王如華關(guān)于現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級改造面臨的主要問題及對策

                                            王如華

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海， 200092)

摘要；通過分析城鎮(zhèn)現(xiàn)有水廠升級改造的目標(biāo)和問題，緊緊圍繞出廠水水質(zhì)穩(wěn)定可靠滿足新國標(biāo)和節(jié)能減排的低碳要求，提煉出升級改造凈水新工藝和技術(shù)，以期為今后城鎮(zhèn)水廠新建、改擴(kuò)建的規(guī)劃、設(shè)計與建設(shè)提供經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：水廠  升級改造  工藝  飲用水

 

我國城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)在經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代后期和90年代前期供水規(guī)模較為快速增長后，因水源的普遍污染和優(yōu)良水資源的逐漸減少、水環(huán)境保護(hù)的缺乏、水廠技術(shù)水平的相對落后以及輸配水設(shè)施配套改造建設(shè)的滯后，供水水質(zhì)和運(yùn)行消耗及安全等方面出現(xiàn)的問題逐步顯現(xiàn)。

隨著供水安全問題的日益顯現(xiàn)、城市建設(shè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高、供水行業(yè)技術(shù)水平的逐漸進(jìn)步，以及國際間交流與合作的擴(kuò)大與加深，全社會對水質(zhì)要求提高的需求也愈加強(qiáng)烈，這些需求在隨后十幾年的行業(yè)發(fā)展中達(dá)到了較為集中的行動轉(zhuǎn)化。其中包括了一系列行業(yè)技術(shù)進(jìn)步規(guī)劃的提出、政策法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的出臺、技術(shù)引進(jìn)和消化吸收、較大規(guī)模的研發(fā)投入，以及大量新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備的應(yīng)用等。

1 升級改造的目標(biāo)

由于通過治理和保護(hù)對污染水源進(jìn)行修復(fù)以及輸配水設(shè)施的配套改造建設(shè)是一項較長期的任務(wù)，而在較短期內(nèi)實現(xiàn)現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級改造相對容易，以及通過這種技術(shù)升級改造可較大程度地解決上述問題，因此，現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級改造成為一種見效較快的重要手段。而升級改造的主要目的主要為如下幾個方面：

(1)水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升

(2)節(jié)能降耗和減排

 (3)運(yùn)行安全與可靠

其中水質(zhì)達(dá)標(biāo)是以出水水質(zhì)滿足國家新頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》為目標(biāo)，水質(zhì)提升則以實現(xiàn)各地區(qū)結(jié)合自身的發(fā)展需求所確定的行業(yè)技術(shù)進(jìn)步規(guī)劃為目標(biāo)；節(jié)能降耗和減排方面是在確保供水安全的前提下，以合理降低運(yùn)行能耗、水耗和各種其他材耗以及盡可能減少排放為目標(biāo)；運(yùn)行安全與可靠則是以預(yù)測、預(yù)報、控制和消除傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)、自然與非自然等因素引起的影響運(yùn)行安全與可靠的各種風(fēng)險為目標(biāo)。

2 面臨的主要問題

2. 1水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升面臨的問題

在水源普遍污染的條件下，為實現(xiàn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升的目標(biāo)，現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升面臨的問題主要表現(xiàn)為如下幾個方面：

(1)原水水質(zhì)變化

一一污染物多樣性和復(fù)雜性。

(2)現(xiàn)有工藝局限性

一一處理工藝級數(shù)不足、工藝形式落后、設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)欠合理。

(3)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高

一一檢測項目增加(35項增至106項)和指標(biāo)提高。

(4)用水要求更高

一一經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和對外開放地區(qū)用水要求高于國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2節(jié)能降耗和減排面臨的問題

在經(jīng)歷了20世紀(jì)80年代后期和90年代前期供水規(guī)模較為快速增長后，現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠在控制運(yùn)行消耗和減少排放的手段和措施方面歷史欠賬較高，節(jié)能降耗和減排面臨的問題主要表現(xiàn)為如下幾個方面：

