南方地區(qū)單村供水工程凈化設(shè)備應(yīng)用效果比較研究

邱昕愷，盧 成，周殷盈

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2.杭州市西湖水域管理處，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

我國(guó)南方農(nóng)村地區(qū)，尤其是山丘地區(qū)，通過城鎮(zhèn)水廠管網(wǎng)延伸供水的條件嚴(yán)苛。以浙江省為例，截至2020 年底仍有超過9 000 座單村供水工程。此規(guī)模工程往往受限于農(nóng)村占地條件、管理?xiàng)l件，故無(wú)法參照規(guī)?；┧こ滩捎脴?gòu)筑物形式的凈水設(shè)施（設(shè)備）并配備專業(yè)管理人員；同時(shí)由于數(shù)量龐大，全部開展提升建設(shè)的成本巨大。相較于構(gòu)筑物形式的常規(guī)處理設(shè)施，集接觸反應(yīng)、沉淀、過濾工藝為一體的凈化設(shè)備，占地更小、價(jià)格更低，在農(nóng)村地區(qū)得以推廣使用。

現(xiàn)狀農(nóng)村飲用水凈化工藝研究中，對(duì)濾池選擇、混凝劑投配的研究已經(jīng)逐步成熟，形成各類適用于水廠的凈化模式[1]。隨著一體化凈水設(shè)備的不斷應(yīng)用，其研究也逐步開展。一體化凈水設(shè)備用作現(xiàn)有水廠預(yù)處理設(shè)備[2]或應(yīng)急供水設(shè)備[3]的研究較多，設(shè)備整體表現(xiàn)良好。而基于單村供水工程的實(shí)際應(yīng)用，并比較不同一體化凈水設(shè)備類型應(yīng)用效果的研究較少。本文在對(duì)廠家、單村水站開展充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，將浙江省主要凈化設(shè)備分為3 種類型，并選取典型工程跟蹤研究其出水水質(zhì)、購(gòu)置及運(yùn)行投入成本、可靠性水平等，最終提出3 種類型凈化設(shè)備的適用場(chǎng)景，為農(nóng)村供水工程的凈化設(shè)備選擇提供參考依據(jù)。

2 凈化設(shè)備分類及研究對(duì)象

2.1 凈化設(shè)備分類

一體化凈水設(shè)備分類與研究已在我國(guó)逐步開展，如區(qū)分多介質(zhì)過濾罐及膜處理設(shè)備并進(jìn)行比較分析[4]。本文通過調(diào)研浙江、江蘇、福建等我國(guó)南方省份的農(nóng)村飲用水凈化設(shè)備廠商，研究浙江省內(nèi)農(nóng)村供水工程，進(jìn)一步將一體化凈水設(shè)備分為重力式設(shè)備、壓力式設(shè)備和膜處理設(shè)備3 類，工藝流程見圖1。

圖1 3 類凈化設(shè)備工藝流程圖

重力式設(shè)備為頂端敞口設(shè)計(jì)，利用重力進(jìn)行輸水，制水過流時(shí)間長(zhǎng)、輸水壓力?。粔毫κ皆O(shè)備為密封設(shè)計(jì)，保留輸水壓力，制水過流時(shí)間短、輸水壓力大；膜處理設(shè)備需保留一定入水壓力，采用密封設(shè)計(jì)?，F(xiàn)已在污水處理中得到廣泛應(yīng)用的膜處理設(shè)備，多需配合前端的粗處理設(shè)備，如簡(jiǎn)易沉淀過濾、微絮凝等設(shè)備[5]。

2.2 研究對(duì)象

本文在浙江省金華市選擇有以上3 類凈化設(shè)備的水站各1 處，水站具備相同的水源類型及消毒設(shè)備類型、相近的設(shè)計(jì)供水規(guī)模及凈化設(shè)備規(guī)模（見表1）。浙江省農(nóng)村飲用水出廠水的主要不合格指標(biāo)中，與凈化設(shè)備相關(guān)的為濁度[6]，經(jīng)過多次檢測(cè)，3 處水站出廠水濁度合格率為100%。3 類凈化設(shè)備應(yīng)有場(chǎng)景及基礎(chǔ)情況相似，均滿足出水水質(zhì)要求，在此基礎(chǔ)上開展3 類凈化設(shè)備的穩(wěn)定性、投入成本及適用性分析。

