淺談我國(guó)給水工藝常規(guī)處理與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距
近年來(lái)，由于工業(yè)的日益發(fā)展，人類生活水平不斷發(fā)展提高，以及活動(dòng)范圍的逐漸擴(kuò)大，各國(guó)的水體都出現(xiàn)了不同程度的污染。目前已知的有機(jī)化合物達(dá)400萬(wàn)種，人工合成有機(jī)物達(dá)4萬(wàn)之多，F(xiàn)已能用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)從原水中檢測(cè)出來(lái)的已達(dá)2千2百余種。因此以飲用水中THM為代表的鹵代有機(jī)物的生物致突活性也日益為廣大給水技術(shù)人員所關(guān)注。
傳統(tǒng)工藝、理論主要是建立在以粘土膠體微粒和致病細(xì)菌為主要工作對(duì)象的基礎(chǔ)上，隨著污染程度的日益加劇和污染源的逐漸增多，污染物品種的多樣化，為給水處理工作者帶來(lái)新的課題，F(xiàn)在給水工程較以往的任何時(shí)候都更加注意原水在傳統(tǒng)工藝后面的深度處理，這是當(dāng)前發(fā)展最快的方面，也是我國(guó)和國(guó)外給水工藝水平主要差距所在。
常規(guī)處理
(1)混合技術(shù)：理論上早已闡明混合是絮凝的基礎(chǔ)，要求快速劇烈的混合，以促進(jìn)混凝藥劑擴(kuò)散速度和壓縮水中膠體的雙電層，使膠體脫穩(wěn)。但在實(shí)際工作中對(duì)混合長(zhǎng)期未給予應(yīng)有的重視。80年代中后期加強(qiáng)混合才成為給水界最強(qiáng)調(diào)的觀點(diǎn)，因而也陸續(xù)出現(xiàn)了多種混合設(shè)備。有水力隔板混合、水泵混合、機(jī)械混合、混合池、槽等以及近幾年應(yīng)用于給水行業(yè)上的靜態(tài)混合器。從混合設(shè)備形式上看，我國(guó)現(xiàn)有水平不遜于國(guó)外先進(jìn)國(guó)家。由于混合設(shè)備對(duì)水力條件、輸入能量、混合方式要求比較嚴(yán)格、設(shè)備、構(gòu)造上的差異往往造成混合效果相差較大，單純從理論計(jì)算上進(jìn)行混合設(shè)計(jì)，往往和預(yù)先設(shè)想結(jié)果有較大偏差，因而影響混合效果。
國(guó)外先進(jìn)國(guó)家對(duì)混合設(shè)備都作嚴(yán)格的測(cè)試，以期取得最佳混合效果。例如美國(guó)混合設(shè)備的生產(chǎn)廠家對(duì)使用單位所需求的機(jī)械混合設(shè)備全部按1:1的比例，使用不同顏色的塑料珠進(jìn)行混合測(cè)試，取得最佳使用效果后方進(jìn)入施工。而我國(guó)對(duì)混合的測(cè)試手段和測(cè)試設(shè)備不足，直接影響混合器效果。美國(guó)這種作法是我國(guó)應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)和效仿的，也是我們與先進(jìn)國(guó)家的差距所在。
(2)絮凝反應(yīng)：我們的反應(yīng)設(shè)備總體上和國(guó)外水平差距不大，傳統(tǒng)上的絮凝反應(yīng)多采隔板反應(yīng)，是建立在“近壁紊流”理論基礎(chǔ)上的。隨著給水理論的深入研究和發(fā)展，從能量耗散的角度出發(fā)提出“自由紊流”的微旋渦理論，我國(guó)在此理論之上研制出多種設(shè)備反應(yīng)亦投入生產(chǎn)運(yùn)行。但我國(guó)機(jī)械反應(yīng)多為垂直軸機(jī)械反應(yīng)，國(guó)外平流沉淀池多為水平軸機(jī)械反應(yīng)，并采用液力無(wú)級(jí)變速式電機(jī)調(diào)頻無(wú)級(jí)變速。