21世紀先進自來水廠原理設計的思考
摘要：針對當前給水工業(yè)的現狀，提出了21世紀先進自來水廠原理設計的基本原則。在詳細分析和比較了現行我國水質標準和主要發(fā)達國家飲水水質標準的基礎上，提出了本原理設計的出水水質目標；并針對我國當前水源水質情況，提出了相應的不同處理工藝；同時考慮了現代化的自動控制系統(tǒng)和現代化的科學管理。
關鍵詞：設計原則; 水質; 處理工藝; 自動控制; 科學管理
1 原理設計基本原則
從人類最初的簡單沉淀凈水方法到傳統(tǒng)的水處理工藝，乃至發(fā)展到現在的飲用水深度凈化，每次飲用水處理技術的發(fā)展與進步，都與水源污染的加重和隨著人們生活水平的提高對飲用水質要求及相應的標準不斷提高密切相關。
近一個世紀以來, 由于科技與工業(yè)的迅速發(fā)展，人工合成的化合物已達到3500萬種。這在提高生產力、消滅蟲害、減少疾病和方便生活等方面發(fā)揮了巨大的作用，但同時也使大量含有各種有毒、有害物質的工業(yè)廢水、生活污水未經處理或只經部分處理便排入天然水體，直接或間接地造成了飲用水水源的污染。從《中國環(huán)境狀況公報》公布的污染狀況來看[1]，我國飲用水源污染主要是以COD和BOD5為代表的有機污染。到目前為止，全世界已在水中測定出上千種有機化合物。在美國，水中鑒定出767種有機化學污染物，其中109種為致癌、促癌和致突變物質。在英國的河水中鑒定出324種有機化學污染物。我國上海黃浦江水中有機物含量達400多種，吉林第二松花江測出有機化合物317種。
目前我國飲用水處理仍以去除懸浮物、濁度和病原微生物的常規(guī)處理工藝為主，并以出水的濁度、色度和細菌總數為工藝控制的主要目標。對于水質良好的水源，傳統(tǒng)的水處理工藝可獲得安全合格的飲用水，但隨著水源水污染的加重，傳統(tǒng)的處理工藝并不能有效去除水源中的致癌、致突變等有害物質。如果水中含有較多的有機污染物，經過加氯消毒后，會產生多種消毒副產物。目前在氯消毒后的飲用水中已經鑒定出了500多種消毒副產物，其中有相當一部分是具有致突變、致癌和致畸作用的。另一方面，隨著分析方法和手段的不斷完善，衛(wèi)生學和毒理學研究的不斷深入，飲用水水質標準中規(guī)定的檢測項目也在不斷增多，限值不斷嚴格。因此采用傳統(tǒng)的飲用水處理工藝已經不能滿足當前人們的飲水安全要求，新的處理工藝和技術（包括預處理和深度處理在內）不斷涌現。
我國的給水處理技術研究與世界發(fā)達國家相差不大，但實際的自來水廠運行和供水水質與發(fā)達國家相比，仍有不少差距。我國與世界先進供水技術的主要差別有：1）水源保護差，水中有機物數量和濃度高；2）現行的飲用水標準低，不夠完善；3）預處理工藝較落后，有機物的去除效率低；4）很少采用深度處理工藝；5）自動化水平和管理水平較低，有些水廠即使引進國外先進的自動化設備，也難以長期正常運行，很大的原因是管理水平低下造成的。
進入21世紀，我國已進入全面建設小康社會并加快推進現代化建設的新階段，這也要求和必將帶動飲用水處理行業(yè)迅速發(fā)展。因此在我國建設具有現代先進水平的自來水廠，對于提高供水水質，保障人們健康，提高生活質量和推動給水工業(yè)發(fā)展都有重要的現實意義。同時，隨著我國加入世界貿易組織，給水工業(yè)與世界接軌之勢已不可阻擋，為適應在此領域中的國際競爭，建設現代化先進水平的自來水廠也是十分必要的。
分析總結現有經驗，筆者認為一個現代化的先進的自來水水處理廠應該具備以下一些特點：
· 具有優(yōu)良的出水水質；
· 具有先進、合理、靈活和適應性強的凈水工藝和技術；
· 具有很高的自動化水平，包括監(jiān)測、控制、預警，并且安全可靠；
· 具有現代化的管理水平。
21世紀先進自來水廠的原理設計即應以此為目標。
2 水質目標和水源水質
