戚盛豪

　　1、前言

　　近年來，針對我國水資源污染較為普遍的現狀，對微污染水源的處理技術開展了大量的研究，取得了很大成果。生物預處理和臭氧——活性炭深度處理已開始在工程實踐中得到應用。相對來說，對于常規處理技術的開發研究，顯得較為薄弱。
　　以“混凝--沉淀--過濾--消毒”組成的常規凈水工藝是給水處理的核心，它不但是出水濁度和細菌指標的重要保證，而且對于去除部分有機物和微量污染物質也具有一定的作用。同時，常規處理目前仍是凈水工藝中應用最為廣泛的處理手段。因此，對于常規處理技術的研究具有十分重要的意義。
　　應該說，通過長期來對常規處理技術的研究和大量的生產應用實踐，積累了較為成熟的經驗。采用的工藝和構筑物形式一般已能適應各種水源的凈水處理要求，于是也就降低了進一步開展對常規處理研究的迫切性。
　　在凈水廠設計中，采用靜態混合器混合、折板絮凝、平流沉淀池沉淀和氣水反沖均質濾料濾池過濾，幾乎成了目前一種比較固定的模式。當然，上述概念的形成也是通過長期來對各種凈水構筑物進行比較而形成的，具有一定的合理性。但是，事物是需要發展的，常規處理工藝也一樣，也需要不斷開發、創新，在實踐中不斷探索和完善。
　　本著這一想法，本文就助凝劑的應用以及混合、絮凝、沉淀、過濾等構筑物形式提出一些粗淺的不成熟的設想，以供大家討論，目的是引起大家對繼續開展常規處理工藝研究的關注。

　　2、有機高分子絮凝劑的應用

　　對有機高分子絮凝劑在混凝過程中的作用，理論上已有很好的認識。有機高分子絮凝劑通過粘結架橋作用，可使形成的絮粒粗大、密實，具有較好的沉降性能，有利于在沉淀構筑物內沉降分離。
　　歐洲一些水處理公司推薦的沉淀構筑物，其采用的設計指標明顯高于我們。例如，德利滿公司的Densadeg、OTV公司的Actiflo等，除了采用其它一些措施外，一個很重要的因素是采用了高分子絮凝劑。
　　在我國目前對高分子絮凝劑的應用還僅限于高濁度水和個別低溫水的處理，作為常用的助凝劑還未得到普遍的采用。
　　之所以高分子絮凝劑未能得到普遍應用主要有二方面的原因：一是擔心聚丙烯酰胺中丙烯酰胺單體的毒性；另一是可能引起藥劑投加費用的增加。
　　關于丙烯酰胺的毒性問題，我國從1968年開始進行了長達14年的動物毒理實驗，在此基礎上并參考其它國家的衛生標準，提出：“在飲用水中，聚丙烯酰胺最高允許濃度，經常使用時為1mg／l，非經常使用時為2mg／l。”同時對聚丙烯酰胺產品也制定了國家標準(GB17514—1998)，規定用于飲用水的單體含量應小于0．05％。
　　美國“EPA現行一級飲用水水質標準(1996，10)”要求：使用聚丙烯酰胺的投藥量為1mg／l時，其單體丙烯酰胺含量應≤0．05％。世界衛生組織《飲用水水質準則》(第二版)中規定：飲用水中丙烯酰胺的指標值為0．5μg／l。上述標準與我國制定的標準是一致的。
　　作為對水質要求較高的歐共體國家，其應用聚丙烯酰胺作為絮凝劑在世界各國中也最為普遍。
　　因此，只要在水處理中嚴格控制聚丙烯酚胺的投加量，從衛生角度考慮應該是安全的，而一般在常規處理中，聚丙烯酰胺的投加量多在0．5mg／l以下。
　　關于投加聚丙烯酰胺增加的費用，按每噸25000元計，每千噸水約增加成本10—15元，即每噸水增加0．01—0．015元，上述費用對于大多數水廠來說，應該還是可以被接受的。
　　由于采用有機高分子絮凝劑可以帶來沉淀處理構筑物效率和水質的提高，因此對于其應用值得加以關注。

