給水廠凈水工藝的發(fā)展及其比較
摘要：綜合給水廠不同凈水工藝的去除指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)上增加的費(fèi)用，我們得出的基本結(jié)論是，在我國(guó)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，在優(yōu)先考慮強(qiáng)化常規(guī)工藝的前提下，增加預(yù)處理和深度處理將是今后我國(guó)水廠進(jìn)行改造的主要方向。在預(yù)處理中，生物預(yù)處理發(fā)展前景廣闊。在深度處理中，活性炭或者生物活性炭（即臭氧-活性炭聯(lián)用）將是主要的發(fā)展趨勢(shì)。
1. 給水凈水工藝的發(fā)展過(guò)程
給水處理的主要任務(wù)和目的就是通過(guò)必要的處理方法去除水中的雜質(zhì)，以價(jià)格合理、水質(zhì)優(yōu)良安全的水供給人們使用，并提供符合質(zhì)量要求的水用于工業(yè)。
給水處理的方法應(yīng)根據(jù)水源水質(zhì)和用水對(duì)象對(duì)水質(zhì)的要求而確定。在逐漸認(rèn)識(shí)到飲用水存在水質(zhì)污染和危害的同時(shí)，人們也開(kāi)始了長(zhǎng)期不懈地對(duì)飲用水凈化技術(shù)的研究和應(yīng)用。到20世紀(jì)初，飲用水凈化技術(shù)已基本形成了現(xiàn)在被人們普遍稱之為常規(guī)處理工藝的處理方法，即混凝、沉淀或澄清、過(guò)濾和消毒。這種常規(guī)處理工藝至今仍被世界上大多數(shù)國(guó)家所采用，成為目前飲用水處理的主要工藝。
飲用水常規(guī)工藝的主要目標(biāo)是去除水源水中的懸浮物、膠體雜質(zhì)和細(xì)菌；炷窍蛟型都踊炷齽，使水中難以自然沉淀分離的懸浮物和膠體顆；ハ嗑酆，形成大顆粒的絮體。沉淀是將混凝后形成的大顆粒絮體通過(guò)重力分離。過(guò)濾則是利用顆粒狀濾料（石英砂等）截留經(jīng)沉淀后出水中殘留的顆粒物，進(jìn)一步去除水中雜質(zhì)，降低水中的混濁度。過(guò)濾之后采用消毒方法來(lái)滅活水中致病微生物，從而保證飲用水的衛(wèi)生安全性。
在二十世紀(jì)七十和八十年代，給水工程技術(shù)人員面臨的主要問(wèn)題是工程的投資效益，即如何以最低的工程總投資來(lái)完成簡(jiǎn)單的處理目標(biāo)。因此，在這段時(shí)期里，研究出了許多比較經(jīng)濟(jì)的凈水技術(shù)和工藝，這些研究包括改進(jìn)沉淀池設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了斜管沉淀池、斜板沉淀池和氣浮池等快速澄清工藝，還有快速過(guò)濾工藝和將絮凝、沉淀和過(guò)濾工藝組合在一起的專用集成設(shè)備。
然而，到了二十世紀(jì)八十和九十年代，新的問(wèn)題出現(xiàn)了，即飲用水中存在的微量有機(jī)物對(duì)人體健康的長(zhǎng)期潛在危害。因此，出現(xiàn)了新的水質(zhì)污染指標(biāo)和規(guī)定，例如，總?cè)u甲烷、揮發(fā)性有機(jī)物和最大污染物濃度等。為了對(duì)待這些新情況，滿足凈水處理要求，工程技術(shù)人員和研究人員已經(jīng)成功地設(shè)計(jì)出去除水中有機(jī)污染物的方法。這些方法，如化學(xué)氧化、活性炭吸附和強(qiáng)化混凝處理等，在過(guò)去的十多年里一直是主要的研究方向。
2. 不同的水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的水處理工藝
綜觀一下給水凈水工藝的發(fā)展歷程，我們可以得出結(jié)論，即不同水質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)不同的水處理工藝。表1就列出針對(duì)不同水質(zhì)參數(shù)而選擇的不同處理方法[1]。
