建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場化
運(yùn)行機(jī)制，搭建產(chǎn)業(yè)科研間橋梁
WATER POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY MAJOR PROJECT
行業(yè)交流
BOUNCE
目前,，我國頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)和《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T206—2005)都要求飲用水的濁度不高于1 NTU,，絕大部分水廠濾后水濁度可以滿足此要求,，但很難將這一指標(biāo)降至0.1 NTU以下，部分水廠出水濁度達(dá)到0.3 NTU以上。相比而言,，美國聯(lián)邦飲用水標(biāo)準(zhǔn)要求95%以上濾后水樣品濁度不大于0.3 NTU。在未加設(shè)深度處理工藝,，僅利用優(yōu)化常規(guī)處理工藝的情況下,，美國相當(dāng)部分水廠出水濁度可降至0.1 NTU以下，甚至穩(wěn)定在0.03～0.05NTU范圍內(nèi),。
濁度對于給水處理來說是一個(gè)至關(guān)重要的水質(zhì)指標(biāo),，降低濁度的同時(shí)也降低了水中的細(xì)菌、大腸菌,、病毒,、隱孢子蟲、鐵,、錳等,。研究表明，當(dāng)濁度控制在0.1 NTU以下時(shí),，賈第鞭毛蟲,、隱孢子蟲去除率達(dá)99.9%以上，越低的濁度水平代表著越小的微生物風(fēng)險(xiǎn)和越高的供水質(zhì)量,。錢孟康,、姚宏等學(xué)者均對美國水廠的運(yùn)行情況進(jìn)行探討,，但這些研究只局限于討論某些工藝和某一工段,，并未通過對全流程參數(shù)分析而掌握其運(yùn)行策略,。因此,，挑選中美同緯度下(北緯36～42度)具有代表性的三個(gè)地表水廠進(jìn)行詳細(xì)對比分析,，以求找出中美水廠設(shè)計(jì)運(yùn)行中的相同與不同,，以及挖掘美國水廠運(yùn)行過程中值得借鑒的理念和經(jīng)驗(yàn),，為將來我國水廠水質(zhì)提標(biāo)改造提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ),。
1 原水水質(zhì)對比
美國三個(gè)水廠均位于賓夕法尼亞州中南部地區(qū),，中國三個(gè)水廠均位于山東省,，各水廠水源水的比較見表1,。
由表1可見,，美國賓州AB兩水廠水源皆取自河流,，如薩斯奎哈納河等,，美國C水廠取自水庫,。中國三個(gè)水廠皆取自水庫水。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，由于美國對水源保護(hù)力度大,，使得其原水水質(zhì)條件優(yōu)于我國,。因此,，為保證后續(xù)工藝的可比性，兩國所選水廠原水水質(zhì)相近,。由表1可見,，中國水廠TOC數(shù)值總體略高于美國;而美國A和中國A兩水廠UV254數(shù)值較高，其他水廠之間差別不大,。在濁度方面,，我國水源水有明顯冬低夏高季節(jié)性變化的特點(diǎn),，例如中國山東B水廠，其冬季原水濁度為4～8 NTU,，但夏季濁度會升至30 NTU,。因此,，綜合考慮各水質(zhì)指標(biāo)的代表性,，確定以濁度作為典型指標(biāo)進(jìn)行對比分析,。
