中美給水常規(guī)工藝對(duì)比分析
導(dǎo)語(yǔ)：隨著對(duì)飲水安全和供水水質(zhì)要求的逐漸提高，針對(duì)美國(guó)水廠先進(jìn)運(yùn)行方式的研究也逐漸增多，但現(xiàn)有的研究主要集中在美國(guó)水廠的某一工藝或某一工段，幾乎鮮有從全流程層面的剖析。立足對(duì)中美兩國(guó)多個(gè)水廠實(shí)際運(yùn)行情況的調(diào)研，從原水、混合、絮凝、沉淀、過(guò)濾等工段全流程的分析兩國(guó)在常規(guī)處理工藝運(yùn)行策略中的相同與不同之處，在對(duì)比的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)諸多美國(guó)水廠在設(shè)計(jì)、運(yùn)行中的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和理念，例如美國(guó)水廠出水濁度一般控制在0.1 NTU以下，甚至穩(wěn)定在0.03～0.05 NTU范圍內(nèi)，而我國(guó)水廠出水一般為0.2～0.8 NTU；美國(guó)沉淀出水濁度通常在0.5 NTU以下，而我國(guó)通常為0.8～3 NTU；美國(guó)濾池通常采用煤砂雙層濾料，濾池反沖洗周期為3～4d。在運(yùn)行方面，美國(guó)水廠實(shí)際運(yùn)行水量通常為設(shè)計(jì)水量的50%，而我國(guó)水廠通常為滿負(fù)荷運(yùn)行。這些經(jīng)驗(yàn)和理念可在我國(guó)水廠工藝升級(jí)和提標(biāo)改造中加以參考和借鑒。
作者簡(jiǎn)介：王全勇(1969 -)，男，山東陽(yáng)谷人，博士在讀，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻o水處理理論及應(yīng)用，水污染控制理論及應(yīng)用，給水排水工程系統(tǒng)及優(yōu)化。
目前，我國(guó)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(guó)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(guó)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(duì)于給水處理來(lái)說(shuō)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(duì)美國(guó)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(guò)對(duì)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(duì)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(guó)水廠運(yùn)行過(guò)程中值得借鑒的理念和經(jīng)驗(yàn)，為將來(lái)我國(guó)水廠水質(zhì)提標(biāo)改造提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。
原水水質(zhì)對(duì)比
美國(guó)三個(gè)水廠均位于賓夕法尼亞州中南部地區(qū)，中國(guó)三個(gè)水廠均位于山東省，各水廠水源水的比較見表1。
表1 中美水廠水源水水質(zhì)對(duì)比
由表1可見，美國(guó)賓州AB兩水廠水源皆取自河流，如薩斯奎哈納河等，美國(guó)C水廠取自水庫(kù)。中國(guó)三個(gè)水廠皆取自水庫(kù)水。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，由于美國(guó)對(duì)水源保護(hù)力度大，使得其原水水質(zhì)條件優(yōu)于我國(guó)。因此，為保證后續(xù)工藝的可比性，兩國(guó)所選水廠原水水質(zhì)相近。由表1可見，中國(guó)水廠TOC數(shù)值總體略高于美國(guó)；而美國(guó)A和中國(guó)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(guó)水源水有明顯冬低夏高季節(jié)性變化的特點(diǎn)，例如中國(guó)山東B水廠，其冬季原水濁度為4～8 NTU，但夏季濁度會(huì)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(duì)比分析。
由實(shí)際供水量和設(shè)計(jì)水量對(duì)比可見，國(guó)內(nèi)水廠基本都按照設(shè)計(jì)水量滿負(fù)荷運(yùn)行，美國(guó)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(guó)水廠通常以未來(lái)10～20年的最高日需水量來(lái)確定設(shè)計(jì)水量。美國(guó)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?jī)H為其設(shè)計(jì)水量的50%左右。美國(guó)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?jī)H為其設(shè)計(jì)水量的33%。
