创新与我国城市饮用水净化技术发展

创新与我国城市饮用水净化技术发展李圭白，梁恒，瞿芳术2015年4月𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎社会需求与创新及技术突破社会需求是技术发展的动力，创新及技术突破将引领技术发展的方向。我国社会经济已进入一个新的改革发展时期，创新将成为社会发展的新动力。水业工作者在新的历史时期，以绿色、低碳、节能、环保、可持续发展的新的重大社会需求为导向，将不断探索自主创新之路，以寻求新的技术突破。本文将回顾历史中出现的一些重大创新和技术突破，论述其对我国城市饮用水净化工艺发展的推动作用，以及其为我们带来的启示。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎保障城市饮用水生物安全性的重大社会需求二十世纪以前城市居民大多由井水或河流中取水。随着城市的发展，城市人口聚集愈来愈多，出现了大规模的疾病流行，包括水介烈性细菌性传染病（霍乱、伤寒、痢疾等）的流行，提出了保障饮用水生物安全性的重大需求。向城市引水自古有之，不过规模甚小。在此基础上发展出向城市居民集中供水管道网，使居民可以饮用到比较清洁的水源水，是城市供水技术的一大突破。它与以氯消毒为核心的饮用水净化工艺一起，控制住了烈性细菌性传染病的流行，为人类社会的发展作出了重大贡献。2000年，美国工程院历时半年，与30多个美国职业工程协会一起评出了20世纪对人类社会影响昀大的工程技术成就20项：城市供水及净化工艺（自来水）名列第四。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎抽水马桶与城市排水系统英国著名的《焦点》杂志邀请本国100名昀权威的专家学者和1000名读者，评出了世界上昀伟大的发明，显然电脑、飞机、电灯、印刷、收音机等都榜上有名，但位居榜首的竟是抽水马桶。中世纪欧洲城市由于人类排泄物及垃圾堆积无法清除，成为城市发展昀臭时期。在此背景下，1595年英国一位名叫约翰·哈林顿的教士发明了第一只抽水马桶，但由于城市缺乏排水系统而被冷落了200多年，直到1865年伦敦将简陋的城市沟渠改造成正规的排水系统，才使抽水马桶开始发挥作用。抽水马桶能将排泄物迅速排出，极大地改善了室内卫生环境，并使居室内用水成为可能，为城市民居和公共建筑现代化（包括高层建筑）奠定了基础。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎河、湖原水预沉池慢滤池氯消毒出水氯消毒起源于1850年；1897年，英国用氯消毒饮水来应对伤寒病。而将氯作为水常规处理工序，一般认为是从1902年开始的，比利时将其用于公共供水。氯能有效杀灭水中的致病细菌，基本控制住了水介烈性传染病的流行，使水的生物安全性基本上得到了保障。水中的悬浮物及浊质对氯消毒效果有比较大的影响。为提高氯的消毒效果，需要将水中的悬浮物及浊质去除，为此研发出慢滤池。为减轻慢滤池的负荷，于慢滤池前设置预沉池，水在池中进行自然沉淀数日，可使水中大部分悬浮物和浊质得以去除。将氯消毒、慢滤池和预沉池三者组合，形成了以下工艺:氯消毒—饮用水净化技术的重大突破𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎慢滤池的负荷较低，只有0.1～0.2m/h，这是由于慢滤池滤层堵塞后，只能用人工的方法将滤层表面的含泥沙层刮除1～2cm，需停池数日，费力费时；在较大水厂中一般每个滤池只能每1～2月刮沙一次，这限制了负荷的提高。但随着城市发展，用水量愈来愈多，慢滤池占地面积愈来愈大，已不适应城市发展的需要。用水对滤层进行反冲洗以去除滤层中的积泥是一项重要发明，它在几分钟内就能将滤层中积泥清除，使提高滤池负荷成为可能，从而发展出快滤池。试想如果没有这项发明，城市饮用水净化工艺将会长期停留在慢滤池阶段，可以看出水反冲洗对发展饮用水净化工艺的重要意义。不仅如此，现今一切以颗粒材料过滤为特征的水处理工艺，都是以反冲洗为基础而发展起来的。快滤池和混凝沉淀池（1）𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎但提高滤速后，自然过滤后水的浊度过高，不能满足氯消毒的要求，向水中投加混凝剂对水进行混凝，使水中胶体聚集成较大粒子，可被滤层去除，从而使快滤池出水浊度显著降低。