(1)配水單耗居高不下

一一配水設(shè)備配置欠合理和缺乏調(diào)節(jié)手段。

(2)藥劑單耗偏高

一一投藥設(shè)施落后和缺乏精確控制手段、反應(yīng)器選型針對性不強(qiáng)或欠妥。

(3)工藝過程水力損失較大

一一水廠高程布置及水平衡設(shè)計不合理。

(4)水廠用水率和排水量大

一一凈水構(gòu)筑物工藝形式和排泥手段落后、未建立泥處理系統(tǒng)和廢水回收系統(tǒng)。

2.3安全可靠運(yùn)行面臨的問題

在新的環(huán)境條件下，各種影響水廠運(yùn)行安全與可靠的傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)、自然與非自然的因素呈現(xiàn)多樣性、復(fù)雜性和不確定性，安全可靠運(yùn)行面臨的問題主要表現(xiàn)為如下幾個方面:

(1)原水突發(fā)污染預(yù)警和控制消除系統(tǒng)缺失

一一普遍未建立原水水質(zhì)預(yù)警和控制與消除突發(fā)污染物系統(tǒng)。

(2)應(yīng)對水廠內(nèi)突發(fā)事故的能力薄弱

一一控制與消除常用危險化學(xué)品泄漏的手段欠完善、供配電系統(tǒng)布置欠合理、投藥及輸配水設(shè)備備用能力不足、清水池儲存容量偏小、缺乏必要的事故溢流設(shè)施。

(3)應(yīng)對自然災(zāi)害的能力不足

一一水廠場地高程及暴雨設(shè)計強(qiáng)度確定欠合理。

(4)及時發(fā)現(xiàn)事故隱患和防止人為操作失誤及外人侵入破壞的能力不足

一一監(jiān)控及報警系統(tǒng)不完善。

2.4水廠布局和建設(shè)用地面臨的問題

由于許多于20世紀(jì)80年代后期和90年代前期新建或擴(kuò)建的城鎮(zhèn)水廠，受當(dāng)時的歷史條件眼制，在水廠布局和用地安排方面較少考慮到未來技術(shù)升級的需求，而更多是關(guān)注將來規(guī)模的擴(kuò)展。因此，水廠布局和建設(shè)用地面臨的問題主要表現(xiàn)為如下幾個方面:

(1)缺乏合理的工藝升級的總體規(guī)劃

一一歷史原因?qū)е驴傮w規(guī)劃通常只考慮規(guī)模的擴(kuò)大而未考慮工藝升級的需求。

(2)缺少可用于新增工藝升級設(shè)施建設(shè)的合理空間

一一原有凈水設(shè)施土地利用率低或布置過于集中和緊湊。

(3)建設(shè)用地緊張

一一歷史較長的城鎮(zhèn)水廠普遍存在建設(shè)用地不足和周邊可用土地少，甚至無地可征的現(xiàn)象;歷史相對較短的水廠因各地城市化快速推進(jìn)，從原來的郊區(qū)水廠成為市區(qū)水廠，同樣面臨建設(shè)用地擴(kuò)展的難題。

2.5改造過程生產(chǎn)維持面臨的問題

隨著各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快速增長、水源水質(zhì)的下降和出水水質(zhì)要求的提高，水廠的運(yùn)行負(fù)荷較為沉重，部分水廠甚至長期處于超負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，因此，現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠改造過程生產(chǎn)維持面臨的問題主要表現(xiàn)為如下幾個方面:

(1)水廠不多的中小城市水廠必須全部維持或部分維持生產(chǎn)

一一中小城市水廠全面停產(chǎn)對城市運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。

(2)大型水廠必須維持一定規(guī)模的生產(chǎn)能力

一一大型水廠供水范圍大，全面停產(chǎn)時，其他水廠難以填補(bǔ)其供水缺口。

(3)歷史悠久水廠必須維持一定規(guī)模的生產(chǎn)能力

一一歷史較悠久的城鎮(zhèn)水廠通常位于老城區(qū)，普遍存在管網(wǎng)配水能力有限的現(xiàn)象，全面停產(chǎn)時管網(wǎng)調(diào)水的可能性很低。

3 主要對策

3.1水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升之對策

基于上述現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升面臨的問題，總結(jié)近十年來各地的研究、建設(shè)、設(shè)計與運(yùn)行經(jīng)驗，水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升之對策可歸納為如下幾個方面:

(1)強(qiáng)化傳統(tǒng)工藝處理能力

一一針對污染物多樣性和復(fù)雜性，對傳統(tǒng)工藝處理能力的干擾和水質(zhì)要求的提高，通過調(diào)整現(xiàn)有工藝手段來解決：如改變原水水質(zhì)結(jié)構(gòu)和氧化劑或消毒劑品種、增設(shè)助凝措施、改變反應(yīng)器形式和過濾方式。