　　3、混合

　　近年來，靜態混合器己成為設計中首選的混合形式，在不少工程中得以廣泛應用。
　　靜態混合器由于具有構造簡單，不需要經常維護，一般也能取得較好的混合效果，而被廣大用戶所歡迎。但是，靜態混合器也有二個主要缺點：一是其混合效果隨水量的變化明顯；二為消耗的能量較高。
　　快速混合要求瞬間提供較高的G值。靜態混合器的G值依賴于水流自身的能量損失。海水量發生變化時，其能量損失也隨之改變。苦水量增加一倍，水頭損失為原水頭損失的4倍，混合時間則為原來的1／2，因此G值相應增加了2．8倍(G∝（H/T）1/2。由于G值的變化，必須會影響混合效果。
　　水廠的運行水量隨著季節而有明顯改變。當以最大流量作為設計的控制條件時，小水量時就難以達到理想混合要求的G值。對于投產初期流量更小時，混合效果更難以得到保證。
　　此外，靜態混合器的能量損失較大，一般水頭損失多在0．6m以上，甚至有超過1m的。也就是說，每千噸水消耗的功率為2．0—3．5kW。據日本《水道設施設計指針》中的有關資料，采用機械混合的軸功率每千噸水僅為0．6—0．9kW。由于靜態混合器本身沒有動力設備，其能量損失反映在原水提升泵房揚程的提高，因此往往不易被察覺。
　　針對靜態混合器存在的一些問題，開發研究新的混合形式有必要引起重視。
　　圖1所示為國外有關資料介紹的二種混合方式。方式(a)是在進水主管上提取部分原水，與藥劑混合后，通過噴射擴散于原水水體，達到快速混合的目的，混合時間約0.5s，G值達1000S-1。方式（b）采用外加動能的方法，進行管道混合，它可以根據需要提供不同的G值，這二種方式都避免了因水量變化對混合效果的影響，可以作為我們開發新混合形式的參考。

　　4、絮凝

　　目前被廣泛采用的折板絮凝，與傳統的隔板絮凝相比有了很大改進，作為絮凝過程中的能量消耗不再集中于轉折處，而是通過水流在折板間流動產生的旋渦較均勻地分散于絮凝過程。
　　但是，受構造的限制，折板絮凝在完成絮凝全過程中的G值分布還是屬于階梯式。一般設計將折板絮凝分為三段，各段采用不同的G值指標。此外，折板絮凝的水頭損失由折板間損失和轉彎處損失二部分組成，要做到完全的有機結合也存在一定困難，這些都與絮凝過程理想的G值分布還有一定差距。
　　眾所周知，為了達到完善的絮凝，除了要使顆粒具有良好的絮凝性能(主要通過加藥和混合實施)外，絮凝池應能提供顆粒間充分的接觸碰撞機會而又不致破碎。
　　要使顆粒獲得較高的接觸碰撞機會，就要求水流提供較高的G值，而較高的G值又會帶來水流對顆粒切應力的增加，造成顆粒破碎。因此，尋求二者之間的平衡是絮凝池設計的關鍵。
　　顆粒在絮凝池中的成長過程是漸變的，從最初細小的微絮粒逐漸形成為易沉的粗大絮凝。在初始階段，顆粒細小，可以承受破碎的剪切應力大，為了達到充分的碰撞機會，就應采用較大的G值。隨著絮凝過程的進行，為了不使絮粒破碎，G值將逐漸降低。理想的G值分布應使絮凝過程的任何一點都處在不致造成絮粒破碎的最大G值。當然，這只是理論分析，實際上由于存在顆粒的不同粒徑分布，情況要復雜得多。但是，絮凝池設計采用連續的而不是間斷式的G值降低是一個合理的選擇。
　　圖2所示為一多孔介質絮凝的構想。水流在多孔介質的孔隙間竄行，產生顆粒的相互碰撞聚集。由于水流斷面不斷擴大，流速相應降低。水流通過介質的水頭損失與流速呈一次方關系，因此沿程的G值變化呈1／2次方連續衰減，較符合理想G值變化的要求。如果隔板不采用直板，而用弧板，則可產生另一形式的G值變化。此外，還可改變介質的粒徑(水頭損失與粒徑平方成反比)，來改變G值的變化過程。對于不同原水，要求的G值分布規律也不相同，需要通過攪拌試驗和分析確定，而這種形式的布置將為適應G值變化提供了較大靈活性。從構造上看，這種池型非常簡單，而且還能很好地做到沿池寬方向的布水均勻。