我國(guó)在前一段時(shí)間對(duì)縮短反應(yīng)時(shí)間很感興趣，所設(shè)計(jì)的反應(yīng)池停留時(shí)間有的短達(dá)7分鐘，認(rèn)為這樣可以減少占地節(jié)約投資。現(xiàn)在隨著實(shí)踐和對(duì)高效反應(yīng)的認(rèn)識(shí)加深，又開(kāi)始傾向延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，這與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的認(rèn)識(shí)趨于一致。
(3)沉淀池：平流沉淀池是給水行業(yè)最古老的一種池型，大型水廠應(yīng)用較多，我國(guó)與國(guó)外技術(shù)水平相差無(wú)幾，所不同的是，國(guó)外停留的時(shí)間較長(zhǎng)，一般為2～4小時(shí)，我國(guó)停留時(shí)間多為1～2小時(shí)。選擇較長(zhǎng)的停留時(shí)間可以節(jié)約藥劑，提高沉淀后的水質(zhì)，并有足夠的調(diào)節(jié)余地，抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。停留時(shí)間短可以節(jié)省基建投資，減少占地面積。具體設(shè)計(jì)停留時(shí)間多長(zhǎng)為好，這需要根據(jù)國(guó)家發(fā)達(dá)程度、沉淀后水質(zhì)指標(biāo)要求，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定，根據(jù)我國(guó)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)情，采用1.5～2.0小時(shí)停留時(shí)間為好。
斜管沉淀池是繼平流沉淀池之后于60年代末、70年代初發(fā)展起來(lái)的一種建立在“淺池理論”上的沉淀設(shè)施，具有占地面積少、沉淀效率高的特點(diǎn)，在我國(guó)經(jīng)過(guò)近20年的應(yīng)用和發(fā)展，使沉淀技術(shù)日臻完善，也積累了許多設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是一種成熟工藝。近年來(lái)在斜管管形上出現(xiàn)了多種形式，有“山形”斜管、“近菱形”斜管、旋轉(zhuǎn)30°放置的正六邊形斜管，規(guī)格上有Φ25～Φ70等多種規(guī)格的斜管，材質(zhì)有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、乙丙共聚等多種材料。并且在加工制作上有多項(xiàng)改進(jìn)。從工藝角度看我們并不落后。主要差距表現(xiàn)在設(shè)計(jì)參數(shù)選用偏高和監(jiān)測(cè)控制能力較差。斜管上升流速我國(guó)多選用2.5毫米/秒～3.0毫米/秒，國(guó)外多選用2.0毫米/秒以下。
另外，由于水在斜管沉淀池內(nèi)停留時(shí)間較短，一般約20分鐘至30分鐘，在斜管內(nèi)停留時(shí)間僅5～6分鐘，由于停留時(shí)間短，使斜管沉淀池運(yùn)行管理要求提高，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家自動(dòng)化程度高，在控制上不成問(wèn)題，既使如此，有些國(guó)家仍在規(guī)范中明確規(guī)定斜管沉淀池必須設(shè)置完備的檢測(cè)和控制系統(tǒng)，如日本。我國(guó)的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)水平較低，儀器設(shè)備不過(guò)關(guān)，多為人工檢查調(diào)試，給斜管沉淀池穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)困難。加強(qiáng)斜管沉淀池的監(jiān)測(cè)和控制是我們面臨的一項(xiàng)任務(wù)。