一個現代化的自來水廠最重要的就是為用戶提供優(yōu)質的符合健康要求的安全飲用水，因此在水廠設計之前就應該確定該水廠的出水水質目標。這個目標應主要根據現行的水質標準來確定。進入20世紀90年代以來，隨著微量分析和生物檢測技術的進步，以及流行病學數據的統(tǒng)計積累，人們對水中微生物的致病風險和致癌、致畸、致突變有機物、無機物對健康的危害，認識不斷深化，世界衛(wèi)生組織（WHO）和世界各國相關機構紛紛修改原有的或制訂新的水質標準。
目前，全世界有許多不同的飲用水水質標準，其中具有國際權威性、代表性的有三部：世界衛(wèi)生組織（WHO）的《飲用水水質準則》、歐盟（EC）的《飲用水指令》以及美國環(huán)保局（USEPA）的《國家飲用水水質標準》（下稱“三大標準”）。其他國家或地區(qū)的飲用水標準大都以這三種標準為基礎或重要參考，來制訂本國國家標準。
建國五十多年來我國的水質標準頒布了4次，標準中的水質項目從開始的16項增加到35項，每次標準的修改制定都增加了水質檢驗項目和提高了水質標準，F在執(zhí)行的是1985年經衛(wèi)生部修改批準的《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749－85）。1993年國家建設部又根據中國自來水協會對全國100多個城市調查研究的情況，制定了城市供水行業(yè)2000年水質指標88項，將供水企業(yè)分成四類，分別提出不同的水質目標和檢測項目。88項水質指標基本是按歐共體和世界衛(wèi)生組織80年代的標準制定的。2001年，我國衛(wèi)生部又頒布了《生活飲用水水質衛(wèi)生規(guī)范》，共有103項，包括34項常規(guī)檢驗項目和69項非常規(guī)檢驗項目，同時也頒布了飲用水源水質規(guī)范，有65個項目。建設部和衛(wèi)生部的這兩個文件的提出，說明了原有《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749－85）已不能適應人們安全健康保障和經濟發(fā)展水平的要求，我國應及早修改和制定新的、統(tǒng)一的飲用水水質國家標準。
如果將我國飲用水水質標準與一些國際上重要的標準相比，差距是明顯的。
與國際三大水質標準相比，我國的水質標準，不論從項目的數量上，還是項目的指標值上都有較大的差距，具體總結如下[2～7]：
(1) 無機物指標方面差別不是很大，但三大標準均列出了亞硝酸鹽這項重要的指標，而我國卻未規(guī)定。亞硝酸鹽能使人體血液中正常的亞鐵血紅蛋白氧化變成高鐵血紅蛋白，失去血紅蛋白在體內輸送氧的能力，出現組織缺氧的癥狀。有人認為亞硝酸鹽還可與仲胺結合轉變生成具有致癌性的亞硝胺類物質。世界衛(wèi)生組織規(guī)定亞硝酸鹽NO2-不應大于3mg/L（折合NO2--N為0.91mg/L）。現在我國很多以水庫水為原水的地區(qū)，每年3～5月氨氮較高期間，處理后的水中往往亞硝酸鹽值偏高，若不予以高度重視將對健康有所影響。
表1 我國現行飲用水水質標準（GB5749—85）與國際三大標準的差距
| 水質標準項目 | 中國生活飲用標準(GB5749—85) | 中國一類水司水質標準(2000規(guī)劃) | 生活飲用水水質衛(wèi)生規(guī)范(2001) | WHO《飲用水水質準則》(1998) | 歐盟《飲用水水質條例》98/83/EEC | 美國最新飲用水水質標準(2000) |
| 無機物指標 | 10 | 22 | 17 | 19 | 13 | 16 |
| 有機物指標 | 3 | 24 | 23 | 31 | 9 | 35 |
| 農藥 | 2 | 9 | 25 | 40 | 2 | 19 |
| 消毒劑及消毒副產物 | 1 | 4 | 13 | 28 | 2 | 7 |
| 感官性指標 | 14 | 22 | 19 | 31 | 15 | 15 |
| 微生物指標 | 3 | 5 | 4 | 2 | 5 | 7 |
| 放射性指標 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 4 |
| 總共 | 35 | 88 | 103 | 142 | 48 | 101 |
