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和經(jīng)濟上增加的費用，我們得出的基本結(jié)論是，在我國現(xiàn)有經(jīng)濟和技術(shù)條件下，在優(yōu)先考慮強化常規(guī)工藝的前提下，增加預處理和深度處理將是今后我國水廠進行改造的主要方向。在預處理中，生物預處理發(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。
1. 給水凈水工藝的發(fā)展過程
給水處理的主要任務和目的就是通過必要的處理方法去除水中的雜質(zhì)，以價格合理、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)。
給水處理的方法應根據(jù)水源水質(zhì)和用水對象對水質(zhì)的要求而確定。在逐漸認識到飲用水存在水質(zhì)污染和危害的同時，人們也開始了長期不懈地對飲用水凈化技術(shù)的研究和應用。到20世紀初，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)工藝的主要目標是去除水源水中的懸浮物、膠體雜質(zhì)和細菌。混凝是向原水中投加混凝劑，使水中難以自然沉淀分離的懸浮物和膠體顆粒互相聚合，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重力分離。過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，進一步去除水中雜質(zhì)，降低水中的混濁度。過濾之后采用消毒方法來滅活水中致病微生物，從而保證飲用水的衛(wèi)生安全性。
在二十世紀七十和八十年代，給水工程技術(shù)人員面臨的主要問題是工程的投資效益，即如何以最低的工程總投資來完成簡單的處理目標。因此，在這段時期里，研究出了許多比較經(jīng)濟的凈水技術(shù)和工藝，這些研究包括改進沉淀池設計，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，還有快速過濾工藝和將絮凝、沉淀和過濾工藝組合在一起的專用集成設備。
然而，到了二十世紀八十和九十年代，新的問題出現(xiàn)了，即飲用水中存在的微量有機物對人體健康的長期潛在危害。因此，出現(xiàn)了新的水質(zhì)污染指標和規(guī)定，例如，總?cè)u甲烷、揮發(fā)性有機物和最大污染物濃度等。為了對待這些新情況，滿足凈水處理要求，工程技術(shù)人員和研究人員已經(jīng)成功地設計出去除水中有機污染物的方法。這些方法，如化學氧化、活性炭吸附和強化混凝處理等，在過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)對應不同的水處理工藝
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)對應不同的水處理工藝。表1就列出針對不同水質(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)處理工藝基礎上，增加的預氧化和吸附以及二者的聯(lián)用是解決當前水源遭到污染的主要方法，另外，在我國生物預處理技術(shù)也已經(jīng)開始得到應用。這里新提出的膜過濾將是未來很有發(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
目前我國各自來水廠的水源大都遭受生活污水與工業(yè)廢水的污染，原水中有機物氨氮濃度增加，使水帶色、味；有的水廠是從湖泊、水庫取水，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），出水有機物濃度高（生物不穩(wěn)定，易使輸配水管道中細菌滋長，惡化水質(zhì)），氨氮濃度高，使加氯量增加進而使消毒副產(chǎn)物（如三鹵甲烷、鹵乙酸等）量增加，提高了飲用水的致癌風險，使出廠水有異味，水質(zhì)下降，往往會遭受居民的抱怨和投訴。因此，對給水廠的現(xiàn)有工藝進行改造勢在必行。
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. 增加預處理構(gòu)筑物,如生物預處理(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，如強化混凝、強化過濾、優(yōu)化消毒；④. 綜合采用前面幾種技術(shù)。
具體來說，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部分：
(1) 針對水源水的污染特性，增設必要的預處理設施。預處理技術(shù)包括投加化學氧化劑，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。特別是生物氧化預處理技術(shù)（如曝氣生物濾池），由于本身存在的一些優(yōu)點，自二十世紀八十年代以來，在許多國家得到重視。我國部分城市水廠也已經(jīng)開始了這方面的工作。
(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，使絮凝的各段過程中盡量接近最隹GT值。對打碎絮體的部位需擴大斷面積，對GT值過小的部位加裝網(wǎng)格或阻流裝置。如要適當增加絮凝時間則可適當?shù)卣加靡恍┏恋沓乜臻g來解決。
