|
21世纪先进自来水厂原理设计的思考 1 原理设计基本原则 从人类最初的简单沉淀净水方法到传统的水处理工艺，乃至发展到现在的饮用水深度净化，每次饮用水处理技术的发展与进步，都与水源污染的加重和随着人们生活水平的提高对饮用水质要求及相应的标准不断提高密切相关。 近一个世纪以来,由于科技与工业的迅速发展，人工合成的化合物已达到3500万种。这在提高生产力、消灭虫害、减少疾病和方便生活等方面发挥了巨大的作用，但同时也使大量含有各种有毒、有害物质的工业废水、生活污水未经处理或只经部分处理便排入天然水体，直接或间接地造成了饮用水水源的污染。从《中国环境状况公报》公布的污染状况来看[1]，我国饮用水源污染主要是以COD和BOD5为代表的有机污染。到目前为止，全世界已在水中测定出上千种有机化合物。在美国，水中鉴定出767种有机化学污染物，其中109种为致癌、促癌和致突变物质。在英国的河水中鉴定出324种有机化学污染物。我国上海黄浦江水中有机物含量达400多种，吉林第二松花江测出有机化合物317种。 目前我国饮用水处理仍以去除悬浮物、浊度和病原微生物的常规处理工艺为主，并以出水的浊度、色度和细菌总数为工艺控制的主要目标。对于水质良好的水源，传统的水处理工艺可获得安全合格的饮用水，但随着水源水污染的加重，传统的处理工艺并不能有效去除水源中的致癌、致突变等有害物质。如果水中含有较多的有机污染物，经过加氯消毒后，会产生多种消毒副产物。目前在氯消毒后的饮用水中已经鉴定出了500多种消毒副产物，其中有相当一部分是具有致突变、致癌和致畸作用的。另一方面，随着分析方法和手段的不断完善，卫生学和毒理学研究的不断深入，饮用水水质标准中规定的检测项目也在不断增多，限值不断严格。因此采用传统的饮用水处理工艺已经不能满足当前人们的饮水安全要求，新的处理工艺和技术（包括预处理和深度处理在内）不断涌现。 我国的给水处理技术研究与世界发达国家相差不大，但实际的自来水厂运行和供水水质与发达国家相比，仍有不少差距。我国与世界先进供水技术的主要差别有：1）水源保护差，水中有机物数量和浓度高；2）现行的饮用水标准低，不够完善；3）预处理工艺较落后，有机物的去除效率低；4）很少采用深度处理工艺；5）自动化水平和管理水平较低，有些水厂即使引进国外先进的自动化设备，也难以长期正常运行，很大的原因是管理水平低下造成的。 进入21世纪，我国已进入全面建设小康社会并加快推进现代化建设的新阶段，这也要求和必将带动饮用水处理行业迅速发展。因此在我国建设具有现代先进水平的自来水厂，对于提高供水水质，保障人们健康，提高生活质量和推动给水工业发展都有重要的现实意义。同时，随着我国加入世界贸易组织，给水工业与世界接轨之势已不可阻挡，为适应在此领域中的国际竞争，建设现代化先进水平的自来水厂也是十分必要的。 分析总结现有经验，笔者认为一个现代化的先进的自来水水处理厂应该具备以下一些特点： · 具有优良的出水水质； · 具有先进、合理、灵活和适应性强的净水工艺和技术； · 具有很高的自动化水平，包括监测、控制、预警，并且安全可靠； · 具有现代化的管理水平。 21世纪先进自来水厂的原理设计即应以此为目标。 2 水质目标和水源水质 一个现代化的自来水厂最重要的就是为用户提供优质的符合健康要求的安全饮用水，因此在水厂设计之前就应该确定该水厂的出水水质目标。这个目标应主要根据现行的水质标准来确定。进入20世纪90年代以来，随着微量分析和生物检测技术的进步，以及流行病学数据的统计积累，人们对水中微生物的致病风险和致癌、致畸、致突变有机物、无机物对健康的危害，认识不断深化，世界卫生组织（WHO）和世界各国相关机构纷纷修改原有的或制订新的水质标准。 