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提问时间 2013-02-01 11:15
(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海， 200092)
摘要；通过分析城镇现有水厂升级改造的目标和问题，紧紧围绕出厂水水质稳定可靠满足新国标和节能减排的低碳要求，提炼出升级改造净水新工艺和技术，以期为今后城镇水厂新建、改扩建的规划、设计与建设提供经验借鉴。
关键词：水厂 升级改造 工艺 饮用水
我国城镇供水系统在经历了20世纪80年代后期和90年代前期供水规模较为快速增长后，因水源的普遍污染和优良水资源的逐渐减少、水环境保护的缺乏、水厂技术水平的相对落后以及输配水设施配套改造建设的滞后，供水水质和运行消耗及安全等方面出现的问题逐步显现。
随着供水安全问题的日益显现、城市建设的快速发展和人民生活水平的提高、供水行业技术水平的逐渐进步，以及国际间交流与合作的扩大与加深，全社会对水质要求提高的需求也愈加强烈，这些需求在随后十几年的行业发展中达到了较为集中的行动转化。其中包括了一系列行业技术进步规划的提出、政策法规和技术标准的出台、技术引进和消化吸收、较大规模的研发投入，以及大量新技术、新工艺、新材料和新设备的应用等。
1 升级改造的目标
由于通过治理和保护对污染水源进行修复以及输配水设施的配套改造建设是一项较长期的任务，而在较短期内实现现有城镇水厂技术升级改造相对容易，以及通过这种技术升级改造可较大程度地解决上述问题，因此，现有城镇水厂技术升级改造成为一种见效较快的重要手段。而升级改造的主要目的主要为如下几个方面：
(1)水质达标和提升
(2)节能降耗和减排
(3)运行安全与可靠
其中水质达标是以出水水质满足国家新颁布的《生活饮用水卫生标准》为目标，水质提升则以实现各地区结合自身的发展需求所确定的行业技术进步规划为目标；节能降耗和减排方面是在确保供水安全的前提下，以合理降低运行能耗、水耗和各种其他材耗以及尽可能减少排放为目标；运行安全与可靠则是以预测、预报、控制和消除传统与非传统、自然与非自然等因素引起的影响运行安全与可靠的各种风险为目标。
2 面临的主要问题
2. 1水质达标和提升面临的问题
在水源普遍污染的条件下，为实现水质达标和提升的目标，现有城镇水厂水质达标和提升面临的问题主要表现为如下几个方面：
(1)原水水质变化
一一污染物多样性和复杂性。
(2)现有工艺局限性
一一处理工艺级数不足、工艺形式落后、设计和运行参数欠合理。
(3)水质标准提高
一一检测项目增加(35项增至106项)和指标提高。
(4)用水要求更高
一一经济发达地区和对外开放地区用水要求高于国家标准。
2.2节能降耗和减排面临的问题
在经历了20世纪80年代后期和90年代前期供水规模较为快速增长后，现有城镇水厂在控制运行消耗和减少排放的手段和措施方面历史欠账较高，节能降耗和减排面临的问题主要表现为如下几个方面：
(1)配水单耗居高不下
一一配水设备配置欠合理和缺乏调节手段。
(2)药剂单耗偏高
一一投药设施落后和缺乏精确控制手段、反应器选型针对性不强或欠妥。
(3)工艺过程水力损失较大
一一水厂高程布置及水平衡设计不合理。
(4)水厂用水率和排水量大
一一净水构筑物工艺形式和排泥手段落后、未建立泥处理系统和废水回收系统。
2.3安全可靠运行面临的问题
在新的环境条件下，各种影响水厂运行安全与可靠的传统与非传统、自然与非自然的因素呈现多样性、复杂性和不确定性，安全可靠运行面临的问题主要表现为如下几个方面:
(1)原水突发污染预警和控制消除系统缺失
一一普遍未建立原水水质预警和控制与消除突发污染物系统。
(2)应对水厂内突发事故的能力薄弱
一一控制与消除常用危险化学品泄漏的手段欠完善、供配电系统布置欠合理、投药及输配水设备备用能力不足、清水池储存容量偏小、缺乏必要的事故溢流设施。
(3)应对自然灾害的能力不足
一一水厂场地高程及暴雨设计强度确定欠合理。
(4)及时发现事故隐患和防止人为操作失误及外人侵入破坏的能力不足
一一监控及报警系统不完善。
2.4水厂布局和建设用地面临的问题
由于许多于20世纪80年代后期和90年代前期新建或扩建的城镇水厂，受当时的历史条件眼制，在水厂布局和用地安排方面较少考虑到未来技术升级的需求，而更多是关注将来规模的扩展。因此，水厂布局和建设用地面临的问题主要表现为如下几个方面:
(1)缺乏合理的工艺升级的总体规划
一一历史原因导致总体规划通常只考虑规模的扩大而未考虑工艺升级的需求。
(2)缺少可用于新增工艺升级设施建设的合理空间
一一原有净水设施土地利用率低或布置过于集中和紧凑。
(3)建设用地紧张
一一历史较长的城镇水厂普遍存在建设用地不足和周边可用土地少，甚至无地可征的现象;历史相对较短的水厂因各地城市化快速推进，从原来的郊区水厂成为市区水厂，同样面临建设用地扩展的难题。
2.5改造过程生产维持面临的问题
随着各地区经济发展的快速增长、水源水质的下降和出水水质要求的提高，水厂的运行负荷较为沉重，部分水厂甚至长期处于超负荷运行的状态，因此，现有城镇水厂改造过程生产维持面临的问题主要表现为如下几个方面:
(1)水厂不多的中小城市水厂必须全部维持或部分维持生产
一一中小城市水厂全面停产对城市运行带来严重影响。
(2)大型水厂必须维持一定规模的生产能力
一一大型水厂供水范围大，全面停产时，其他水厂难以填补其供水缺口。
(3)历史悠久水厂必须维持一定规模的生产能力
一一历史较悠久的城镇水厂通常位于老城区，普遍存在管网配水能力有限的现象，全面停产时管网调水的可能性很低。
3 主要对策
3.1水质达标和提升之对策
基于上述现有城镇水厂水质达标和提升面临的问题，总结近十年来各地的研究、建设、设计与运行经验，水质达标和提升之对策可归纳为如下几个方面:
(1)强化传统工艺处理能力
一一针对污染物多样性和复杂性，对传统工艺处理能力的干扰和水质要求的提高，通过调整现有工艺手段来解决：如改变原水水质结构和氧化剂或消毒剂品种、增设助凝措施、改变反应器形式和过滤方式。
(2)增建工艺级数
一一针对工艺设计及运行参数欠合理的现象，通过适当的运行试验予以调整，突破现有工艺局限性，增加处理工艺级数，如增设各种预处理和深度处理工艺设施(或多级屏障〉。
3.2节能降耗和与减排之对策
针对因历史欠账造成的水厂节能降耗和减排所面临的问题，其主要对策可归纳为如下几个方面:
(1)调整配水设备的配置和增设配水设备按需进行自行调节的措施
一一对于供水压力和流量变化规律稳定且机组台数较多的水厂，可通过大小机组搭配和选用能量性能优秀的机组解决。
对于供水压力和流量变化规律难寻或机组台数较少的水厂，通常宜采用增设机组按需进行自行调节的措施(如各种调速手段)和结合选用性能优秀的机组解决。
(2)提高投药设施效率和精确控制水平、选用合理的反应器
一一采用先进的投药设施(采用高效扩散和混合)和精确控制手段〈浓度与流量控制、效果反馈控制和经验曲线指导控制、流量调节阀、凸轮泵和磁力泵等替代隔膜泵等)。
一一提高反应器的反应效率(增加反应器的速度梯度或反应时间)和适应水量水质变化的能力(采用可调反应速度梯度的反应设备)。