(4)澄清池：澄清池在我國(guó)使用普通程度僅次于平流沉淀池和斜管沉淀池。懸浮澄清和水力循環(huán)澄清池是早期修建。現(xiàn)在為了提高效率，大多都進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)。我國(guó)現(xiàn)在建造的澄清池多為機(jī)械加速澄清池，用于中小水廠的一級(jí)處理，但有些大型水廠也選用此種池型，如北京新投入運(yùn)行的水源九廠（規(guī)模為50萬(wàn)米3/日）即為該種池型。也有的新建水廠選用脈沖澄清池，如南京市新投入運(yùn)行的上元門(mén)水廠（規(guī)模為10萬(wàn)米3/日），由此可見(jiàn)，澄清池在我國(guó)還是有發(fā)展前途的。國(guó)外先進(jìn)國(guó)家仍在研制新型澄清池，以進(jìn)一步擴(kuò)大澄清池的適用范圍和得到高質(zhì)量的濾前水。法國(guó)德克雷蒙公司(Degre’ment)最新研制出的“登薩代”(Densadeg)澄清池，可以認(rèn)為是新型澄清池的代表。該種類型澄清池于1988年11月15日在法國(guó)巴黎莫桑水廠(morsang)第三條生產(chǎn)線上投入生產(chǎn)運(yùn)行，日處理水量7.5萬(wàn)米3。Densadeg澄清池是將反應(yīng)、板狀增稠、澄清綜合為一體的水處理的構(gòu)筑物，同時(shí)配以外部污泥回流和外部投藥混合組成的一個(gè)完整凈水系統(tǒng)。
該澄清池上升流速達(dá)6.4毫米/秒，（一般機(jī)械加速澄清池上升流速為0.7～1.1毫米/秒）出水濁度低于1ntu，具有良好的澄清效果。這種澄清池從構(gòu)造功能上可以分為三部分。第一部分為三個(gè)同心室，將加藥混合后的原水和增稠回流的絮體活性污泥混合反應(yīng)，形成絮凝質(zhì)量好、密度高、分離性能好的固液兩相體系。第二部分為預(yù)沉降部分，在這里泥水固液兩相流發(fā)生快速分離。上部的初沉降水進(jìn)入斜管澄清區(qū)，下部的泥漿經(jīng)沉淀、增稠后被連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的刮泥機(jī)刮入積泥槽后部分回流，剩余部分排入污泥處理系統(tǒng)。第三部分為斜板澄清區(qū)，預(yù)沉降后的水在這里進(jìn)一步去除殘留絮體，從而獲得高質(zhì)量的澄清水。該澄清池回流水量?jī)H為最大處理水量的1～4%（一般機(jī)械加速澄清池回流量為處理水量的3～4倍），較大地節(jié)約了用于回流水量的動(dòng)力消耗。
該種澄清池彌補(bǔ)了各種傳統(tǒng)澄清池的不足，具有如下特點(diǎn)：①板狀澄清區(qū)有較高的上升流速(5.5～10.1毫米/秒)；②能產(chǎn)生特別濃的回流污泥(20～ 500克/升)使回流污泥量極大減少，并可以使污泥處理系統(tǒng)省略污泥濃縮池；③可生產(chǎn)高質(zhì)量的水（濁度低于1ntu）；④和通常用的澄清池相比，藥劑費(fèi)用節(jié)約10～30%；⑤運(yùn)行可靠，能耐受流量和水質(zhì)變化的沖擊；⑥能用于多種水處理工藝，如飲用水凈化、水軟化、城市污水處理。由于Densadeg澄清池具有以往澄清池所不具備的優(yōu)勢(shì)，目前已在法國(guó)、德國(guó)推廣應(yīng)用。相信不久的將來(lái)也將引入我國(guó)，縮小我國(guó)在澄清池方面與先進(jìn)國(guó)家的差距。
