農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠制水工藝方案比選淺析

黎曉光

【摘 要】“民以食為天，食以水為先”。水是人類生存和繁衍的基本要素，又是社會(huì)物質(zhì)生產(chǎn)不可缺少和替代的戰(zhàn)略資源。通過“十一五”和“十二五”國家大力推進(jìn)農(nóng)村安全飲水工程的建設(shè)，如今我國約30%的農(nóng)戶家庭接入的自來水，改善了農(nóng)民的生活條件，提高了農(nóng)村居民的生活水平。那么自來水廠如何地制好水？供好水？如何確保老百姓的飲用水潔凈、衛(wèi)生、安全、便是鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠的重要職責(zé)。筆者從事鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村飲水工程管理多年，結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠的制水和供水過程從自來水生產(chǎn)的角度淺析傳統(tǒng)的制水工藝和制水流程，通過比選確定最佳的制水工藝和制水方案，確保百姓喝上衛(wèi)生、安全的自來水。

【關(guān)鍵詞】加藥；絮凝；沉淀；過濾；消毒

0.引言

我國早期的鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠一般始建于上世紀(jì)九十年代，由于供水規(guī)模小、生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)陋，無加藥和消毒設(shè)施。水質(zhì)差、水壓低、定時(shí)供水，水的安全性和方便程度都不達(dá)標(biāo)。經(jīng)濟(jì)效益差，基本處于虧本和倒閉狀態(tài)，農(nóng)村居民飲用水特別困難。自“十一五”起國家開始實(shí)施的農(nóng)村飲水安全工程，建設(shè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)?；畯S，解決廣大農(nóng)民的飲用水不安全問題。如何建鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)模化水廠？采用什么制水工藝？使得自來水廠能過在創(chuàng)造社會(huì)效益的前提下，獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，并能夠持續(xù)健康的發(fā)展下去，是擺在水利人面前的一個(gè)課題。筆者通過幾年在農(nóng)村供水工程管理崗位上的感受和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)?；畯S的制水工藝方案比選做一淺析，和水利人共同學(xué)習(xí)，不足之處請(qǐng)批評(píng)指正。

1.自來水的水處理目和水處理過程

水庫原水的水體由于大自然客觀因素和人為因素的共同作用，使得原水水體里含有各種各樣的有機(jī)物和無機(jī)物雜質(zhì)。他們分別以懸浮物、膠體、溶解物三大物態(tài)形式存在于水體中。自來水廠的水處理的目的就是去除原水中這些會(huì)給人類生活、健康和生產(chǎn)帶來危害的懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)、細(xì)菌及其他有害成分，使凈化后的水能滿足生活飲用及生產(chǎn)的需要。

自來水的處理過程為：取水→加藥→絮凝→沉淀→過濾→消毒→供水。與之相關(guān)的建筑物和構(gòu)筑物有：取水口、取水泵房（俗稱一泵房）、絮凝池、沉定池、過濾池、清水池、加藥間和供水泵房（俗稱二泵房）。通過以上制水過程和制水建構(gòu)筑物的描述不難看出，制水的關(guān)鍵在，一是水的絮凝，二是水的沉淀，三是水的過濾，四是水的消毒。水的絮凝、沉淀、過濾和消毒有多重方式，如何選擇經(jīng)濟(jì)高效的制水工藝便是擺在水利人面前的一個(gè)課題。

1.1絮凝原理、絮凝過程和絮凝池的選擇

自來水常用的絮凝劑普遍為聚合氯化鋁無機(jī)高分子化學(xué)物品，其水溶液能強(qiáng)烈吸引膠體微粒，通過黏附電中和、黏附架橋和交聯(lián)作用，促進(jìn)膠體凝聚，同時(shí)還發(fā)生物理化學(xué)變化，中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷，從而使膠體離子發(fā)生互相吸引作用，破壞了膠團(tuán)的穩(wěn)定性.促進(jìn)膠體微粒碰撞，形成了大顆粒絮狀物，以利于從水中分離、沉降下來。這便是水的絮凝原理。