(2) 我國不少地區(qū)的水體以有機污染為主，但從我國的水質標準來看，有毒有害物質項目偏少，在已列出的項目的指標值中有的要求過低。水中的有毒有害化學物質，主要包括重金屬、有機物、農藥、消毒劑及消毒副產物，它們涉及到有關三致（即致突變、致畸、致癌）的問題，對人體健康的危害很大。根據我國的水源水質特點，以及我國自來水廠常用的處理工藝，與三大標準相比，在有機物與消毒劑及消毒副產物方面，我國標準中主要缺少TOC、溴酸鹽和二氧化氯等幾項關鍵性指標。目前，世界衛(wèi)生組織已將“藻毒素”作為一項標準正式納入《飲用水水質準則》，引起了世界各國的高度注意，我國衛(wèi)生部頒布新規(guī)范里也列入了“微囊藻毒素”這項指標。對于農藥，我國新規(guī)范與舊國家標準相比，項目大大增加。其中，作為有機物的綜合性指標，TOC比較科學，但TOC值需要儀器測定，設備價格昂貴。從我國實際考慮可將CODMn作為暫時性的水質指標，因其測定所用設備簡單，分析測定方便，無須復雜的技術，一般水廠分析人員都可測定。另外，我國主要是用氯作為消毒劑，并在管網中保持一定的余氯，以保證消毒的效果。我國國家標準中對其要求是在與水接觸30min后應不低于0.3mg/L，管網末梢水不應低于0.05mg/L。隨著我國水源污染的加劇和臭氧、二氧化氯等消毒技術的興起，應該考慮總三鹵甲烷（THMs）、溴酸鹽、二氧化氯、亞氯酸鹽和鹵乙酸等在飲用水中的存在和控制問題。新的飲用水規(guī)范也列入了上述幾項指標，但其限值與美國等相比仍有一定差距。
(3) 感官性指標一方面可以指示水質污染的程度，另外也是用戶對水質的直接評價對象，達到用戶可接受程度是必須的。我國的感官性指標項目和指標值，與三大標準相比，差別不是很大，但在嗅味的要求上還是有一定的差距。濁度本身屬感官性指標，但它是一個重要的運行性指標。降低濁度的同時也降低了水中的細菌、大腸菌、病毒、賈第蟲、隱孢子蟲、三價鐵、四價錳等，加注混凝劑后也能降低部份有機物，包括形成加氯副產品的母體腐殖酸、富里酸。我國最新的生活飲用水水質衛(wèi)生規(guī)范和WHO對濁度的要求一樣，不能超過5NTU，但平均值<1NTU。美國水質標準任何時候不得超過5NTU，濾后水濁度<1NTU，其中95％以上水樣<0.5NTU。日本快適性指標則要求出廠水<0.1NTU，管網水<1NTU。嗅味作為近些年來用戶投訴的重點越來越引起供水部門的重視。我國在嗅味的控制措施研究上做了大量工作，但嗅味的標準還只規(guī)定達到用戶能接受的程度，只是用無異嗅異味來表述，缺少數量上描述，這使嗅味的控制和產生嗅味物質的去除缺乏明確的目標。而世界上很多國家都已對嗅味做了量化規(guī)定，如美國，嗅閾值為3TON；德國，稀釋倍數為2（12℃）、3（15℃）。
(4) 在微生物項目和指標上，我國衛(wèi)生部新規(guī)范規(guī)定了細菌總數、總大腸桿菌和糞大腸桿菌三項。與發(fā)達國家相比，我國在這方面的研究還相當不夠。近些年來，根據流行病學的統(tǒng)計，賈第蟲、隱孢子蟲已成為介水疾病重要致病因子。美國、英國和澳大利亞等國對賈第蟲、隱孢子蟲等致病原生動物作了大量研究，在檢測計數方法以及滅活措施上都取得較大進展。我國在以后的水質標準改進中也應強化微生物指標，重視致病原生動物對人體健康的威脅，將降低腸道病的風險率作為我們的重要目標。
我國飲用水水源質量的形勢是相當嚴峻的。在這樣的情形下，提高我國的供水水質是當務之急，而保證供水水質的重要手段就是嚴格制訂和強制實施水質標準。從我國的國情出發(fā)，水質標準的發(fā)展方向可歸結為以下幾個方面：
表2 原理設計水廠出水水質
| 常規(guī)檢測項目 | 原理設計出水水質 | 中國《生活飲用水水質衛(wèi)生規(guī)范》（2001） | WHO《飲用水水質準則》(1998) | 歐盟《飲用水水質條例》98/83/EEC | 美國最新飲用水水質標準(2000) |
| 色 | 15 | 色度不超過15度，并不得呈現其他異色 | 15TCU | 用戶可以接受且無異味 | — |