　　雖然國外也有與上述構想類似的介紹，但仍需進行試驗和驗證，對于采用多孔介質進行絮凝，作者早期曾在某小型水平沉淀池的旋流絮凝后增設多孔介質絮凝，取得較好效果。

　　5、沉淀

　　平流沉淀池由于其構造簡單、不需經常維護、適應水量、水質變化的能力強，而被大家所歡迎，成為當前沉淀構筑物的首選形式。
　　但是，平流沉淀池也存在著表面負荷較低，占地面積大等缺點。根據理想沉淀池原理，沉淀池宜采用淺型，然而由于需與后續工藝在高程上的銜接，平流沉淀池往往無法做得過淺。
　　五十年代末六十年代初國內曾對多層多格沉淀池開展了廣泛的研究。從一些水廠的改造效果看，在相同池體積的條件下，多層多格沉淀池的制水能力得到了很大提高。然而由于多層沉淀他的排泥問題難以解決，給生產運行帶來很大麻煩，因而未得到推廣應用。
　　國外對雙層沉淀池和三層沉淀池都有所應用，我國香港馬鞍山水廠也采用了三層沉淀他的布置。這些雙層或三層沉淀池大多采用串聯布置的形式，同時僅在進水的第一層設置機械排泥措施，其它各層則還需定期人工清洗。采用串聯的形式，使已沉至池底的顆粒重又翻起，會影響整體的處理效果。
　　圖3所示為一雙層沉淀池的構想，每層有效水深可控制在1．8—2．0m。水流采用并聯形式，避免沉泥翻起影響處理效果。估計處理能力可較相同體積單。層平流沉淀池增加40—50％。

　　這種池型最大的問題是需要解決下層沉淀池的排泥問題，上層沉淀池的排泥仍可采用目前應用成熟的泵吸或虹吸式機械排泥裝置。
　　隨著環保設備開發能力的增強，相信能找到適合下層排泥的裝置形式。圖中所示的刮板排泥似乎也可作為一種考慮。池底每隔一定距離沒有一道刮板，在短距離范圍內來回移動，逐級將泥推向集泥槽。向集泥槽移動時，刮板向下，推動沉泥前進；退回原位時，刮板翻起，避免對沉泥的干擾。
　　雖然雙層沉淀池增加了排泥設備的費用，但是由于沉淀池體積的減小，并不會帶來造價的增加，相反可減少占地而積以及與后續處理構筑物在高程上更好銜接。

　　6、 過濾

　　縱觀給水過濾形式的發展，無不環繞濾料級配和沖洗方式二個主要環節，二者又存在著密切聯系。最早應用的慢濾池，由于采用表層刮砂清洗，因此濾料粒徑較細，以形成表層過濾。由于刮砂清洗費時費工，為延長運行周期，只能以低濾速運行。快濾池最大的突破是應用了水力反沖，有條件使周期大為縮短，因此可以采用較大的濾料粒徑，以加大截污能力，同時大幅度提高濾速。但是水力反沖造成上細下粗的濾料級配，限制了濾層截污能力的發揮，于是有了雙層、多層濾料以及均質濾料的出現。盡管是均質濾料，但它仍存在一定的大小級配，因此就要求反沖時不產生水力分級。不產生水力分級的水沖強度不足以保證濾料的清潔，于是就出現了氣水反沖。因此，對于濾池的研究主要還是圍繞于濾料級配和沖洗方式。
　　對于濾料級配目前多傾向于采用較粗粒徑。為保證出水水質，相應采用較深的濾層。
　　雖然采用較細粒徑有利于提高水質和減小濾層厚度，但存在著水頭損失增長迅速，過濾周期大為縮短，因此難以推廣應用。
　　由于期終過濾水頭損失中很大一部分是出濾料截污引起的，如果能使濾料始終保持清潔狀態(或準清潔狀態)，則過濾水頭始終處于定值，且大大小于期終水頭損失，這也就有可能在較高濾速下應用細粒徑濾料。此外，過濾水頭保持定值，還可避免運行中通過出水閥門調節來控制濾池水位而造成的能量損失。
　　要保持濾料始終處于清潔(或準清潔)狀態就需要對現有的沖洗方式加以改進。
　　現有的沖洗方式(包括單水反沖和氣水反沖)存在的—個缺點就是其反沖對象不是集中在截污的濾料，而是整個濾層，因此反沖水量較大。如果能集中對部分截污濾料進行清洗，有可能沖洗水量會有所降低，濾料清潔程度更高。
　　圖4 所示為一連續過濾濾池的設想。濾料采用比重小于水的細粒徑濾料，便于濾料的連續清洗回用。由于采用了細濾料，懸浮顆粒大部分截留于濾料表層。被截污的濾料不斷被抽吸至池外，通過專用的清洗裝置加以清洗，清洗后濾料送回上部濾層。因此，濾料始終在工作層范圍內循環，不斷得到清洗更新。為防止濾料可能的清洗不夠清潔，故設有一定厚度的保護層(采用相同濾料)。若保護層也被污染，則可降低水位，利用清洗裝置多次重復清洗，直到完全清潔為止。

　　由于濾池始終處于準清潔狀態，因此，在運行過程中水頭損失不增大，故可采用較高濾速，濾層采用細粒徑，有利于水質提高，濾層也可較薄。由于沖洗集中于截污濾料，水量消耗可較少。
　　要實施這一設想，很重要的環節是清洗裝置的開發，還有待于作進一步研究。

　　7、結束語

　　以上所述部分內容僅為一些初步的構想，并不是作為一個成熟的技術加以介紹，目的是引起大家對進一步開展給水常規處理技術研究的興趣，起到拋磚引玉的作用。