(3)降低水厂用水率和排水量
一一采用出水水质和泥位检测相结合的可编程序控制器来控制沉淀设施的排泥周期和排泥量，进行有序可控地排泥，合理控制排泥排水量。
一一采用出水水质和滤料堵塞检测相结合，以及高效冲洗方式(气洗加水洗)有序控制滤池冲洗频次和减少冲洗水量，降低厂用水率。
一一建立水厂排泥泥处理系统，有效分离泥水，并在技术经济合理可行的前提下，尽可能多回用分离水，减少排水量。
一一建立水厂滤池冲洗水澄清回用系统，降低厂用水率。
3.3安全可靠运行之对策
针对新环境条件下各种突发影响水厂安全可靠运行的因素，安全可靠运行之对策可归纳为如下几个方面：
(1)建立原水突发污染预警及控制消除系统
一一在水源地或水厂建立可能的主要特征污染物快速检测预警系统和生物预警系统，及时发出突发污染预警。
一一在水源地和水厂建立多屏障污染控制消除系统，如设置水面围油和吸油栏、粉炭和高锰酸钾应急投加系统。
(2)强化应对厂内突发事故的能力
一一建立各种危险化学品泄漏报警及消除系统，如氯、氨和臭氧等气体的中和、分解装置，以及酸、碱等的中和装置的设置。
一一合理布置供配电系统(如双回路、双变压器设置和不间断电源)，避免和控制因电源和电器设备故障引起其他连锁事故的发生。
一一-涉及水质和输配水安全的投药和输配水设备应有充足的备用能力，并可及时在线切换投运(如混凝剂和消毒剂投加管路采用双回路布置和流量、压力双报警系统等)。
一一水厂内多点设置溢流、应急排放口以及地下泵房分仓布置，消除因设备和人为误操作事故发生时产生的次生事故(如水淹和水质失控等)。
一一尽可能增加水厂清水库容量，缓解事故对供水能力造成的影响，降低水厂突发事故的危害程度。
一一强氧化/还原性化学品分开储存(如高锰酸钾和粉炭)，储存构建物按相关防爆要求建设。
一一在成本可接受和货源有保障的条件下，采用净水功能相同和泄漏危害程度较低的药剂替代传统药剂，如次氯酸钠和氯化铵水溶液替代氯气和氨气，防爆粉炭替代普通粉炭等。
(3)提高水厂安全运行抗自然灾害影响的能力
一一厂区场地高程适当高于所在地周边城市重要道路高程，暴雨设计强度至少3年一遇，重要水厂甚至可采用10至20年一遇，并按需可设雨水泵站。
一一合理设置关键设备的防雷接地系统，重要部位还应适当加强。
(4)提高水厂及时发现事故隐患和防止人为操作失误事故及外人侵人破坏的能力
一一完善水厂监控系统结构配置，设置分级控制操作权限，建立故障预报警功能和周界监控系统。
3.4总体布局及用地安排之对策
在现有水厂布局和用地条件较难适应技术升级要求的不利条件下，总体布局及用地安排之对策可归纳为如下几个方面:
(1)结合技术升级考虑和现状条件重新规划水厂布局和用地安排
一一按工艺升级总体要求，兼顾历史合理性和现实要求，重新安排水厂功能分区和水力高程。
(2)提高水厂现有设施和空间的利用率
一一对厂内年久失修、工艺落后和土地利用率低的构建筑物可予以拆除，换之以成熟可靠、高效和土地利用率高的构建筑物。
一一对结构尚可利用的构建筑物适当改造后进行功能转换和扩充。
(3)提高建设用地利用率
一一新建设施尽量采用成熟可靠、高效和土地利用率高的工艺形式。
一一工艺衔接紧密或功能相近的设施采用集约化布置方式，减少不必要的同功能公共服务设施的重复建设。
3.5改造过程生产维持之对策
为保障现有城镇水厂技术升级改造过程中的生产维持问题，主要对策可归纳为如下几个方面：
(1) 主要净水设施分区或分单元改造维持全部或部分生产能力
一一尽量划小分区和分单元改造范围，先行改造不具超产能力的净水设施，适当提高具有超产能力的净水设施运行负荷。