| 渾濁度 | 0.5 | 不超過l度(NTU)，特殊情況下不超過5度(NTU) | 5 | 1.0 | 0.5 |
| 臭和味 | 不得有異臭、異味 | 不得有異臭、異味 | — | 用戶可以接受且無異常 | — |
| pH | 6.5～8.5 | 6.5～8.5 | 6.5～8.5 | 6.5～8.5 | 6.5～8.5 |
| 鋁/mg/L | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 2 |
| 鐵/mg/L | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.3 |
| 錳/mg/L | 0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.05 | 0.05 |
| 銅/mg/L | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 2.0 | 1.0 |
| 鋅/mg/L | 1.0 | 1.0 | 3 | — | 5 |
| 硫酸鹽/mg/L | 250 | 250 | 400 | 250 | 250 |
| 氯化物/mg/L | 250 | 250 | 250 | 250 | 250 |
| 溶解性總固體/mg/L | 1000 | 1000 | 1000 | — | 500 |
| 耗氧量(以O2計) /mg/L | 3, 特殊情況下不超過5 | 3, 特殊情況下不超過5 | — | 5.0 | — |
| 砷/mg/L | 0.02 | 0.05 | 0.01 | 0.01 | 0.05 |
| 鎘/mg/L | 0.003 | 0.005 | 0.003 | 0.005 | 0.005 |
| 鉻(六價) /mg/L | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.1 |
| 氰化物/mg/L | 0.05 | 0.05 | 0.07 | 0.05 | 0.2 |
| 氟化物/mg/L | 1.0 | 1.0 | 1.5 | 1.5 | 4.0 |
| 鉛/mg/L | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.015 |
| 汞/mg/L | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.001 | 0.002 |
| 硝酸鹽(以N計)/mg/L | 20 | 20 | 11.3 | 11.3 | 10 |
| 亞硝酸鹽（以N計）/mg/L | 3（短時間）0.2（長時間） | — | 3（短時間）0.2（長時間） | 0.15 | 1 |
| 溴酸鹽/mg/L | 0．025 | — | 0．025 | 0．01 | 0.01 |
| 硒/mg/L | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.05 |
| 四氯化碳/mg/L | 0.002 | 0.002 | 2 | 0 | |
| 氯仿/mg/L | 0.06 | 0.06 | 0.2 | 0.1 | 0 |
| 細菌總數/CFU/mL | 100 | 100 | — | 無異常變化 | — |
| 總大腸菌群 | 每100mL水樣中不得檢出 | 每100mL水樣中不得檢出 | 在任意100mL水樣中檢測不出 | 0個/mL | 0 |
| 游離余氯 | 在與水接觸30分鐘后應不低于0.3mg/L，管網末梢水不應低0.05mg/L(適用于加氯消毒) | 在與水接觸30分鐘后應不低于0.3mg/L，管網末梢水不應低于0.05mg/L(適用于加氯消毒) | 接觸30分鐘后，自由氯應>0.5mg/L。 | — | — |
| 總α放射性 | 0.5(Bq/L) | 0.5(Bq/L) | 0.1 | — | 0 |