目前，全世界有许多不同的饮用水水质标准，其中具有国际权威性、代表性的有三部：世界卫生组织（WHO）的《饮用水水质准则》、欧盟（EC）的《饮用水指令》以及美国环保局（USEPA）的《国家饮用水水质标准》（下称“三大标准”）。其他国家或地区的饮用水标准大都以这三种标准为基础或重要参考，来制订本国国家标准。 建国五十多年来我国的水质标准颁布了4次，标准中的水质项目从开始的16项增加到35项，每次标准的修改制定都增加了水质检验项目和提高了水质标准。现在执行的是1985年经卫生部修改批准的《生活饮用水卫生标准》（GB5749－85）。1993年国家建设部又根据中国自来水协会对全国100多个城市调查研究的情况，制定了城市供水行业2000年水质指标88项，将供水企业分成四类，分别提出不同的水质目标和检测项目。88项水质指标基本是按欧共体和世界卫生组织80年代的标准制定的。2001年，我国卫生部又颁布了《生活饮用水水质卫生规范》，共有103项，包括34项常规检验项目和69项非常规检验项目，同时也颁布了饮用水源水质规范，有65个项目。建设部和卫生部的这两个文件的提出，说明了原有《生活饮用水卫生标准》（GB5749－85）已不能适应人们安全健康保障和经济发展水平的要求，我国应及早修改和制定新的、统一的饮用水水质国家标准。
如果将我国饮用水水质标准与一些国际上重要的标准相比，差距是明显的。 与国际三大水质标准相比，我国的水质标准，不论从项目的数量上，还是项目的指标值上都有较大的差距，具体总结如下[2～7]： (1) 无机物指标方面差别不是很大，但三大标准均列出了亚硝酸盐这项重要的指标，而我国却未规定。亚硝酸盐能使人体血液中正常的亚铁血红蛋白氧化变成高铁血红蛋白，失去血红蛋白在体内输送氧的能力，出现组织缺氧的症状。有人认为亚硝酸盐还可与仲胺结合转变生成具有致癌性的亚硝胺类物质。世界卫生组织规定亚硝酸盐NO2-不应大于3mg/L（折合NO2--N为0.91mg/L）。现在我国很多以水库水为原水的地区，每年3～5月氨氮较高期间，处理后的水中往往亚硝酸盐值偏高，若不予以高度重视将对健康有所影响。 表1 我国现行饮用水水质标准（GB5749—85）与国际三大标准的差距
(2) 我国不少地区的水体以有机污染为主，但从我国的水质标准来看，有毒有害物质项目偏少，在已列出的项目的指标值中有的要求过低。水中的有毒有害化学物质，主要包括重金属、有机物、农药、消毒剂及消毒副产物，它们涉及到有关三致（即致突变、致畸、致癌）的问题，对人体健康的危害很大。根据我国的水源水质特点，以及我国自来水厂常用的处理工艺，与三大标准相比，在有机物与消毒剂及消毒副产物方面，我国标准中主要缺少TOC、溴酸盐和二氧化氯等几项关键性指标。目前，世界卫生组织已将“藻毒素”作为一项标准正式纳入《饮用水水质准则》，引起了世界各国的高度注意，我国卫生部颁布新规范里也列入了“微囊藻毒素”这项指标。对于农药，我国新规范与旧国家标准相比，项目大大增加。其中，作为有机物的综合性指标，TOC比较科学，但TOC值需要仪器测定，设备价格昂贵。从我国实际考虑可将CODMn作为暂时性的水质指标，因其测定所用设备简单，分析测定方便，无须复杂的技术，一般水厂分析人员都可测定。另外，我国主要是用氯作为消毒剂，并在管网中保持一定的余氯，以保证消毒的效果。我国国家标准中对其要求是在与水接触30min后应不低于0.3mg/L，管网末梢水不应低于0.05mg/L。随着我国水源污染的加剧和臭氧、二氧化氯等消毒技术的兴起，应该考虑总三卤甲烷（THMs）、溴酸盐、二氧化氯、亚氯酸盐和卤乙酸等在饮用水中的存在和控制问题。新的饮用水规范也列入了上述几项指标，但其限值与美国等相比仍有一定差距。
