我国供水水质净化与取水输水科技发展

杨文进 李家就

　　建国之初，我国的城市总供水量为186.7万m³/d，供水管道总长度为6589km，有给水设施的城市约60个。建国50年来，我国的供水事业有了很大的发展，现有的供水范围、供水设施和供水量等，均非昔日所可比拟。
　　 50年来我国供水水质净化和取水、输水的科技有了很大的发展。

净水技术

受污染水源水预处理
　　70年代以来，我国的地面水源大都受到不同程度的污染，城市周边的水域有90%受到严重污染。水源水质的恶化，致使生活饮用水处理增加了很大困难。
　　80年代开始，特别是在“八五”、“九五”国家重点科技攻关中，我国投入科技力量针对微污染和富营养化水源水的处理问题进行了研究，提出了在常规处理工艺之前增加预处理的工艺。
　　1990～1992年，武汉在武昌东湖水厂做弹性填料生物接触氧化预处理的中型试验。1992～1994年,上海在宁波梅林水厂研究弹性填料生物接触氧化预处理，为中试规模。自1996年起，宁波、嘉兴、合肥等地先后建成生产性的受污染水源水弹性填料生物接触氧化预处理设施。
　　规模为400万m³/d的东深原水弹性填料生物接触氧化处理系统于1998年12月在深圳水库库尾建成投产。该生物接触氧化池系统由6条长270m、宽25m、有效水深3.8m的廊道组成，总水力停留时间55.4 min，曝气的气水比为1:1。
　　1987～1992年，北京研究的生物陶粒反应器进入小试和中试阶段，1995年在蚌埠建成了生产性的生物陶粒滤池。
　　上述弹性填料生物接触氧化池和生物陶粒滤池的工艺本身不产生有害副产物，排泥量少。
　　90年代，我国有多处研究臭氧预氧化工艺。深圳根据大涌水厂预氧化试验结果，在深圳东湖水厂兴建35万m³/d预臭氧氧化设施。
　　1989年，哈尔滨开始研究高锰酸钾预氧化。高锰酸钾及高锰酸盐复合药剂预氧化工艺已推广应用。
　　1990年合肥与武汉合作研究，在合肥四水厂用投加粉末活性炭的方法去除水臭。
　　氯虽然常被用作原水预氧化的药剂，但预氯化时，氯与原水中天然有机物（NOM）相作用后，就产生挥发性总有机卤化物（VTOX）和非挥发性总有机卤化物（NVTOX），这种预氯化副产物对人体有害，并且在后续净水工艺中难于去除。
　　我国跨入21世纪时，还需要继续研究生物预处理、臭氧、高锰酸钾预氧化等的生产应用技术，以期为后续常规水处理工艺提供可处理性好的进水。
常规处理
　　混凝剂，快速混合
　　50年代，我国一般常用粗制和精制硫酸铝、明矾、硫酸亚铁，三氯化铁、硫酸铁等为凝聚剂。60、70年代，广州、哈尔滨、吉林、成都、长春等地研究生产聚合氯化铝；1971年成都研究一步酸溶铝灰法制造聚合氯化铝成功。聚合氯化铝凝聚效果甚佳，得到迅速推广。1966～1967年开始，兰州、哈尔滨研究并应用聚丙烯酰胺（PAM），PAM处理高浊度水（如黄河水）的凝聚效果很好；只是国产的PAM中单体丙烯酰胺含量较高的问题，尚有待于在饮用水水质上进一步做出毒理学的结论。此外，50年来我国还具有研制、使用氯化硫酸亚铁、聚合铁等凝聚剂以及活化硅酸、骨胶、石灰等助凝剂的经验。
　　50至70年代，我国的混合形式有障板式混合；穿孔板式混合、隔板式混合、水泵混合、管道混合和机械搅拌混合。
　　80年代，我国充分重视快速混合的作用，并研究速度梯度G值以及GTC值与混合效果的关系。我国自行研究开发和应用了多种新型的快速混合设备，如网格、多孔隔板、弯管和管式静态混合器。这些混合器的维修工作量小，多用于中小型水厂。但管式混合或水泵混合，对流量变化难于适应。