(5)氣浮法：氣浮處理工藝是凈水一級(jí)處理的另一種形式。氣浮法是一個(gè)古老的處理工藝。最早的氣浮專利產(chǎn)生于1864年，以后的應(yīng)用一直集中于冶金選礦。直到60年代美國(guó)開(kāi)始使用溶解空氣氣浮處理污水。我國(guó)于60年代末建起了第一批氣浮池用于處理含油污水。1975年英國(guó)在美國(guó)給水協(xié)會(huì)第95屆年會(huì)上報(bào)道了小規(guī)模氣浮除藻實(shí)驗(yàn)。79年10月英國(guó)在白霧橋水廠建成英國(guó)第一座溶氣氣浮池作為給水的處理設(shè)施；我國(guó)也于79年4月建起了溶氣氣浮池。所以從工藝發(fā)展來(lái)看，我國(guó)與先進(jìn)國(guó)家?guī)缀跏峭竭M(jìn)行的。近年我國(guó)的成都市建起了處理規(guī)模達(dá)20萬(wàn)米3/日的大型氣浮池。從給水工藝上看溶氣氣浮是一種很有發(fā)展前途的處理工藝。
它有許多優(yōu)點(diǎn)：①在池中停留時(shí)間短，一般為15～30分鐘，因而處理效率較高；②能有效地處理低溫低濁水；③能較好地解決除藻問(wèn)題；④能對(duì)被有機(jī)物污染水體起曝氣作用；⑤氣浮法產(chǎn)生污泥含水率(90～95%)比沉淀池(95～99.8%)的低得多；⑥池子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低。我國(guó)當(dāng)前在氣浮法處理工藝與先進(jìn)國(guó)家相比差距很小，也并非表現(xiàn)在處理工藝水平上，而是污泥的處置。國(guó)外有較完善的污泥處理手段和設(shè)備，對(duì)氣浮法產(chǎn)生的污泥處理不成問(wèn)題，而我國(guó)由于國(guó)情所致，給水廠的污泥處理還處于未起步階段，沉淀池產(chǎn)生的污泥一般多重新排入水體，而氣浮法產(chǎn)生的污泥則不能排入水體，必須進(jìn)行處理。當(dāng)前氣浮產(chǎn)生的污泥苦于找不到適于我國(guó)國(guó)情的費(fèi)用低廉的污泥處理工藝和設(shè)備，而使其普及帶來(lái)困難。
(6)過(guò)濾：過(guò)濾在水處理上一般稱為二級(jí)處理，通常是設(shè)于沉淀、澄清、氣浮等一級(jí)設(shè)備之后，用來(lái)進(jìn)一步降低水中濁度。最早的過(guò)濾是使用慢濾池。這是利用生物膜過(guò)濾工藝。慢濾池出水水質(zhì)高，但生產(chǎn)效率低。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外過(guò)濾過(guò)程多使用快濾池以提高生產(chǎn)效率？鞛V池的過(guò)濾機(jī)理是接觸絮凝？鞛V池發(fā)展歷史已百余年，創(chuàng)造出多種池型，有四閥濾池、雙閥濾池、虹吸濾池、無(wú)閥濾池、壓濾罐等。大型水廠多使用四閥濾池及其改型的雙閥濾池。從濾料上看，使用單層砂濾料和砂、煤雙層濾料的較多，三層濾料及三層以上濾料應(yīng)用較少。
國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的過(guò)濾設(shè)備與我國(guó)相比在三個(gè)方面有較大改進(jìn)：①濾料品種、級(jí)配的改進(jìn)；②輔助沖洗的普遍應(yīng)用；③自用水的降低。濾料品種和級(jí)配的改進(jìn)方面，我國(guó)使用的砂濾料，粒徑一般在0.45～1.1毫米，不均勻系數(shù)K80一般選在1.6～2.0，無(wú)煙煤濾料一般作為雙層濾池的輕質(zhì)濾料，粒徑多為1.0～2.0，不均勻系數(shù)K80多為2.0左右。國(guó)外正在逐步走向大粒徑、深厚度的均勻?yàn)V料，如1981年建成投產(chǎn)的法國(guó)圖盧茲市大衛(wèi)水廠的濾池采用的濾料為濾徑1.0～1.4毫米的石英砂濾料，厚度為1.1米。美國(guó)86年投產(chǎn)的被給水工程界譽(yù)為優(yōu)秀設(shè)計(jì)的洛杉磯水廠的濾池采用的濾料為直徑1.5～2.2毫米的無(wú)煙煤濾料，厚度高達(dá)1.83米。歐美許多新建的濾池都有向大粒徑、深厚度方向發(fā)展。我國(guó)近年來(lái)也有這種趨勢(shì)，但象洛杉磯水廠那樣大膽采用單層煤濾料尚未見(jiàn)到。
