给水处理技术的现状与发展概况

给水处理技术的现状与发展

The Current Status and Development of Water Treatment Technology

钟淳昌，戚盛豪

ZHONG Chunchang，QI Shenghao

上海市政工程设计研究院，中华人民共和国

Shanghai Municipal Engineering Design Institute，Shanghai，PRC

一、概况

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，作为城镇基础设施重要组成内容的我国给水事业得到了快速发展。

据不包台湾和香港地区的统计，1995年我国设市城市640个，供水能力已达1.925亿立方米／日，全年供水量482亿立方米，分别较1990年增加了35.4％和26.0％，年平均增长率分别为6．25％和4．73％。1995年城市供水人口2．21亿人，供水普及率93％。人均平均日综合用水量为595．2升，其中生活用水量为195．4升。

由于村镇建设的发展和卫生水平的提高，县城和村镇的给水也有了迅速扩大。1995年县城的供水能力已达2397．8万立方米／日，年供水总量48．11亿立方米；村镇供水能力1916．2万立方米／日，年供水总量67．4亿立方米。

为了充分利用水资源，合理供水布局，提高地区整体的水质和管理水平，在一些经济较发达的地区已在建设和规划包括若干中心城市在内的较为广域的区域供水系统。例如，已建成的浙江黄（岩）、椒（江）、温（岭）供水系统和筹划中的江苏苏南区域供水工程（规划供水范围将达1700平方公里，包括江阴、武进、锡山等三市的43个村镇）。

随着给水事业的蓬勃发展，给水技术水平也有了相应提高。为适应给水事业的发展，进行了大量科研，取得了不少突破成果，并有一批有代表性的给水项目相继建成。供水水质要求的不断提高又为给水技术发展提出了新的要求。

我国地域广大，各地水源水质条件差异明显。

我国不少地区由于地下水的集中或过量开采，已造成了地下水位的急剧下降和引起地面沉降等环境问题，正在采取措施压缩地下水的开采。国内大部分水厂多采用地面水源，分别取自江河、湖泊和水库。按照原水水质条件和水处理要求的不同，地面水源大致有以下5类：

1．未受污染或轻度污染的地面水：水体符合国家规定的《地面水环境质量标准》Ⅰ、Ⅱ类水体的水质指标，且浊度和水温均属正常范围，处理的目的主要是去除浊度和达到微生物学卫生指标；

2．微污染的地面水：水体受环境污染，某些指标已超过《地面水环境质量标准》中Ⅲ类水体的规定。目前我国七大水系和内陆河流近年来已受到不同程度的污染，特别在工业发达和城市化集中地区尤为严重，主要污染物为氨氮、有机物（高锰酸钾耗氧量）、挥发酚和生化需氧量等。

3．高浊度地面水：黄河以及长江上游河段，洪水期大量泥砂流入水体，形成高含砂量的原水。黄河中游及其支流的最高含砂量可达1000kg／m3以上。长江上游嘉陵江最高含砂量也达252kg／m3。黄河与长江的高浊度水有较大差别，黄河的高浊度水一般指沉淀过程中出现浑液面的河水；长江高浊度水则指洪水期经常出现（20～30天）浊度大于1000度，且数次出现5000度以上的浑水。

4．低温低浊地面水：我国北方广大地区，一年内低温延续时间长，且原水浊度又较低，给水处理带来困难，需要选择合适的处理方法，才能满足出水水质要求。低温低浊水一般是指冬季水温在0～4℃，浊度低于30NTU的地面水。

5．高含藻地面水：高含藻地面水主要出现在湖泊和水库。由于受污水排放和农业施肥等影响，我国不少湖泊富营养化日趋严重，氮、磷的含量高，造成藻类大量繁殖。在富营养化湖泊水中，藻的数量一般为每升几十万到每升几千万个，给常规处理工艺带来困难。