(2)增建工藝級數(shù)

一一針對工藝設(shè)計及運(yùn)行參數(shù)欠合理的現(xiàn)象，通過適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行試驗予以調(diào)整，突破現(xiàn)有工藝局限性，增加處理工藝級數(shù)，如增設(shè)各種預(yù)處理和深度處理工藝設(shè)施(或多級屏障〉。

3.2節(jié)能降耗和與減排之對策

針對因歷史欠賬造成的水廠節(jié)能降耗和減排所面臨的問題，其主要對策可歸納為如下幾個方面:

(1)調(diào)整配水設(shè)備的配置和增設(shè)配水設(shè)備按需進(jìn)行自行調(diào)節(jié)的措施

一一對于供水壓力和流量變化規(guī)律穩(wěn)定且機(jī)組臺數(shù)較多的水廠，可通過大小機(jī)組搭配和選用能量性能優(yōu)秀的機(jī)組解決。

對于供水壓力和流量變化規(guī)律難尋或機(jī)組臺數(shù)較少的水廠，通常宜采用增設(shè)機(jī)組按需進(jìn)行自行調(diào)節(jié)的措施(如各種調(diào)速手段)和結(jié)合選用性能優(yōu)秀的機(jī)組解決。

(2)提高投藥設(shè)施效率和精確控制水平、選用合理的反應(yīng)器

一一采用先進(jìn)的投藥設(shè)施(采用高效擴(kuò)散和混合)和精確控制手段〈濃度與流量控制、效果反饋控制和經(jīng)驗曲線指導(dǎo)控制、流量調(diào)節(jié)閥、凸輪泵和磁力泵等替代隔膜泵等)。

一一提高反應(yīng)器的反應(yīng)效率(增加反應(yīng)器的速度梯度或反應(yīng)時間)和適應(yīng)水量水質(zhì)變化的能力(采用可調(diào)反應(yīng)速度梯度的反應(yīng)設(shè)備)。

(3)降低水廠用水率和排水量

一一采用出水水質(zhì)和泥位檢測相結(jié)合的可編程序控制器來控制沉淀設(shè)施的排泥周期和排泥量，進(jìn)行有序可控地排泥，合理控制排泥排水量。

一一采用出水水質(zhì)和濾料堵塞檢測相結(jié)合，以及高效沖洗方式(氣洗加水洗)有序控制濾池沖洗頻次和減少沖洗水量，降低廠用水率。

一一建立水廠排泥泥處理系統(tǒng)，有效分離泥水，并在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理可行的前提下，盡可能多回用分離水，減少排水量。

一一建立水廠濾池沖洗水澄清回用系統(tǒng)，降低廠用水率。

3.3安全可靠運(yùn)行之對策

針對新環(huán)境條件下各種突發(fā)影響水廠安全可靠運(yùn)行的因素，安全可靠運(yùn)行之對策可歸納為如下幾個方面：

(1)建立原水突發(fā)污染預(yù)警及控制消除系統(tǒng)

一一在水源地或水廠建立可能的主要特征污染物快速檢測預(yù)警系統(tǒng)和生物預(yù)警系統(tǒng)，及時發(fā)出突發(fā)污染預(yù)警。

一一在水源地和水廠建立多屏障污染控制消除系統(tǒng)，如設(shè)置水面圍油和吸油欄、粉炭和高錳酸鉀應(yīng)急投加系統(tǒng)。

(2)強(qiáng)化應(yīng)對廠內(nèi)突發(fā)事故的能力

一一建立各種危險化學(xué)品泄漏報警及消除系統(tǒng)，如氯、氨和臭氧等氣體的中和、分解裝置，以及酸、堿等的中和裝置的設(shè)置。

一一合理布置供配電系統(tǒng)(如雙回路、雙變壓器設(shè)置和不間斷電源)，避免和控制因電源和電器設(shè)備故障引起其他連鎖事故的發(fā)生。

一一-涉及水質(zhì)和輸配水安全的投藥和輸配水設(shè)備應(yīng)有充足的備用能力，并可及時在線切換投運(yùn)(如混凝劑和消毒劑投加管路采用雙回路布置和流量、壓力雙報警系統(tǒng)等)。