水庫原水通過一泵房水泵提水后（視高程需要）進(jìn)入到水廠，第一道水處理工序?yàn)樗男跄矗涸都铀幚韯ň酆下然X溶液）→混合（在靜態(tài)混合器中）→理化反應(yīng)（管道和絮凝池中）→ 生成絮狀水（絮凝池中），這一水處理工序稱為水的絮凝過程。其作用是通過水力、水流、旋流的碰撞使藥劑迅速均勻地散于水中，并形成大顆粒絮狀物水體。這稱為水的絮凝過程。經(jīng)絮凝過程處理后的水流入沉淀池，進(jìn)入水處理的第二過程即沉淀過程。

傳統(tǒng)的絮凝池有以下幾種形式：

A.折板絮凝池，絮凝時(shí)間10min-15min，一般取12min，適用于日產(chǎn)1萬噸水廠。

B.往復(fù)式隔板絮凝池，絮凝時(shí)間20min-3-min 適用于日產(chǎn)3萬噸及以上的水廠。

C.穿孔旋流式絮凝池，絮凝時(shí)間15min-25min。適用日產(chǎn)2千噸-5千噸水廠。

D.網(wǎng)格絮凝池，絮凝時(shí)間10min-15min，適用日產(chǎn)5噸-5萬噸水廠和水廠的改造工程，由于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠規(guī)模一般為2千噸-2萬噸不等，通過筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建議新建2千噸-5千噸的水廠采用穿孔旋流式絮凝池，其絮凝時(shí)間一般取為20min，該池型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局緊湊、占地面積小、水質(zhì)處理效果好的等優(yōu)點(diǎn)。

1.2沉淀原理、沉淀過程和沉定池的選擇

通過絮凝過程形成的大顆粒絮狀物水體，沿布水區(qū)橫截面的過水孔均勻分配后進(jìn)入沉淀區(qū)。絮狀體依靠重力作用從水中分離出來，這便是沉淀原理。

水流入沉淀區(qū)后，由于沉淀池沉淀區(qū)的容積較大，致使絮凝反應(yīng)后的水流流速急劇下降，因此水流開始在沉淀池中緩慢向前向上流動(dòng)。在緩慢流動(dòng)過程中，水體中的大顆粒絮狀物開始和水體離析，并沉于池底。離析、沉淀后的水體開始變得清澈、潔凈起來，一般濁度達(dá)到3NTU-10NTU.沉淀下來的絮狀物不斷堆積和氧化等最終形成污泥，聚于池底。這個(gè)的過程稱為沉淀過程。整個(gè)過程在沉淀池中進(jìn)行。

傳統(tǒng)的沉淀池有：

A.平流沉淀，適用于大中小型水廠。由于池體占地面積大，結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，面前一般已很少采用；

B.斜管（斜板）沉淀池，因水流的方向不同又分為，異向流、側(cè)向流和同向流。其中以斜管沉淀池具有停留時(shí)間短、沉淀效果好、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)而得到最廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)是因停留時(shí)間短，要求絮凝的效果要好即絮體大、密度高等。

C.側(cè)向流水平管沉淀池，水平管沉淀”應(yīng)用“哈真”淺層理論，將沉淀管水平放置，原水平行流動(dòng)，懸浮物垂直分離，具有最佳狀態(tài)下的沉淀和分離功能。水平管沉淀分離裝置分成若干層，由此增加了沉淀面積，減小了懸浮物的沉降距離，縮短了懸浮物沉淀時(shí)間；水平管單元的垂直斷面形狀為菱形，管底側(cè)向設(shè)有排泥狹縫，沉泥順側(cè)底下滑，再通過排泥狹縫滑入下面的水平管沉淀單元，懸浮物通過水平管及時(shí)與水分離，水走水道、泥走泥道，改善了懸浮物可逆沉淀的排泥條件，并避免了懸浮物堵塞管道和跑礬現(xiàn)象的發(fā)生。該池和斜管沉淀池比較具有沉淀效率高，水處理效果好、過載能力強(qiáng)和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，適用于大中小各類水廠。缺點(diǎn)是造價(jià)高，阻礙了其推廣應(yīng)用。