| 總β放射性 | 1(Bq/L) | 1(Bq/L) | 1 | — | 0 |
(1) 我國水質標準提高的首要目標是加強微生物學指標，F在，很多研究關注于加氯后引起的氯仿等消毒副產物，這無疑是十分重要的，但我們更應對微生物的人體健康風險給予高度重視，其中隱孢子蟲等腸道致病原生動物及軍團菌等細菌和病毒應作為研究的重點。
(2) 對有毒有害物質指標應繼續(xù)重視，制訂標準應更為嚴格。如無機砷，我國標準規(guī)定為50μg/L，而WHO、EC及美國的指標值均為10μg/L，應根據我國的實際情況進行適當調整。應加強對消毒劑與消毒副產物的研究，嚴格控制消毒副產物的產生，關注總三鹵甲烷（THMs）、溴酸鹽、二氧化氯、亞氯酸鹽和鹵乙酸等幾項關鍵指標。
(3) 應從對健康的影響來理解和認識感官性指標。如濁度，雖然很多國家將其列入感官性指標，但更重要是將其作為一項運行性指標，對細菌、大腸菌、隱孢子蟲、三價鐵、四價錳、富里酸等污染物的存在和去除，具有指示作用。美國對濁度控制相當嚴格，將其列入微生物學指標，規(guī)定也從現在的0.5NTU（95%合格率）提高到0.3NTU（2002年執(zhí)行），這主要是從控制微生物風險來考慮，而不僅僅是感官性狀。另外，還應該量化嗅味指標，以嗅閾值取代現有標準的規(guī)定。
(4) 在制訂水質標準中要開展風險效益投資分析。在飲用水水質標準的制訂和修改中，確定目標后，列出須增減或修改的項目，作詳細調查，要弄清調整指標可能取得的效益和降低的風險，提供改善指標的可行凈水措施并進行效益和投入的分析，這樣制訂的標準才更合理，更具可行性和科學性，更能適合于現階段我國國情。
(5) 在水質標準中制訂分級水質目標，使標準既具先進性又有可操作性。我國幅員廣大，水源條件差異很大，地區(qū)經濟發(fā)展也不平衡，從《建設部2000技術進步規(guī)劃》水質目標的執(zhí)行情況來看，以國家現行水質標準和當時的EC指令為基礎把全國的自來水公司分成4類，制訂各自的水質目標是可行的，對我國飲用水水質的提高起到積極的推動作用。隨著近年來我國特別是珠江、長江三角洲等沿海地區(qū)經濟的迅猛發(fā)展，經濟發(fā)展和居民收入水平成為提高水質的直接推動力。過去帶有計劃經濟色彩的，按照供水水量和城市地位劃分水司的方式已不再適應新形勢的要求，以GDP和其他相關經濟指標對水司重新分類，制訂分級水質目標，則是在市場經濟條件下，通過國家立法，引導供水企業(yè)提高供水水質的必然選擇。
根據以上對發(fā)達國家水質標準的分析和比較，明確了當前國際上先進的飲水水質標準。2001年，我國衛(wèi)生部頒布了《生活飲用水水質衛(wèi)生規(guī)范》，共有103項，包括34項常規(guī)檢驗項目和69項非常規(guī)檢驗項目。本原理設計的目標水質將以此衛(wèi)生規(guī)范為基礎，再根據國際的飲水水質標準，做一些改進，使出水水質處于世界先進水平。表2列出了本原理設計的出水水質要求（未列出的指標值均與2001年衛(wèi)生部頒布的《生活飲用水衛(wèi)生水質規(guī)范》一致）。表中還列出了衛(wèi)生部規(guī)范及國外三大標準的對照值。
由于不同的原水水質需要采用不同的工藝來處理才能達到上面所提出的出水水質要求，因此調查、了解和分析我國主要城市的飲用水水源——主要江河湖庫的水質情況是十分必要的。
從國家環(huán)保總局發(fā)布的《2003年中國環(huán)境狀況公報》可以看到，我國七大重點流域地表水有機污染普遍，各流域干流斷面滿足地表水三類及其以上水體水質要求的僅為38.1%，主要超標的污染指標為高錳酸鹽指數和氨氮；主要湖泊富營養(yǎng)化問題突出，如太湖、滇池、巢湖等，氮、磷、高錳酸鹽指數嚴重超標；我國許多主要地表水水源中藻類的含量一般都比較高，不同藻類產生的藻毒素的類別與毒性問題等較為嚴重。全國多數城市地下水受到一定程度的點狀或面狀污染，部分水質指標超標，主要有硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、總硬度、鐵錳等。從上面的污染情況的分析可以看到，我國的飲水水源中具有普遍意義的主要污染物有：各種有機物（包括合成有機物）、氨氮和藻類等。