(3) 感官性指标一方面可以指示水质污染的程度，另外也是用户对水质的直接评价对象，达到用户可接受程度是必须的。我国的感官性指标项目和指标值，与三大标准相比，差别不是很大，但在嗅味的要求上还是有一定的差距。浊度本身属感官性指标，但它是一个重要的运行性指标。降低浊度的同时也降低了水中的细菌、大肠菌、病毒、贾第虫、隐孢子虫、三价铁、四价锰等，加注混凝剂后也能降低部份有机物，包括形成加氯副产品的母体腐殖酸、富里酸。我国最新的生活饮用水水质卫生规范和WHO对浊度的要求一样，不能超过5NTU，但平均值<1NTU。美国水质标准任何时候不得超过5NTU，滤后水浊度<1NTU，其中95％以上水样<0.5NTU。日本快适性指标则要求出厂水<0.1NTU，管网水<1NTU。嗅味作为近些年来用户投诉的重点越来越引起供水部门的重视。我国在嗅味的控制措施研究上做了大量工作，但嗅味的标准还只规定达到用户能接受的程度，只是用无异嗅异味来表述，缺少数量上描述，这使嗅味的控制和产生嗅味物质的去除缺乏明确的目标。而世界上很多国家都已对嗅味做了量化规定，如美国，嗅阈值为3TON；德国，稀释倍数为2（12℃）、3（15℃）。 (4) 在微生物项目和指标上，我国卫生部新规范规定了细菌总数、总大肠杆菌和粪大肠杆菌三项。与发达国家相比，我国在这方面的研究还相当不够。近些年来，根据流行病学的统计，贾第虫、隐孢子虫已成为介水疾病重要致病因子。美国、英国和澳大利亚等国对贾第虫、隐孢子虫等致病原生动物作了大量研究，在检测计数方法以及灭活措施上都取得较大进展。我国在以后的水质标准改进中也应强化微生物指标，重视致病原生动物对人体健康的威胁，将降低肠道病的风险率作为我们的重要目标。 我国饮用水水源质量的形势是相当严峻的。在这样的情形下，提高我国的供水水质是当务之急，而保证供水水质的重要手段就是严格制订和强制实施水质标准。从我国的国情出发，水质标准的发展方向可归结为以下几个方面： 表2 原理设计水厂出水水质
(1) 我国水质标准提高的首要目标是加强微生物学指标。现在，很多研究关注于加氯后引起的氯仿等消毒副产物，这无疑是十分重要的，但我们更应对微生物的人体健康风险给予高度重视，其中隐孢子虫等肠道致病原生动物及军团菌等细菌和病毒应作为研究的重点。
(2) 对有毒有害物质指标应继续重视，制订标准应更为严格。如无机砷，我国标准规定为50μg/L，而WHO、EC及美国的指标值均为10μg/L，应根据我国的实际情况进行适当调整。应加强对消毒剂与消毒副产物的研究，严格控制消毒副产物的产生，关注总三卤甲烷（THMs）、溴酸盐、二氧化氯、亚氯酸盐和卤乙酸等几项关键指标。 (3) 应从对健康的影响来理解和认识感官性指标。如浊度，虽然很多国家将其列入感官性指标，但更重要是将其作为一项运行性指标，对细菌、大肠菌、隐孢子虫、三价铁、四价锰、富里酸等污染物的存在和去除，具有指示作用。美国对浊度控制相当严格，将其列入微生物学指标，规定也从现在的0.5NTU（95%合格率）提高到0.3NTU（2002年执行），这主要是从控制微生物风险来考虑，而不仅仅是感官性状。另外，还应该量化嗅味指标，以嗅阈值取代现有标准的规定。 (4) 在制订水质标准中要开展风险效益投资分析。在饮用水水质标准的制订和修改中，确定目标后，列出须增减或修改的项目，作详细调查，要弄清调整指标可能取得的效益和降低的风险，提供改善指标的可行净水措施并进行效益和投入的分析，这样制订的标准才更合理，更具可行性和科学性，更能适合于现阶段我国国情。 (5) 在水质标准中制订分级水质目标，使标准既具先进性又有可操作性。