　　80、90年代，在我国新建的大、中型水厂中，有多座水厂采用机械搅拌快速混合。此种混合型式不受水量变化的影响，水头损失小，应变能力较强，适用于不同规模的水厂。但需要维修，还有机械混合装置中途停用的实例。
　　凝聚剂的适当投加和投加后的快速混合，对沉淀水、滤后水的浊度都有影响。跨入21世纪后，我国还需要对凝聚剂的加注口位置，对不同的原水水质与凝聚剂的快速混合要求以及机械搅拌快速混合的正常运行条件等作进一步的研究。
　　絮凝
　　50、60年代，我国常用的絮凝池有隔板絮凝池（包括平流式和竖流式以及回转式）、旋流式絮凝池、涡流式絮凝池和机械絮凝池。
　　70年代，由于人们对絮凝过程重要性的认识越来越深，在不断的研究和实践过程中，采用了新的絮凝工艺。
　　1976年，镇江开始试验竖流式折板絮凝池，该技术已得到推广使用。竖流式折板、平流式折板又分为同步、异步两种型式。
　　孔室旋流絮凝池起源于上海的一个水厂，该厂絮凝池原为分格垂直轴机械絮凝池。后来流量增加，拆除机械搅拌后，絮凝效果仍然较好。后经不断总结提高，形成了现在各地应用的孔室旋流絮凝池。
　　波纹板絮凝器最早见于荷兰范士威公司。80年代伊始，我国对此絮凝池先做了小试。在小试基础上，武汉于1981年在应城建了一座1.25万m³/d生产性波纹板絮凝池；北京于1983年在福州建成投产了一座波纹板絮凝池。
　　武汉从1982年起，研究栅条网格絮凝工艺，并于1982～1983年在沙市、汉阳，南宁、洪湖新建栅条网格絮凝生产池。该技术已得到推广使用。
　　跨入21世纪后，我国除需要在絮凝池设计中继续研究最佳G值和GT值以外，还需要研究机械絮凝的应用技术。
　　沉淀和澄清
　　平流式沉淀池是我国解放前就较多采用的一种沉淀构筑物。解放后一直被沿用。其中有的池子是串联式的。
　　50年代，国内水厂采用的沉淀型式还有竖流式沉淀池，辐流式沉淀池以及悬浮澄清池。
　　60、70年代，我国的沉淀和澄清技术发展很快。1960年，嘉兴建成水力循环澄清池。1965年，北京、武汉通过研究建成机械搅拌澄清池。1965年，试验成功脉冲澄清池，在广州、上海、四川、南京使用较多。兰州于1971年建成投产了水旋澄清池，该池处理原水含砂量可达到60～80kg/m³，短时间可达100～150kg/m³。
　　1969～1971年，武汉在国内首先做管长600mm、700mm、980mm、管径20mm、26mm、51mm、倾角30°、45°、60°的异向流斜管沉淀对比小试，续做内切圆直径37.5mm、管长1000mm、倾角60°的异向流正六边形蜂窝斜管沉淀中试，再在汉阳国棉水厂新建我国第一座2.5万m³/d异向流正六边形蜂窝斜管沉淀池，并于1972年投产。从此以后，该沉淀技术得到迅速推广应用。
　　1972～1975年，天津、北京试验同向流斜板沉淀池，1975年，北京田村山水厂的同向流斜板沉淀池投产，单池能力8.64万m³/d。
　　1975年，成都试验侧向流斜板沉淀装置；1976年北京经试验将侧向流斜板沉淀技术用于水源八厂水源井除砂工程；1983年，长春通过试验采用侧向流斜板沉淀池，规模18万m³/d。
　　1984年，重庆、湖北、哈尔滨等地开展对翼片斜板沉淀池（又称迷官式斜板沉淀池）的研究，长春将该项沉淀技术于1985年用于哈尔滨第四水厂，并通过生产性试验研究获得成功，后在1988年用于该市第三水厂30万m³/d扩建工程。