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從上表可以看出，結(jié)合混凝工藝的快速砂濾池是給水處理中最通用的處理方法。然而，在常規(guī)處理工藝基礎(chǔ)上，增加的預(yù)氧化和吸附以及二者的聯(lián)用是解決當(dāng)前水源遭到污染的主要方法，另外，在我國(guó)生物預(yù)處理技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始得到應(yīng)用。這里新提出的膜過(guò)濾將是未來(lái)很有發(fā)展前途的凈水處理技術(shù)。
3. 凈水工藝的比較及發(fā)展趨勢(shì)
目前我國(guó)各自來(lái)水廠的水源大都遭受生活污水與工業(yè)廢水的污染，原水中有機(jī)物氨氮濃度增加，使水帶色、味；有的水廠是從湖泊、水庫(kù)取水，由于原水藻類（包括藻類分泌物）增加，使出水色、腥味增加。這些原水經(jīng)水廠常規(guī)工藝凈化，濁度不易得到很好控制，濾池易堵塞（藻類影響），出水有機(jī)物濃度高（生物不穩(wěn)定，易使輸配水管道中細(xì)菌滋長(zhǎng)，惡化水質(zhì)），氨氮濃度高，使加氯量增加進(jìn)而使消毒副產(chǎn)物（如三鹵甲烷、鹵乙酸等）量增加，提高了飲用水的致癌風(fēng)險(xiǎn)，使出廠水有異味，水質(zhì)下降，往往會(huì)遭受居民的抱怨和投訴。因此，對(duì)給水廠的現(xiàn)有工藝進(jìn)行改造勢(shì)在必行。
凈水廠的工藝改造有以下幾種方法：①. 增加深度處理構(gòu)筑物，如活性炭吸附（或者臭氧－活性炭聯(lián)用）技術(shù)；②. 增加預(yù)處理構(gòu)筑物,如生物預(yù)處理(接觸氧化池或生物濾池)；③. 不增加常規(guī)工藝前、后的凈化構(gòu)筑物，在現(xiàn)有工藝上改造，如強(qiáng)化混凝、強(qiáng)化過(guò)濾、優(yōu)化消毒；④. 綜合采用前面幾種技術(shù)。
具體來(lái)說(shuō)，給水廠凈水系統(tǒng)技術(shù)改造的內(nèi)容主要包括如下幾個(gè)部分：
(1) 針對(duì)水源水的污染特性，增設(shè)必要的預(yù)處理設(shè)施。預(yù)處理技術(shù)包括投加化學(xué)氧化劑，如臭氧、高錳酸鉀；投加吸附劑，包括粉末活性炭和活化粘土；以及生物氧化技術(shù)等。特別是生物氧化預(yù)處理技術(shù)（如曝氣生物濾池），由于本身存在的一些優(yōu)點(diǎn)，自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，在許多國(guó)家得到重視。我國(guó)部分城市水廠也已經(jīng)開(kāi)始了這方面的工作。
(2) 混凝技術(shù)改造。改造的基本方法可因地制宜選用靜態(tài)混合器、利用水泵和加裝機(jī)械攪拌混合器等。
(3) 絮凝技術(shù)改造。改造的基本原則是創(chuàng)造適宜的水力條件，使絮凝的各段過(guò)程中盡量接近最隹GT值。對(duì)打碎絮體的部位需擴(kuò)大斷面積，對(duì)GT值過(guò)小的部位加裝網(wǎng)格或阻流裝置。如要適當(dāng)增加絮凝時(shí)間則可適當(dāng)?shù)卣加靡恍┏恋沓乜臻g來(lái)解決。
(4) 沉淀池、澄清池的技術(shù)改造。改造的基本方法是加裝斜管或斜板。
(5) 過(guò)濾技術(shù)改造，改造為煤和砂的雙層濾料濾池；可考慮采用輕質(zhì)（煤或陶粒濾料）、粒徑較粗、濾層較厚的均勻?yàn)V料。濾池采用氣水聯(lián)合反沖洗，改善沖洗效果，節(jié)約沖洗水量。
(6) 助濾劑的應(yīng)用。在進(jìn)濾池的水中再加注少量（一般為1-3mg/L）的混凝劑或微量（一般幾十µg/L）高分子絮凝劑，能明顯改善水的過(guò)濾性能，顯著提高去除率。這是改善過(guò)濾出水水質(zhì)的一個(gè)非常重要措施。投加助濾劑后，出水濁度明顯降低，但運(yùn)行周期會(huì)相應(yīng)縮短。經(jīng)試驗(yàn)，采用助濾劑方案時(shí)，如運(yùn)行周期尚長(zhǎng)，可不改變?yōu)V層，否則要同時(shí)把濾層改為雙層濾料或均粒濾層并加裝表面沖洗以改善沖洗效果。