表1 典型水站基本情況表

3 分析內(nèi)容

3.1 設(shè)備穩(wěn)定性及應(yīng)用成本分析

設(shè)備穩(wěn)定性主要體現(xiàn)于其使用壽命，應(yīng)用成本包括凈化設(shè)備的購(gòu)置成本及運(yùn)行管理成本。其中，運(yùn)行管理成本包括藥劑費(fèi)、電費(fèi)等，而人工費(fèi)及設(shè)備維護(hù)費(fèi)因各水站的管理單位自行配備的人員數(shù)量及工資水平有所差異，不作為客觀比較項(xiàng)計(jì)算在內(nèi)。本研究中應(yīng)用成本的分析內(nèi)容包括：購(gòu)置成本及運(yùn)行管理成本分析；結(jié)合設(shè)備使用壽命、購(gòu)置成本和運(yùn)行管理成本，分析年度分?jǐn)偝杀尽?/p>

3.1.1 購(gòu)置成本及運(yùn)行管理成本分析

典型水站一體化凈水設(shè)備的購(gòu)置成本及運(yùn)行管理成本見表2。運(yùn)行管理成本中的用電成本和用藥成本，均以日供水量200 t、1 a 供水365 d 計(jì)算年度成本。用藥成本方面，在水源水類型、水質(zhì)情況相似的情況下，重力式設(shè)備和壓力式設(shè)備的用藥成本相同，約0.30 元/t；膜處理設(shè)備約0.02元/t。膜處理設(shè)備需每3 個(gè)月對(duì)膜進(jìn)行堿洗，費(fèi)用約100.00 元/次。注：表中上標(biāo)1 的數(shù)據(jù)為運(yùn)行管理成本合計(jì)數(shù)。

表2 設(shè)備購(gòu)置成本及運(yùn)行管理成本表

3.1.2 設(shè)備壽命及年度分?jǐn)偝杀痉治?/p>

典型水站一體化凈水設(shè)備的設(shè)計(jì)使用壽命分別為：重力式設(shè)備20 a、壓力式設(shè)備15 a、膜設(shè)備10 a。浙江省農(nóng)村飲用水工程經(jīng)多年改造提升，各類設(shè)備實(shí)際使用至設(shè)計(jì)壽命的情況較少。經(jīng)過對(duì)廠家、工程進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，3 類設(shè)備在正常維護(hù)情況下均存在使用至近20 a 的案例，如果遇到農(nóng)村地區(qū)失修失管、滑坡塌方、雷擊等特殊情況，則難以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。故本文以可使用至20 a 為前提進(jìn)行分析，得到3 類設(shè)備的分?jǐn)偝杀荆ㄒ妶D2）。

圖2 3 類凈化設(shè)備多年分?jǐn)偝杀緢D

3.2 設(shè)備適用性分析

設(shè)備適用性即設(shè)備投入應(yīng)用所需具備的基礎(chǔ)條件。對(duì)凈化設(shè)備的應(yīng)用要求進(jìn)行實(shí)際調(diào)查后，本文的分析內(nèi)容聚焦以下4 方面：①入水水壓要求；②入水水質(zhì)要求；③運(yùn)輸安裝條件；④占地面積。

3.2.1 入水水壓和入水水質(zhì)要求分析

根據(jù)3 處典型工程情況，重力式設(shè)備的入水水頭小于10 m；壓力式設(shè)備的入水水頭為15 m，可為輸水提供一定的水壓；膜處理設(shè)備因過濾壓力要求，水頭需達(dá)到40 m，甚至需要在膜處理前端設(shè)置加壓泵。入水水質(zhì)方面，重力式及壓力式設(shè)備的入水濁度要求小于200 NTU，膜處理設(shè)備的入水濁度上限可至500 NTU。

3.2.2 運(yùn)輸安裝條件和占地面積分析

重力式設(shè)備和壓力式設(shè)備均采用罐體構(gòu)造，多需道路運(yùn)輸、起重機(jī)吊起；無(wú)法運(yùn)輸?shù)模枰揽咳肆Π徇\(yùn)或拆解后于現(xiàn)場(chǎng)安裝。膜處理設(shè)備由于凈化設(shè)備核心的膜組件小巧易搬運(yùn)，同時(shí)可配合撬裝式底座對(duì)設(shè)備整體進(jìn)行撬裝式運(yùn)輸，或拆分膜組件輕易運(yùn)輸至指定位置，較重力式及壓力式設(shè)備，其運(yùn)輸安裝更為便捷。占地面積方面，設(shè)計(jì)供水規(guī)模相近的重力式設(shè)備和壓力式設(shè)備所需占地面積均為18.6 m2，膜處理設(shè)備所需占地面積為5.1 m2。