一一水廠內(nèi)多點設(shè)置溢流、應(yīng)急排放口以及地下泵房分倉布置，消除因設(shè)備和人為誤操作事故發(fā)生時產(chǎn)生的次生事故(如水淹和水質(zhì)失控等)。

一一盡可能增加水廠清水庫容量，緩解事故對供水能力造成的影響，降低水廠突發(fā)事故的危害程度。

一一強(qiáng)氧化/還原性化學(xué)品分開儲存(如高錳酸鉀和粉炭)，儲存構(gòu)建物按相關(guān)防爆要求建設(shè)。

一一在成本可接受和貨源有保障的條件下，采用凈水功能相同和泄漏危害程度較低的藥劑替代傳統(tǒng)藥劑，如次氯酸鈉和氯化銨水溶液替代氯氣和氨氣，防爆粉炭替代普通粉炭等。

(3)提高水廠安全運(yùn)行抗自然災(zāi)害影響的能力

一一廠區(qū)場地高程適當(dāng)高于所在地周邊城市重要道路高程，暴雨設(shè)計強(qiáng)度至少3年一遇，重要水廠甚至可采用10至20年一遇，并按需可設(shè)雨水泵站。

一一合理設(shè)置關(guān)鍵設(shè)備的防雷接地系統(tǒng)，重要部位還應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

(4)提高水廠及時發(fā)現(xiàn)事故隱患和防止人為操作失誤事故及外人侵人破壞的能力

一一完善水廠監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置，設(shè)置分級控制操作權(quán)限，建立故障預(yù)報警功能和周界監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4總體布局及用地安排之對策

在現(xiàn)有水廠布局和用地條件較難適應(yīng)技術(shù)升級要求的不利條件下，總體布局及用地安排之對策可歸納為如下幾個方面:

(1)結(jié)合技術(shù)升級考慮和現(xiàn)狀條件重新規(guī)劃水廠布局和用地安排

一一按工藝升級總體要求，兼顧歷史合理性和現(xiàn)實要求，重新安排水廠功能分區(qū)和水力高程。

(2)提高水廠現(xiàn)有設(shè)施和空間的利用率

一一對廠內(nèi)年久失修、工藝落后和土地利用率低的構(gòu)建筑物可予以拆除，換之以成熟可靠、高效和土地利用率高的構(gòu)建筑物。

一一對結(jié)構(gòu)尚可利用的構(gòu)建筑物適當(dāng)改造后進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換和擴(kuò)充。

(3)提高建設(shè)用地利用率

一一新建設(shè)施盡量采用成熟可靠、高效和土地利用率高的工藝形式。

一一工藝銜接緊密或功能相近的設(shè)施采用集約化布置方式，減少不必要的同功能公共服務(wù)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)。

3.5改造過程生產(chǎn)維持之對策

為保障現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級改造過程中的生產(chǎn)維持問題，主要對策可歸納為如下幾個方面：

(1)    主要凈水設(shè)施分區(qū)或分單元改造維持全部或部分生產(chǎn)能力

一一盡量劃小分區(qū)和分單元改造范圍，先行改造不具超產(chǎn)能力的凈水設(shè)施，適當(dāng)提高具有超產(chǎn)能力的凈水設(shè)施運(yùn)行負(fù)荷。

(2)建設(shè)必要的臨時設(shè)施，保證生產(chǎn)維持的安全要求

一一臨時設(shè)施的建設(shè)應(yīng)確保滿足生產(chǎn)安全要求，做到雖然臨時但安全可靠，并在可能的條件下使臨時設(shè)施盡可能轉(zhuǎn)換成新的永久設(shè)施。

(3)按生產(chǎn)維持的最低要求逐步改造和擴(kuò)充設(shè)備系統(tǒng)，盡量使新舊設(shè)備運(yùn)行過渡無縫銜接。

一一新增設(shè)備布置盡量不影響已有設(shè)備運(yùn)行，已有設(shè)備替換或擴(kuò)充可采取啟用備用設(shè)備結(jié)合采取臨時措施來滿足維持生產(chǎn)所需。

4 適用于現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級改造的新凈水工藝

4.1高速沉淀技術(shù)