歐美國(guó)家普通使用輔助沖洗。有水表沖和氣沖兩種。水表沖有設(shè)一層的，也有在濾料層中再加設(shè)一層的。氣沖則有采用“豐”字形管布?xì)，也有用長(zhǎng)柄濾頭布?xì)獾。由于氣沖造成濾料間磨擦力加大，使濾池沖洗更干凈，故歐美國(guó)家采用氣沖更為普遍。我們水表沖早有應(yīng)用，氣沖也有使用，但不普遍。其原因是加輔助沖洗后使操作復(fù)雜，并有可能引起濾料流失。隨著自動(dòng)控制的發(fā)展，我國(guó)的輔助沖洗會(huì)逐步普及。
水廠的自用水主要是用于濾池沖洗，約占出廠凈水量的5～7%，節(jié)約自用水一直是給水工作者努力的目標(biāo)。對(duì)于可作飲用水源的水越來(lái)越少，節(jié)約沖洗水量的意義更顯得日益突出。我國(guó)的沖洗強(qiáng)度設(shè)計(jì)多采用完全膨脹型沖洗，即沖洗時(shí)整個(gè)濾層全部在上升水流作用下膨脹起來(lái)，呈流化狀態(tài)。強(qiáng)度為13～15升/米2·秒，使用水量很大。國(guó)外近年開(kāi)始搞大粒徑濾料的不膨脹沖洗。以節(jié)約沖洗水量，或采用不完全膨脹沖洗。
法國(guó)德克雷蒙水處理公司的專利——Aquazur V型濾池是一種比較先進(jìn)的濾池設(shè)計(jì)。這種濾池使用單層砂濾料，粒徑通常在0.95～1.35毫米，允許擴(kuò)大到0.7～2.0毫米，K80不均勻系數(shù)在1.2～1.6之間。濾料層厚度在1.0～1.5米之間，沖洗時(shí)采用水沖洗、氣沖洗和表面掃洗相結(jié)合。濾池在沖洗時(shí)完全不膨脹，避免了由于水力篩分作用而使小粒徑濾料集中于上層，該濾池沖洗時(shí)，先進(jìn)行氣沖，強(qiáng)度為13.9～16.7升/米2·秒。水沖強(qiáng)度為3.6～4.2升/米2·秒。表面掃洗強(qiáng)度為1.4～2.2升/米2·秒。
由于空氣加入使濾料相互摩擦，去除濾料表面粘附的絮體，然后在沖洗水的作用下被帶到濾料表面，濾料表面的掃洗將絮體掃入排水槽。然后停止氣沖，沖洗水繼續(xù)對(duì)濾料進(jìn)行漂洗，把殘留絮體進(jìn)一步帶出濾料表面，被掃洗水帶入排入槽。這是一種非常有效的沖洗，避免了濾床中結(jié)泥球。沖洗水僅為常規(guī)沖洗水量的1/4，大大節(jié)約了清潔水的使用量，表面沖洗所用的水為未經(jīng)過(guò)濾的濾前水，所以掃洗時(shí)不加重濾池負(fù)擔(dān)。沖洗水、掃洗水量之和也僅是常規(guī)沖洗水量的1/3，所以此種濾池是一種濾速較高、生產(chǎn)能力強(qiáng)、省水經(jīng)濟(jì)的濾池。在世界上也是比較先進(jìn)的。
我國(guó)已有水廠引入該種濾池。如南京市上元門(mén)水廠10萬(wàn)噸擴(kuò)建工程即引入該池種。另外Mediazur V型濾池與Aquazar V型濾池相似，適用于輕質(zhì)濾料如活性炭、無(wú)煙煤或砂、煤雙層濾料。只不過(guò)是濾料厚度、沖洗順序作了調(diào)整。氣沖、水沖分別進(jìn)行。這里就不詳敘了？傊，Aquazur V型濾池是國(guó)外具有代表性的先進(jìn)濾池中的一種，有許多可供我們借鑒、學(xué)習(xí)之處。
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