　　气浮工艺能够处理含藻水和低温低浊水。上海自1977年开始研究气浮法净水工艺，苏州胥江水厂于1979年最先应用气浮池，规模为5000m³/d，同年，武汉东湖水厂也建成规模5万m³/d的气浮池。
　　在特定的滤床、滤速和有关效率因素的条件之下，沉淀、澄清池出水浊度的高低会直接影响其后续滤池的滤后水浊度值。随着人们对饮用水水质要求的提高，不同年代我国对于沉淀、澄清池出水浊度的设计规定或掌握也有相应变化：60年代的设计规定进入滤池前不宜超过20mg/L，如遇意外情况，个别时间不应超过50 mg/L；70年代规定不宜超过20 mg/L；80年代规定不宜超过10 NTU，遇高浊度原水或低温低浊度原水时不宜超过15 NTU。90年代起，一类水司的沉淀、澄清水浊度一般都控制在3 NTU以下。
　　水厂的沉淀、澄清、气浮池的排泥以及其他水处理过程的排泥，对环境是一种污染源。有的水厂“采用洼地沉淀法，泥沉于池塘中，水回收。北京设计建设的第九水厂150万m³/d供水规模的污泥处理工程于1997年投产。脱水后泥饼含水率较低。跨入21世纪后，我国需要对水厂污泥的浓缩、脱水等污泥处理技术开展研究。
　　过滤
　　50年代，在水处理工艺流程中很重视过滤过程的作用，当时，我国使用的滤池有石英砂滤料滤池、煤砂双层滤料滤池、双向滤池、慢滤池；采用自下向上过滤的接触滤池时，规定此种滤池应设在室内，以防止受到外界污染。60年代以后，国内只有个别地方使用双向滤池。
　　1965年，第一座虹吸滤池在北京建成投产，系从外国引进技术；到1979年左右，我国的虹吸滤池的总过滤水量约在400万m³/d 以上。重力式无阀滤池自60年代开始被推广使用。70年代初期，我国又研制发展了单阀滤池、双阀滤池。大型水厂多采用四阀滤池或双阀滤池。
　　1973～1974年，武汉做三层滤料滤池的小试、中试，并于1975年在黄石建成生产性三层滤料滤池，随之推广到蚌埠、连云港、湖北、成都的水厂。
　　1975年，南通研究建成国内第一座泵吸式移动罩滤池试验池，并推广使用。1977～1980年，上海研究用虹吸式移动罩滤池，并在上海长桥水厂建成60万m³/d 虹吸式移动罩滤池系统。
　　重庆于1977年开始研究陶粒滤料滤池。并于80年代推广到四川、贵州等地的水厂。
　　粒状滤料去除水中悬浮杂质主要属于迁移机理和附着机理，滤床过滤效率与单位滤池面积的滤料颗粒总表面积有关。而总表面积与L/d成正比。所以近几十年，国外很重视提高L/d的比值。
　　武汉在做均粒滤料过滤小试的基础上，于1987年在宜昌、黄石建成生产规模的石英砂均粒滤料滤池。型式有2种：（1）滤料粒径0.8～1.0mm，滤料厚0.9m；（2）滤料粒径1.0～1.25mm，滤料厚1.1m，用气水反冲洗。80年代从法国引进的V型滤池，滤料粒径0.95～1.35mm，滤料厚0.95～1.5m，用气水反冲洗。北京在粗滤料厚滤床的研究基础上，于1995年建成北京第九水厂二期工程的无烟煤均粒滤料滤池，滤料有效粒径1.1mm，滤料厚1.5m，上述3种滤池的L/d₅₀值都等于、大于1000，滤后水浊度低，过滤周期长。
　　滤池用气水反冲洗比用单一水反冲洗的效果好，并可节约冲洗水量，对于均粒滤料滤床有利于保持上下均粒。近年来，气水反冲洗发展很快。