当原水浊度较高时，会使快滤池负荷过大，影响其经济性，故需于滤前设置沉淀池以部分地去除水中的浊质，这就是混凝沉淀池。将以上构筑物组合起来，形成以下工艺:快滤池和混凝沉淀池（2）河湖原水混合反应池混凝沉淀池快滤池出水氯消毒氯混凝剂𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎澄清池与气浮池在立式沉淀池运行中，有人发现池中能形成絮体悬浮层，能使净水效果显著提高，从而研发出澄清池。用机械搅拌驱动方法实现池内泥渣回流以使进水与之接触，称为机械循环澄清池。用上向流进水方式，使进水与悬浮泥渣层接触，称为悬浮泥渣澄清池。对于藻类或细微絮体，因其在池中沉淀甚慢，沉淀效果不佳，为提高去除浊质效率，借鉴选矿中的气浮技术，向水中释放细微气泡，使其附着于絮体上，能显著提高絮体上浮速度，提高固液分离效率，称为气浮净水技术或气浮池。在不同水质条件下，可用澄清池或气浮池替代沉淀池与快滤池组合，形成相应的净水工艺。以上为1949年以前国外城市饮用水净化技术发展的概况。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎建国前城市净水技术发展概况1949年10月1日，中华人民共和国成立，我国进入了一个新的发展时期；1949年前全国只有72个城镇建有自来水厂，大部分在沿海地区，且供水量很小，其中供水量昀多的上海，也仅十余万m3/d；供水量超过万m3/d的仅有数座城市。大多数城镇以地下水为水源，一般没有水处理设施，少数以地面水为水源的城镇，主要采用以“贮水池—慢滤池—氯消毒”及“混凝—沉淀—快滤—氯消毒”水处理工艺；那时城镇供水普及率很低，自来水主要供给租界区、富人区、商业区及部分工厂。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎建国头三十年（1949-1979）城市供水建国初期，我国一穷二白，百废待兴。经过一段恢复期后，我国开始了第一个五年计划的建设，1952年，设有自来水厂的城市已增加到82个。当时我国采用的是“向苏联一边倒”的策略，第一个五年计划的重点是在苏联援助下进行工业建设，以钢为纲，执行“先生产后生活”的政策，而城市给水排水设施建设被归入“生活”类，所以与建国前相比虽发展较快，但远远跟不上国民经济发展的速度。至1960年，设有供水设施的城市已增至171个，城市水厂增至326座；1980年，城市水厂增至554座，年均仅增加10座。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎在“一边倒”策略指导下，教育界采用苏联教育体制及教材，聘请苏联专家，按苏联模式培养学生，所以教育界和工程界学习苏联成为那时的主流。那时城市供水净化工艺主要是由苏联引进的常规工艺，即走的是一条“引进—消化—再创新”的技术路线。建国后1950年制定了第一部供水水质标准，共11项，其中浊度要求小于15mg/L；1955、1956、1959年曾作了3次修改，1976年颁布了“生活饮用水卫生标准”（TJ20-76），有23项水质标准，其中浊度要求不高于5度。由苏联引进常规工艺𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎高负荷成为“先进性”的标志—提高滤速第一个五年计划（1952-1957）的口号是“多、快、好、省建设社会主义”，追求高负荷成为净水技术发展方向。由于那时对水质要求不高，为高负荷提供了发展的可能。慢滤池由于滤速很低，占地面积大，已普遍改为快滤池。引进了苏联的“反粒度过滤”的概念，采用双向过滤滤池（AKX滤池）、双层和三层滤料滤池等，将滤速提高到10m/h以上。引进苏联的接触凝聚技术，采用接触澄清池（上向流接触滤池）可省略混凝反应和沉淀构筑物。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎减少反应时间、提高沉速一般混凝反应时间为15～20min，甚至更长。引进了GT值控制絮凝效果的理论，提出增大G值可以减小T值（反应时间），为了既减少反应时间又保证反应效果，研发出各种变梯度（G）的新型反应装置，如回流隔板反应池，折板反应池，涡流反应池等，将反应时间减少至15min以内，甚至10min以内。引进澄清池，可使截留沉速比沉淀池提高一倍，达到1.0mm/s左右，沉淀时间减少至1.0h左右。