城镇净水设施改造浅议

城镇净水设施改造浅议
深圳市水务(集团)有限公司总工程师张金松
为全面改善全国城镇的饮用水安全状况，达到国家饮用水水质标准的要求，住房和城乡建设部建筑节能与科技司委托深圳市水务集团和清华大学等单位共同编制了《城镇供水设施改造技术指南(试行)》(以下简称“指南’’)。2009年9月10日该“指南”正式印发，作为全国供水设施改造的技术指引，也成为今后一定时期内供水行业进一步提高水质安全保障的重要依据。根据“指南”要求，着眼于全行业水质整体提高，还需要从系统的角度，分析和梳理城镇净水设施改造的思路，全面规划、因地制宜、分类实施，开展全国城镇净水设施改造的工程实践。
1净水设施改造目标
现行的《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)于2007年7月1日起实施。该标准属强制性国家标准，指标数量由原标准(GB 5749—85)的35项增至106项，并对原标准35项指标中的8项数值进行了修订。其对原标准中微生物、化学物质和放射性物质的要求进一步提高；修订了浊度指标，提出耗氧量3 mg／L的限值；并重点对影响人体健康的毒理学指标，包括无机化合物和有机化合物两类毒理指标进行了强化修订。其中的有机毒理学指标包括了国内已经使用的大多数农药、环境激素、持久性有机物，这些都是目前国际上较为先进的评价饮水与人体长期健康关系的重点指标。毒理学指标还增加了采用臭氧、氯和二氧化氯消毒时，在水中可能产生的溴酸盐、三卤甲烷、卤乙酸等卤代消毒副产物，以及在水中藻类繁殖时可能产生的微囊藻毒素等物质的指标要求。此外还增加了介水致病性原生动物贾第鞭毛虫和隐孢子虫两项指标和检测要求。该标准的出台，标志着我国的饮用水卫生和安全有了更高的目标，使我国供水行业的技术和管理
在当前严峻的水源污染形势下，面临新的挑战。根据环境保护部与住房和城乡建设部的最近统计分析及调查结果，全国城镇原水不符合集中式生活饮用水水源水质要求的水厂涉及供水规模约1．33亿m3／d,由于设施陈旧，工艺落后，地表水水厂和地下水水厂出厂水不达标规模总计0．95亿m3／d，影响人口约1．7亿人。同时，进入21世纪以来全国各地突发水环境污染事故呈增多趋势，特别是涉及城镇饮用水安全的水源污染事故松花江水污染事件、广东北江镉污染事件、太湖蓝藻污染事件，导致大面积投诉乃至全城停水，促使我们加强水源突发污染防范和应对，改善城市供水系统的应急保障能力，对净水厂的应急响应能力也提出了更高的要求。
根据现行标准，针对水源污染和城镇供水设施落后现状，净水厂改造的目标应是：净化处理技术、工艺满足国家饮用水水质标准的要求，出厂水综合达标率大于97％，供水末梢水合格率大于93％；建立完善的应对突发事故的应急供水能力，防止饮用水引起的重大传染病、中毒疾病的发生。
2技术选择原则
我国目前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。一些城市由于水源污染的加剧，近年来增设了生物预处理和臭氧、活性炭等深度处理工艺。据2009年的调查统计，全国城市水厂中共有2 577座地表水水厂，总规模为1．91亿m3／d，其中，常规处理规模占94．8％，深度处理占4．7％，简易处理和未经处理占0．5％。进一步的分析表明：水厂的工艺老化严重，新技术应用不普及。以过滤工艺为例，43．2％的水厂采用的是普通快滤池，分别有12．1％的水厂仍采用重力无阀滤池和虹吸滤池，还有5．4％的水厂没有滤池，只有不到30％的水厂采用了较先进的V型滤池。在现场调研中发现，有些中小城市的水厂，滤池出水的浊度甚至比进水还高，完全失去了过滤功能，还带来新的污染。在消毒工艺中，68．6％的水厂采用氯消毒，25．7％采用二氧化氯消毒工艺。针对原水的藻类和有机物污染，55．1％的水厂采用了预氯化工艺，但35．6％的水厂存在增加消毒副产物生成量的风险。
为了满足新标准要求，我国面临着大面积水厂更新改造的任务。
