建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場化
運行機制,，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至關(guān)重要的水質(zhì)指標(biāo),，降低濁度的同時也降低了水中的細(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,，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行情況進行探討,，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)具有代表性的三個地表水廠進行詳細(xì)對比分析,，以求找出中美水廠設(shè)計運行中的相同與不同，以及挖掘美國水廠運行過程中值得借鑒的理念和經(jīng)驗,，為將來我國水廠水質(zhì)提標(biāo)改造提供理論和實踐基礎(chǔ),。
1 原水水質(zhì)對比
美國三個水廠均位于賓夕法尼亞州中南部地區(qū)，中國三個水廠均位于山東省,，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。中國三個水廠皆取自水庫水,。據(jù)文獻(xiàn)報道,，由于美國對水源保護力度大，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,，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)進行對比分析,。
由實際供水量和設(shè)計水量對比可見,，國內(nèi)水廠基本都按照設(shè)計水量滿負(fù)荷運行,，美國水廠實際供水量遠(yuǎn)低于設(shè)計水量?；诒ＷC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)計水量。美國AB水廠分別為新建和新擴建水廠,，因此調(diào)研時的實際運行水量僅為其設(shè)計水量的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)研時的實際運行水量僅為其設(shè)計水量的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,，兩國混合時間不同：我國水廠混合過程一般需50～60s，而三個美國水廠使用超高速混合設(shè)備,，使得混合時間全部小于30s,。越短的混合時間表明藥劑水解的概率越低，越有利于混合過程的進行,。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)變化時都進行燒杯實驗,，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)研的美國三個水廠皆使用機械絮凝工藝，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,。在絮凝時間上，中國的三個水廠受設(shè)計規(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分鐘的絮凝時間,。
美國C水廠,，因?qū)嶋H運行水量遠(yuǎn)低于設(shè)計水量，其絮凝工段停留時間高達(dá)80min,。美國A水廠其設(shè)計水量為1.5萬方,，但為了方便將來提高設(shè)計產(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,，同時將絮凝池直接按2.3萬方設(shè)計修建，導(dǎo)致絮凝工段停留時間高于設(shè)計值,。同時美國水廠一般會考慮在其中某個運行單元檢修停水時，其他單元也要滿足設(shè)計要求,，會實際多修建一個單元,。這也是美國水廠絮凝時間和其他設(shè)計參數(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)出水濁度評價此工段運行效果,，并根據(jù)數(shù)值和絮體性狀調(diào)整工段運行。調(diào)研中發(fā)現(xiàn),，國內(nèi)水廠往往只檢測進水,、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,。
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、吸泥機等設(shè)備,，但美國水廠排(刮)泥設(shè)備先進,，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，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)，這一點和國內(nèi)室外給水設(shè)計規(guī)范影響有關(guān),，同時也與中國大部分設(shè)計院較少對過濾技術(shù)進行研究開發(fā),，傾向引進國外專有技術(shù)的導(dǎo)向有關(guān)。而美國濾池設(shè)計上池型很少采用V型濾池,，多為簡單實用的普通快濾池結(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，因美國三個水廠實際運行水量遠(yuǎn)低于設(shè)計水量,，表中實際濾速均不高于4.4m/h,，比設(shè)計值或國內(nèi)濾速低45%～50%。此外,，為防止藻類滋生和去除部分有機物,，美國三個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水廠運行參數(shù)可知，通過提高藥劑投加量強化混凝過程,，可獲得較高的有機物去除效率,。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)研的美國三個水廠出水濁度可控制在0.03～0.05NTU,，而國內(nèi)的三個水廠出水濁度均在0.2NTU以上，其運行策略差別如下：
(1)美國水廠更加注重混凝工藝的設(shè)計研究和運行控制,，例如使用超高攪拌機以縮短混合時間,、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,，濾料多使用煤砂雙層濾料，實際濾速均不高于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,。積極吸取國外先進技術(shù)成果,，加強基礎(chǔ)理論研究，對我國現(xiàn)有水廠常規(guī)工藝的運行情況進行優(yōu)化,，著力降低出水濁度,，是提高國內(nèi)供水水質(zhì)的經(jīng)濟有效途徑。