针对上述不同水源的特点，广大给水工作者进行了不同水原水处理工艺的科学研究，并不断实践、充实和完善。

二、常规水处理

以混凝、沉淀、过滤、消毒为主组成的水处理工艺是我国应用最广也是最基本的处理手段。

随着对出水水质要求的提高，近年来各水厂普遍加强了对各工艺阶段水质的控制。一般，沉淀池出水浊度维持在3～5NTU左右，出厂水则控制在1NTU以下。

常规水处理虽以去除浊度为主要目标，但随着浊度的降低，吸附于浊质的有机物以及溶解度较低的有机物也可相应去除。试验表明，对于分子量10，000～100，000的有机物通过混凝沉淀可去除80％以上，对于分子量3，000～10，000的有机物，混凝沉淀也可去除50％左右。据天津自来水公司的试验，把滦河水处理到浊度小于0．5NTU，用气相色谱仪测得的有机物峰的总面积可减少80％。因此，强化常规处理，降低出水浊度，也成为大陆各水厂处理轻度污染源水的有效方法。

目前混凝剂的使用多以铝盐为主。三氯化铁、聚合硫酸铁、氯化硫酸亚铁等混凝剂也在一些城市中被采用。除了特殊的水处理和特殊情况外，高分子助凝剂一般很少采用。为了提高絮凝效果，PH调整剂的使用正在被引起重视。

关于药剂投加的控制，近年来有了较大发展。原来由人工控制的方法逐渐被计量泵和自动投加所取代。自动加药的应用对节约药耗、控制水质起到了明显的效果。目前采用的自动加药控制模式较多，例如：以流量作前馈，SCD或沉淀出水浊度作反馈；根据模糊逻辑推理的模糊控制数学模型以及最近开发的以检测絮粒形成大小、形状推算等效沉速的控制方式等。各种控制方式尚有待进一步总结、完善。

快速混合对于改善混凝条件是一个重要环节，已引起普遍重视。混合的方式一般采用管式静态混合器或快速机械搅拌，都能取得较好效果。

根据涡旋扩散机理和絮凝过程能量的合理分布，发展形成了众多形式的絮凝构筑物，如单通道或多通道的折板絮凝、栅条和网络絮凝等。原有的来回隔板絮凝已逐渐被取代。机械搅拌絮凝有所应用但并不普遍。

六十、七十年代对于各种沉淀（澄清）池的形式曾有过广泛的应用。经过多年来的实践总结，目前较多地倾向于平流沉淀池、机械搅拌澄清池和斜管沉淀池等几种池型。水力循环澄清池、脉冲澄清池、悬浮澄清池及同向流斜板沉淀池已很少在新建水厂中采用。对于较大规模的水厂，平流沉淀池由于对水量、水质的适应性强以及操作管理方便，已为较多水厂所欢迎。

过滤工艺的改进主要着重于滤料级配和冲洗方式的优化。滤料级配通过对双层滤料、多层滤料、单层均粒滤料以及传统级配滤料的比较，目前较多的倾向于采用单层石英砂均粒滤料。与级配滤料相比，它具有较高的截污能力，出水水质好，运行周期长。冲洗方式也由原来的单水反冲倾向采用气、水反冲，以保持滤料的清洁。对于级配滤料的反冲，采用增加表面冲洗（旋转式或固定式）措施也有所应用。

液氯仍是目前广泛采用的消毒剂和氧化剂。自1974年美国发现氯化造成TNM s问题以来，也引起了国内对加氯的关注。不少水厂取消或较大幅度降低前加氯的投量。上海对氨氮较低时的黄浦江原水，采用先适量加氨，然后加氯以形成化合氯来减少TNM s的形成。近年一些水厂正开始探索采用二氧化氯作消毒剂。上海周家渡水厂采用亚氯酸钠和盐酸合成制取二氧化氯。经测试，其氧化、消毒能力可达氯的2．6倍，且不产生三卤甲烷问题。但由于亚氯酸钠国内产量少，价格高，带来制水成本的增加。

为防止出厂水的二次污染，水质稳定已引起重视。据统计，现状地面水水厂出厂水基本稳定的仅占21％，有腐蚀倾向的占50％，有轻微结垢倾向的占29％。除了提高化学稳定性外，清华大学还开展了对水质生物稳定性的研究。

