第一篇 净水厂工艺与设备
第1章 净水厂工艺与设备概述
我国水资源匮乏，在空间和地域上分布不均，年际和季节变化大。并且我国人口众多，人均占有水量少。依据水资源有关资料，我国人均淡水资源仅为世界人均量的1/4，居世界第109位，属世界13个人均水资源贫乏国家之一。
生态环境部发布的《2017中国生态环境状况公报》显示，全国地表水1940个水质断面（点位）中， Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面分别占67.9%、23.8%和8.3%。以地下水含水系统为单元，潜水为主的浅层地下水和承压水为主的中深层地下水为对象的5100个地下水水质监测点中，水质为优良级、良好级、较好级、较差级和极差级的监测点分别占8.8%、23.1%、1.5%、51.8%和14.8%。338个地级及以上城市898个在用集中式生活饮用水水源监测断面（点位）中，有813个全年均达标，占90.5%。夏季，符合第一类海水水质标准的海域面积均占中国管辖海域面积的96%。近岸海域417个点位中，一类、二类、三类、四类和劣四类分别占34.5%、33.3%、10.1%、6.5%和15.6%。
随着我国新的《生活饮用水卫生标准》的颁布，检测项目由原来的35项扩展到106项，对一些微量有机污染物、高致病微生物、嗅味感官等提出了明确的指标。我国绝大多数水厂采用的是以混凝、沉淀、过滤、消毒为主的常规净水工艺，对普通的悬浮物、浊度、细菌、微生物等物质有较好的去除效果。然而在微量有机污染物、新型致病微生物、消毒副产物控制等方面有较大的局限性，需要结合生物预处理、臭氧活性炭深度处理、膜技术、高级氧化技术等，提高饮用水水质的安全可靠性。
饮用水水源中的主要污染物有耗氧量、微量有机物、金属、致病微生物、藻类、嗅、味和其他污染物。给水处理的目的主要是控制致病微生物的传播（原生动物、细菌、病毒等），控制水中化学污染物（有毒物质和致癌、致畸、致突的“三致”物质），提高水的舒适度（色、嗅、味和口感等）；同时对水中贾第虫和隐孢子虫（两虫）问题，水蚤、红虫问题，藻类污染加剧及臭味、藻毒素问题，水的生物稳定性问题，高氨氮含量问题，内分泌干扰物和持久性有机物急性毒性和慢性毒性问题等加以重视，并给予妥善解决。
现状净水厂混凝剂的投加以采用单一的聚合氯化铝、硫酸铝或三氯化铁等较多。与国外相比，在助凝剂的应用以及混凝过程中pH值调节方面相对注意较少。
早期投产的水厂，对混合过程不重视，甚至连混合设施都没有。近年来较多采用的管式静态混合器，虽然改善了混合条件，但其混合效果受水量变化影响较大，也有待进一步改善。
目前应用的絮凝形式以水力絮凝为主，部分水厂采用机械絮凝。与国外相比，我国对水力絮凝形式的开发和研究较有特色，创造了折板絮凝、网格（栅条）絮凝、波形板絮凝、涡旋絮凝等多种形式。对于各种絮凝形式的比较以及水力絮凝如何适应水质和水量的变化，仍将是今后进一步研究的方向。
目前我国大、中型水厂的沉淀构筑物以平流式沉淀池居多。20世纪60年代建设的水厂，不少采用了机械搅拌澄清池或水力循环澄清池。70年代起，斜管沉淀池的应用也较普遍。气浮作为含藻水处理的技术，在国内少数水厂也有应用。近年来对于国外新型高效沉淀构筑物的应用也引起较大关注。
目前应用的快滤池，除了形式上有普通快滤池、双阀滤池、虹吸滤池、移动罩冲洗滤池、无阀滤池和V形滤池等各种形式外，在滤料级配上主要有传统的细级配砂滤料和均粒粗砂滤料。双层滤料和多层滤料国内应用不多。冲洗方式则主要有单水冲洗和气水反冲洗，表面冲洗的应用不多。原来采用微絮凝直接过滤的水厂，现大多已增设了沉淀构筑物。
目前水厂绝大多数仍以液氯作为消毒剂，个别水厂采用了二氧化氯投加，考虑到消毒副产物的影响，对加氯点的位置以及前加氯的控制做了不少改进。
净水厂建设包括新建和改扩建工程，其工艺设备的选择对水厂处理工艺的净化效果，净水厂出厂水水量、水质、水压能否达标至关重要。工艺设备的选择应结合所选工艺流程，尽可能选用先进、成熟、安全、节能的设备，并应进行技术经济比较后确定。首先根据城市净水厂原水水质特征和出水水质要求（主要针对生活饮用水）选择适合的工艺流程，如常规处理工艺流程、常规处理加预处理和深度处理工艺流程等；然后根据各工艺流程特点选择合适的构筑物形式，如不同类型的澄清池、滤池等；根据工艺流程和构筑物形式对所需的机械设备做技术经济比较，如不同形式的格栅、阀门、搅拌器、水泵、鼓风机、刮泥机、脱水机等；在确定设备形式后，还应注意设备的参数、结构的选取，结合设备的使用环境，合理选择材质。
净水厂工艺专用设备根据其使用功能，大致可分为8大类，即拦污设备、搅拌设备、投药消毒设备、除污排泥设备、固液分离设备、软化除盐设备、污泥处理设备、一体化处理设备及其他设备等。
