中美給水常規(guī)工藝對比分析
導語：隨著對飲水安全和供水水質要求的逐漸提高，針對美國水廠先進運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。立足對中美兩國多個水廠實際運行情況的調研，從原水、混合、絮凝、沉淀、過濾等工段全流程的分析兩國在常規(guī)處理工藝運行策略中的相同與不同之處，在對比的過程中，發(fā)現(xiàn)諸多美國水廠在設計、運行中的先進經(jīng)驗和理念，例如美國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)，而我國水廠出水一般為0.2～0.8 NTU；美國沉淀出水濁度通常在0.5 NTU以下，而我國通常為0.8～3 NTU；美國濾池通常采用煤砂雙層濾料，濾池反沖洗周期為3～4d。在運行方面，美國水廠實際運行水量通常為設計水量的50%，而我國水廠通常為滿負荷運行。這些經(jīng)驗和理念可在我國水廠工藝升級和提標改造中加以參考和借鑒。
作者簡介：王全勇(1969 -)，男，山東陽谷人，博士在讀，教授級高級工程師，主要研究方向為給水處理理論及應用，水污染控制理論及應用，給水排水工程系統(tǒng)及優(yōu)化。
目前，我國頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）和《城市供水水質標準》（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，但很難將這一指標降至0.1 NTU以下，部分水廠出水濁度達到0.3 NTU以上。相比而言，美國聯(lián)邦飲用水標準要求95%以上濾后水樣品濁度不大于0.3 NTU。在未加設深度處理工藝，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重要的水質指標，降低濁度的同時也降低了水中的細菌、大腸菌、病毒、隱孢子蟲、鐵、錳等。研究表明，當濁度控制在0.1 NTU以下時，賈第鞭毛蟲、隱孢子蟲去除率達99.9%以上，越低的濁度水平代表著越小的微生物風險和越高的供水質量。錢孟康、姚宏等學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對比分析，以求找出中美水廠設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提標改造提供理論和實踐基礎。
原水水質對比
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。
表1 中美水廠水源水水質對比
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)文獻報道，由于美國對水源保護力度大，使得其原水水質條件優(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，綜合考慮各水質指標的代表性，確定以濁度作為典型指標進行對比分析。
由實際供水量和設計水量對比可見，國內(nèi)水廠基本都按照設計水量滿負荷運行，美國水廠實際供水量遠低于設計水量�；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計水量。美國AB水廠分別為新建和新擴建水廠，因此調研時的實際運行水量僅為其設計水量的50%左右。美國C水廠建于20世紀90年代，由于該市人口減少和工業(yè)萎縮，調研時的實際運行水量僅為其設計水量的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合。除美國C水廠外，其余5個水廠皆采用了預氧化處理，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，分別增設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。
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，可通過改良設備縮短混合時間，提高混合效果。
表2 中美水廠混合工段對比
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致膠體再穩(wěn)定，此操作理念值得國內(nèi)水廠學習。
2.2 絮凝工段對比分析
表3為中美絮凝工段對比。
表3 中美水廠絮凝工段對比
由表3可見，調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)格絮凝方式難以調節(jié)水力條件，很難通過改變能量投加來達到最優(yōu)的控制參數(shù)。而機械絮凝可根據(jù)水質和藥劑投加量控制每級的功率和攪拌速度，以適應季節(jié)和水質的變化。在絮凝時間上，中國的三個水廠受設計規(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準》建議至少30分鐘的絮凝時間。
美國C水廠，因實際運行水量遠低于設計水量，其絮凝工段停留時間高達80min。美國A水廠其設計水量為1.5萬方，但為了方便將來提高設計產(chǎn)量，修建了0.8萬方毛坯濾池，在沉淀池預留了0.8萬方斜板空間，同時將絮凝池直接按2.3萬方設計修建，導致絮凝工段停留時間高于設計值。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)值和絮體性狀調整工段運行。調研中發(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。
表4 中美水廠沉淀工段對比
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、吸泥機等設備，但美國水廠排（刮）泥設備先進，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。
表5 中美水廠過濾工段對比
在濾池池型上，中國絕大多數(shù)給水廠普遍采用了以V型濾池為主的均質濾料過濾技術，極少采用不同的或新型的過濾技術，這一點和國內(nèi)室外給水設計規(guī)范影響有關，同時也與中國大部分設計院較少對過濾技術進行研究開發(fā)，傾向引進國外專有技術的導向有關。而美國濾池設計上池型很少采用V型濾池，多為簡單實用的普通快濾池結構，且每座濾池均設置在線濁度儀。
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低于設計水量，表中實際濾速均不高于4.4m/h，比設計值或國內(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，可以將濁度等指標降至更低水平。調研中也發(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，但過濾周期嚴重降低，存在未反應的藥劑穿透濾層后影響水質。
結論
綜上所述，中美水廠常規(guī)工藝路線相同，進水濁度指標類似，但出水濁度存在較大差距，所調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水質水量的變動、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構，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成果，加強基礎理論研究，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)供水水質的經(jīng)濟有效途徑。
本文刊登于《中國給水排水》2018年24期: 中美給水常規(guī)工藝對比分析，作者：王全勇，彭錦玉，Kodi Webb，付成勝，解躍峰
該文標準引用格式：
王全勇，彭錦玉，Kodi Webb，等.中美給水常規(guī)工藝對比分析［J］.中國給水排水，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