本文收集和整理了全國18個城市的32個主要飲水水源水庫共21個月的水質數據，結果如表3所示[8-9]。
從以上分析可以看出，相當部分的飲用水水源水質不容樂觀，不同地區(qū)的水源水質差別比較大，有的水源水質已經不能滿足地表水飲用水源的水質標準，需要經過適宜的預處理才能重新作為飲用水源。
3 處理工藝
針對面臨的水源污染現實，一方面應積極采取措施來控制污染的進一步發(fā)展，另一方面也需要采用新的水處理技術，包括預處理和深度處理技術來保證處理后水質達到國家的飲用水水質標準。對于不同的水源水質就需要采用不同的處理工藝，以達到經濟高效的目的。以下結合我國目前水源水質的特點，舉例說明三種可考慮的處理工藝。
表3 19個城市32個水庫2000年1月至2001年9月水質情況
| 區(qū)域 | 城市 | 水庫 | 水質級數 | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 劣5級 | |||
| 華北 | 北京 | 密云水庫 | 21 | |||||
| 太原 | 蘭村水源地 | 21 | ||||||
| 天津 | 潘家口水庫 | 4 | 14 | 3 | ||||
| 東北 | 大連 | 碧流河水庫 | 16 | 5 | ||||
| 西南 | 貴陽 | 阿哈水庫 | 9 | 11 | 1 | |||
| 貴陽 | 百花湖 | 21 | ||||||
| 貴陽 | 紅楓湖 | 21 | ||||||
| 重慶 | 江北區(qū) | 1 | 20 | |||||
| 重慶 | 南岸區(qū) | 7 | 13 | 1 | ||||
| 重慶 | 渝中區(qū) | 2 | 19 | |||||
| 昆明 | 松華壩水庫 | 16 | 5 | |||||
| 西北 | 蘭州 | 魚口 | 11 | 3 | 2 | 4 | ||
| 烏魯木齊 | 烏拉泊水庫 | 16 | 5 | |||||
| 西寧 | 北川塔爾 | 21 | ||||||
| 西寧 | 西納川 | 21 | ||||||
| 華東 | 南昌 | 贛江青云 | 16 | 5 | ||||
| 青島 | 產芝水庫 | 7 | 13 | |||||
| 青島 | 棘洪灘水庫 | 8 | 13 | |||||
| 青島 | 嶗山水庫 | 14 | 7 | |||||
| 南昌 | 贛江朝陽 | 16 | 5 | |||||
| 南京 | 夾江 | 1 | 19 | 1 | ||||
| 南京 | 浦口 | 3 | 18 | |||||
| 合肥 | 巢湖 | 1 | 13 | 4 | 3 | |||
| 合肥 | 董鋪水庫 | 17 | 4 | |||||
| 華南 | 深圳 | 鐵崗水庫 | 8 | 13 | ||||
| 深圳 | 西瀝水庫 | 19 | 2 | |||||
| 南寧 | 邕江上游 | 2 | 14 | 5 | ||||
| ？ | 南渡江龍?zhí)翂?/td> | 21 | ||||||
| 華中 | 長沙 | 湘江猴子石 | 1 | 19 | 1 | |||
| 武漢 | 長江余家頭 | 13 | 4 | 3 | 1 | |||
| 武漢 | 漢江琴斷口 | 17 | 3 | 1 | ||||
| 武漢 | 漢江宗關 | 1 | 15 | 4 | 1 | |||
注：表中數據為水質為某一級別的月數。