我国幅员广大，水源条件差异很大，地区经济发展也不平衡，从《建设部2000技术进步规划》水质目标的执行情况来看，以国家现行水质标准和当时的EC指令为基础把全国的自来水公司分成4类，制订各自的水质目标是可行的，对我国饮用水水质的提高起到积极的推动作用。随着近年来我国特别是珠江、长江三角洲等沿海地区经济的迅猛发展，经济发展和居民收入水平成为提高水质的直接推动力。过去带有计划经济色彩的，按照供水水量和城市地位划分水司的方式已不再适应新形势的要求，以GDP和其他相关经济指标对水司重新分类，制订分级水质目标，则是在市场经济条件下，通过国家立法，引导供水企业提高供水水质的必然选择。 根据以上对发达国家水质标准的分析和比较，明确了当前国际上先进的饮水水质标准。2001年，我国卫生部颁布了《生活饮用水水质卫生规范》，共有103项，包括34项常规检验项目和69项非常规检验项目。本原理设计的目标水质将以此卫生规范为基础，再根据国际的饮水水质标准，做一些改进，使出水水质处于世界先进水平。表2列出了本原理设计的出水水质要求（未列出的指标值均与2001年卫生部颁布的《生活饮用水卫生水质规范》一致）。表中还列出了卫生部规范及国外三大标准的对照值。 由于不同的原水水质需要采用不同的工艺来处理才能达到上面所提出的出水水质要求，因此调查、了解和分析我国主要城市的饮用水水源——主要江河湖库的水质情况是十分必要的。 从国家环保总局发布的《2003年中国环境状况公报》可以看到，我国七大重点流域地表水有机污染普遍，各流域干流断面满足地表水三类及其以上水体水质要求的仅为38.1%，主要超标的污染指标为高锰酸盐指数和氨氮；主要湖泊富营养化问题突出，如太湖、滇池、巢湖等，氮、磷、高锰酸盐指数严重超标；我国许多主要地表水水源中藻类的含量一般都比较高，不同藻类产生的藻毒素的类别与毒性问题等较为严重。全国多数城市地下水受到一定程度的点状或面状污染，部分水质指标超标，主要有硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、总硬度、铁锰等。从上面的污染情况的分析可以看到，我国的饮水水源中具有普遍意义的主要污染物有：各种有机物（包括合成有机物）、氨氮和藻类等。 本文收集和整理了全国18个城市的32个主要饮水水源水库共21个月的水质数据，结果如表3所示[8-9]。 从以上分析可以看出，相当部分的饮用水水源水质不容乐观，不同地区的水源水质差别比较大，有的水源水质已经不能满足地表水饮用水源的水质标准，需要经过适宜的预处理才能重新作为饮用水源。 3 处理工艺 针对面临的水源污染现实，一方面应积极采取措施来控制污染的进一步发展，另一方面也需要采用新的水处理技术，包括预处理和深度处理技术来保证处理后水质达到国家的饮用水水质标准。对于不同的水源水质就需要采用不同的处理工艺，以达到经济高效的目的。以下结合我国目前水源水质的特点，举例说明三种可考虑的处理工艺。
表3 19个城市32个水库2000年1月至2001年9月水质情况
注：表中数据为水质为某一级别的月数。
(1) 对于水库水来说，其水质特点是浊度低，有机物浓度较低，但同时可能会有一定数量的藻类，因此对于这类水质的原水，不必采用传统的混凝沉淀过滤工艺来处理。针对低浊度的特点，采用微絮凝深床过滤的工艺就可以使出水的浊度达到饮用水水质标准，如图1所示。对于藻类的去除采用了预加臭氧氧化的工艺，这样即使水源水中含有少量的有机污染物，也不至于因为加氯氧化而产生后续工艺难以去除的消毒副产物。在此工艺中的微絮凝工艺与常规的混凝反应池不同，采用了水渠混合反应配以机械搅拌的方法使水在进入滤池前，形成颗粒尺寸合适、具有一定强度的微絮凝絮体。这种工艺采用了特殊的水渠结构，充分利用水渠的水力混合条件，使得进入滤池时的絮体颗粒在滤池中得到充分地去除，保证滤池出水的浊度达标。