三、微污染水处理

水源受到工业废水和生活污水的污染，水经常规处理后仍难以达到出水水质目标。就目前水源受污染的现状分析，最突出的反映在氨氮及有机物（COD、TOC、BOD）等的超标上，由此也带来了嗅、味和色度等问题。

对于微污染水的处理主要着重进行了生物氧化和臭氧、活性炭处理技术的研究和开发。与此同时，对于高锰酸钾氧化、光激发氧化、光催化氧化以及超声与紫外联合幅照等对有机物的去除也开始了研究。近年来对膜处理的应用也引起了极大关注。

在给水处理中利用微生物对有机物的氧化分解作用以去除可生化降解物质和氨氮的处理工艺，自七十年代起已进行了研究。通过对塔式生物滤池、生物转盘、接触氧化池、陶粒生物滤池和流化床接触氧化池的试验，表明上述各种生物氧化处理都能形成良好的生物膜和正常的生物相，对于去除氨氮和低沸点有机物效果较显著，降低耗氧有机物也有一定效果。根据处理效果和运行成本分析，认为接触氧化池和陶粒生物滤池更合适被采用。

近年来，生物处理工艺又取得新的进展，逐步由小试、中试阶段进入实际生产的应用。对于一些原水水质较差的水源，例如蚌埠、宁波、加兴等地的一些水厂相继增设了生物处理构筑物，取得了较好效果。

1993年蚌埠二水厂建造了1．5万m3／d的生物陶粒滤池。通过生产运行的测试，生物陶粒滤料对水源中有机物有一定去除效果，DC、COD(Cr)、TOC、UV(254)的平均去除率分别为17．3％、27．92％、29．46％、29．22％，对氨氮则有较高的去除效果，在水温3．5～31℃条件下，有充分溶解氧时可维持在90％以上的去除率，并有较好的抗冲击能力。

宁波梅林水厂于1996年建成投产了采用弹性填料微孔曝气的生物接触氧化池，设计规模4万m3／d。据报导，在常温条件下，生物接触氧化池可去除氨氮70～90％，去除COD(Mn)20～30％，去除TOC20％左右。此外，对浊度和色度也有所降低。即使在冬季（水温6～10℃），氨氮去除率仍可达40～50％。

目前，深圳东深引水的规模为400万m3／d的生物接触氧化池正在建设之中。

在常规处理基础上增加臭氧、活性炭处理工艺在欧洲得到较广泛的采用。根据国内最近试验资料介绍，活性炭对分子量在500～3000的有机物吸附非常有效，尤其对分子量500～1000的有机物，去除率可达86．7％。

因此，我们认为采用臭氧、活性炭处理工艺是微污染水的有效处理方法。但由于投资较高以及带来经常运行费用的增加，目前在国内还未被广泛应用。

应用臭氧、活性炭处理的水厂主要有北京田村山水厂、燕山石化公司、南京炼油厂等。规模为100万m3／d的北京水源九厂，针对水库水嗅味的问题，设置了活性炭滤池，以提高出水水质。

昆明自来水公司六水厂南分厂处理水量10万m3／d，采用的臭氧－活性炭工艺最近投产运行。从运行情况看，处理后水的嗅、味及色度均有非常明显改善，各项有机物指标也有不同程度降低，其中UV(254)降低近50％，COD(Mn)降低30～40％，DOC降低20～30％左右。

作为突发性的原水水质污染，目前较多水厂采用投加粉末活性炭等措施，效果较为满意。

四、高浊度水处理

高浊度水的沉降性能与一般浊度水有明显的差异。多年来，以黄河泥砂为代表，对沉降性能进行了大量研究，探索了其沉降规律。研究表明，黄河泥砂颗粒在沉降过程中，出现明显的清浑水界面，以浑液面的沉降为其特征。浑液面的沉速主要取决于稳定泥沙的极限粒径。极限粒径又与泥砂含量和组成有关。通过对黄河高浊度水的研究，为高浊度水沉淀的设计提供了依据。

