浅谈我国给水工艺与国外先进技术的差距

浅谈我国给水工艺与国外先进技术的差距建国以来，我国给水事业无论在科学理论或生产工艺各方面都有了飞跃的发展与进步，并取得丰硕的成果，这些成果有的已经接近或达到国际先进水平，有力地推动了国民经济的发展。但从总体看我国给水工艺与世界先进技术相比还有一定距离。及时了解和总结我国给水工艺水平发展状况及与国外先进水平的差距，才能督促和鼓励给水工作者奋起直追，尽快赶上国际水平。下面就我们所了解到的现阶段国内与国外给水工艺存在的差距，作一粗浅的评价，与同行共同研讨。近年来，由于工业的日益发展，人类生活水平不断发展提高，以及活动范围的逐渐扩大，各国的水体都出现了不同程度的污染。目前已知的有机化合物达400万种，人工合成有机物达4万之多。现已能用现代检测技术从原水中检测出来的已达2千2百余种。因此以饮用水中THM为代表的卤代有机物的生物致突活性也日益为广大给水技术人员所关注。长期以来，给水工艺仍然是混合、絮凝、沉淀、过滤和消毒几个阶段，宏观上理论上尚无重大突破，然而在微观上，净化工艺确不断地改进，对给水处理的认识也不断地更新。理论的继续深化，促进了给水工艺水平的提高。传统工艺、理论主要是建立在以粘土胶体微粒和致病细菌为主要工作对象的基础上，随着污染程度的日益加剧和污染源的逐渐增多，污染物品种的多样化，为给水处理工作者带来新的课题。现在给水工程较以往的任何时候都更加注意原水的预处理工作和在传统工艺后面的深度处理，这是当前发展最快的方面，也是我国和国外给水工艺水平主要差距所在。一、预处理预处理是设置在传统处理工艺之前的各种处理措施，包括格栅筛除原水中的漂浮杂物，预氯投加，调整原水的pH值，泥砂在预沉池中预沉以及投加粉末活性炭或生物过滤等各种工艺措施。我国的预处理工艺主要是格栅隔除漂浮物；预氯投加，即在长距离输水管的起始点小剂量加氯；或在预沉池前投氯，以保证充分的消毒效果。粉末活性炭的投加多为季节性，当水质严重污染时，为了去除臭味和有机物而采用的临时性措施。由于我国生活水准所限，粉末活性炭投加对制水成本影响较大，故采用不多。如哈尔滨市自来水公司仅在松花江污染严重时，季节性投加。从投加粉末活性炭的效果看还是令人满意的。我国当前在预处理方面与国外先进国家的主要差距在于原水调质和去除水中污染的有机物。从西方发达国家情况看，原水的调质已是普通采用的水处理手段。如日本东京朝霞水厂取用利根川河水，年平均pH值为7.1，最高为7.3，最低为6.8，当选用聚合氯化铝作混凝剂时，其最佳混凝pH值在7～8之间；为了提高药效，使用氢氧化钠做调质剂调整pH值，其投加量在1.7～3.0毫克／升之内波动。当原水碱度不足而影响混凝剂药效时，必须投加碱来提高碱度，常用的碱剂有消石灰和碳酸钠，日本水道协会还制订了相应的计算公式W=[(A2+K·R)-A1]·F，（其中W——碱剂投加量；A1——原水碱度；A2——净水中剩余碱度；K——投加1毫克／升混凝剂药剂的碱度下降量；R——混凝剂投加量；F——提高`1毫克／升碱度所需投加碱剂的量）。日本札幌市白川水厂年平均投加消石灰3.8毫克／升；大阪市柴乌水厂消石灰最高投加量为47毫克／升。类似日本的调质方法和设备，在发达国家几乎属于必备。原水调质不存在技术问题，关键在于对调质必要性的认识。对水中污染的有机物质的控制和去除是给水工程技术面临的重要课题。有机污染的根本控制在于搞好水体保护，不被有机物污染。那是环保工作者的任务。作为给水工程的技术人员的任务是将THM的影响降到最低程度，当前国际上采用的工作有两种，一种是改变消毒方式，在水处理过程中避免使用氯气。当经过常规处理使有机物降到安全界线以下后再加入少量氯以控制管网中细菌的复苏。另一种办法则是在预处理中将有机物去除，使常规水处理中草药Ａmes实验保持阴性，达到饮用安全目的。预处理去除有机物多采用预曝气和生物化学方法，即利用水中微生物的新陈代谢去除有机物、嗅味、氨氮。