对于消毒，采用了臭氧消毒和氯氨消毒配合使用的工艺。滤池出水后先经过臭氧消毒，使前臭氧氧化工艺中未能去除的有机物进一步被氧化，同时杀灭水中的细菌和病毒。由于臭氧消毒没有持续性，不能保证管网末梢的杀毒能力，因此在臭氧消毒的基础上又进行了氯氨消毒。在臭氧消毒过程中已经去除了消毒副产物的前体有机物，因此在臭氧消毒后加氯消毒，从消毒副产物的情况来看是比较安全的，同时氯氨消毒具有很强的持续杀菌能力，可以保证管网末梢的余氯在饮用水水质标准范围内。从一个城市的供水系统来说，由于该工艺耐冲击负荷的能力比较弱，因此建议整个城市供水系统中采用该工艺的水厂处理能力不应超过城市总供水能力的50％。另外，如果在水源水中已经检测到有贾第虫、隐孢子虫等肠道致病原生动物，则投加混凝剂与混凝沉淀过程仍是不可缺少的[10]。 (2) 对于微污染的水源水，其水质特点是原水中的有机污染物浓度较高，采用常规的饮用水处理工艺很难去除，而且在采用氯消毒时，将产生大量的消毒副产物。因此根据这样的水质特点，提出了在常规处理工艺上增加预处理和后处理工艺，如图2所示。预处理工艺采用了生物接触氧化技术，这种生物处理技术可以有效地去除水中的有机物，使原水中的有机物在进入水厂处理之初就得到有效地去除。水厂的主处理工艺采用常规的混凝-沉淀-过滤工艺。在混凝前加臭氧预氧化，可以进一步去除水中的有机物，以及杀灭水中的细菌和病毒，并提高后续的混凝沉淀效果，同时可以防止微生物在混凝反应池、沉淀池和滤池中的孳生。滤池出水后的消毒方法和前一工艺相同。但当水源水有机污染比较严重的时候，通过生物接触氧化工艺，以及二级臭氧氧化后，仍然不能完全去除水中的有机物，在这种情况下，为了使氯消毒前尽可能地去除水中的污染物，在第二级臭氧氧化后加入了活性炭吸附工艺。活性炭工艺可以根据滤池出水的水质情况来考虑是否启动: 当水质很好的情况下，不启动活性炭吸附工艺；当滤池出水水质较差时，则启动。通过这样的处理流程后，可以提供优质安全的出厂水[11-14]。
(3) 膜技术：最近几年膜技术在给水处理中得到了较快的发展。从技术上讲，微滤和超滤可以替代常规处理，纳滤和反渗透可以替代深度处理，原水经过膜处理后，可以有效地去除水中的有机物，也就降低了氯消毒过程中消毒副产物产生的可能性，从出水的水质来说，更具安全性。过去由于价格原因尚很少用于城市水厂，近几年来膜技术有很大进步，价格也有较大下降。因此膜处理技术以其优质的出水，以及较大的降价空间已经越来越受到饮用水工业界的重视。在国外已经有较多的膜处理水厂，一般以超滤和微滤水厂居多，而且处理规模也不大。现在膜处理水厂正向着大规模的纳滤水厂发展，已建成的纳滤水厂已经达到了10几万t/d的规模。但是目前就国内的水厂而言，除一些小型的海水、咸水淡化设备外，基本上还没有膜处理城市自来水厂。鉴于膜处理工艺的优点，它将是我国21世纪水厂发展的一个方向。在本原理设计中根据不同的水源水质情况，提出了不同流程的膜处理工艺，如图3所示。当水源的浊度和有机污染物浓度较低的情况下，采用超滤工艺就可以使出水的水质达到本文提出的设计出水水质；当原水的浊度相对较高，尤其是有机物浓度较高的情况下，仅采用超滤工艺是难以保证出水水质的，因此设计了超滤＋纳滤的处理工艺，纳滤后的出水水质相比与传统处理工艺的出水要好得多，可以有效地去除水中的有机物。由于膜处理后出水的有机物浓度很低，因此在消毒工艺中就不再考虑臭氧消毒，而直接采用了氯氨消毒工艺，就可以保证消毒的安全性[15-21]。
