。
因此，只要在水處理中嚴(yán)格控制聚丙烯酚胺的投加量，從衛(wèi)生角度考慮應(yīng)該是安全的，而一般在常規(guī)處理中，聚丙烯酰胺的投加量多在0．5mg／l以下。
關(guān)于投加聚丙烯酰胺增加的費(fèi)用，按每噸25000元計(jì)，每千噸水約增加成本10—15元，即每噸水增加0．01—0．015元，上述費(fèi)用對(duì)于大多數(shù)水廠來說，應(yīng)該還是可以被接受的。
由于采用有機(jī)高分子絮凝劑可以帶來沉淀處理構(gòu)筑物效率和水質(zhì)的提高，因此對(duì)于其應(yīng)用值得加以關(guān)注。
3、混合
近年來，靜態(tài)混合器己成為設(shè)計(jì)中首選的混合形式，在不少工程中得以廣泛應(yīng)用。
靜態(tài)混合器由于具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需要經(jīng)常維護(hù)，一般也能取得較好的混合效果，而被廣大用戶所歡迎。但是，靜態(tài)混合器也有二個(gè)主要缺點(diǎn)：一是其混合效果隨水量的變化明顯；二為消耗的能量較高。
快速混合要求瞬間提供較高的G值。靜態(tài)混合器的G值依賴于水流自身的能量損失。海水量發(fā)生變化時(shí)，其能量損失也隨之改變？嗨吭黾右槐，水頭損失為原水頭損失的4倍，混合時(shí)間則為原來的1／2，因此G值相應(yīng)增加了2．8倍(G∝（H/T）1/2。由于G值的變化，必須會(huì)影響混合效果。
水廠的運(yùn)行水量隨著季節(jié)而有明顯改變。當(dāng)以最大流量作為設(shè)計(jì)的控制條件時(shí)，小水量時(shí)就難以達(dá)到理想混合要求的G值。對(duì)于投產(chǎn)初期流量更小時(shí)，混合效果更難以得到保證。
此外，靜態(tài)混合器的能量損失較大，一般水頭損失多在0．6m以上，甚至有超過1m的。也就是說，每千噸水消耗的功率為2．0—3．5kW。據(jù)日本《水道設(shè)施設(shè)計(jì)指針》中的有關(guān)資料，采用機(jī)械混合的軸功率每千噸水僅為0．6—0．9kW。由于靜態(tài)混合器本身沒有動(dòng)力設(shè)備，其能量損失反映在原水提升泵房揚(yáng)程的提高，因此往往不易被察覺。
針對(duì)靜態(tài)混合器存在的一些問題，開發(fā)研究新的混合形式有必要引起重視。
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圖1所示為國(guó)外有關(guān)資料介紹的二種混合方式。方式(a)是在進(jìn)水主管上提取部分原水，與藥劑混合后，通過噴射擴(kuò)散于原水水體，達(dá)到快速混合的目的，混合時(shí)間約0.5s，G值達(dá)1000S-1。方式（b）采用外加動(dòng)能的方法，進(jìn)行管道混合，它可以根據(jù)需要提供不同的G值，這二種方式都避免了因水量變化對(duì)混合效果的影響，可以作為我們開發(fā)新混合形式的參考。
4、絮凝
目前被廣泛采用的折板絮凝，與傳統(tǒng)的隔板絮凝相比有了很大改進(jìn)，作為絮凝過程中的能量消耗不再集中于轉(zhuǎn)折處，而是通過水流在折板間流動(dòng)產(chǎn)生的旋渦較均勻地分散于絮凝過程。
但是，受構(gòu)造的限制，折板絮凝在完成絮凝全過程中的G值分布還是屬于階梯式。一般設(shè)計(jì)將折板絮凝分為三段，各段采用不同的G值指標(biāo)。此外，折板絮凝的水頭損失由折板間損失和轉(zhuǎn)彎處損失二部分組成，要做到完全的有機(jī)結(jié)合也存在一定困難，這些都與絮凝過程理想的G值分布還有一定差距。
眾所周知，為了達(dá)到完善的絮凝，除了要使顆粒具有良好的絮凝性能(主要通過加藥和混合實(shí)施)外，絮凝池應(yīng)能提供顆粒間充分的接觸碰撞機(jī)會(huì)而又不致破碎。
要使顆粒獲得較高的接觸碰撞機(jī)會(huì)，就要求水流提供較高的G值，而較高的G值又會(huì)帶來水流對(duì)顆粒切應(yīng)力的增加，造成顆粒破碎。因此，尋求二者之間的平衡是絮凝池設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
