中美给水常规工艺对比分析
慧聪水工业网 导语：随着对饮水安全和供水水质要求的逐渐提高，针对美国水厂先进运行方式的研究也逐渐增多，但现有的研究主要集中在美国水厂的某一工艺或某一工段，几乎鲜有从全流程层面的剖析。立足对中美两国多个水厂实际运行情况的调研，从原水、混合、絮凝、沉淀、过滤等工段全流程的分析两国在常规处理工艺运行策略中的相同与不同之处，在对比的过程中，发现诸多美国水厂在设计、运行中的先进经验和理念，例如美国水厂出水浊度一般控制在0.1NTU以下，甚至稳定在0.03～0.05NTU范围内，而我国水厂出水一般为0.2～0.8NTU;美国沉淀出水浊度通常在0.5NTU以下，而我国通常为0.8～3NTU;美国滤池通常采用煤砂双层滤料，滤池反冲洗周期为3～4d。在运行方面，美国水厂实际运行水量通常为设计水量的50%，而我国水厂通常为满负荷运行。这些经验和理念可在我国水厂工艺升级和提标改造中加以参考和借鉴。
作者简介：王全勇(1969-)，男，山东阳谷人，博士在读，教授级高级工程师，主要研究方向为给水处理理论及应用，水污染控制理论及应用，给水排水工程系统及优化。
目前，我国颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)和《城市供水水质标准》(CJ/T206—2005)都要求饮用水的浊度不高于1NTU，绝大部分水厂滤后水浊度可以满足此要求，但很难将这一指标降至0.1NTU以下，部分水厂出水浊度达到0.3NTU以上。相比而言，美国联邦饮用水标准要求95%以上滤后水样品浊度不大于0.3NTU。在未加设深度处理工艺，仅利用优化常规处理工艺的情况下，美国相当部分水厂出水浊度可降至0.1NTU以下，甚至稳定在0.03～0.05NTU范围内。
浊度对于给水处理来说是一个至关重要的水质指标，降低浊度的同时也降低了水中的细菌、大肠菌、病毒、隐孢子虫、铁、锰等。研究表明，当浊度控制在0.1NTU以下时，贾第鞭毛虫、隐孢子虫去除率达99.9%以上，越低的浊度水平代表着越小的微生物风险和越高的供水质量。钱孟康、姚宏等学者均对美国水厂的运行情况进行探讨，但这些研究只局限于讨论某些工艺和某一工段，并未通过对全流程参数分析而掌握其运行策略。因此，挑选中美同纬度下(北纬36～42度)具有代表性的三个地表水厂进行详细对比分析，以求找出中美水厂设计运行中的相同与不同，以及挖掘美国水厂运行过程中值得借鉴的理念和经验，为将来我国水厂水质提标改造提供理论和实践基础。
1原水水质对比
美国三个水厂均位于宾夕法尼亚州中南部地区，中国三个水厂均位于山东省，各水厂水源水的比较见表1。
由表1可见，美国宾州AB两水厂水源皆取自河流，如萨斯奎哈纳河等，美国C水厂取自水库。中国三个水厂皆取自水库水。据文献报道，由于美国对水源保护力度大，使得其原水水质条件优于我国。因此，为保证后续工艺的可比性，两国所选水厂原水水质相近。由表1可见，中国水厂TOC数值总体略高于美国;而美国A和中国A两水厂UV254数值较高，其他水厂之间差别不大。在浊度方面，我国水源水有明显冬低夏高季节性变化的特点，例如中国山东B水厂，其冬季原水浊度为4～8NTU，但夏季浊度会升至30NTU。因此，综合考虑各水质指标的代表性，确定以浊度作为典型指标进行对比分析。
由实际供水量和设计水量对比可见，国内水厂基本都按照设计水量满负荷运行，美国水厂实际供水量远低于设计水量。基于保证用水水量的考虑，美国水厂通常以未来10～20年的最高日需水量来确定设计水量。美国AB水厂分别为新建和新扩建水厂，因此调研时的实际运行水量仅为其设计水量的50%左右。美国C水厂建于20世纪90年代，由于该市人口减少和工业萎缩，调研时的实际运行水量仅为其设计水量的33%。