北京市政院和北京水司较早地成功在北京设计和应用机械加速澄清池，其时间昀长、规模全国昀大。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎浑水异重流和现代平流沉淀池哈工大较早系统地阐述了浑水异重流对沉淀池内水流工况的影响。理想沉淀池理论只考虑了水对泥沙颗粒物的作用，而忽视了泥沙对水的作用。含泥沙的进池浑水的比重比池内清水大，故潜入池下部运动形成浑水异重流，这也是沉淀池水流的基本流态，从而对理想沉淀池理论作了补充与完善。按照浑水异重流的特点，指出表面集水的重要性，指出上向流斜板斜管沉淀装置对浑水异重流昀适应，而下向流和平向流斜板斜管沉淀池则易受浑水异重流的影响。建国初采用的平流沉淀池，表面负荷只有0.5mm/s，沉淀时间2-4h。20世纪80年代，上海市政院设计出浅而长，大流速的新型平流沉淀池，使浑水异重流的影响得到控制，并采用虹吸连续自动排泥及与清水池合建的技术措施，在大型水厂中获得成功，是一个突破，现已成为大型水厂的主流工艺构筑物。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎斜板斜管沉淀技术（1）1904年，哈真提出了平流池的浅池理论，即在保持同样沉淀效果的条件下，池深减小数倍可使池长和沉淀时间相应地减少数倍，从而大大降低沉淀池的建设费用。工程界曾作多年努力进行多层沉淀池试验，皆因排泥困难而未获成功。20世纪60年代，日本医务工作者博伊科特在用试管进行血沉测定时，发现试管倾斜会使沉降加速。水处理工作者根据这一现象，研发出了斜板斜管沉淀装置。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎斜板斜管沉淀技术（2）斜板斜管沉淀装置极大地减小了沉降距离（池深），同时又利用斜面解决了自动排泥问题，可见这是浅池理论发表经历了半个多世纪后才实现的一大突破，它使表面负荷提高数倍达到了3mm/s，沉淀时间减至0.5h，是一项高效沉淀技术。将斜板斜管沉淀装置设于平流沉淀池出水区，或设于澄清池清水区等，发展出多种复合工艺，可使沉淀装置负荷进一步提高。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎以水力调控设备取代机电设备建国初期，我国钢产量低，技术能力薄弱，机电产品质低价高，所以工程界纷纷采用和开发水力调控构筑物来取代机电设备，这是那个阶段我国工艺设备的特点。大多采用水力混合设备和水力作用的反应池，采用机械混合和机械搅拌反应构筑物的很少。采用悬浮澄清池较多。采用脉冲澄清池时，发明出水力调控的钟罩装置取代引进的真空抽气装置，使脉冲澄清池得到推广；参考机械加速澄清池的工作原理，开发出水力循环澄清池，在中小型设备中得到广泛应用；为减少快滤池的阀门，引进无阀滤池；无阀滤池巧妙地利用多种水力作用原理，设计出全水力控制的自动化滤池，是一个范例。在其启发下，还研发和引进了虹吸滤池、单阀滤池、双阀滤池、移动罩滤池等，使滤池阀门数量显著减少，甚至不用反冲洗泵，降低了建设费用。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎混凝剂及助凝剂的发展建国初期，我国水厂普遍采用明矾作混凝剂，以后开始采用硫酸铝以及三氯化铁。20世纪70年代，国外开始研发无机高分子混凝剂─碱式氯化铝，我国紧随其后研发出多种碱式氯化铝，并开始在水厂使用，混凝效果有了一定程度提高。建国初期，我国已经开始使用活化硅酸为助凝剂，特别是天津水司将活化硅酸与硫酸亚铁联合使用，取得较好效果。用活化硅酸作助凝剂在我国部分水厂得到推广应用。在这30年里，先后经历了三年自然灾害和十年文革，使国民经济包括水业及净水技术的发展受到很大影响，发展缓慢。𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎𶐎高浊度水处理我国黄河是世界含沙量昀高的河流之一，高含沙水的处理是净水技术的一大难题。我国特别是西北市政院经多年研究和工程实践，成功采用预沉+常规处理的净化工艺，建成直径达100m的带刮泥桁架的辐流式沉淀池。兰州水司研发出“高分子絮凝剂—阴离子型聚丙烯酰胺（PAM）絮凝高浊水”的技术，大大提高了水中泥沙的去除效率。高浊度河水泥沙浓度高，变化快，特别是泥沙浓度及浊度检测困难，难以进行投药控制。20世纪90年代，在英国伦敦大学学院（UCL）的絮凝颗粒尺寸检测技