当高浊度原水含砂量较高时，采用自然沉淀，浑液面沉速很低，因此往往需要采用混凝沉淀。对高浊度水的混凝剂，要求具有较高的聚合度，较大的分子量和较长的分子链，因此多选用高分子絮凝剂。根据兰州自来水公司的资料，采用硫酸铝作混凝剂，适应的最大含砂量约为10～20kg／m3，用三氯化铁为40kg／m3左右，用聚合铝为60kg／m3左右，而采用聚丙烯酰胺则可适应含砂量达100～150kg／m3。兰州从五十年代开始即已采用高分子絮凝剂作为高浊度水处理的絮凝剂。当时主要采用非离子型聚丙烯酰胺。随着科学技术的发展，阴离子型絮凝剂和阳离子絮凝剂也有所应用。采用阳离子型絮凝剂往往可取得更好效果。

对于聚丙烯酰胺的毒理问题，从1968年至1981年进行了长达14年的动物实验，现已制定了《城市供水水处理药剂——聚丙烯酰胺》和《聚丙烯酰胺单体试验方法》的国家标准。

黄河高浊度水处理的工艺流程可分为带调蓄水池和不带调蓄水池两大类。除了最大断面平均含砂量小于100kg／m3外，一般均需设调蓄水池。不带调蓄水池的净水处理一般设置二级沉淀。设置调蓄水池的，以采用浑水调蓄为多。浑水调蓄水池可兼作一次沉淀的自然沉淀池。调蓄水池的另一目的是可以在出现沙峰、河道断流以及冰凌等情况时不直接从河道取水。

高浊度水沉淀构筑物有平流沉淀池和辐流沉淀池，并发展了旋流絮凝沉淀池以及XB－1型水旋澄清池等多种型式。

平流沉淀池可根据地形条件选择矩形、条渠形、曲线形和湖泊形。与一般胶体颗粒的沉淀不同，高浊度水的沉淀将以异重流的方式向前推进，高浊度水平流沉淀池的排泥，一般小型池采用多斗方式，大型池可采用水力冲洗或挖泥船排除。

辐流式沉淀池可用作高浊度水的自然沉降，也可用作混凝沉淀。用作自然沉淀时，含砂量一般不超过20kg／m3，用作混凝沉淀时，含砂量可达100kg／m3。

旋流絮凝沉淀池是针对黄河高浊度水投加高分子絮凝剂后能结成大而密实的絮凝体及快速分离的特点，把快速混合、网板絮凝和泥渣分离合为体的沉淀构筑物。

XB－1型水旋澄清池是在一座澄清池内完成两次泥沙分离的池型。原水在旋流作用下逐步形成大絮体，并使大絮体和粗颗粒分离沉淀，然后继续进行絮凝，并在分离室完成泥水分离。

高浊度水处理除了需要解决泥砂的沉淀外，对于沉淀泥砂的输送和处置也是重要问题。根据多年实践，利用沉泥淤背以加固黄河大堤以及利用低洼盐碱地，淤沙至一定高度后，盖淤还耕，既改良了土壤又解决了泥沙出路，都在实践中取得较好效果。

五、低温低浊水处理

随着水温的降低，水的粘滞度增加，絮凝速度降低，颗粒沉速减慢。原水浊度的减少，使絮凝过程中颗粒碰撞的机率降低，影响絮凝过程的进行。因此，低温低浊水的处理较常规水的处理困难。即使加大混凝剂的投加量，仍难以达到要求的水质目标。

通过长时期的研究，认为低温低浊水处理的关键是选择合适的混凝剂和助凝剂，以强化絮凝过程，其次是选择合适的澄清及过滤形式。

低温低浊水处理的混凝剂一般可采用聚合氯化铝或硫酸铝。实践表明，聚合氯化铝对各种水质的适应性较强。助凝剂则多采用活化硅酸（水玻璃）。混凝剂与助凝剂的比例，一般采用5∶1～7∶1。