由實(shí)際供水量和設(shè)計(jì)水量對比可見，國內(nèi)水廠基本都按照設(shè)計(jì)水量滿負(fù)荷運(yùn)行,，美國水廠實(shí)際供水量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水量,。基于保證用水水量的考慮,，美國水廠通常以未來10～20年的最高日需水量來確定設(shè)計(jì)水量,。美國AB水廠分別為新建和新擴(kuò)建水廠，因此調(diào)研時(shí)的實(shí)際運(yùn)行水量僅為其設(shè)計(jì)水量的50%左右,。美國C水廠建于20世紀(jì)90年代，由于該市人口減少和工業(yè)萎縮,，調(diào)研時(shí)的實(shí)際運(yùn)行水量僅為其設(shè)計(jì)水量的33%,。
在水廠工藝方面，所選的美國水廠都以常規(guī)處理工藝(即混合/絮凝/沉淀/過濾)為主,，中國B,、C水廠則是常規(guī)工藝與深度處理相結(jié)合。除美國C水廠外,，其余5個(gè)水廠皆采用了預(yù)氧化處理,，所投藥劑以高錳酸鹽為主,，僅中國C水廠使用臭氧預(yù)氧化，臭氧投加量約為1mg/L,。在深度處理工藝選擇上,，美國三個(gè)水廠都僅采用了常規(guī)處理,，未選用任何深度處理工藝;而中國B、C兩水廠為保證出水水質(zhì),，分別增設(shè)了超濾膜處理和臭氧-活性炭工藝。因此,，水廠之間的對比僅圍繞常規(guī)工藝展開,。
2 常規(guī)工藝運(yùn)行策略對比
2.1 混合工段對比分析
表2為中美水廠混合工段對比分析。由此可見,，美國水廠的混合系統(tǒng)與我國基本相似，都是以機(jī)械混合和管式靜態(tài)混合兩種混合方式為主,。不同的是,，兩國混合時(shí)間不同：我國水廠混合過程一般需50～60s，而三個(gè)美國水廠使用超高速混合設(shè)備,，使得混合時(shí)間全部小于30s,。越短的混合時(shí)間表明藥劑水解的概率越低，越有利于混合過程的進(jìn)行,。因此,，在后續(xù)國內(nèi)水廠改造中，可通過改良設(shè)備縮短混合時(shí)間,，提高混合效果,。
混凝劑投加量方面，為保證TOC去除效率,，通過增加藥劑投加量來強(qiáng)化混凝過程,，美國賓州的AB兩水廠PAC投加量高達(dá)45和50mg/L，而我國三個(gè)水廠PAC投加量不超過17mg/L,。在合理范圍內(nèi)提高混凝劑投加量,，會增加顆粒物參與吸附架橋、網(wǎng)捕與卷掃等作用的機(jī)會,，有利于破壞膠體聚集穩(wěn)定性,，提高混凝效果。另外,，美國水廠一般在原水水質(zhì)變化時(shí)都進(jìn)行燒杯實(shí)驗(yàn),，以確定最適加藥量，避免投加量過大而導(dǎo)致膠體再穩(wěn)定,，此操作理念值得國內(nèi)水廠學(xué)習(xí),。
2.2 絮凝工段對比分析
由表3可見，調(diào)研的美國三個(gè)水廠皆使用機(jī)械絮凝工藝,，而我國山東AB水廠均采用折板絮凝,。折板和網(wǎng)格絮凝方式難以調(diào)節(jié)水力條件，很難通過改變能量投加來達(dá)到最優(yōu)的控制參數(shù),。而機(jī)械絮凝可根據(jù)水質(zhì)和藥劑投加量控制每級的功率和攪拌速度,，以適應(yīng)季節(jié)和水質(zhì)的變化。在絮凝時(shí)間上,，中國的三個(gè)水廠受設(shè)計(jì)規(guī)范制約,，一般都控制在15～20min。而美國賓州《公共供水手冊》建議20～30min的絮凝時(shí)間,，美國《飲用水水廠十州建議標(biāo)準(zhǔn)》建議至少30分鐘的絮凝時(shí)間,。
