全流程水厂工艺设计与典型案例解析
发布时间：
2020-10-20 10:28
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当前，我国城市供水行业面临着两个方面的问题。一方面，饮用水水源污染问题仍然比较突出，存在饮用水水质不达标的风险。尽管推进了全国饮用水水源地集中整治工作并取得极大成效，但2020年3月28日发生的伊春鹿鸣矿业有限公司钼矿尾矿库4号溢流井倾斜事故造成铁力市第一水源地关闭的事件，提醒我们城市饮用水水源污染风险从未离去。
而2020年初的新冠肺炎疫情，也曾一度引起人们对饮用水水质安全的担忧，疫情严重地区水厂采取了控制出水浊度和强化消毒等预防性措施。另一方面，我国进入小康社会，广大人民群众对高品质生活饮用水的需求不断增长，供水系统存在设施建设不完善、不充分与广大人民群众对优质饮用水水质新期待之间的矛盾。近年来，上海市、深圳市、雄安新区、海口市江东新区、武汉市、浙江省、江苏省等地已（拟）发布地方性生活饮用水水质标准，提出了比现行国标更为严格的生活饮用水水质标准，期望通过标准的提升，进一步推动净水工艺改进和管理水平提高，使广大人民群众因水质改善而提高获得感。
针对第一个问题，应贯彻底线思维，提升供水系统应对水源水质污染风险的能力。饮用水水质安全是国家公共卫生安全体系的重要组成部分，与人民身体健康和社会稳定息息相关，提供合格水、放心水是供水系统的最基本要求。针对第二个问题，应贯彻以人民为中心的发展理念，提高供水系统建设标准，提供更优质、更健康、更好喝的饮用水,实现城市供水系统的高质量发展。
在上述背景下，基于饮用水安全保障的多级屏障工艺——全流程工艺在国内水厂建设中开始得到较多应用，建成了一批全流程水厂。
1、供水系统多级屏障理念及全流程工艺概念的提出
“十一五”和“十二五”期间，“国家水体污染控制与治理科技重大专项”（简称“水专项”）设立了“饮用水安全保障”主题，构建了我国“从源头到龙头多级屏障工程技术体系”和“从源头到龙头全过程管理技术体系”。这是水专项十多年研发的重大成果，而贯穿其中的“多级屏障”理念，直接引领了近十多年我国城市供水系统的建设发展方向，促进了以臭氧-活性炭、膜分离、紫外消毒等为核心的饮用水安全保障多级屏障工艺在供水厂日益广泛的应用。
笔者认为，饮用水“多级屏障”理念的内涵，至少包含以下两个层次：第一个层次，从整个供水系统来说，涵盖了水源、水厂和输配管网三道安全屏障；第二个层次，从水厂净化处理环节来说，涵盖了预处理、常规处理、深度处理、消毒等若干道安全屏障。
基于第二层次，在2015年之后，供水行业提出了“全流程工艺”这一新概念。所谓全流程工艺，其基本含义是，水厂净水工艺包含了预处理工艺、常规处理工艺和深度处理工艺，并且其中的深度处理应包含臭氧-活性炭滤池和膜处理。采用全流程工艺的水厂，称为“全流程工艺水厂”或“全流程水厂”。
预处理工艺包括化学预处理（如臭氧氧化、氯氧化、高锰酸钾氧化等）、生物预处理、粉炭吸附预处理等多种形式。全流程工艺中的预处理工艺，一般多为预臭氧工艺。
常规处理为混凝-沉淀-砂滤-消毒处理，是最基本的净水工艺，也是我国目前大多数水厂采用的工艺形式，是全流程工艺必备的环节。
深度处理工艺包括臭氧-活性炭工艺、膜处理工艺和高级氧化工艺。其中臭氧-活性炭工艺应用最为普遍，截止2019年全国总规模约为3500万m3/d；膜处理工艺包括超滤和纳滤，以超滤膜为代表，近年也得到更多应用，截止2019年全国总规模约为500万m3/d，可进一步提高饮用水的生物安全性，弥补臭氧-活性炭工艺的不足。全流程工艺中的深度处理工艺应包括臭氧-活性炭工艺和膜处理工艺，可称之为“双深度处理”。
另外，全流程工艺还常常包括紫外线消毒工艺。国内有四十多座大中型水厂采用了紫外线消毒工艺，总规模近650万m3/d，如天津泰达经济技术开发区给水厂三期工程采用紫外线＋氯联合消毒工艺，北京第十水厂采用紫外线+氯胺联合消毒工艺。