采用活化硅酸作助凝剂在我国已有较长历史，1952年天津自来水公司已开始使用。经验认为要使活化硅酸起到良好的絮凝效果，必须注意活化的方式和方法。活化硅酸的配制应控制原液的浓度和剩余碱度，并掌握控制活化时间。

低温低浊水处理工艺的选择还应结合全年原水的浊度变化。如果原水常年浊度较高，仅在冬季出现低温低浊时，一般采用与常规处理相似的混合、絮凝、沉淀、过滤工艺，而在低温低浊时投加助凝剂。如果原水常年浊度都很低（如在30～50度以下），仅在暴雨季节出现大于100度的浊度时，也可采用上述工艺，但在浊度较低时超越絮凝、沉淀阶段，而采用直接过滤，超越运行时需加助滤剂。

我国东北地区寒冷季节长达四、五个月，但在雨季河水浊度又可以高达几千度，给水处理带来困难。根据这一特点，研究、开发了一种新型的水处理构筑物——浮沉池。它是将气浮和沉淀相结合的形式，既利用气浮处理低温低浊及高藻时的良好效果，也可用沉淀来处理较高浊度的原水。这种池型已在东北地区近10个水厂中采用，取得了较好效果。

低浊低浊水处理构筑物的形式大致与常规处理相仿，但其所采用的设计指标则与常规水处理不同。

六、高含藻水处理

由于水体受到污染，水中营养成份增加，藻类过量繁殖，近年来已成为取用湖泊水源时的普遍现象。

我国对于高含藻水的处理，有采用气浮除藻、微滤机除藻、微絮凝接触过滤除藻、生物处理除藻以及预氯化除藻等多种方法。无锡自来水公司针对太湖的含藻问题，探索了加泥吸附沉淀的工艺，取得了较好效果。

对于富营养程度较低的湖泊水，一般采用常规处理工艺，但加强混合、絮凝和沉淀，并适当降低滤速。原水预氯化有助于后续处理对藻类的去除。但由于预氯化的氯会与水中有机物形成对人体有害的卤代有机物，因此该工艺的选用将逐渐受到限制。据报导，采用高铁酸盐复合药剂代替氯作预氧化剂，可提高对水中藻类的去除，且对饮用水水质无副作用。

采用气浮池除藻，在国内有较多的应用。但当高藻期间原水浊度又较高时，则气浮池的除浊效果将受到影响。最近在设计中也有采用了沉淀与气浮相结合的形式，使原水先经沉淀去除一部分较大颗粒和浊度，然后通过气浮去除藻类和剩余浊度。

采用生物处理除藻近来有较多的研究。试验表明，生物处理对藻类有明显的去除效果，同时还可降低原水中的氨氮、可生物降解有机物、浊度等。对于太湖富营养化原水所做的试验，生物处理对藻类的去除可达50～70％，最高达80％以上。

湖泊水中的藻类和真菌以及湖泥和湖水中的放线菌都会产生生物臭。因此高含藻水往往带来出水中嗅的问题。当湖泊水臭味较浓，而致使出厂水臭阈值不符合饮用要求时，一般在高藻期采用投加粉末活性炭的方法，可取得较好效果。

由于湖泊含藻水的问题带有一定普遍性，处理技术复杂，难度较大，今后还将进行广泛、深入的研究。

由于我国地域广阔，南北气候回异，水源水质各具特点，因之给水处理技术，有其共同点，也有其不同点。我国广大给水工作者，通过半个世纪的不断学习、不断探索、不断发展，取得了上述各个方面的实践经验和理论研究成果，为配合我国工业建设和提高人民生活水平作出了一定成就。特别是近10年改革开放深入以来，我国不断提高供水水质，发展城乡整体卫生水平，我国给水处理正逐步形成具有自己特色的给水技术和学术观点。

面向即将到来的21世纪，我国的给水技术将进一步向强化常规处理、提高特殊水质处理技术、发展混凝药剂和消毒技术、更新提高给水设备和系统自动化水平等各方面作出努力，为我国水工业技术发展作出贡献。