4 凈化設(shè)備應(yīng)用效果

3 類凈化設(shè)備的出廠水在監(jiān)測(cè)期間均滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備應(yīng)用效果的主要差距在于壽命、成本表現(xiàn)、適用性表現(xiàn)3 方面（見表3）。

表3 3 類凈化設(shè)備應(yīng)用表現(xiàn)情況表

壽命方面。膜處理設(shè)備的膜組件需精心維護(hù)，壓力式設(shè)備較重力式設(shè)備對(duì)于密封性及焊接工藝要求更高，故設(shè)備設(shè)計(jì)使用壽命方面，重力式設(shè)備最長(zhǎng)、壓力式設(shè)備次之、膜處理設(shè)備最短。通過合理運(yùn)行維護(hù)，各類設(shè)備實(shí)際使用壽命均可增加。

成本表現(xiàn)方面。運(yùn)行年份越少，年度分?jǐn)偝杀臼苜?gòu)置成本的影響越大；隨著運(yùn)行年份增加，年度分?jǐn)偝杀臼苓\(yùn)行維護(hù)成本影響增大。由于重力式設(shè)備、壓力式設(shè)備的購(gòu)置成本不高于膜處理設(shè)備的50%，故運(yùn)行5 a 內(nèi)，膜處理設(shè)備的年度分?jǐn)偝杀据^其他2 種高。但由于膜處理設(shè)備通過物理過濾，主體設(shè)備制水無(wú)需投加藥劑[7]，運(yùn)行成本較低，故運(yùn)行15 a 后，膜處理設(shè)備的年度分?jǐn)偝杀据^其他2 種低?？紤]到目前膜處理設(shè)備的設(shè)計(jì)使用壽命為10 a，整體使用是否可達(dá)到15 a 并使年度分?jǐn)偝杀镜陀谄渌? 種凈化設(shè)備，需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行管理水平?jīng)Q定。

適用性表現(xiàn)方面。膜處理設(shè)備設(shè)計(jì)可處理入水濁度達(dá)500 NTU；重力式設(shè)備和壓力式設(shè)備設(shè)計(jì)可處理入水濁度為200 NTU，能滿足浙江省農(nóng)村供水工程的一般需要。膜處理設(shè)備要求入水水壓大，往往需另配水泵，壓力式設(shè)備次之，重力式設(shè)備要求入水水壓最低，因此，如供水區(qū)域高程較大，重力式設(shè)備仍需另配水泵輸水。運(yùn)輸安裝及占地面積方面，膜處理設(shè)備表現(xiàn)較好，尤其是占地面積，可節(jié)約72.6%。

5 凈化設(shè)備應(yīng)用建議

重力式設(shè)備整體較為可靠，設(shè)計(jì)使用壽命最高、購(gòu)置成本較低，但輸水水壓如果不滿足供水地區(qū)高程，難以利用水源水壓，則需另配水泵。

壓力式設(shè)備整體情況中等、輸水水壓更大。壓力式設(shè)備整體上與重力式設(shè)備相似，但使用壽命相對(duì)較短、檢修難度更大；優(yōu)勢(shì)在于可利用入水水壓，保持一定的輸水水壓以滿足一定高程地區(qū)的供水需要。

膜處理設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行成本最低、適用性表現(xiàn)好。膜處理設(shè)備雖設(shè)計(jì)使用壽命短，但所需用藥量少，正常維護(hù)增加使用壽命至15 a 后，分?jǐn)偝杀靖?。同時(shí)在入水水質(zhì)（濁度≤500 NTU）、輸水水壓、運(yùn)輸安裝、占地面積等適用性方面，均優(yōu)于重力式設(shè)備和壓力式設(shè)備。

如果購(gòu)置成本和管理水平有限、對(duì)設(shè)備可靠性要求更高，建議使用重力式設(shè)備；運(yùn)行維護(hù)到位、預(yù)備長(zhǎng)期使用的情況下，3 類設(shè)備均可使用，如計(jì)劃使用時(shí)間超過15 a，建議使用運(yùn)行維護(hù)成本更低的膜處理設(shè)備；在入水水壓大且需保持輸水水壓的情況下，建議使用壓力式設(shè)備；如果安裝條件或允許設(shè)備占地條件要求苛刻，在購(gòu)置成本允許的前提下，建議使用膜處理設(shè)備。