在水厂工艺方面，所选的美国水厂都以常规处理工艺(即混合/絮凝/沉淀/过滤)为主，中国B、C水厂则是常规工艺与深度处理相结合。除美国C水厂外，其余5个水厂皆采用了预氧化处理，所投药剂以高锰酸盐为主，仅中国C水厂使用臭氧预氧化，臭氧投加量约为1mg/L。在深度处理工艺选择上，美国三个水厂都仅采用了常规处理，未选用任何深度处理工艺;而中国B、C两水厂为保证出水水质，分别增设了超滤膜处理和臭氧-活性炭工艺。因此，水厂之间的对比仅围绕常规工艺展开。
2常规工艺运行策略对比
2.1混合工段对比分析
表2为中美水厂混合工段对比分析。由此可见，美国水厂的混合系统与我国基本相似，都是以机械混合和管式静态混合两种混合方式为主。不同的是，两国混合时间不同：我国水厂混合过程一般需50～60s，而三个美国水厂使用超高速混合设备，使得混合时间全部小于30s。越短的混合时间表明药剂水解的概率越低，越有利于混合过程的进行。因此，在后续国内水厂改造中，可通过改良设备缩短混合时间，提高混合效果。
混凝剂投加量方面，为保证TOC去除效率，通过增加药剂投加量来强化混凝过程，美国宾州的AB两水厂PAC投加量高达45和50mg/L，而我国三个水厂PAC投加量不超过17mg/L。在合理范围内提高混凝剂投加量，会增加颗粒物参与吸附架桥、网捕与卷扫等作用的机会，有利于破坏胶体聚集稳定性，提高混凝效果。另外，美国水厂一般在原水水质变化时都进行烧杯实验，以确定最适加药量，避免投加量过大而导致胶体再稳定，此操作理念值得国内水厂学习。
2.2絮凝工段对比分析
由表3可见，调研的美国三个水厂皆使用机械絮凝工艺，而我国山东AB水厂均采用折板絮凝。折板和网格絮凝方式难以调节水力条件，很难通过改变能量投加来达到最优的控制参数。而机械絮凝可根据水质和药剂投加量控制每级的功率和搅拌速度，以适应季节和水质的变化。在絮凝时间上，中国的三个水厂受设计规范制约，一般都控制在15～20min。而美国宾州《公共供水手册》建议20～30min的絮凝时间，美国《饮用水水厂十州建议标准》建议至少30分钟的絮凝时间。
美国C水厂，因实际运行水量远低于设计水量，其絮凝工段停留时间高达80min。美国A水厂其设计水量为1.5万方，但为了方便将来提高设计产量，修建了0.8万方毛坯滤池，在沉淀池预留了0.8万方斜板空间，同时将絮凝池直接按2.3万方设计修建，导致絮凝工段停留时间高于设计值。同时美国水厂一般会考虑在其中某个运行单元检修停水时，其他单元也要满足设计要求，会实际多修建一个单元。这也是美国水厂絮凝时间和其他设计参数比较保守的原因之一。
另外，美国水厂在日常检测中，会根据混凝段(包括混合和絮凝)出水浊度评价此工段运行效果，并根据数值和絮体性状调整工段运行。调研中发现，国内水厂往往只检测进水、沉淀池和滤池出水浊度，而忽略了对混凝段出水絮体的检测和评价。
2.3沉淀工段对比分析
表4为中美沉淀工段对比。由表4可见，美国三座水厂所用沉淀方式为斜板沉淀或斜管沉淀，这两种沉淀方式在美国普遍采用，而平流沉淀使用很少。国内水厂仍普遍使用平流沉淀池，仅在寒冷地区多采用斜管沉淀。与平流沉淀相比较，斜板沉淀和斜管沉淀可以有效提高单位池面积的产水量和降低出水浊度。
对于沉淀池排泥周期，中美两国并无太大差别。根据运行情况不同，我国水厂的排泥周期通常有6、12、24h等。不同的是，我国排泥多采用刮泥机、吸泥机等设备，但美国水厂排(刮)泥设备先进，如使用自动化池底污泥清扫器，对节水和污泥处理大有好处。
另外，值得注意的是，由于良好的混凝及沉淀效果，美国三个水厂沉淀池出水浊度已降至0.5NTU以下，美国C水厂甚至降至0.2NTU。而中国的三个水厂同工段出水浊度仍在0.8～3NTU之间，由此可见两国的浊度差距在沉淀段出水已然明显。