1.3過濾原理、過濾過程和過濾池的選擇

以石英砂（海沙為好）、鵝暖石、濾磚或是纖維濾料、蘑菇型濾頭和PVC濾板等組成有空隙的粒狀或是蓬松狀濾料層，通過黏附作用和阻礙作用，截留水體中更為細(xì)小懸浮絮狀物。這便是水的過濾原理。

沉淀后的水體通過集水槽流入布水池，再通過布水管槽均勻分布給過濾池，流入濾池的水體通過有空隙的沙石濾料或蓬松狀的纖維濾料，水體中懸浮的細(xì)微絮狀物被吸附和阻礙，從而進(jìn)一步使水澄清，這一水處理過程稱為水的過濾過程，濾后水的濁度0，05NTU-1NTU。

過濾池的選擇：

A.無閥濾池（也稱虹吸濾池）一種不用閥門切換過濾與反沖洗過程的快濾池，由濾池本體、進(jìn)水裝置、虹吸裝置三部分組成，是沒有閥門的快濾池。在運(yùn)行過程中，出水水位保持恒定，進(jìn)水水位則隨濾層的水頭損失增加而不斷在吸管內(nèi)上升，當(dāng)水位上升到虹吸管管頂，并形成虹吸時(shí)，即自動(dòng)開始濾層反沖洗，沖洗廢水沿虹吸管排出池外。無閥濾池分為壓力式無閥濾池和重力式無閥濾池。虹吸濾池的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)。不需要大型的閘閥及相應(yīng)的電動(dòng)或水力等控制設(shè)備，可以利用濾池本身的出水量、水頭進(jìn)行沖洗，不需要設(shè)置洗水塔或水泵；不需要濾速控制裝置；不至于發(fā)生負(fù)水頭現(xiàn)象；設(shè)備簡(jiǎn)單，操作管理方便，易于自動(dòng)化控制，減少生產(chǎn)管理人員，降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用；在投資上與同樣生產(chǎn)能力的普通快濾池相比能降低造價(jià)20～30%，且節(jié)約金屬材料30～40%。

（2）缺點(diǎn)。與普通快濾池相比，池深較大（5～6米）；沒有富余的水頭調(diào)節(jié)，有時(shí)沖洗效果不理想。

（3）適用條件。虹吸濾池適用于中小型給水處理（一般在4000噸/日～5000噸/日），有較突出的優(yōu)點(diǎn)。

B.普通快濾池指的是為傳統(tǒng)的快濾池布置形式，濾料一般為單層細(xì)砂級(jí)配濾料或煤、砂雙層濾料，沖洗采用動(dòng)力單一水形式?jīng)_洗，沖洗水由清水池和水泵供給。普快濾池的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行管理可靠，有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；池深較淺；濾速高；污能力較大工作周期較長。

（2）缺點(diǎn)：閥門比較多；一般沖洗阻力大，需要設(shè)有動(dòng)力沖洗設(shè)備。

C.V型濾池.（粗濾料濾池）是法國德格雷蒙公司設(shè)計(jì)的一種快濾池，因兩側(cè)（或一側(cè)也可）進(jìn)水槽設(shè)計(jì)成V字形而得名，目前在我國普遍應(yīng)用，適用于大、中型水廠。V型濾池一般采用較粗、較厚的均勻顆粒的石英砂濾層，V型濾池提升了濾速另因于采用了不使濾層膨脹的氣、水同時(shí)反沖洗兼有待濾水的表面掃洗，明顯提升了濾池的反沖洗效果，改善V型濾池過濾能力的再生狀況，從而增大濾池的截污能力，降低了濾池的反沖洗頻率。V型濾池的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)：出水水質(zhì)好、濾速高、運(yùn)行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動(dòng)化管理等特點(diǎn)。