综上所述，全流程工艺是一种长流程工艺，其组成单元如下：预处理单元（预臭氧、生物预处理等）、常规处理单元（混凝、沉淀、砂滤、消毒）、臭氧-活性炭吸附单元和膜处理单元（超滤或超滤+纳滤），有些水厂还有紫外线消毒单元，流程框图见图1。这些工艺单元各具作用，相互补充，组成保障饮用水安全、优质的多级屏障。因此也可以说，全流程工艺是饮用水多级屏障理念在水厂设计中的具体应用，促进了全流程水厂的建设与实践。
图1 全流程工艺框图
我院结合承担的国家“十三五”水专项课题成果，在珠海市拱北水厂专门建立了一座“预处理+常规处理＋深度处理（BAC+超滤膜）”的水处理全流程中试基地，旨在通过对多水源采用不同组合工艺流程的试验研究[7]，为全流程水厂设计提供依据。
2 全流程水厂建设现状
国内全流程水厂建设与实践始于2010年之后，尽管当时并没有全流程水厂这一提法。国内目前已建成的全流程水厂情况如下表1所示。从公开报道资料看，北京市门头沟城子水厂是国内最早建成投运的全流程水厂。
表1 国内已建成全流程水厂情况表
序号水厂名称水厂规模（万m3/d）水源及特点建设情况
1、北京市门头沟城子水厂8.64南水北调水-团城水库水，低温低浊水；长距离输水可能存在污染2014年9月建成通水
2、北京市郭公庄水厂（一期）50南水北调水-团城水库，低温低浊水；长距离输水可能存在污染2014年12月建成通水
3、郑州航空港第二水厂（一期）20南水北调水或黄河水，低温低浊水；黄河水一般为III类，存在突发水污染情况2017年8月正式供水
4、郑州市龙湖水厂20花园口黄河水，低温低浊水；一般为III类，存在突发水污染情况，2018年11月开工建设
5、广州市北部水厂（一期）60西江水，II类水2019年1月年月试运行
国内已建成投运的全流程水厂尚不多，主要位于经济较为发达的大城市。这些项目的基本特点是：项目规模较大，服务人口多，安全性要求高；原水存在突发水质污染的可能，为保证水质安全，或者尽管原水水质较好，为提供高品质饮用水，采用了包括预处理、常规处理和双深度处理的全流程工艺。目前正在建设的全流程水厂包含雄安新区起步区1#水厂、珠海市梅溪水厂、海口市江东新区水厂、济宁市长江水厂等。
3 全流程水厂设计案例
3.1 雄安新区起步区1#水厂
（1）项目概况
水厂规划远期总规模20万m3/d，一期规模15万m3/d。水源为南水北调水，原水水质总体达到地表水Ⅲ类标准，但存在水质污染情况：总氮超标，石油类、粪大肠菌群偶有超标，整体呈现低浊、低有机物的水质特征，冬季低温；pH 相对较高；检出多种典型致嗅物质；藻类总数150-300万个/L。
水厂供水水质要求满足“雄安新区生活饮用水水质标准”，为服务区提供高品质生活饮用水。
（2）净水工艺流程
原水——预臭氧接触池——高效澄清池——V型砂滤池——提升泵房——后臭氧接触池——翻板活性炭滤池——超滤膜车间——紫外线+次钠联合消毒——清水池——送水泵房——配水管网。
（3）主要工艺设计参数
预臭氧接触时间5min；高效澄清池混合时间2min，絮凝时间20min，沉淀区液面负荷12m3/(m2.h)；V型砂滤池滤速 7.2m/h；后臭氧接触时间12mim；活性炭滤池空床滤速10m/h；超滤膜通量不大于60L/(m2.h)，紫外消毒采用2台DN800管式消毒设备。
图2 雄安新区起步区1#水厂鸟瞰图
3.2 珠海市梅溪水厂
（1）项目概况
水厂规划总规模45万m³/d，一期工程土建按30万m³/d规模一次建成，设备按15万m³/d规模进行安装。水源取自西江磨刀门水道，咸期可利用平岗泵站或竹银水库；应急备用水源为梅溪水库和大境山水库。原水水质基本符合地表水Ⅱ类标准，但藻类明显超标，TN超标不多且以无机污染为主。
水厂供水水质要求同时满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）和《饮用净水水质标准》（CJ94-2005）。
（2）净水工艺流程
原水——预臭氧接触池——高效澄清池——气水反冲洗砂滤池——后臭氧接触池——翻板活性炭滤池——超滤膜池——紫外线+次钠联合消毒——清水池——送水泵房——配水管网。
（3）主要工艺设计参数