(2)建设必要的临时设施，保证生产维持的安全要求
一一临时设施的建设应确保满足生产安全要求，做到虽然临时但安全可靠，并在可能的条件下使临时设施尽可能转换成新的永久设施。
(3)按生产维持的最低要求逐步改造和扩充设备系统，尽量使新旧设备运行过渡无缝衔接。
一一新增设备布置尽量不影响已有设备运行，已有设备替换或扩充可采取启用备用设备结合采取临时措施来满足维持生产所需。
4 适用于现有城镇水厂技术升级改造的新净水工艺
4.1高速沉淀技术
高速沉淀技术的主要特征是分离效率高、占地少和集多功能于一体，运行管理及维护相对较复杂，目前已在现有城镇水厂技术升级改造中有一定应用范围和规模。如北京、上海、浙江和江苏等地。较有代表性的形式有引自国外的DENSADEG高效澄清池、ACTIFLO沉淀池、MULTIFLO沉淀池，以及由上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司自主研发而成中置式高速沉淀池。该技术可有效解决水厂技术升级改造中面临的建设用地紧缺问题。
4.2高锰酸钾和臭氧氧化技术
高锰酸钾氧化是一种应对特殊水质的预处理技术，可较有效地除锰、除藻、助凝和去除部分有机污染物，也是一种消除或控制水源突发污染对出水水质影响较为有效的应急措施。因其设施建设的投入和运行成本相对不高，目前应用范围较广。
臭氧氧化技术通常是与颗粒活性炭吸附组合应用，主要用于因水源污染较重水厂水质达标或部分地区寻求更高出水水质的场合，但其设施建设投入和运行成本相对较高。目前已有一定的工程应用，集中于上海、北京、广东、浙江和江苏等地区。
4.3活性炭吸附（粉炭和颗粒炭）技术
粉炭吸附是一种应对特殊水质的预处理技术，可较有效地去除水中的致嗅致味物质和部分有机污染物，也是一种消除或控制水源突发污染对出水水质影响较为有效的应急措施。目前，在一些地区内已逐步开始得以应用。
颗粒炭吸附通常是与臭氧氧化技术组合应用，也可单独使用，主要用于因水源污染较重水厂水质达标或部分地区寻求更高的出水水质的场合，或用于对水的特殊处理，如除嗅和味等，但其设施建设的技人和运行成本相对较高。目前已有一些地区应用，如上海、北京、广东、浙江和江苏等。
4.4超滤膜分离技术
超滤膜分离技术是一种精细过滤技术，其主要的特征是能对水中不溶解的细小颗粒物和微生物作较彻底截留，从而可显著提高出水浊度和卫生安全性。此外，在一定的条件下，可替代传统沉淀或砂滤工艺，且设施建设所需的用地可有较大节省。因此，采用该技术可有效地解决水厂技术升级改造中面临的建设用地紧缺。但因其设施建设的投入和运行成本相对较高，且对水中溶解性污染物的去处能力有限，目前仅在浙江、山东、上海和江苏等地有规模化应用。
4.5紫外消毒及新型化学消毒技术
紫外消毒是一种高效、无化学副作用的安全消毒技术，但必须与化学消毒结合应用。紫外消毒可使出水最终的化学消毒剂投加量减少，从而降低化学消毒副产物产生的风险。该技术在国际上有一定的应用规模，国内尚处于了解和应用的初期阶段，目前仅在上海、天津等地有规模化应用。
新型化学消毒剂是储存更安全、泄漏危害程度低、消毒效果较好、成本稍有增加的次氯酸钠和氯化氨溶液，其制备和加注方式简单，类似于混凝剂。它可替代传统的液氯和液氨，并有效降低水厂受化学品污染的事故风险，目前在上海中心城区水厂已逐步推广应用。
5 结语
以上为根据近十几年专业工作的体会总结而成，以期为业内同行进一步共同探寻现有城镇水厂技术升级改造所面临的问题及解决的对策起到抛砖引玉的作用，也可为今后新建城镇水厂的规划、设计与建设提供一些经验借鉴。
