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中美給水常規工藝對比分析
發布日期:2018-12-25 瀏覽次數:441



        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,發現諸多美國水廠在設計、運行中的先進經驗和理念,例如美國水廠出水濁度一般控制在0.1 NTU以下,甚至穩定在0.03~0.05 NTU范圍內,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。


       目前,我國頒布的《生活飲用水衛生標準》(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,僅利用優化常規處理工藝的情況下,美國相當部分水廠出水濁度可降至0.1 NTU以下,甚至穩定在0.03~0.05NTU范圍內。


       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驗,為將來我國水廠水質提標改造提供理論和實踐基礎。



       1 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,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于我國。因此,為保證后續工藝的可比性,兩國所選水廠原水水質相近。由表1可見,中國水廠TOC數值總體略高于美國;而美國A和中國A兩水廠UV254數值較高,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工藝展開。



       2 常規工藝運行策略對比


       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與我國基本相似,都是以機械混合和管式靜態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,在后續國內水廠改造中,可通過改良設備縮短混合時間,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。在合理范圍內提高混凝劑投加量,會增加顆粒物參與吸附架橋、網捕與卷掃等作用的機會,有利于破壞膠體聚集穩定性,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定,此操作理念值得國內水廠學習。


       2.2 絮凝工段對比分析





       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。折板和網格絮凝方式難以調節水力條件,很難通過改變能量投加來達到最優的控制參數。而機械絮凝可根據水質和藥劑投加量控制每級的功率和攪拌速度,以適應季節和水質的變化。在絮凝時間上,中國的三個水廠受設計規范制約,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比較保守的原因之一。


       另外,美國水廠在日常檢測中,會根據混凝段(包括混合和絮凝)出水濁度評價此工段運行效果,并根據數值和絮體性狀調整工段運行。調研中發現,國內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。國內水廠仍普遍使用平流沉淀池,僅在寒冷地區多采用斜管沉淀。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、不能發揮深層過濾的缺點,使濾料在過濾周期內的有效功能得以發揮,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,這一點和國內室外給水設計規范影響有關,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,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水廠同地區的C水廠運行參數可知,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,經常規工藝處理后,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。調研中也發現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。



       3 結論


       綜上所述,中美水廠常規工藝路線相同,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、持續監測混凝段效果以優化工藝運行效果。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)經常規工藝處理后,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,對我國現有水廠常規工藝的運行情況進行優化,著力降低出水濁度,是提高國內供水水質的經濟有效途徑。



       原標題:中美給水常規工藝對比分析

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