预曝气处理工艺由于水停留较短，所以去除率稍差，而生物滤池一般负荷较低，占用的面积较大，运行管理复杂，也不普及，现在日本研制生物过滤方面取得突破性进展，并已应用到生产中去。日本大津市膳所水厂90年10月开始建始生物接触滤池，过滤介质采用数毫米孔径的多孔陶瓷质滤料，厚度1.5米。其原理是通过附着在滤料上的微生物膜，过滤原水中的污染物，并进行生物分解、净化原水，和其它生物化学处理方法相比，由于单位体积生物量增多而提高了净水效率，2-MIB的去除率达70%以上，氨氮去除率夏季为85%，冬季为60%。该滤池滤速为6.97米／小时，共8个池子，单位面积37米2，日处理水量49500米3。具有慢滤池的过滤机理和快滤池的生产效率。由于滤料表面有合适的凹凸面，生物附着性良好，使用空气和水反冲洗时生物膜也不剥离。该滤池有4个方面的特点。(1)属生物自然净化方式，单位体积生物量多，能有效缩短处理水停留时间，设备规模小，是蜂窝式体积的1/5；(2)运行时不需要曝气和循环流，因此消耗电力少，运行成本低；(3)每周冲洗二、三次即可，易于维护管理；(4)因臭味去除率高，可以得到较好的水质。由于该滤池是生产性构筑物，所以在应用上处于国际先进水平。二、常规处理(1)混合技术：理论上早已阐明混合是絮凝的基础，要求快速剧烈的混合，以促进混凝药剂扩散速度和压缩水中胶体的双电层，使胶体脱稳。但在实际工作中对混合长期未给予应有的重视。80年代中后期加强混合才成为给水界最强调的观点，因而也陆续出现了多种混合设备。有水力隔板混合、水泵混合、机械混合、混合池、槽等以及近几年应用于给水行业上的静态混合器。从混合设备形式上看，我国现有水平不逊于国外先进国家。由于混合设备对水力条件、输入能量、混合方式要求比较严格、设备、构造上的差异往往造成混合效果相差较大，单纯从理论计算上进行混合设计，往往和预先设想结果有较大偏差，因而影响混合效果。国外先进国家对混合设备都作严格的测试，以期取得最佳混合效果。例如美国混合设备的生产厂家对使用单位所需求的机械混合设备全部按1:1的比例，使用不同颜色的塑料珠进行混合测试，取得最佳使用效果后方进入施工。而我国对混合的测试手段和测试设备不足，直接影响混合器效果。美国这种作法是我国应当学习和效仿的，也是我们与先进国家的差距所在。(2)絮凝反应：我们的反应设备总体上和国外水平差距不大，传统上的絮凝反应多采隔板反应，是建立在“近壁紊流”理论基础上的。随着给水理论的深入研究和发展，从能量耗散的角度出发提出“自由紊流”的微旋涡理论，我国在此理论之上研制出多种设备反应亦投入生产运行。但我国机械反应多为垂直轴机械反应，国外平流沉淀池多为水平轴机械反应，并采用液力无级变速式电机调频无级变速。我国在前一段时间对缩短反应时间很感兴趣，所设计的反应池停留时间有的短达7分钟，认为这样可以减少占地节约投资。现在随着实践和对高效反应的认识加深，又开始倾向延长反应时间，这与国外先进国家的认识趋于一致。(3)沉淀池：平流沉淀池是给水行业最古老的一种池型，大型水厂应用较多，我国与国外技术水平相差无几，所不同的是，国外停留的时间较长，一般为2～4小时，我国停留时间多为1～2小时。选择较长的停留时间可以节约药剂，提高沉淀后的水质，并有足够的调节余地，抗冲击负荷能力较强。停留时间短可以节省基建投资，减少占地面积。具体设计停留时间多长为好，这需要根据国家发达程度、沉淀后水质指标要求，并进行经济技术比较后确定，根据我国水质标准和国情，采用1.5～2.0小时停留时间为好。斜管沉淀池是继平流沉淀池之后于60年代末、70年代初发展起来的一种建立在“浅池理论”上的沉淀设施，具有占地面积少、沉淀效率高的特点，在我国经过近20年的应用和发展，使沉淀技术日臻完善，也积累了许多设计和运行经验，是一种成熟工艺。近年来在斜管管形上出现了多种形式，有“山形”斜管、“近菱形”斜管、旋转30°放置的正六边形斜管，规格上有Φ25～Φ70等多种规格的斜管，材质有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、乙丙共聚等多种材料。