　　过滤是常规水处理工艺的最后一个把关工序，最为重要。建国50年来，我国在滤池的研究上已经提出很多成果。现在过滤工艺研究的课题中可能需要包括下述内容：滤床的最佳L/d值，直接过滤对原水水质的要求，滤料和承托料铺装技术的优化，气水反冲洗与单一水反冲洗技术比较，慢滤池的特殊使用条件等。
　　消毒
　　建国50多年来，我国对于城市自来水厂出厂水的消毒，一直都很重视。在1986年版《室外给水设计规范》中明确规定：生活饮用水必须消毒。
　　饮用水消毒一般采用加氯（液氯、漂白粉或漂粉精）法。1959、1976和1985年的水质标准中基本上都做近似的规定：游离性余氯在接触30min后不低于0.3mg/L，管网末梢水不应低于0.05mg/L。在常规处理工艺流程中，加氯点都设在滤池之后，也有众多原水预加氯和一些中间加氯的实例。
　　在当前饮用水源受到污染以及处理程度受限的条件之下，我国对于生活饮用水消毒只能加强，不能削弱。我国在消毒技术上，在控制氯消毒副产物的方向上，与世界先进国家差距不大。现在需要研究继续降低第一个加氯点水中的消毒副产物前体物浓度以及加氯的快速混合效果。
　　氯胺消毒在国内使用的时间也较长。氯胺消毒能满足长管网末梢余氯要求，能降低有机卤化物。
　　90年代，国内有些小型水厂开始使用二氧化氯消毒。由于二氧化氯需要防爆和现场制备，因而在推广应用上尚有其局限性。
　　经过最后消毒出厂送至城市管网的自来水即成为用户饮用水。我国生活饮用水卫生标准。1959年规程中有16项水质指标，1976年有23项水质指标，1985年标准中有35项水质指标。建设部1992年关于印发《城市供水行业2000年技术进步发展规划》的通知中要求一类水司2000年水质目标有88项指标及一项Ames试验。这相当于国际先进水平。水质标准的提高，要求净水技术的科技水平也应有相应的发展。
深度处理
　　由于饮用水源受到污染，常规水处理工艺出水水质不能满足要求，我国从70年代起就开始研究深度处理，并陆续有些水厂上了深度处理设施。
　　1975年，兰州白银地区建成饮用水活性炭深度净化及其再生的生产性装置，深度处理能力为3万m³/d。活性炭塔的滤速为13.4m/h。通过活性炭深度处理，水的臭味、耗氧量、硝基化合物、丙烯腈指标都有显著改善。
　　北京于1979年对田村山地表水进行臭氧—活性炭深度处理试验。1985年建成具有常规-臭氧、粒状活性炭水处理工艺的田村山水厂，规模17万m³/d，其中常规—粒状活性炭水处理工艺投入常年正常运行。
　　北京第九水厂一期、二期两个50万m³/d，常规-GAC水处理工艺先后于1990年、1995年投产。该厂三期总规模为150万 m³/d ，是我国最大的具有GAC深度处理的水厂。
　　抚顺于1981年、北京燕山石油化工区于1986年建了臭氧-粒状活性炭深度水处理装置，投入了生产运行。
　　哈尔滨等地，对臭氧、生物活性炭做过多年的系统研究，并于90年代在3个石油化工企业的水厂分别建成1500 m³/d、10000 m³/d和20000 m³/d臭氧-生物活性炭深度处理设施。
　　昆明第六水厂南分厂由于滇池水源水质不好，通过研究于1997年建成常规处理-臭氧、生物活性炭深度处理的10万m³/d水厂，臭氧接触池停留时间10 min，生物活性炭滤池滤速8.3m/h。
特殊水质处理
　　除铁除锰
　　我国含铁含锰地下水分布甚广。比较集中的地区是松花江流域，长江中下游地区以及黄河流域、珠江流域、汉水流域的部分地区。