顆粒在絮凝池中的成長(zhǎng)過程是漸變的，從最初細(xì)小的微絮粒逐漸形成為易沉的粗大絮凝。在初始階段，顆粒細(xì)小，可以承受破碎的剪切應(yīng)力大，為了達(dá)到充分的碰撞機(jī)會(huì)，就應(yīng)采用較大的G值。隨著絮凝過程的進(jìn)行，為了不使絮粒破碎，G值將逐漸降低。理想的G值分布應(yīng)使絮凝過程的任何一點(diǎn)都處在不致造成絮粒破碎的最大G值。當(dāng)然，這只是理論分析，實(shí)際上由于存在顆粒的不同粒徑分布，情況要復(fù)雜得多。但是，絮凝池設(shè)計(jì)采用連續(xù)的而不是間斷式的G值降低是一個(gè)合理的選擇。
圖2所示為一多孔介質(zhì)絮凝的構(gòu)想。水流在多孔介質(zhì)的孔隙間竄行，產(chǎn)生顆粒的相互碰撞聚集。由于水流斷面不斷擴(kuò)大，流速相應(yīng)降低。水流通過介質(zhì)的水頭損失與流速呈一次方關(guān)系，因此沿程的G值變化呈1／2次方連續(xù)衰減，較符合理想G值變化的要求。如果隔板不采用直板，而用弧板，則可產(chǎn)生另一形式的G值變化。此外，還可改變介質(zhì)的粒徑(水頭損失與粒徑平方成反比)，來改變G值的變化過程。對(duì)于不同原水，要求的G值分布規(guī)律也不相同，需要通過攪拌試驗(yàn)和分析確定，而這種形式的布置將為適應(yīng)G值變化提供了較大靈活性。從構(gòu)造上看，這種池型非常簡(jiǎn)單，而且還能很好地做到沿池寬方向的布水均勻。
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雖然國(guó)外也有與上述構(gòu)想類似的介紹，但仍需進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證，對(duì)于采用多孔介質(zhì)進(jìn)行絮凝，作者早期曾在某小型水平沉淀池的旋流絮凝后增設(shè)多孔介質(zhì)絮凝，取得較好效果。
5、沉淀
平流沉淀池由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單、不需經(jīng)常維護(hù)、適應(yīng)水量、水質(zhì)變化的能力強(qiáng)，而被大家所歡迎，成為當(dāng)前沉淀構(gòu)筑物的首選形式。
但是，平流沉淀池也存在著表面負(fù)荷較低，占地面積大等缺點(diǎn)。根據(jù)理想沉淀池原理，沉淀池宜采用淺型，然而由于需與后續(xù)工藝在高程上的銜接，平流沉淀池往往無法做得過淺。
五十年代末六十年代初國(guó)內(nèi)曾對(duì)多層多格沉淀池開展了廣泛的研究。從一些水廠的改造效果看，在相同池體積的條件下，多層多格沉淀池的制水能力得到了很大提高。然而由于多層沉淀他的排泥問題難以解決，給生產(chǎn)運(yùn)行帶來很大麻煩，因而未得到推廣應(yīng)用。
國(guó)外對(duì)雙層沉淀池和三層沉淀池都有所應(yīng)用，我國(guó)香港馬鞍山水廠也采用了三層沉淀他的布置。這些雙層或三層沉淀池大多采用串聯(lián)布置的形式，同時(shí)僅在進(jìn)水的第一層設(shè)置機(jī)械排泥措施，其它各層則還需定期人工清洗。采用串聯(lián)的形式，使已沉至池底的顆粒重又翻起，會(huì)影響整體的處理效果。
圖3所示為一雙層沉淀池的構(gòu)想，每層有效水深可控制在1．8—2．0m。水流采用并聯(lián)形式，避免沉泥翻起影響處理效果。估計(jì)處理能力可較相同體積單。層平流沉淀池增加40—50％。
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這種池型最大的問題是需要解決下層沉淀池的排泥問題，上層沉淀池的排泥仍可采用目前應(yīng)用成熟的泵吸或虹吸式機(jī)械排泥裝置。
隨著環(huán)保設(shè)備開發(fā)能力的增強(qiáng)，相信能找到適合下層排泥的裝置形式。圖中所示的刮板排泥似乎也可作為一種考慮。池底每隔一定距離沒有一道刮板，在短距離范圍內(nèi)來回移動(dòng)，逐級(jí)將泥推向集泥槽。向集泥槽移動(dòng)時(shí)，刮板向下，推動(dòng)沉泥前進(jìn)；退回原位時(shí)，刮板翻起，避免對(duì)沉泥的干擾。