预臭氧接触时间7.4min；高效澄清池混合时间1.25min，总絮凝时间15.1min（含推流区），沉淀区液面负荷14.4m3/（m2.h）；砂滤池滤速7.5m/h；后臭氧接触时间13.1mim；活性炭滤池空床滤速11.1m/h；采用浸没式超滤膜，平均膜通量23.3L/（m2.h）；紫外消毒采用4台DN800管式消毒设备。
图3 珠海市梅溪水厂鸟瞰图
3.3 海口市江东新区水厂
（1）项目概况
水厂土建按40万m3/d规模一次建成，设备按20万m3/d规模安装。采用地下式水厂+地上开发的建设模式。水源取自南渡江龙塘坝，原水总体达到地表水III类标准，但铁、锰超标情况比较突出，总磷偶有超标，存在微污染情况。
水厂供水水质要求优于《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），满足“江东新区高品质饮用水水质标准”的要求。
（2）净水工艺流程
原水——进水配水井——预臭氧接触池——折板絮凝斜管沉淀池——V型砂滤池——中间提升泵房——后臭氧接触池——翻板活性炭滤池——超滤膜车间——紫外线+次钠联合消毒——清水池——送水泵房——配水管网。
（3）主要工艺设计参数
预臭氧接触时间5min；折板絮凝斜管沉淀池混合时间55s，絮凝时间16min，沉淀池斜管区液面负荷6.5m3/(m2.h)；V型砂滤池滤速7.41m/h；后臭氧接触时间8.2mim；活性炭滤池空床滤速9.5m/h；超滤膜通量60L/(m2.h) ；紫外消毒采用4台DN800管式消毒设备。
图4 海口市江东新区水厂鸟瞰图
3.4 济宁市长江水厂
（1）项目概况
水厂远期总规模20万m3/d，一期工程建设规模10万m3/d。水源取自南阳湖石桥泵站，原水水质基本符合地表水Ⅲ类标准，但总氮、硫酸盐、化学需氧量、五日生化需氧量、高锰酸盐指数、氟化物、氨氮、溴化物等项目超标，且有机微污染、硫酸盐等问题突出。
水厂供水水质要求满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749－2006）。
（2）净水工艺流程
原水——预处理（粉炭、高锰酸钾）——竖向折板絮凝平流沉淀气浮池——臭氧接触池——UV/H2O2高级氧化（预留）——上向流活性炭滤池——超滤膜池——纳滤（预留）——清水池——送水泵房——配水管网。
（3）主要工艺设计参数
折扳絮凝池絮凝时间取20min，平流沉淀池停留时间2.2h，水平流速15.0mm/s，气浮池设置于沉淀池之后，气浮池接触室上升流速51mm/s，分离区流速7.4mm/s，最大溶气压力0.60MPa，设计最大回流比10%；臭氧接触时间14.6mim；活性炭滤池空床滤速10.1m/h，接触时间14min；浸没式超滤膜池平均膜通量30L/(m2.h) 。
图5 济宁市长江水厂鸟瞰图
4 全流程水厂总体设计思考
（1）充分利用国家“水专项”系列成果，促进水厂建设技术进步
全流程水厂是国家“水专项”成果的具体应用，代表了现阶段我国饮用水处理工艺先进水平。其根本宗旨是以人为本，体现了以人民为中心的思想，有利于增强人民群众的获得感；其核心理念是多级屏障理念，强化净化环节的风险管控能力，提升水质安全裕度；其核心工艺是绿色工艺，有利于减小水处理药剂的投加量，水质更加健康、好喝。全流程水厂设计应充分利用“水专项”系列成果，促进我国城市水厂建设技术进步。
（2）充分分析原水水质，强化风险识别
全流程水厂的基本目标是原水水质差时保证出水达标，提供合格水；原水水质好时保证出水优质，提供高品质水。全流程水厂设计应对原水水质进行客观、准确分析，对风险进行精准识别，必要时可进行专门试验研究，在此基础上进行工艺选择，以提高工艺针对性，不能为追求全流程而进行全流程设计。
（3）合理选择工艺单元及其形式