在水廠工藝方面，所選的美國(guó)水廠都以常規(guī)處理工藝（即混合/絮凝/沉淀/過(guò)濾）為主，中國(guó)B、C水廠則是常規(guī)工藝與深度處理相結(jié)合。除美國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(duì)比僅圍繞常規(guī)工藝展開。
常規(guī)工藝運(yùn)行策略對(duì)比
2.1 混合工段對(duì)比分析
表2為中美水廠混合工段對(duì)比分析。由此可見，美國(guó)水廠的混合系統(tǒng)與我國(guó)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(guó)混合時(shí)間不同：我國(guó)水廠混合過(guò)程一般需50～60s，而三個(gè)美國(guó)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(guò)程的進(jìn)行。因此，在后續(xù)國(guó)內(nèi)水廠改造中，可通過(guò)改良設(shè)備縮短混合時(shí)間，提高混合效果。
表2 中美水廠混合工段對(duì)比
混凝劑投加量方面，為保證TOC去除效率，通過(guò)增加藥劑投加量來(lái)強(qiáng)化混凝過(guò)程，美國(guó)賓州的AB兩水廠PAC投加量高達(dá)45和50mg/L，而我國(guó)三個(gè)水廠PAC投加量不超過(guò)17mg/L。在合理范圍內(nèi)提高混凝劑投加量，會(huì)增加顆粒物參與吸附架橋、網(wǎng)捕與卷掃等作用的機(jī)會(huì)，有利于破壞膠體聚集穩(wěn)定性，提高混凝效果。另外，美國(guó)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(guò)大而導(dǎo)致膠體再穩(wěn)定，此操作理念值得國(guó)內(nèi)水廠學(xué)習(xí)。
2.2 絮凝工段對(duì)比分析
表3為中美絮凝工段對(duì)比。
表3 中美水廠絮凝工段對(duì)比
由表3可見，調(diào)研的美國(guó)三個(gè)水廠皆使用機(jī)械絮凝工藝，而我國(guó)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(guò)改變能量投加來(lái)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(jí)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(guó)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(guó)賓州《公共供水手冊(cè)》建議20～30min的絮凝時(shí)間，美國(guó)《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(guó)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(guó)A水廠其設(shè)計(jì)水量為1.5萬(wàn)方，但為了方便將來(lái)提高設(shè)計(jì)產(chǎn)量，修建了0.8萬(wàn)方毛坯濾池，在沉淀池預(yù)留了0.8萬(wàn)方斜板空間，同時(shí)將絮凝池直接按2.3萬(wàn)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(guó)水廠一般會(huì)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(huì)實(shí)際多修建一個(gè)單元。這也是美國(guó)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(guó)水廠在日常檢測(cè)中，會(huì)根據(jù)混凝段（包括混合和絮凝）出水濁度評(píng)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(guó)內(nèi)水廠往往只檢測(cè)進(jìn)水、沉淀池和濾池出水濁度，而忽略了對(duì)混凝段出水絮體的檢測(cè)和評(píng)價(jià)。
2.3 沉淀工段對(duì)比分析
表4為中美沉淀工段對(duì)比。由表4可見，美國(guó)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(guó)普遍采用，而平流沉淀使用很少。國(guó)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。
表4 中美水廠沉淀工段對(duì)比
對(duì)于沉淀池排泥周期，中美兩國(guó)并無(wú)太大差別。根據(jù)運(yùn)行情況不同，我國(guó)水廠的排泥周期通常有6、12、24h等。不同的是，我國(guó)排泥多采用刮泥機(jī)、吸泥機(jī)等設(shè)備，但美國(guó)水廠排（刮）泥設(shè)備先進(jìn)，如使用自動(dòng)化池底污泥清掃器，對(duì)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(guó)三個(gè)水廠沉淀池出水濁度已降至0.5NTU以下，美國(guó)C水廠甚至降至0.2NTU。而中國(guó)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(guó)的濁度差距在沉淀段出水已然明顯。
2.4 過(guò)濾工段對(duì)比分析