(7) 增設(shè)活性炭吸附或生物活性炭（臭氧－活性炭聯(lián)用）深度處理設(shè)施，進(jìn)一步控制出廠水中的有機(jī)污染物的濃度，減少鹵代物質(zhì)的生成量。
(8) 在無(wú)條件建立活性炭濾池時(shí)，可在過(guò)濾前投加粉末活性炭（PAC），或?qū)V池改造為活性濾池。
(9) 優(yōu)化消毒工藝，使用氯胺、二氧化氯、臭氧等消毒劑，降低消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生量，提高飲用水的衛(wèi)生安全性。
(10) 采用膜技術(shù)，可以替代常規(guī)工藝和深度處理工藝，并可以去除部分溶解性無(wú)機(jī)鹽。
(11) 水廠自動(dòng)控制的技術(shù)改造，目的是減低能耗，優(yōu)化工藝參數(shù)，保證出水水質(zhì)。
這里需要特別指出的是，活性炭吸附技術(shù)最能有效地去除水中的有機(jī)物，將是今后給水凈水廠首先應(yīng)考慮增加的深度處理構(gòu)筑物。但從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，根據(jù)我們的估算，采用活性炭吸附技術(shù)每處理1m³/d水的投資將在80-100元，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)將增加0.15元/m³左右。從目前來(lái)看出，恐怕在短時(shí)間內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)。生物預(yù)處理技術(shù)對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮有很好的去除（80-95％），對(duì)鐵、錳的去除有相當(dāng)效果，對(duì)有機(jī)物也有較好的去除效果（10-25％）；對(duì)色、味的去除也有一定效果，還能減少藥劑投加量。生物預(yù)處理技術(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)便宜，僅需增加費(fèi)用0.09元/m³，但基建面積較大，投資高，每1m3/d約在100-120元左右[2]。
當(dāng)然，在我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，最經(jīng)濟(jì)可行辦法的是在現(xiàn)在凈水工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。采取強(qiáng)化混凝與強(qiáng)化過(guò)濾的辦法，可以不增加構(gòu)筑物，因此單位水量1m3改造費(fèi)用只需20-25元，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用只需增加0.03-0.05元/m³。氨氮及亞硝酸鹽氮去除率80-90%，有機(jī)物CODMn去除率15-20%[2]。下面重點(diǎn)介紹一下常規(guī)工藝的強(qiáng)化即強(qiáng)化混凝和強(qiáng)化過(guò)濾。
關(guān)于強(qiáng)化混凝，可以有以下幾種方法：
1) 多投混凝劑使有機(jī)物的水化殼壓縮，水解的陽(yáng)離子與有機(jī)物陰離子電中和，消除由于有機(jī)物對(duì)無(wú)機(jī)膠體的影響，從而使無(wú)機(jī)膠體脫穩(wěn)。
2) 投加絮凝劑，增加吸附、架橋作用，使有機(jī)物易被絮體粘附而下沉。
3) 投加氧化劑，使有機(jī)物被氧化。
4) 調(diào)整混合與絮凝反應(yīng)的時(shí)間，使藥劑充分發(fā)揮作用，即從水力條件上改進(jìn)。
5) 調(diào)整pH，一般有機(jī)物多時(shí)，pH5-6效果好。
6) 根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，以投加絮凝劑，改善水力條件共同進(jìn)行能取得好的效果，且經(jīng)濟(jì)可行。