2.4过滤工段对比分析
表5为中美过滤工段对比。由表5可见，在滤料选择上，国内的滤池滤料以单层石英砂为主流，美国则以双层滤料为主，即上层为无烟煤，下层为细砂，且无烟煤厚度大于砂层。双层滤料符合理想过滤的模型，避免了单一滤料反洗水力分级后上层细砂堵塞速度快、不能发挥深层过滤的缺点，使滤料在过滤周期内的有效功能得以发挥，减少了水头损失，延长了过滤周期。
在滤池池型上，中国绝大多数给水厂普遍采用了以V型滤池为主的均质滤料过滤技术，极少采用不同的或新型的过滤技术，这一点和国内室外给水设计规范影响有关，同时也与中国大部分设计院较少对过滤技术进行研究开发，倾向引进国外专有技术的导向有关。而美国滤池设计上池型很少采用V型滤池，多为简单实用的普通快滤池结构，且每座滤池均设置在线浊度仪。
一方面，美国水厂滤池进水，即沉淀池出水浊度已经低于0.5NTU，且采用双层滤料，提高了滤料利用效率;另一方面，由表5可见，因美国三个水厂实际运行水量远低于设计水量，表中实际滤速均不高于4.4m/h，比设计值或国内滤速低45%～50%。此外，为防止藻类滋生和去除部分有机物，美国三个水厂均采用中间加氯(过滤前)，加氯量为0.4～2mg/L，有效的延长了过滤周期。由于以上原因，美国三个水厂滤池过滤周期可达72～96h，而我国水厂过滤周期仅为12～36h。较长的过滤周期带来较低的反冲洗耗水量、耗电量、滤料损失，大大降低了运行成本。
由表1和表5的对比可见，美国A水厂的TOC与UV254去除效果都较为明显，对比与A水厂同地区的C水厂运行参数可知，通过提高药剂投加量强化混凝过程，可获得较高的有机物去除效率。由表5可见，经常规工艺处理后，美国宾州A、B、C三水厂TOC与UV254均略低于中国，且差距并不明显。但在浊度方面，美国三个水厂浊度皆降至0.05NTU以下，而中国水厂浊度仍不低于0.2NTU。分析原因一是由于美国水厂原水TOC等本身就低于我国，二是得益于美国水厂较高的处理效率，可以将浊度等指标降至更低水平。调研中也发现中国南方部分水厂为降低浊度，在过滤前采用加药微絮凝或加其他助滤剂工艺，但过滤周期严重降低，存在未反应的药剂穿透滤层后影响水质。
3结论
综上所述，中美水厂常规工艺路线相同，进水浊度指标类似，但出水浊度存在较大差距，所调研的美国三个水厂出水浊度可控制在0.03～0.05NTU，而国内的三个水厂出水浊度均在0.2NTU以上，其运行策略差别如下：
(1)美国水厂更加注重混凝工艺的设计研究和运行控制，例如使用超高搅拌机以缩短混合时间、适当提高混凝剂投加量以增加颗粒物参与吸附架桥与卷扫的机会、控制絮凝水力条件以适应水质水量的变动、持续监测混凝段效果以优化工艺运行效果。由于良好的混凝效果，使得絮体更易沉降，因此美方水厂沉淀池出水浊度可降至0.5NTU以下，大大降低了后续处理负荷。
(2)美国水厂沉淀池多采用斜板和斜管沉淀，提高了单位池面积的产水量，降低了出水浊度。滤池多采用普通快滤池结构，舍去了V型滤池中间配水渠道，节约了滤池造价，滤料多使用煤砂双层滤料，实际滤速均不高于4.4m/h，过滤周期可达3～4天。
(3)经常规工艺处理后，由于美国水厂较高的处理效率，使得其出水浊度、TOC与UV254等指标优于我国。尤其在浊度方面，美国三个水厂浊度皆降至0.05NTU以下，而中国水厂浊度仍不低于0.2NTU。
因此，常规处理工艺效率偏低，管理水平与美国存在差距，是我国水厂普遍存在的问题。积极吸取国外先进技术成果，加强基础理论研究，对我国现有水厂常规工艺的运行情况进行优化，着力降低出水浊度，是提高国内供水水质的经济有效途径。