全流程水厂采用长流程，工艺单元多，各单元具备不同功能，要结合项目特点和具体情况合理选择工艺单元及其形式，如预处理的形式，絮凝沉淀池池型，砂滤池池型，活性炭滤池池型，超滤膜形式（压力式或浸没式）；是否设置砂滤，砂滤池在前还是活性炭滤池在前，是否有必要设置纳滤，纳滤处理水量的比例；活性炭滤池前是否设置提升泵房等。例如在雄安新区起步区1#水厂和珠海梅溪水厂设计中，综合考虑原水水质、厂区用地及景观要求，絮凝沉淀采用高效沉淀池池型；在济宁长江水厂设计中，针对原水水质特点，采用平流沉淀+气浮的双沉淀组合工艺，炭滤池采用上向流形式，不设砂滤池，预留高级氧化（UV/H2O2）单元和纳滤单元；在珠海梅溪水厂设计中，针对厂区地形高差较大的特点，在砂滤和炭滤之间不设提升泵房。
（4）合理确定工艺参数
全流程水厂各工艺单元处理重点不同，其基本原则是前序单元为后续单元减负荷，后续单元为前序单元加保险。因此，对于全流程水厂，要更加注意强化常规处理单元的效果，其设计参数取值在一般情况下也相对保守，以便后续深度处理单元的功能发挥。这与全流程水厂注重安全的理念是一脉相承的，同时相对保守的常规处理设计参数还可以减小药剂投加量，更加绿色安全。例如雄安新区起步区1#水厂、珠海梅溪水厂高效澄清池斜管沉淀区液面负荷取值都靠近《室外给水设计标准》（GB50013-2018）的下限值，有利于保证沉淀水水质，可降低PAM投加量，保护砂滤和后续超滤膜；雄安新区起步区1#水厂、珠海梅溪水厂和海口江东新区水厂砂滤池设计滤速均低于7.5m/h，属于中间偏下的滤速。
（5）厂区平面宜采用集约化布置方式，节约用地，提高与环境的融合度
全流程水厂工艺单元多，占地面积大，运行管理相对复杂，应按照集约化原则（如平面组合，竖向叠合等）进行水厂总平面布置，减小厂区占地，缩短连接管路，方便巡视管理，提高土地利用效率，结合海绵设施打造厂区优美景观环境。应重视厂区建筑，有条件时，采用去工业化设计理念，将净水构筑物建筑化，并且要求厂区工业建筑像民用建筑那样拥有建筑艺术性，创造宜人、优美、时尚、有文化的建筑空间环境，达到水厂与周边环境的高度融合。例如，在雄安新区起步区1#水厂设计中，根据规划要求对厂区地形进行重构，借鉴北京四合院布局特点，采用组合式构（建）筑物，集约化布置，并将构筑物建筑化，以达到厂区设施与周边环境的高度融合；珠海梅溪水厂厂区利用采石场废坑建设，变废为宝，充分利用山地地形，因山就势，处理设施采用组合设计、集约化布置，消隐于山谷，与环境高度融合，占地极省；海口江东新区水厂是国内首座全地下式水厂（综合楼及臭氧发生器间布置在地面上），地上面积进行复合式开发利用，极大地提高土地利用率，并提高了水厂台风期抗灾能力。
（6）优化净水构筑物水力高程布置，灵活设置多种运行模式
全流程水厂工艺安全性高，设计应充分注意优化净水构筑物水力高程布置，使水厂具备采用多种运行模式的条件，以适应不同条件下的运行工况，包括：正常运行工况，全部单元运行的长流程运行模式；超越运行工况一，超越炭滤池的中流程运行模式；超越工况二，超越全部膜处理单元的中流程运行模式；超越工况三，超越部分膜处理单元的中流程运行模式；超越工况四，特殊情况下超越炭滤池和膜处理单元的常规处理短流程模式等。例如前文介绍的四座全流程水厂均设置了多种运行模式。
（7）充分应用智慧水务技术，提升运行管理水平
全流程水厂作为工艺安全性高的水厂，还应该在高效、智能运营方面做出表率和示范。应配置完善的自动检测系统、自动控制系统、资产管理系统、生产信息管理系统等，以实现对水厂的全流程在线监测，对关键工艺单元的智能化管控，对生产过程的预测模拟分析，对水厂运行的整体优化和辅助决策，从而保证水厂运行安全高效、水质稳定可靠。
5 总结
全流程水厂系“水专项”成果的具体应用，代表了现阶段我国饮用水处理工艺先进水平。全流程水厂设计应充分利用“水专项”成果；充分分析原水水质，强化风险识别，在此基础上进行工艺选择，提高工艺针对性，不能为全流程而全流程；合理选择工艺单元及其形式、工艺设计参数；在平面布置方面应注意集约化布置，高效利用土地；在竖向水力高程布置方面应灵活设置多种运行模式；充分应用智慧水务技术，配置完善的智慧管控系统，实现水厂安全高效运行，保障安全优质供水。
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