全国各地在供水设施改造过程中，应根据不同水质特征和现有工艺设施特点，选择适宜的工艺技术。应根据《地表水环境质量标准》(GB 3838--2002)、《地下水质量标准》(GB 14848--93)和特殊水质特征等水源水质分类，针对各自的水质问题，开展工程实践。
目前，地表水已经成为城镇供水的主要水源，地表水环境主要污染指标为氨氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量。我国供水设施改造的主要目标是解决有机物和氨氮问题，并针对各地情况解决其他水质问题。
根据《地表水环境质量标准》规定，水源为I、Ⅱ类水体的，为集中式生活饮用水地表水源地。由于水质较好，一般情况下经水厂常规工艺处理后可以直接供水。但是因水厂工艺或设施原因造成供水水质的微生物指标、消毒剂指标和感官性状指标(浑浊度等)不能达标的，应完善常规工艺设施或进行设施改造。在一些经济较为发达地区，也可采用超滤等膜处理工艺。
当水源为《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水体的，为集中式生活饮用水地表水源地(二级保护区)。当水源存在有机污染(包括一些Ⅱ类水体受季节性污染)，而其他水质问题相对较易解决时，采用强化常规工艺，通常可以将有机物的去除率提高10％～20％或以上，基本满足水质要求；如果有机物、臭味等水质问题较为严重，采取以上措施仍不能达标的，应增设预处理，或臭氧生物活性炭等深度处理工艺。
当水源超过《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水体的相关要求的。如果有机物或氨氮污染严重，应综合采用预处理、强化常规处理和深度处理等技术措施；氨氮污染通常需采用生物处理才能很好解决，一般情况下可以达到90％以上的去除率。
地下水作为城镇供水的重要水源，根据《地下水质量标准》规定，水源为I、Ⅱ、Ⅲ类水体的，可以用于集中式生活饮用水水源，一般经适当处理后可以直接供水。根据水环境质量公报监测数据，地下水水质状况相对稳定，局部地区有恶化的趋势。对以地下水为水源的水厂，设施改造的主要目的是解决铁锰、硝酸盐、总硬度、硫酸盐等水质问题，应因地制宜；当水源受到有机污染时，可参考地表水处理措施加以解决。
3净水设施改造技术
3．1 预处理和常规处理
预处理一般是指在常规处理工艺前，采用适当的处理方法，强化对水中污染物的去除，以减轻后续常规处理和深度处理的负担，使其更好地发挥作用。一般可采取的预处理措施包括生物预处理、化学预氧化、投加吸附剂、预沉淀、鼓风曝气等。
生物预处理是指在常规处理工艺前增设生物处理工艺，通过微生物作用达到水质净化的目的，一般对CODMn去除率为15％～20％，氨氮去除率可达70％以上，另外还能不同程度地去除原水中的铁、锰、色、臭味及浊度；对于受工业废水污染、可生化性较低的原水，生物预处理效果较差。对于北方地区，由于冬季水温低，处理效果会下降。各地在选择生物预处理时，可综合考虑技术经济，决定是否采用生物预处理。
化学预氧化是在常规处理工艺前端投加化学氧化剂来强化处理效果的一类预处理措施，用于给水处理的氧化剂主要有氯、臭氧、高锰酸钾及其复合药剂、二氧化氯等。氯是目前国内水厂采用得最多的一种预氧化剂，尽管存在产生氯化消毒副产物的风险，但具有技术成熟、处理成本低和运行管理方便等优点，当原水有机物含量高时，为防止消毒副产物超标，不宜采用预氯化。预臭氧在欧美应用较多，我国近几年也开始在一些地区采用，能够降低氯化消毒副产物生成，某些情况下有助凝作用，但成本较高。采用二氧化氯作为预氧化剂，几乎不产生氯化消毒副产物，可以较快地氧化铁锰、藻类，近年来应用逐步增多，但在国内一些水厂使用中曾出现出厂水色度升高甚至超标情况，这可能与水中锰含量较高有关；另外使用二氧化氯会生成亚氯酸盐和氯酸盐，所以二氧化氯投加应注意控制投加量。
用于预处理的吸附剂一般为粉末活性炭，对臭味、有机物有较好的去除效果。预沉淀通常用于原水泥沙含量高、浊度变化大的水源，为了减轻对后续处理的影响，可以考虑增加预沉淀池。