表5為中美過(guò)濾工段對(duì)比。由表5可見，在濾料選擇上，國(guó)內(nèi)的濾池濾料以單層石英砂為主流，美國(guó)則以雙層濾料為主，即上層為無(wú)煙煤，下層為細(xì)砂，且無(wú)煙煤厚度大于砂層。雙層濾料符合理想過(guò)濾的模型，避免了單一濾料反洗水力分級(jí)后上層細(xì)砂堵塞速度快、不能發(fā)揮深層過(guò)濾的缺點(diǎn)，使濾料在過(guò)濾周期內(nèi)的有效功能得以發(fā)揮，減少了水頭損失，延長(zhǎng)了過(guò)濾周期。
表5 中美水廠過(guò)濾工段對(duì)比
在濾池池型上，中國(guó)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(guò)濾技術(shù)，極少采用不同的或新型的過(guò)濾技術(shù)，這一點(diǎn)和國(guó)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(guó)大部分設(shè)計(jì)院較少對(duì)過(guò)濾技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，傾向引進(jìn)國(guó)外專有技術(shù)的導(dǎo)向有關(guān)。而美國(guó)濾池設(shè)計(jì)上池型很少采用V型濾池，多為簡(jiǎn)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)三個(gè)水廠均采用中間加氯（過(guò)濾前），加氯量為0.4～2mg/L，有效的延長(zhǎng)了過(guò)濾周期。由于以上原因，美國(guó)三個(gè)水廠濾池過(guò)濾周期可達(dá)72～96h，而我國(guó)水廠過(guò)濾周期僅為12～36h。較長(zhǎng)的過(guò)濾周期帶來(lái)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(duì)比可見，美國(guó)A水廠的TOC與UV254去除效果都較為明顯，對(duì)比與A水廠同地區(qū)的C水廠運(yùn)行參數(shù)可知，通過(guò)提高藥劑投加量強(qiáng)化混凝過(guò)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(guó)賓州A、B、C三水廠TOC與UV254均略低于中國(guó)，且差距并不明顯。但在濁度方面，美國(guó)三個(gè)水廠濁度皆降至0.05NTU以下，而中國(guó)水廠濁度仍不低于0.2NTU。分析原因一是由于美國(guó)水廠原水TOC等本身就低于我國(guó)，二是得益于美國(guó)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(guó)南方部分水廠為降低濁度，在過(guò)濾前采用加藥微絮凝或加其他助濾劑工藝，但過(guò)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)。
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(guó)三個(gè)水廠出水濁度可控制在0.03～0.05NTU，而國(guó)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(guó)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(huì)、控制絮凝水力條件以適應(yīng)水質(zhì)水量的變動(dòng)、持續(xù)監(jiān)測(cè)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(guó)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(guò)濾周期可達(dá)3～4天。
（3）經(jīng)常規(guī)工藝處理后，由于美國(guó)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(guó)。尤其在濁度方面，美國(guó)三個(gè)水廠濁度皆降至0.05NTU以下，而中國(guó)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(guó)存在差距，是我國(guó)水廠普遍存在的問題。積極吸取國(guó)外先進(jìn)技術(shù)成果，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，對(duì)我國(guó)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(guó)內(nèi)供水水質(zhì)的經(jīng)濟(jì)有效途徑。
本文刊登于《中國(guó)給水排水》2018年24期: 中美給水常規(guī)工藝對(duì)比分析，作者：王全勇，彭錦玉，Kodi Webb，付成勝，解躍峰
該文標(biāo)準(zhǔn)引用格式：
王全勇，彭錦玉，Kodi Webb，等.中美給水常規(guī)工藝對(duì)比分析［J］.中國(guó)給水排水，2018，34（24）：8-13.
Wang Quanyong, Peng Jinyu, Kodi Webb，et al. Comparative analysis of conventional water treatment processes between China and the United States［J］.China Water ＆ Wastewater，2018，34（24）：8-13 (in Chinese).
編輯：丁彩娟
制作：文凱