雖然雙層沉淀池增加了排泥設(shè)備的費(fèi)用，但是由于沉淀池體積的減小，并不會(huì)帶來造價(jià)的增加，相反可減少占地而積以及與后續(xù)處理構(gòu)筑物在高程上更好銜接。
6、 過濾
縱觀給水過濾形式的發(fā)展，無不環(huán)繞濾料級(jí)配和沖洗方式二個(gè)主要環(huán)節(jié)，二者又存在著密切聯(lián)系。最早應(yīng)用的慢濾池，由于采用表層刮砂清洗，因此濾料粒徑較細(xì)，以形成表層過濾。由于刮砂清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)工，為延長(zhǎng)運(yùn)行周期，只能以低濾速運(yùn)行？鞛V池最大的突破是應(yīng)用了水力反沖，有條件使周期大為縮短，因此可以采用較大的濾料粒徑，以加大截污能力，同時(shí)大幅度提高濾速。但是水力反沖造成上細(xì)下粗的濾料級(jí)配，限制了濾層截污能力的發(fā)揮，于是有了雙層、多層濾料以及均質(zhì)濾料的出現(xiàn)。盡管是均質(zhì)濾料，但它仍存在一定的大小級(jí)配，因此就要求反沖時(shí)不產(chǎn)生水力分級(jí)。不產(chǎn)生水力分級(jí)的水沖強(qiáng)度不足以保證濾料的清潔，于是就出現(xiàn)了氣水反沖。因此，對(duì)于濾池的研究主要還是圍繞于濾料級(jí)配和沖洗方式。
對(duì)于濾料級(jí)配目前多傾向于采用較粗粒徑。為保證出水水質(zhì)，相應(yīng)采用較深的濾層。
雖然采用較細(xì)粒徑有利于提高水質(zhì)和減小濾層厚度，但存在著水頭損失增長(zhǎng)迅速，過濾周期大為縮短，因此難以推廣應(yīng)用。
由于期終過濾水頭損失中很大一部分是出濾料截污引起的，如果能使濾料始終保持清潔狀態(tài)(或準(zhǔn)清潔狀態(tài))，則過濾水頭始終處于定值，且大大小于期終水頭損失，這也就有可能在較高濾速下應(yīng)用細(xì)粒徑濾料。此外，過濾水頭保持定值，還可避免運(yùn)行中通過出水閥門調(diào)節(jié)來控制濾池水位而造成的能量損失。
要保持濾料始終處于清潔(或準(zhǔn)清潔)狀態(tài)就需要對(duì)現(xiàn)有的沖洗方式加以改進(jìn)。
現(xiàn)有的沖洗方式(包括單水反沖和氣水反沖)存在的—個(gè)缺點(diǎn)就是其反沖對(duì)象不是集中在截污的濾料，而是整個(gè)濾層，因此反沖水量較大。如果能集中對(duì)部分截污濾料進(jìn)行清洗，有可能沖洗水量會(huì)有所降低，濾料清潔程度更高。
圖4 所示為一連續(xù)過濾濾池的設(shè)想。濾料采用比重小于水的細(xì)粒徑濾料，便于濾料的連續(xù)清洗回用。由于采用了細(xì)濾料，懸浮顆粒大部分截留于濾料表層。被截污的濾料不斷被抽吸至池外，通過專用的清洗裝置加以清洗，清洗后濾料送回上部濾層。因此，濾料始終在工作層范圍內(nèi)循環(huán)，不斷得到清洗更新。為防止濾料可能的清洗不夠清潔，故設(shè)有一定厚度的保護(hù)層(采用相同濾料)。若保護(hù)層也被污染，則可降低水位，利用清洗裝置多次重復(fù)清洗，直到完全清潔為止。
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由于濾池始終處于準(zhǔn)清潔狀態(tài)，因此，在運(yùn)行過程中水頭損失不增大，故可采用較高濾速，濾層采用細(xì)粒徑，有利于水質(zhì)提高，濾層也可較薄。由于沖洗集中于截污濾料，水量消耗可較少。
要實(shí)施這一設(shè)想，很重要的環(huán)節(jié)是清洗裝置的開發(fā)，還有待于作進(jìn)一步研究。
7、結(jié)束語
以上所述部分內(nèi)容僅為一些初步的構(gòu)想，并不是作為一個(gè)成熟的技術(shù)加以介紹，目的是引起大家對(duì)進(jìn)一步開展給水常規(guī)處理技術(shù)研究的興趣，起到拋磚引玉的作用。
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