美國C水廠，因?qū)嶋H運(yùn)行水量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水量,，其絮凝工段停留時(shí)間高達(dá)80min,。美國A水廠其設(shè)計(jì)水量為1.5萬方,，但為了方便將來提高設(shè)計(jì)產(chǎn)量,，修建了0.8萬方毛坯濾池,，在沉淀池預(yù)留了0.8萬方斜板空間，同時(shí)將絮凝池直接按2.3萬方設(shè)計(jì)修建,，導(dǎo)致絮凝工段停留時(shí)間高于設(shè)計(jì)值,。同時(shí)美國水廠一般會考慮在其中某個(gè)運(yùn)行單元檢修停水時(shí)，其他單元也要滿足設(shè)計(jì)要求,，會實(shí)際多修建一個(gè)單元,。這也是美國水廠絮凝時(shí)間和其他設(shè)計(jì)參數(shù)比較保守的原因之一。
另外,，美國水廠在日常檢測中,，會根據(jù)混凝段(包括混合和絮凝)出水濁度評價(jià)此工段運(yùn)行效果，并根據(jù)數(shù)值和絮體性狀調(diào)整工段運(yùn)行,。調(diào)研中發(fā)現(xiàn),，國內(nèi)水廠往往只檢測進(jìn)水、沉淀池和濾池出水濁度,，而忽略了對混凝段出水絮體的檢測和評價(jià),。
2.3 沉淀工段對比分析
表4為中美沉淀工段對比。由表4可見,，美國三座水廠所用沉淀方式為斜板沉淀或斜管沉淀,，這兩種沉淀方式在美國普遍采用，而平流沉淀使用很少,。國內(nèi)水廠仍普遍使用平流沉淀池,，僅在寒冷地區(qū)多采用斜管沉淀。與平流沉淀相比較,，斜板沉淀和斜管沉淀可以有效提高單位池面積的產(chǎn)水量和降低出水濁度,。
對于沉淀池排泥周期，中美兩國并無太大差別,。根據(jù)運(yùn)行情況不同,，我國水廠的排泥周期通常有6、12,、24h等,。不同的是，我國排泥多采用刮泥機(jī),、吸泥機(jī)等設(shè)備,，但美國水廠排(刮)泥設(shè)備先進(jìn)，如使用自動化池底污泥清掃器,，對節(jié)水和污泥處理大有好處,。
另外,，值得注意的是，由于良好的混凝及沉淀效果,，美國三個(gè)水廠沉淀池出水濁度已降至0.5NTU以下,，美國C水廠甚至降至0.2NTU。而中國的三個(gè)水廠同工段出水濁度仍在0.8～3NTU之間,，由此可見兩國的濁度差距在沉淀段出水已然明顯,。
2.4 過濾工段對比分析
表5為中美過濾工段對比。由表5可見,，在濾料選擇上,，國內(nèi)的濾池濾料以單層石英砂為主流，美國則以雙層濾料為主,，即上層為無煙煤,，下層為細(xì)砂，且無煙煤厚度大于砂層,。雙層濾料符合理想過濾的模型,，避免了單一濾料反洗水力分級后上層細(xì)砂堵塞速度快、不能發(fā)揮深層過濾的缺點(diǎn),，使濾料在過濾周期內(nèi)的有效功能得以發(fā)揮,，減少了水頭損失，延長了過濾周期,。
在濾池池型上,，中國絕大多數(shù)給水廠普遍采用了以V型濾池為主的均質(zhì)濾料過濾技術(shù)，極少采用不同的或新型的過濾技術(shù),，這一點(diǎn)和國內(nèi)室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范影響有關(guān),，同時(shí)也與中國大部分設(shè)計(jì)院較少對過濾技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，傾向引進(jìn)國外專有技術(shù)的導(dǎo)向有關(guān),。而美國濾池設(shè)計(jì)上池型很少采用V型濾池,，多為簡單實(shí)用的普通快濾池結(jié)構(gòu)，且每座濾池均設(shè)置在線濁度儀,。