并且在加工制作上有多项改进。从工艺角度看我们并不落后。主要差距表现在设计参数选用偏高和监测控制能力较差。斜管上升流速我国多选用2.5毫米／秒～3.0毫米／秒，国外多选用2.0毫米／秒以下。另外，由于水在斜管沉淀池内停留时间较短，一般约20分钟至30分钟，在斜管内停留时间仅5～6分钟，由于停留时间短，使斜管沉淀池运行管理要求提高，国外先进国家自动化程度高，在控制上不成问题，既使如此，有些国家仍在规范中明确规定斜管沉淀池必须设置完备的检测和控制系统，如日本。我国的监测和控制系统水平较低，仪器设备不过关，多为人工检查调试，给斜管沉淀池稳定运行带来困难。加强斜管沉淀池的监测和控制是我们面临的一项任务。(4)澄清池：澄清池在我国使用普通程度仅次于平流沉淀池和斜管沉淀池。悬浮澄清和水力循环澄清池是早期修建。现在为了提高效率，大多都进行了不同程度的改进。我国现在建造的澄清池多为机械加速澄清池，用于中小水厂的一级处理，但有些大型水厂也选用此种池型，如北京新投入运行的水源九厂（规模为50万米3／日）即为该种池型。也有的新建水厂选用脉冲澄清池，如南京市新投入运行的上元门水厂（规模为10万米3／日），由此可见，澄清池在我国还是有发展前途的。国外先进国家仍在研制新型澄清池，以进一步扩大澄清池的适用范围和得到高质量的滤前水。法国德克雷蒙公司(Degre’ment)最新研制出的“登萨代”(Densadeg)澄清池，可以认为是新型澄清池的代表。该种类型澄清池于1988年11月15日在法国巴黎莫桑水厂(morsang)第三条生产线上投入生产运行，日处理水量7.5万米3。Densadeg澄清池是将反应、板状增稠、澄清综合为一体的水处理的构筑物，同时配以外部污泥回流和外部投药混合组成的一个完整净水系统。该澄清池上升流速达6.4毫米／秒，（一般机械加速澄清池上升流速为0.7～1.1毫米／秒）出水浊度低于1ntu，具有良好的澄清效果。这种澄清池从构造功能上可以分为三部分。第一部分为三个同心室，将加药混合后的原水和增稠回流的絮体活性污泥混合反应，形成絮凝质量好、密度高、分离性能好的固液两相体系。第二部分为预沉降部分，在这里泥水固液两相流发生快速分离。上部的初沉降水进入斜管澄清区，下部的泥浆经沉淀、增稠后被连续运转的刮泥机刮入积泥槽后部分回流，剩余部分排入污泥处理系统。第三部分为斜板澄清区，预沉降后的水在这里进一步去除残留絮体，从而获得高质量的澄清水。该澄清池回流水量仅为最大处理水量的1～4%（一般机械加速澄清池回流量为处理水量的3～4倍），较大地节约了用于回流水量的动力消耗。该种澄清池弥补了各种传统澄清池的不足，具有如下特点：①板状澄清区有较高的上升流速(5.5～10.1毫米／秒)；②能产生特别浓的回流污泥(20～500克／升)使回流污泥量极大减少，并可以使污泥处理系统省略污泥浓缩池；③可生产高质量的水（浊度低于1ntu）；④和通常用的澄清池相比，药剂费用节约10～30%；⑤运行可靠，能耐受流量和水质变化的冲击；⑥能用于多种水处理工艺，如饮用水净化、水软化、城市污水处理。由于Densadeg澄清池具有以往澄清池所不具备的优势，目前已在法国、德国推广应用。相信不久的将来也将引入我国，缩小我国在澄清池方面与先进国家的差距。(5)气浮法：气浮处理工艺是净水一级处理的另一种形式。气浮法是一个古老的处理工艺。最早的气浮专利产生于1864年，以后的应用一直集中于冶金选矿。直到60年代美国开始使用溶解空气气浮处理污水。我国于60年代末建起了第一批气浮池用于处理含油污水。1975年英国在美国给水协会第95届年会上报道了小规模气浮除藻实验。79年10月英国在白雾桥水厂建成英国第一座溶气气浮池作为给水的处理设施；我国也于79年4月建起了溶气气浮池。所以从工艺发展来看，我国与先进国家几乎是同步进行的。近年我国的成都市建起了处理规模达20万米3／日的大型气浮池。从给水工艺上看溶气气浮是一种很有发展前途的处理工艺。它有许多优点：①在池中停留时间短，一般为15～30分钟，因而处理效率较高