中美给水常规工艺对比分析

导语：随着对饮水安全和供水水质要求的逐渐提高，针对美国水厂先进运行方式的研究也逐渐增多，但现有的研究主要集中在美国水厂的某一工艺或某一工段，几乎鲜有从全流程层面的剖析。立足对中美两国多个水厂实际运行情况的调研，从原水、混合、絮凝、沉淀、过滤等工段全流程的分析两国在常规处理工艺运行策略中的相同与不同之处，在对比的过程中，发现诸多美国水厂在设计、运行中的先进经验和理念，例如美国水厂出水浊度一般控制在0.1 NTU以下，甚至稳定在0.03～0.05 NTU范围内，而我国水厂出水一般为0.2～0.8 NTU;美国沉淀出水浊度通常在0.5 NTU以下，而我国通常为0.8～3 NTU;美国滤池通常采用煤砂双层滤料，滤池反冲洗周期为3～4d。在运行方面，美国水厂实际运行水量通常为设计水量的50%，而我国水厂通常为满负荷运行。这些经验和理念可在我国水厂工艺升级和提标改造中加以参考和借鉴。

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。

表1 中美水厂水源水水质对比

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。

表2 中美水厂混合工段对比

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。

2.2 絮凝工段对比分析

表3为中美絮凝工段对比。

由表3可见，调研的美国三个水厂皆使用机械絮凝工艺，而我国山东AB水厂均采用折板絮凝。折板和网格絮凝方式难以调节水力条件，很难通过改变能量投加来达到最优的控制参数。而机械絮凝可根据水质和药剂投加量控制每级的功率和搅拌速度，以适应季节和水质的变化。在絮凝时间上，中国的三个水厂受设计规范制约，一般都控制在15～20min。而美国宾州《公共供水手册》建议20～30min的絮凝时间，美国《饮用水水厂十州建议标准》建议至少30分钟的絮凝时间。

编辑：王媛媛