(1) 對于水庫水來說，其水質特點是濁度低，有機物濃度較低，但同時可能會有一定數量的藻類，因此對于這類水質的原水，不必采用傳統(tǒng)的混凝沉淀過濾工藝來處理。針對低濁度的特點，采用微絮凝深床過濾的工藝就可以使出水的濁度達到飲用水水質標準，如圖1所示。對于藻類的去除采用了預加臭氧氧化的工藝，這樣即使水源水中含有少量的有機污染物，也不至于因為加氯氧化而產生后續(xù)工藝難以去除的消毒副產物。在此工藝中的微絮凝工藝與常規(guī)的混凝反應池不同，采用了水渠混合反應配以機械攪拌的方法使水在進入濾池前，形成顆粒尺寸合適、具有一定強度的微絮凝絮體。這種工藝采用了特殊的水渠結構，充分利用水渠的水力混合條件，使得進入濾池時的絮體顆粒在濾池中得到充分地去除，保證濾池出水的濁度達標。對于消毒，采用了臭氧消毒和氯氨消毒配合使用的工藝。濾池出水后先經過臭氧消毒，使前臭氧氧化工藝中未能去除的有機物進一步被氧化，同時殺滅水中的細菌和病毒。由于臭氧消毒沒有持續(xù)性，不能保證管網末梢的殺毒能力，因此在臭氧消毒的基礎上又進行了氯氨消毒。在臭氧消毒過程中已經去除了消毒副產物的前體有機物，因此在臭氧消毒后加氯消毒，從消毒副產物的情況來看是比較安全的，同時氯氨消毒具有很強的持續(xù)殺菌能力，可以保證管網末梢的余氯在飲用水水質標準范圍內。從一個城市的供水系統(tǒng)來說，由于該工藝耐沖擊負荷的能力比較弱，因此建議整個城市供水系統(tǒng)中采用該工藝的水廠處理能力不應超過城市總供水能力的50％。另外，如果在水源水中已經檢測到有賈第蟲、隱孢子蟲等腸道致病原生動物，則投加混凝劑與混凝沉淀過程仍是不可缺少的[10]。
(2) 對于微污染的水源水，其水質特點是原水中的有機污染物濃度較高，采用常規(guī)的飲用水處理工藝很難去除，而且在采用氯消毒時，將產生大量的消毒副產物。因此根據這樣的水質特點，提出了在常規(guī)處理工藝上增加預處理和后處理工藝，如圖2所示。預處理工藝采用了生物接觸氧化技術，這種生物處理技術可以有效地去除水中的有機物，使原水中的有機物在進入水廠處理之初就得到有效地去除。水廠的主處理工藝采用常規(guī)的混凝-沉淀-過濾工藝。在混凝前加臭氧預氧化，可以進一步去除水中的有機物，以及殺滅水中的細菌和病毒，并提高后續(xù)的混凝沉淀效果，同時可以防止微生物在混凝反應池、沉淀池和濾池中的孳生。濾池出水后的消毒方法和前一工藝相同。但當水源水有機污染比較嚴重的時候，通過生物接觸氧化工藝，以及二級臭氧氧化后，仍然不能完全去除水中的有機物，在這種情況下，為了使氯消毒前盡可能地去除水中的污染物，在第二級臭氧氧化后加入了活性炭吸附工藝。活性炭工藝可以根據濾池出水的水質情況來考慮是否啟動: 當水質很好的情況下，不啟動活性炭吸附工藝；當濾池出水水質較差時，則啟動。通過這樣的處理流程后，可以提供優(yōu)質安全的出廠水[11-14]。
(3) 膜技術：最近幾年膜技術在給水處理中得到了較快的發(fā)展。從技術上講，微濾和超濾可以替代常規(guī)處理，納濾和反滲透可以替代深度處理，原水經過膜處理后，可以有效地去除水中的有機物，也就降低了氯消毒過程中消毒副產物產生的可能性，從出水的水質來說，更具安全性。過去由于價格原因尚很少用于城市水廠，近幾年來膜技術有很大進步，價格也有較大下降。因此膜處理技術以其優(yōu)質的出水，以及較大的降價空間已經越來越受到飲用水工業(yè)界的重視。在國外已經有較多的膜處理水廠，一般以超濾和微濾水廠居多，而且處理規(guī)模也不大。現在膜處理水廠正向著大規(guī)模的納濾水廠發(fā)展，已建成的納濾水廠已經達到了10幾萬t/d的規(guī)模。但是目前就國內的水廠而言，除一些小型的海水、咸水淡化設備外，基本上還沒有膜處理城市自來水廠。鑒于膜處理工藝的優(yōu)點，它將是我國21世紀水廠發(fā)展的一個方向。在本原理設計中根據不同的水源水質情況，提出了不同流程的膜處理工藝，如圖3所示。當水源的濁度和有機污染物濃度較低的情況下，采用超濾工藝就可以使出水的水質達到本文提出的設計出水水質；當原水的濁度相對較高，尤其是有機物濃度較高的情況下，僅采用超濾工藝是難以保證出水水質的，因此設計了超濾＋納濾的處理工藝，納濾后的出水水質相比與傳統(tǒng)處理工藝的出水要好得多，可以有效地去除水中的有機物。由于膜處理后出水的有機物濃度很低，因此在消毒工藝中就不再考慮臭氧消毒，而直接采用了氯氨消毒工藝，就可以保證消毒的安全性[15-21]。
4 自動控制