4 自动控制 实现水厂生产过程自动控制的目的是：通过提高水厂的自动化程度来提高水厂的现代化管理水平与生产过程调控能力，从而提高水厂生产的社会效益和经济效益[21-26]。具体表现在以下方面： (1) 水质优化：通过自动化控制系统的调节，提高供水水质的安全可靠性，并降低水处理系统的运行费用。例如在预处理＋常规处理＋深度处理工艺中，可以根据常规处理出水的水质情况来控制活性炭工艺的关停，当常规处理出水水质优于水质标准时，则控制系统自动关闭活性炭吸附工艺，反之则启动活性炭工艺。 (2) 能耗优化：水厂是耗能大户。通过自控系统的调节，可以最大限度地节约能耗。例如通过对取水泵站和送水泵站水泵电机的调速控制，使之按恒定流量或恒定压力方式运转，避免能量浪费，即实现能耗优化。又如可以根据滤池出水浊度及原水水质情况，控制系统自动调节沉淀池出水浊度目标，在保证出厂水水质合格的前提下，实现水处理系统运行的总费用最低（药剂费用、排泥水费、滤池反冲洗水费之和）。 (3) 单体构筑物运行优化：可以根据系统总体运行条件要求（原水水质、产水量等），各控制单元对各个水处理构筑物的运行工况进行自动调节，通过改变投药量、排泥工况、反冲洗周期及时间等实现单个构筑物在最优工况下运行。 以上三种处理工艺的原理设计中均应包括有全厂的自动化控制系统。可采用基于现场总线的以太网控制技术实现全厂生产的自动控制，根据不同的控制要求分别设立现场控制子站。主要的现场控制子站有：1) 加药现场子站，可实现加药、加氯、加氨的自动控制，同时还可包括沉淀池和反应池的排泥自动控制；2) 滤池现场子站，主要实现滤池恒压过滤和滤池反冲洗的自动控制；3) 送水泵房现场子站，可实现水泵启、停和运行的自动控制；4) 臭氧投加现场子站，可实现臭氧投加的自动控制。对于膜处理的自动控制现场子站，则设超滤现场子站、纳滤现场子站、加药现场子站和泵房现场子站。在自动控制的现场子站和中央控制室中，都具有对设备和运行状态的监控，一旦出现异常情况，则可以发出报警，自动采取安全措施等。 5 现代化管理 对于一个大型的现代化自来水厂，即使其工艺是具有先进性的，工艺的控制是高度自动化的，但是如果没有现代化的管理，也是很难使生产运行达到最佳的状态。因此采用现代化的科学管理方法，是现代化水厂优化运行的前提条件。 在具体水厂的设计中应该考虑科学管理的内容：包括（1）水质检测和管理；（2）企业生产管理（制订管理制度，建立管理机构）；（3）供水管理和服务以及（4）科研管理（水处理工艺和技术科研管理，自动控制管理，信息技术管理）等。有了完善的、科学的、高效的管理手段，可以在为用户提供安全、优质的饮用水的同时，有效地降低水厂的运行成本，创造更多的经济效益[27-29]。 6 结论 通过以上对21世纪先进自来水厂的原理设计的思考，可得到以下的几点结论和建议。 1) 现代化的先进自来水厂应具备的特点有：(1) 优良的出水水质；(2) 先进、合理、灵活和适应性强的净水工艺和技术；(3) 高度的自动化水平，包括监测、控制、预警，并且安全可靠；(4) 现代化的管理水平。 2) 在水厂处理工艺的选择前，首先要充分收集和分析水厂水源的水质情况，要掌握长期的水源水质，分析水质的变化趋势，确定水源的水质分类，在这基础上才能最终确定水厂的处理工艺。 3) 在水厂的建设期，至少应该有30％以上的水厂职工，尤其是生产和技术人员要参加整个水厂的建设，包括设计、建设和安装调试整个过程。这样可以在水厂的运行期，更好地进行操作和管理。 4) 水厂的建设不应单独孤立地进行，应该作为整个城市的供水系统的一个部分，作为城市供水企业的一个分公司来进行建设。 参考文献： [1] 中国国家环保总局. 2003年《中国环境状况公报》. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