拦污设备主要有格栅、格网/滤网和栅渣输运设备；搅拌设备主要有混合搅拌设备和絮凝搅拌设备；投药消毒设备主要有一体化投药设备、加氯消毒设备、臭氧消毒设备等；除污排泥设备主要有刮泥机和吸泥机；固液分离设备主要有气浮设备和膜分离设备；软化除盐设备主要介绍了离子交换器、电渗析设备和反渗透设备；污泥处理设备主要有污泥浓缩设备和污泥脱水设备；一体化处理设备主要有除铁、除锰和除氟装置。
综上，作为发展中国家，随着城镇的综合发展，我国各地水量需求逐年增加。我国水资源匮乏，水源水质已受到不同程度污染，污染成分越来越复杂，短期内很难有根本改善。水质标准越来越严格，水质指标数量和限值都有大幅度提高，供水标准的全面实施迫在眉睫。常规处理工艺（混凝、沉淀、过滤、消毒）已经难以满足现代社会发展的要求，必须采用氧化、吸附、生物降解、强化混凝沉淀、深度处理、安全消毒等新技术组成的综合工艺获得安全洁净的生活饮用水。此外膜过滤如微滤、超滤技术，因其工艺简单、占地少，适合分散式处理，出水水质可达0.1NTU以下，具有高效截留病原微生物等特点，被认为是21世纪有效、经济和绿色的工艺；随着饮用水水源的多元化，纳滤、反渗透、电渗析等也将走到给水净化领域的前台。故此，根据原水水源条件和出水水质目标，在常规处理的基础上，由生物预处理、安全预氧化、强化混凝沉淀、活性炭吸附和生物降解、膜技术高效截留及安全消毒的多级屏障组合技术是未来净水处理工艺的发展方向。
近年来，我国净水厂工艺和设备得到了迅猛的发展，新工艺、新技术、新设备层出不穷，如改进型机械搅拌澄清池、高效炭砂滤池、紫外线消毒系统和净水厂污泥处理处置工艺等。
澄清工艺集混合、絮凝和泥水分离等过程于一体，采用接触絮凝方式，使池中积聚的已生成的高浓度大絮粒群和新进入池内的原水微絮粒相互接触、吸附，从而提高絮粒沉降速度，增加沉淀池表面负荷，使沉淀效率显著提高。我国北方地表水厂的水源多为水库水，原水具有冬季低温低浊和夏季高浊高藻特性，采用泥渣接触絮凝技术的澄清工艺在应对低温低浊原水和适应水质变化等方面均有较好的作用。在众多的澄清工艺池型中，机械搅拌澄清池处理效果好，在我国北方地区被广泛应用。经过多年的设计和运行实践总结，针对传统机械搅拌澄清池在应用中存在的施工难度大、污泥浓度和污泥回流倍数难以控制、沉淀区上升流速偏低等问题，近年来机械加速澄清池工艺有所改进，改进型机械搅拌澄清池可降低设备的维护检修和土建施工难度，提高处理效率，提升运行管理的自动化水平。改进型机械搅拌澄清池在工程中逐渐得到应用，在水线和泥线工艺系统中均起到重要作用。
我国地表水污染依然较严重，新的《生活饮用水卫生标准》将检测项目由原来的35项扩展到106项，对微量有机污染物、高致病微生物、嗅味感官等提出了明确的指标。高效炭砂滤池，是将粒状材料和多孔介质有机结合，成为活性炭和石英砂双层滤料滤池。高效炭砂滤池既不同于传统砂滤池，也不同于在炭层下加300mm砂层用于防止生物泄漏的炭吸附池，它保留了砂滤池对颗粒物的去除截留作用，同时增加了活性炭对有机物的吸附作用和强化过滤层中微生物对污染物的生物降解作用，提高了对有机物和氨氮的去除效果，保证了饮用水的安全，是集过滤、吸附、生物处理三大功能于一体的深度处理技术，相对于砂过滤和臭氧-生物活性炭工艺而言流程较短，因此可以称之为短流程深度处理技术，特别适用于水厂用地紧张和升级改造的项目。
在传统的化学药剂消毒过程中，因投加各种消毒药剂使得水中会产生一些有害的消毒副产物。由于紫外线消毒不需要往水中投加任何化学物质，并且可以灭活传统化学药剂不能杀死的顽固的有害微生物，如隐性孢子菌（Cryptosporidium）和蓝氏贾第鞭毛虫（Giardia lamblia）等，改善管网生物稳定性，因此紫外光消毒受到了特别的重视。由于紫外线消毒不具有持续消毒效果，为保障管网水质生物安全性，净水厂消毒系统必须考虑紫外线消毒与其他消毒工艺联用。净水厂紫外消毒系统的设计原则、设计要点、工艺组合要求、紫外消毒反应器的设备选型都至关重要。
随着我国城镇化进程的加快，城镇净水厂数量与规模日益增加，净水厂的排泥水耗水量和对水环境可能造成的污染越来越引起社会的关注，净水厂污泥的处置已成为环境污染防治领域的突出问题和面临的紧迫任务。根据《污水综合排放标准》（GB 8978—1996），生产废水排入按《地面水环境质量标准》（GB 3838—2002）规定的Ⅲ类水域执行一级标准，即悬浮物含量不能超过70mg/L；生产废水排入一般保护水域，悬浮物含量不能超过200mg/L；排入城市下水道并进入二级污水处理厂进行生物处理执行三级标准，悬浮物含量不能超过400mg/L。净水厂的排泥水特别是沉淀池排泥水，悬浮物含量一般超过1000mg/L，如果不进行处理而直接排入水体或城市下水道，必将造成河道的淤积或者堵塞下水道。我国各省市的建设和环保部门积极督促各地在扩建、新建自来水厂的同时，应筹措资金同步实施给水污泥处理工程，净水厂排泥水的工艺设计、构筑物选型和设备的选择等均需要系统化和规范化。