高速沉淀技術(shù)的主要特征是分離效率高、占地少和集多功能于一體，運(yùn)行管理及維護(hù)相對較復(fù)雜，目前已在現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級改造中有一定應(yīng)用范圍和規(guī)模。如北京、上海、浙江和江蘇等地。較有代表性的形式有引自國外的DENSADEG高效澄清池、ACTIFLO沉淀池、MULTIFLO沉淀池，以及由上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司自主研發(fā)而成中置式高速沉淀池。該技術(shù)可有效解決水廠技術(shù)升級改造中面臨的建設(shè)用地緊缺問題。

4.2高錳酸鉀和臭氧氧化技術(shù)

高錳酸鉀氧化是一種應(yīng)對特殊水質(zhì)的預(yù)處理技術(shù)，可較有效地除錳、除藻、助凝和去除部分有機(jī)污染物，也是一種消除或控制水源突發(fā)污染對出水水質(zhì)影響較為有效的應(yīng)急措施。因其設(shè)施建設(shè)的投入和運(yùn)行成本相對不高，目前應(yīng)用范圍較廣。

臭氧氧化技術(shù)通常是與顆粒活性炭吸附組合應(yīng)用，主要用于因水源污染較重水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)或部分地區(qū)尋求更高出水水質(zhì)的場合，但其設(shè)施建設(shè)投入和運(yùn)行成本相對較高。目前已有一定的工程應(yīng)用，集中于上海、北京、廣東、浙江和江蘇等地區(qū)。

4.3活性炭吸附（粉炭和顆粒炭）技術(shù)

粉炭吸附是一種應(yīng)對特殊水質(zhì)的預(yù)處理技術(shù)，可較有效地去除水中的致嗅致味物質(zhì)和部分有機(jī)污染物，也是一種消除或控制水源突發(fā)污染對出水水質(zhì)影響較為有效的應(yīng)急措施。目前，在一些地區(qū)內(nèi)已逐步開始得以應(yīng)用。

顆粒炭吸附通常是與臭氧氧化技術(shù)組合應(yīng)用，也可單獨使用，主要用于因水源污染較重水廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)或部分地區(qū)尋求更高的出水水質(zhì)的場合，或用于對水的特殊處理，如除嗅和味等，但其設(shè)施建設(shè)的技人和運(yùn)行成本相對較高。目前已有一些地區(qū)應(yīng)用，如上海、北京、廣東、浙江和江蘇等。

4.4超濾膜分離技術(shù)

超濾膜分離技術(shù)是一種精細(xì)過濾技術(shù)，其主要的特征是能對水中不溶解的細(xì)小顆粒物和微生物作較徹底截留，從而可顯著提高出水濁度和衛(wèi)生安全性。此外，在一定的條件下，可替代傳統(tǒng)沉淀或砂濾工藝，且設(shè)施建設(shè)所需的用地可有較大節(jié)省。因此，采用該技術(shù)可有效地解決水廠技術(shù)升級改造中面臨的建設(shè)用地緊缺。但因其設(shè)施建設(shè)的投入和運(yùn)行成本相對較高，且對水中溶解性污染物的去處能力有限，目前僅在浙江、山東、上海和江蘇等地有規(guī)�；瘧�(yīng)用。

4.5紫外消毒及新型化學(xué)消毒技術(shù)

紫外消毒是一種高效、無化學(xué)副作用的安全消毒技術(shù)，但必須與化學(xué)消毒結(jié)合應(yīng)用。紫外消毒可使出水最終的化學(xué)消毒劑投加量減少，從而降低化學(xué)消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生的風(fēng)險。該技術(shù)在國際上有一定的應(yīng)用規(guī)模，國內(nèi)尚處于了解和應(yīng)用的初期階段，目前僅在上海、天津等地有規(guī)�；瘧�(yīng)用。

新型化學(xué)消毒劑是儲存更安全、泄漏危害程度低、消毒效果較好、成本稍有增加的次氯酸鈉和氯化氨溶液，其制備和加注方式簡單，類似于混凝劑。它可替代傳統(tǒng)的液氯和液氨，并有效降低水廠受化學(xué)品污染的事故風(fēng)險，目前在上海中心城區(qū)水廠已逐步推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

以上為根據(jù)近十幾年專業(yè)工作的體會總結(jié)而成，以期為業(yè)內(nèi)同行進(jìn)一步共同探尋現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級改造所面臨的問題及解決的對策起到拋磚引玉的作用，也可為今后新建城鎮(zhèn)水廠的規(guī)劃、設(shè)計與建設(shè)提供一些經(jīng)驗借鑒。