實現水廠生產過程自動控制的目的是：通過提高水廠的自動化程度來提高水廠的現代化管理水平與生產過程調控能力，從而提高水廠生產的社會效益和經濟效益[21-26]。具體表現在以下方面：
(1) 水質優(yōu)化：通過自動化控制系統(tǒng)的調節(jié)，提高供水水質的安全可靠性，并降低水處理系統(tǒng)的運行費用。例如在預處理＋常規(guī)處理＋深度處理工藝中，可以根據常規(guī)處理出水的水質情況來控制活性炭工藝的關停，當常規(guī)處理出水水質優(yōu)于水質標準時，則控制系統(tǒng)自動關閉活性炭吸附工藝，反之則啟動活性炭工藝。
(2) 能耗優(yōu)化：水廠是耗能大戶。通過自控系統(tǒng)的調節(jié)，可以最大限度地節(jié)約能耗。例如通過對取水泵站和送水泵站水泵電機的調速控制，使之按恒定流量或恒定壓力方式運轉，避免能量浪費，即實現能耗優(yōu)化。又如可以根據濾池出水濁度及原水水質情況，控制系統(tǒng)自動調節(jié)沉淀池出水濁度目標，在保證出廠水水質合格的前提下，實現水處理系統(tǒng)運行的總費用最低（藥劑費用、排泥水費、濾池反沖洗水費之和）。
(3) 單體構筑物運行優(yōu)化：可以根據系統(tǒng)總體運行條件要求（原水水質、產水量等），各控制單元對各個水處理構筑物的運行工況進行自動調節(jié)，通過改變投藥量、排泥工況、反沖洗周期及時間等實現單個構筑物在最優(yōu)工況下運行。
以上三種處理工藝的原理設計中均應包括有全廠的自動化控制系統(tǒng)。可采用基于現場總線的以太網控制技術實現全廠生產的自動控制，根據不同的控制要求分別設立現場控制子站。主要的現場控制子站有：1) 加藥現場子站，可實現加藥、加氯、加氨的自動控制，同時還可包括沉淀池和反應池的排泥自動控制；2) 濾池現場子站，主要實現濾池恒壓過濾和濾池反沖洗的自動控制；3) 送水泵房現場子站，可實現水泵啟、停和運行的自動控制；4) 臭氧投加現場子站，可實現臭氧投加的自動控制。對于膜處理的自動控制現場子站，則設超濾現場子站、納濾現場子站、加藥現場子站和泵房現場子站。在自動控制的現場子站和中央控制室中，都具有對設備和運行狀態(tài)的監(jiān)控，一旦出現異常情況，則可以發(fā)出報警，自動采取安全措施等。
5 現代化管理
對于一個大型的現代化自來水廠，即使其工藝是具有先進性的，工藝的控制是高度自動化的，但是如果沒有現代化的管理，也是很難使生產運行達到最佳的狀態(tài)。因此采用現代化的科學管理方法，是現代化水廠優(yōu)化運行的前提條件。
在具體水廠的設計中應該考慮科學管理的內容：包括（1）水質檢測和管理；（2）企業(yè)生產管理（制訂管理制度，建立管理機構）；（3）供水管理和服務以及（4）科研管理（水處理工藝和技術科研管理，自動控制管理，信息技術管理）等。有了完善的、科學的、高效的管理手段，可以在為用戶提供安全、優(yōu)質的飲用水的同時，有效地降低水廠的運行成本，創(chuàng)造更多的經濟效益[27-29]。
6 結論
通過以上對21世紀先進自來水廠的原理設計的思考，可得到以下的幾點結論和建議。
1) 現代化的先進自來水廠應具備的特點有：(1) 優(yōu)良的出水水質；(2) 先進、合理、靈活和適應性強的凈水工藝和技術；(3) 高度的自動化水平，包括監(jiān)測、控制、預警，并且安全可靠；(4) 現代化的管理水平。
2) 在水廠處理工藝的選擇前，首先要充分收集和分析水廠水源的水質情況，要掌握長期的水源水質，分析水質的變化趨勢，確定水源的水質分類，在這基礎上才能最終確定水廠的處理工藝。
3) 在水廠的建設期，至少應該有30％以上的水廠職工，尤其是生產和技術人員要參加整個水廠的建設，包括設計、建設和安裝調試整個過程。這樣可以在水廠的運行期，更好地進行操作和管理。
4) 水廠的建設不應單獨孤立地進行，應該作為整個城市的供水系統(tǒng)的一個部分，作為城市供水企業(yè)的一個分公司來進行建設。
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