(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、濾層較厚的均勻濾料。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) 助濾劑的應用。在進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，能明顯改善水的過濾性能，顯著提高去除率。這是改善過濾出水水質(zhì)的一個非常重要措施。投加助濾劑后，出水濁度明顯降低，但運行周期會相應縮短。經(jīng)試驗，采用助濾劑方案時，如運行周期尚長，可不改變?yōu)V層，否則要同時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) 增設活性炭吸附或生物活性炭（臭氧－活性炭聯(lián)用）深度處理設施，進一步控制出廠水中的有機污染物的濃度，減少鹵代物質(zhì)的生成量。
(8) 在無條件建立活性炭濾池時，可在過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機鹽。
(11) 水廠自動控制的技術(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物，將是今后給水凈水廠首先應考慮增加的深度處理構(gòu)筑物。但從經(jīng)濟角度來看，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，運轉(zhuǎn)費將增加0.15元/m³左右。從目前來看出，恐怕在短時間內(nèi)還難以實現(xiàn)。生物預處理技術(shù)對氨氮、亞硝酸鹽氮有很好的去除（80-95％），對鐵、錳的去除有相當效果，對有機物也有較好的去除效果（10-25％）；對色、味的去除也有一定效果，還能減少藥劑投加量。生物預處理技術(shù)運轉(zhuǎn)費便宜，僅需增加費用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]。
當然，在我國當前的經(jīng)濟和技術(shù)條件下，最經(jīng)濟可行辦法的是在現(xiàn)在凈水工藝基礎上進行改造。采取強化混凝與強化過濾的辦法，可以不增加構(gòu)筑物，因此單位水量1m3改造費用只需20-25元，運轉(zhuǎn)費用只需增加0.03-0.05元/m³。氨氮及亞硝酸鹽氮去除率80-90%，有機物CODMn去除率15-20%[2]。下面重點介紹一下常規(guī)工藝的強化即強化混凝和強化過濾。
關(guān)于強化混凝，可以有以下幾種方法：
1) 多投混凝劑使有機物的水化殼壓縮，水解的陽離子與有機物陰離子電中和，消除由于有機物對無機膠體的影響，從而使無機膠體脫穩(wěn)。
2) 投加絮凝劑，增加吸附、架橋作用，使有機物易被絮體粘附而下沉。
3) 投加氧化劑，使有機物被氧化。
4) 調(diào)整混合與絮凝反應的時間，使藥劑充分發(fā)揮作用，即從水力條件上改進。
5) 調(diào)整pH，一般有機物多時，pH5-6效果好。
6) 根據(jù)試驗研究結(jié)果，以投加絮凝劑，改善水力條件共同進行能取得好的效果，且經(jīng)濟可行。
關(guān)于強化過濾，強化過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、細菌。如果濾料洗滌不干凈，濾料表面就會積泥，當預加氯時抑制了濾料中生物的生長，因此濾料層沒有或較少生物降解作用。如果不預加氯，濾料層中就會有生物作用，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。
強化過濾就是讓濾料既能去濁，又能降解有機物，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。強化過濾技術(shù)的難點是：
1) 選擇濾料（有利于細菌生長）；
2) 控制反沖洗強度既能沖去積泥，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；
5) 其他技術(shù)問題，如沖洗水的強度、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理、功能、凈水效果和費用比較列為一個表格，便于分析和比較，具體詳見下表（表2）。該表的依據(jù)是1993年12月中國建筑工業(yè)出版社出版的《給水排水工程概預算與經(jīng)濟評價手冊》中給水工程構(gòu)筑物技術(shù)經(jīng)濟指標，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）計算，間接費以直接費的50%計，再乘以價差調(diào)整系數(shù)2進行投資估算。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37.5萬元計算，生產(chǎn)1kgO3耗電35kwh，每kwh以0.8元計，折舊以15年回收計算。運轉(zhuǎn)管理人工費以每月1000元計。
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4. 結(jié)論
綜合給水廠不同凈水工藝的去除指標和經(jīng)濟上增加的費用，我們得出的基本結(jié)論是，在我國現(xiàn)有經(jīng)濟和技術(shù)條件下，在優(yōu)先考慮強化常規(guī)工藝的前提下，增加預處理和深度處理將是今后我國水廠進行改造的主要方向。在預處理中，生物預處理發(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。
參考文獻
[1].范潔，關(guān)于供水企業(yè)技術(shù)發(fā)展問題的探討，21世紀中國城市水管理國際研討會（UNDP技術(shù)援助項目CPR/96/302），1999，9，北京，5-105~5-109
[2]王占生，中國飲用水的水質(zhì)問題，環(huán)境科學與工程研究，錢易、郝吉明、陳吉寧、唐新華主編，北京：清華大學出版社，2001年4月第一版，32-37
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