（2）缺點(diǎn)：增加高壓氣沖設(shè)備、濾池構(gòu)造復(fù)雜、汽水配管繁多。

D.D型濾池是由清華大學(xué)和德安公司共同開發(fā)研制的一種重力式高速自適應(yīng)濾池，它以國家863計(jì)劃的專利產(chǎn)品——彗星式纖維濾料為技術(shù)核心，采用小阻力配水系統(tǒng)、高效的氣水反沖洗技術(shù)、恒或變水位的過濾方式，廣泛應(yīng)用于自來水、工業(yè)給水、中水回用工程，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效。

D型濾池的優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)a、過濾精度高：經(jīng)顆粒粒度分布和計(jì)數(shù)儀分析測(cè)試，對(duì)水中大于5μm的懸浮固體顆粒的去除率可達(dá)91%以上，最高去除率為97.7%，正常出水濁度在0.5NTU-1NTU以下。

b、截污容量大：經(jīng)絮凝處理的水，截污容量在10～35kg/m3的范圍內(nèi)。

c、過濾速度快：在工程應(yīng)用中的過濾速度可達(dá)18～23m/h，減少濾池的占地面積，節(jié)約工程建設(shè)投資。

d、反洗耗水率低：反沖洗耗水量小于周期濾水量的1%-2%。

e、運(yùn)行費(fèi)用低：絮凝劑投加量是常規(guī)的1/2～1/3，使得噸水運(yùn)行費(fèi)用減少。

f、使用壽命長：濾料本身耐腐蝕性能好，自然使用壽命在十年以上，維護(hù)費(fèi)用低，使用多年后對(duì)濾池適量補(bǔ)充前委濾料，不存在更換的弊病

g、抗負(fù)荷能力強(qiáng)：能經(jīng)受短時(shí)間內(nèi)高濁度水（雨季源水濁度陡然曾高或加藥設(shè)備異常造成的高濁度水入池）的沖擊，而仍然保證出水水質(zhì)。

（2）缺點(diǎn)：

a、纖維濾料的造價(jià)高。

b、氣沖洗系統(tǒng)設(shè)備安裝要求高。

c、金屬管路閥門多，施工難度大。

通過以上四種濾池的比選可以看出產(chǎn)能為3000m3/d-5000m3/d農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)模水廠建議采用虹吸無閥濾池，產(chǎn)能為10000m3/d-20000m3/d大水廠建議使用D型濾池。

2.自來水消毒處理的目和消毒過程

2.1消毒處理（包括前后加氯）

水經(jīng)過濾后，濁度由原來的3NTU-10NTU降低為1NTU以下，使的水體中殘留的微生物、細(xì)菌和病毒成幾何級(jí)的降低。但是殘存的微量細(xì)菌和病毒如果不進(jìn)行消毒，它們依然會(huì)繁殖，危害人的身體健康。為此必須進(jìn)行自來水的消毒，使得自來水達(dá)到飲用水細(xì)菌學(xué)指標(biāo)。消毒不僅能夠殺死出廠水中的病毒和有害細(xì)菌，而且也對(duì)自來水進(jìn)行去色去味處理，使得水質(zhì)更清澈和潔凈，另外溶解在水體里的消毒劑余量還可以控制管網(wǎng)末梢水細(xì)菌繁殖以及預(yù)防二次污染。這就是消毒的目的。自來水消毒主過程要是通過次氯酸鈉（二氧化氯、液氯）等與水反應(yīng)生成的次氯酸在細(xì)菌和病毒的細(xì)胞膜內(nèi)部起氧化作用，破壞細(xì)菌和病毒的酶系統(tǒng)而使死亡的過程。