　　建国初期，地下水除铁都是采用自然氧化工艺，一般由曝气、氧化反应、沉淀和过滤组成。1960年，哈尔滨、佳木斯、齐齐哈尔、长春等地协作试验成功天然锰砂接触催化除铁工艺。同年，吉林市双吉机械厂将原有自然氧化除铁工艺改建成我国第一座天然锰砂接触催化除铁生产设备，1975年，在大庆试验成功以石英砂为滤料的人造锈砂除铁工艺，石英砂滤料表面形成铁质活性滤膜，同样能对除铁起催化作用。60~70年代，在我国东北、中南地区，有多座地下水除铁设施建成，滤料包括锰砂、石英砂以及无烟煤石英砂双层滤料。经测定，这些滤料表面大都有铁质活性滤膜存在，除铁效果甚佳。
　　1958年，在哈尔滨建成的一座地下水除铁除锰装置水厂，是我国早期具有除锰效果的水厂。70年代初开始研究以空气为氧化剂的接触过滤除锰技术，在“七五”、“八五”，两个五年计划科技攻关中，长春、哈尔滨研究确立了以空气为氧化剂的除锰的生物氧化机制。对于含铁含锰地下水，先接触过滤除铁，继而生物除锰。
　　除氟
　　在我国，天然高氟水分布范围很广。全国各省市、自治区（除上海市外）均有不同程度的高氟水。
　　50年代研究混凝沉淀法除氟；70、80年代还使用此法。但到80年代末则认为化学沉淀法处理后的水质差，成本高。现在只是有些农村尚沿用此法。
　　活性氧化铝法除氟是我国当前农村饮用水除氟的主要方法之一。1963年兰州试验结果表明，活性氧化铝粒径以0.5～2.5 mm为最合适。90年代起采用粒径0.5～1.5 mm。并从80年代初开始采用降低进水pH值进行除氟。天津等地对活性氧化铝除氟做了系统研究。活性氧化铝除氟吸附容量现已提高到5 mg F^-/g（Al₂O₃) 以上。90年代以后，国内基本上采用集中式除氟设备。
　　在天津，80年代初研究了电渗析除氟技术，此法现已广泛用于高氟水的饮用水除氟。
　　1983年开始，我国研究人员将电凝聚应用于饮水除氟取得成功。90年代初，在塔克拉玛干沙漠腹地，首次利用反渗透设备制取淡化除氟水。
　　水质稳定处理
　　在调查统计的我国26个城市自来水公司之中，有50%～79%的公司出厂水水质不稳定，有30%～50%属于腐蚀性水。
　　我国对于有腐蚀性水的水质稳定处理方法有加碱剂和曝气两种。
　　60、70年代，湖北、湖南的小型地下水水厂的水中侵蚀性二氧化碳，经过研究，采用曝气方法予以去除。
　　大型自来水厂腐蚀性水的水质稳定大都采用投加碱剂法。广州的水厂几十年来一般采用块状生石灰为原料投加石灰。深圳市从1987年开始用自动投加系统投加消石灰粉。

取水技术

地下水取水
　　50年代至80年代，我国在水源选择上一般优先选用地下水。在这几十年中，我国的水文地质勘察技术力量得到了成长。
　　50年代，我国地下水取水构筑物，一般采用管井、大口井、渗渠、泉室等型式。当时有北京水源三厂的地下水源工程，洛阳、包头的大型渗渠工程。自1960年开始，研究管井分段取水，并先后在各地建成投产。阜新市采用渗渠取水的很多。1974年该市大凌河水源工程采用渗渠与大口井井群相结合的取水方式，规模为8万m³/d，是70年代我国以渗渠为主的大型水源工程。到80年代，由于渗渠的取水量逐年减小，并且施工困难，因此只在其他取水形式无条件采用时，才采用渗渠取水。据山东、广西、云南等地调查，由于泉水流量下降，水质污染和与农业矛盾等原因，泉室取水也受到限制。
地表水取水