關(guān)于強(qiáng)化過(guò)濾，強(qiáng)化過(guò)濾濾池主要功能是發(fā)揮濾料與脫穩(wěn)顆粒的接觸凝聚作用而去除濁度、細(xì)菌。如果濾料洗滌不干凈，濾料表面就會(huì)積泥，當(dāng)預(yù)加氯時(shí)抑制了濾料中生物的生長(zhǎng)，因此濾料層沒(méi)有或較少生物降解作用。如果不預(yù)加氯，濾料層中就會(huì)有生物作用，濾池出水中氨氮有所降低，亞硝酸鹽氮增加就是具有亞硝酸鹽菌的結(jié)果。
強(qiáng)化過(guò)濾就是讓濾料既能去濁，又能降解有機(jī)物，降解氨氮、亞硝酸鹽氮。這樣，就需要在濾料中培養(yǎng)生物膜，要既有亞硝酸鹽菌，又要有硝酸鹽菌使氨氮、亞硝酸鹽氮都得到有效去除。強(qiáng)化過(guò)濾技術(shù)的難點(diǎn)是：
1) 選擇濾料（有利于細(xì)菌生長(zhǎng)）；
2) 控制反沖洗強(qiáng)度既能沖去積泥，又能保持一定的生物膜；
3) 要保證出水濁度小于1.0 NTU；
4) 要使濾池的微環(huán)境有利于生物膜成長(zhǎng)；
5) 其他技術(shù)問(wèn)題，如沖洗水的強(qiáng)度、膨脹率等。
綜合給水廠的凈水工藝狀況，我們把不同工藝的機(jī)理、功能、凈水效果和費(fèi)用比較列為一個(gè)表格，便于分析和比較，具體詳見(jiàn)下表（表2）。該表的依據(jù)是1993年12月中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版的《給水排水工程概預(yù)算與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)手冊(cè)》中給水工程構(gòu)筑物技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，這里選取氣水反沖V型濾池作為生物陶粒池、雙閥濾池作為活性炭濾池投資（直接費(fèi)）計(jì)算，間接費(fèi)以直接費(fèi)的50%計(jì)，再乘以價(jià)差調(diào)整系數(shù)2進(jìn)行投資估算。估算中生物陶粒池濾速采用6m/h，活性炭濾池采用10m/h，臭氧發(fā)生裝置以產(chǎn)1kgO3/h投資37.5萬(wàn)元計(jì)算，生產(chǎn)1kgO3耗電35kwh，每kwh以0.8元計(jì)，折舊以15年回收計(jì)算。運(yùn)轉(zhuǎn)管理人工費(fèi)以每月1000元計(jì)。
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4. 結(jié)論
綜合給水廠不同凈水工藝的去除指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)上增加的費(fèi)用，我們得出的基本結(jié)論是，在我國(guó)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下，在優(yōu)先考慮強(qiáng)化常規(guī)工藝的前提下，增加預(yù)處理和深度處理將是今后我國(guó)水廠進(jìn)行改造的主要方向。在預(yù)處理中，生物預(yù)處理發(fā)展前景廣闊。在深度處理中，活性炭或者生物活性炭（即臭氧-活性炭聯(lián)用）將是主要的發(fā)展趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1].范潔，關(guān)于供水企業(yè)技術(shù)發(fā)展問(wèn)題的探討，21世紀(jì)中國(guó)城市水管理國(guó)際研討會(huì)（UNDP技術(shù)援助項(xiàng)目CPR/96/302），1999，9，北京，5-105~5-109
[2]王占生，中國(guó)飲用水的水質(zhì)問(wèn)題，環(huán)境科學(xué)與工程研究，錢易、郝吉明、陳吉寧、唐新華主編，北京：清華大學(xué)出版社，2001年4月第一版，32-37
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