2.2自來水消毒劑的選擇

常用的自來水消毒劑和消毒方式一般有三類，一是二氧化氯消毒；二是次氯酸鈉消毒；三是液氯消毒。

A、二氧化氯是二氧化氯是國際上公認(rèn)的含氯消毒劑中唯一的高效消毒滅菌劑，它對(duì)微生物細(xì)胞壁有較強(qiáng)的吸附穿透能力，可有效地氧化細(xì)胞內(nèi)含巰基的酶，還可以快速地抑制微生物蛋白質(zhì)的合成來破壞微生物，可以殺滅一切微生物，包括細(xì)菌繁殖體，細(xì)菌芽孢，真菌，分枝桿菌和病毒等，并且這些細(xì)菌不會(huì)產(chǎn)生抗藥性。具有高效、強(qiáng)力、快速、持久、光譜、滅菌、無毒、無刺激、安全性高的特點(diǎn)。缺點(diǎn)：是制取二氧化氯的設(shè)備由于原材料使用的是鹽酸和氯化鈉經(jīng)常被腐蝕損毀，故障率高，維修成本高。但是由于安全性依然得到廣泛的使用。二氧化氯投放在水中的反應(yīng)方程式4Cl02+2H2O=2Cl2+3O2+4HClO。

B、次氯酸鈉的消毒原理（NaCLO）

次氯酸鈉的殺菌原理：次氯酸的氧化作用是含氯消毒劑的最主要的殺菌機(jī)理。含氯消毒劑在水中形成次氯酸，作用于菌體蛋白質(zhì)。次氯酸不僅可與細(xì)胞壁發(fā)生作用，且因分子小，不帶電荷，故侵入細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用或破壞其磷酸脫氫酶，使糖代謝失調(diào)而致細(xì)胞死亡。次氯酸鈉的濃度越高，殺菌作用越強(qiáng)。而次氯酸鈉在水中能解離為次氯酸所以說次氯酸鈉溶液是一種高效的消毒液。特點(diǎn)是：殺菌消毒效果好，使用方便，價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)是：腐蝕性較強(qiáng)，易揮發(fā)，經(jīng)常吸入對(duì)人體有致癌作用。次氯酸鈉投放在水中的反應(yīng)方程式NAC10+H2O-NAOH+HC10。

C、氯氣（液氯）

氯氣（Cl2）是一種黃綠色有刺激性氣味的液氯揮發(fā)氣體，能溶于水，常溫下1體積水能溶解2體積氯氣。氯氣的消毒原理是氯氣溶于水后生成鹽酸和次氯酸，而次氯酸具有強(qiáng)氧化性，因此具有很強(qiáng)的殺菌消毒能力，是常用的消毒劑。氯氣對(duì)人體有強(qiáng)烈的刺激性，吸入少量氯氣會(huì)刺激鼻腔和喉頭粘膜，并引起胸痛和咳嗽；吸入較多氯氣會(huì)窒息致死。特點(diǎn)：使用維護(hù)簡(jiǎn)單方便，殺菌消毒效果好、價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：危險(xiǎn)性高，易泄漏。氯氣加入水中的化學(xué)方程式：Cl2+H2O=HCl+ HClO。

2HClO=2HCl+O2↑。

筆者通過幾年對(duì)千噸、萬噸水廠的管理，建議農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)500m3/d-1000m3/d使用二氧化氯消毒劑。1000m3/d-8000m3/d使用次氯酸鈉消毒劑。10000m3/d以上的使用氯氣。

3.總結(jié)

水是生命之源，沒有水的安全，人們的生活便得不到保障。制好水是一個(gè)水利人的責(zé)任所在，管理好、運(yùn)行好農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠是人心所向、眾望所歸。本文所述是筆者幾年從事農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水廠管理的工作體會(huì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，不足之處請(qǐng)同仁指教謝謝。 [科]