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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1 NTU,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0.1 NTU以下,部分水厂出水浊度达到0.3 NTU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0.3 NTU。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0.1 NTU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0.1 NTU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4~8 NTU,但夏季浊度会升至30 NTU。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。
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