强化常规工艺技术中，强化混凝工艺可采用优选混凝剂、混合方式、调整加药点和投加量、调整pH、增投高分子助凝剂等技术措施；絮凝池改造时应注意水力和机械混合絮凝方式的比选，以及混凝调节控制；对于原水为低浊水的大型水厂，提出了利用污泥回流来改善处理效果的措施；在新建或改造清水池时，参考国家“十五”科技成果，建议内部廊道总长与廊道单宽之比宜达到50以上；在消毒方式选用时，针对国内消毒剂种类日益多样化和最新水质标准要求，不仅要重视氯化消毒副产物，还要重视亚氯酸盐和溴酸盐等其他消毒副产物问题。
3．2深度处理
深度处理工艺因其技术优越性正在成为供水设施升级改造的主要工艺。根据各地不同情况，深度处理工艺应用主要目的有两个层次：在水源污染的条件下，使处理后的水质指标达到我国现行水质标准；针对经济发达城市和地区进一步提高水质的迫切要求，在满足国家标准基础上，使饮用水浊度更低、有机物更少、口感更好。深度处理工艺有多种形式，如活性炭吸附、臭氧一生物活性炭、膜处理组合工艺等。当前应用较多的主要是臭氧一生物活性炭工艺，特别是水源有机污染较严重的地区，可采用两级臭氧一活性炭工艺。活性炭吸附在我国也有采用，适用于水质略好的地区，但由于微生物作用较弱活性炭再生周期会缩短。在投资和运行成本不断降低，以及水源污染状况不断改善的情况下，膜工艺应用会越来越多。
臭氧一生物活性炭工艺一般对COD‰的去除率为50％-～70％、氨氮为90％左右、臭味为90％以上，对铁锰、藻类、色度等也有一定去除。在实际运行中，臭氧一生物活性炭工艺也会出现一些水质问题，可采取应对措施加以解决，我国对此已经有很多研究成果和运行经验可以借鉴：运行初期由于活性炭本身性质出水pH会有升高现象，最高可超过10，可以采取稀释和浸没措施；运行过程中出水pH会出现降低问题，特别在原水碱度较低的地区，降幅可达1以上；工艺出水中有细菌等微生物泄漏问题，特别是在南方湿热地区一些浮游动物(如剑水蚤、线虫、轮虫等)会过量孳生而影响水质安全，这种现象在国内其他地区也不同程度地存在，各地应根据不同情况采取相应措施；臭氧化副产物正在受到广泛关注，如AOC、甲醛和溴酸盐等，特别是溴酸盐问题正引起国内外重视，在原水溴离子浓度较高的一些地区，采用臭氧时，要切实评估溴酸盐风险，并采取控制措施。膜技术是一种新型的处理技术，国内外研究和实践表明，膜工艺(超滤和微滤)出水浊度可稳定控制在0．03 NTU以下，2,um以上颗粒数可稳定保持在3个／mL以下，对病毒、细菌、两虫、水生生物可以去除3～4 log，水质安全保障能力和水平能够显著提高。但是，超滤和微滤对臭味、溶解性有机物等去除效率较低，通过与粉末活性炭、粒状活性炭等技术联用可克服膜技术的缺陷，解决臭味、溶解性有机物等问题。
3．3 应急处理
目前，我国突发性水污染事件正进入高发期。各地应根据当地情况，突发性污染的风险类型及发生频率，合理确定应急处理的规模和能力，制定应急预案。
水厂应根据实际情况在取水口、厂内建设原水在线自动预警监测系统，预警监测应采用人工采样监测与自动在线监测相结合；供水量10万m3／d以上的水厂，建议安装水质污染在线生物预警系统。对于常见的突发性污染，可采取的应急处理技术包括：
(1)对存在农药、苯系物、卤代烃以及其他人工合成有机污染物等可吸附污染物风险的水厂，应建设活性炭吸附设施。对于季节性或突发性的可吸附污染物风险，应具备粉末活性炭投加设施；对于可吸附污染物发生频率高的水厂，应建设活性炭滤床，以提高处理效率，降低处理成本。
(2)对存在金属和非金属离子污染风险的水厂，应结合混凝沉淀加以去除，污染物能通过碱性条件沉淀的，如镉、铅、镍、铜、锌、铍等，应建设氢氧化钠或碳酸钠等pH调节设施；对于需要通过化学氧化或还原后再沉淀的污染物，如硒、砷、铬(六价)等，同时应具备相应氧化剂或还原剂投加能力。
(3)对存在硫化物、氰离子等可氧化污染物风险的水厂，应具备前加相应氧化药剂投加的能力，包括氯、高锰酸盐、臭氧等。
(4)对存在致病微生物如病原菌、两虫等突发污染风险的水厂，应具备强化消毒设施。对于常见的病原菌，应增加前置预消毒和强化主消毒的措施。对于隐孢子虫和贾第虫等难以被消毒剂灭活的微生物污染，应通过强化混凝和强化过滤等多级屏障措施，提高去除率，必要时采用超滤或微滤技术。