一方面,，美國水廠濾池進(jìn)水，即沉淀池出水濁度已經(jīng)低于0.5NTU,，且采用雙層濾料,，提高了濾料利用效率;另一方面，由表5可見,，因美國三個(gè)水廠實(shí)際運(yùn)行水量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水量,，表中實(shí)際濾速均不高于4.4m/h，比設(shè)計(jì)值或國內(nèi)濾速低45%～50%。此外,，為防止藻類滋生和去除部分有機(jī)物,，美國三個(gè)水廠均采用中間加氯(過濾前)，加氯量為0.4～2mg/L,，有效的延長了過濾周期,。由于以上原因，美國三個(gè)水廠濾池過濾周期可達(dá)72～96h,，而我國水廠過濾周期僅為12～36h,。較長的過濾周期帶來較低的反沖洗耗水量,、耗電量,、濾料損失，大大降低了運(yùn)行成本,。
由表1和表5的對比可見,，美國A水廠的TOC與UV254去除效果都較為明顯，對比與A水廠同地區(qū)的C水廠運(yùn)行參數(shù)可知,，通過提高藥劑投加量強(qiáng)化混凝過程,，可獲得較高的有機(jī)物去除效率。由表5可見,，經(jīng)常規(guī)工藝處理后,，美國賓州A、B,、C三水廠TOC與UV254均略低于中國,，且差距并不明顯。但在濁度方面,，美國三個(gè)水廠濁度皆降至0.05NTU以下,，而中國水廠濁度仍不低于0.2NTU。分析原因一是由于美國水廠原水TOC等本身就低于我國,，二是得益于美國水廠較高的處理效率,，可以將濁度等指標(biāo)降至更低水平。調(diào)研中也發(fā)現(xiàn)中國南方部分水廠為降低濁度,，在過濾前采用加藥微絮凝或加其他助濾劑工藝,，但過濾周期嚴(yán)重降低，存在未反應(yīng)的藥劑穿透濾層后影響水質(zhì),。
3 結(jié)論
綜上所述,，中美水廠常規(guī)工藝路線相同，進(jìn)水濁度指標(biāo)類似,，但出水濁度存在較大差距,，所調(diào)研的美國三個(gè)水廠出水濁度可控制在0.03～0.05NTU，而國內(nèi)的三個(gè)水廠出水濁度均在0.2NTU以上，其運(yùn)行策略差別如下：
(1)美國水廠更加注重混凝工藝的設(shè)計(jì)研究和運(yùn)行控制,，例如使用超高攪拌機(jī)以縮短混合時(shí)間,、適當(dāng)提高混凝劑投加量以增加顆粒物參與吸附架橋與卷掃的機(jī)會、控制絮凝水力條件以適應(yīng)水質(zhì)水量的變動,、持續(xù)監(jiān)測混凝段效果以優(yōu)化工藝運(yùn)行效果,。由于良好的混凝效果，使得絮體更易沉降,，因此美方水廠沉淀池出水濁度可降至0.5NTU以下,，大大降低了后續(xù)處理負(fù)荷。
(2)美國水廠沉淀池多采用斜板和斜管沉淀,，提高了單位池面積的產(chǎn)水量,，降低了出水濁度。濾池多采用普通快濾池結(jié)構(gòu),，舍去了V型濾池中間配水渠道,，節(jié)約了濾池造價(jià)，濾料多使用煤砂雙層濾料,，實(shí)際濾速均不高于4.4m/h,，過濾周期可達(dá)3～4天。
(3)經(jīng)常規(guī)工藝處理后,，由于美國水廠較高的處理效率,，使得其出水濁度、TOC與UV254等指標(biāo)優(yōu)于我國,。尤其在濁度方面,，美國三個(gè)水廠濁度皆降至0.05NTU以下，而中國水廠濁度仍不低于0.2NTU,。
因此,，常規(guī)處理工藝效率偏低，管理水平與美國存在差距,，是我國水廠普遍存在的問題,。積極吸取國外先進(jìn)技術(shù)成果，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究,，對我國現(xiàn)有水廠常規(guī)工藝的運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化,，著力降低出水濁度，是提高國內(nèi)供水水質(zhì)的經(jīng)濟(jì)有效途徑,。