　　浮船取水能适应水位涨落幅度为10～38m的水源。1955~1978年间，嘉陵江、沱江、长江、汉江以及有些水库，有多处浮船投入运行。80年代，一座浮船的取水能力达到30万m³/d，连络管长度达到40m。
　　缆车取水宜用于水位涨落幅度为10～35m、岸坡倾角为10～30°的岸边取水，在1952年至1963年之间，长江、嘉陵江等河流有多座缆车式取水构筑物建成投产。
　　60年代以后，为了供水安全和管理方便，采用固定式取水构筑物取水的比例增多。
　　对于水库、深水湖泊的取水，在建国初期，大连、抚顺就有分层取水的经验。大伙房水库一座分层取水塔目前取水量达12m³/d。80年代以来，为了取得较好的湖水，浅水湖泊固定式取水泵房的取水头部有逐渐向湖心延伸的趋势。
　　在高寒地区大中型山溪河道上，为了防止冰凌堵塞冲击和泥砂淤积，多年用淹没式、桥墩式或箱式取水头部。70年代中期以后，对淹没式取水革新采用船式取水头部。
　　50年代，兰州西固第一水厂的黄河引取水工程，是我国最大最早的斗槽式取水和高浊度水处理工程。黄河中下游河段水中含砂量高，砂峰期最高日达405～509 kg/m³，枯水期脱流。自1962年起，郑州、开封的黄河水源给水工程采取避砂峰、防脱流、设沉砂以及预沉池等蓄水措施，取得成效。
　　1978年建成的武钢二号水源泵站从长江取水，取水量为40万m³/d，采用高水位自流进水，水位涨落幅度19m。由两座26m的双层取水口和两座外径374m、高32.7m的沉井泵房组成。是我国大型给水水源泵站之一，节约了用地、投资和运行费。
　　80年代开始，杭州赤山埠水厂、上海宝山钢厂、上海崇明青草沙水库先后利用入海河口，在岸边兴建水库，伺机取蓄淡水，“避咸蓄淡”。工程投产后均取得成功。
输水技术
　　1959年试制成功承插式预应力钢筋混凝土管。60年代管径一般为600～1000mm，工作压力为0.5～0.8MPa。1966年试制成功承插式自应力钢筋混凝土管。在水质和埋设环境适宜时，这两种管材与金属管道相比，具有耐腐蚀和使用寿命长的优点。60年代至80年代，通过研究，确定了上述两种管材使用橡胶圈接口和膨胀性水泥接口的可行性。
　　80年代，我国有些城市由于附近水源水量不足、水源受到污染，不得不长距离引水。
　　天津市引滦入津工程于1983年投产，引水距离236km，年引水量10亿m³。青岛市引黄工程于1988年通水，引水距离246 km，引水量30万m³/d。大连市碧流河引水工程于1983年通水，引水距离166.9km，引水量15万m³/d。
　　宁夏汝箕沟矿区给水工程的输水干管长45km，输水设计压力6.4MPa。1977年设计采用高压自动复位差压式水锤消除装置等以及其他措施，保证了长距离输水安全。
　　1987年建成的上海黄浦江上游引水工程，供水规模430万m³/d。通过采用低压输水渠、降低渠道和钢管粗糙系数、选用经济渠内流速、布置足够渠道透气孔等技术，从而降低了输水能耗和制水成本。
　　自90年代起估计，我国每年敷设长距离输水管线长达1000～1500km。长距离输水工程的出现和实践，为我国输水技术的发展积累了研究成果，提出新的研究课题。
　　上述全文是笔者对于我国供水水质净化和取水、输水科技发展简况所写的概述。不妥之处，欢迎批评指正。

　　致谢：在本文编写过程中，得到我院魏建忠（老院长）、朱士龙二位顾问总工、教授级高工详细审阅，并提供许多宝贵资料，特此表示感谢！

参考文献

（共88篇，限于图书篇幅，在编辑时略去）