浅析城市供水水源现状及发展趋势

第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
水是生命之源,在人类社会的发展长河中充当着不可替代的角色,对工农业生产、经济发展和社会进步起着至关重要的作用。在古代社会,人类在有限的知识和能力下,努力适应水环境变化,开发利用水资源,以满足基本生活需要;随着人类社会的不断发展,现代社会对水资源的需求和利用标准也在不断提高,以期达到多目标开发利用,同时实现社会发展、经济效益和生态和谐。随着社会发展的不断进行,人类对水资源开发利用的诸多问题也逐渐暴露出来,水资源短缺和污染问题日益严峻,饮用水源的污染问题尤其恶劣,因此要不断改进和发展水处理工艺,保障人们生活用水需求。
1.1.1城市供水水源现状及发展趋势
地球上总水量约为13.86亿km3,但淡水储量仅占世界水总储量的2.53%,约为3500万km3,其中人类可开发利用的水资源量仅有1000万km3,约占淡水总量的30.4%[2]。我国国土面积广大,地域辽阔,国土面积达960万km2,处于季风气候区域,东南、西南和东北地区降雨量充沛,因此水资源总量比较丰富。但是,我国同样又是一个人口众多的国家,所以人均水资源占有量仅为2300m3,只相当于世界人均占有量的1/4,美国的1/6,俄罗斯和巴西的1/12,加拿大的1/50,排在世界第121位,处在严重缺水边缘。从未来的发展趋势看,自然界所能提供的有限水资源已经不能满足社会发展对水的需求,突出的供需矛盾使水资源成为国民经济发展的重要制约因素,主要表现在水量短缺严重,分布极不均匀,水源污染严重,“水质型缺水”突出[2-3]。
在城市给水水源中,地下水源是我国十分重要的饮用水水源,约有1/3人口饮用水源来自地下水,特别是我国北方城市和广大农村地区。因水资源短缺危机,为满足人口数量增长带来的用水压力,地下水开采负荷严重超标,造成许多地区地表大面积沉降,大量污染物下渗,进一步造成地下水污染。地下水的自净和循环能力弱于地表水,一旦造成破坏,需要几十年甚至上百年才能恢复,给人民的生活健康造成极大危害。地下水污染物主要包括有机物、硝酸盐、重金属、有毒有机物、氟化物、铁锰等,来自于生活污水、工农业生产废水、海水入侵等。目前,我国地下水供水量占总供水量的18.2%,地下水污染总体呈由点到面的发展趋势[4-7]。在目前全国已监测的857眼监测井中,仅有2%达Ⅰ、Ⅱ类水质标准,适用于各种用途;21.2%达Ⅲ类水质标准,适用于集中式生活饮用水水源;其余76.8%适合除饮用外其他用途[4]。
地表水污染状况以江河、湖泊污染较为严重。近几年,随着国家对河流水系整顿力度的加大,大部分河流水系的污染恶化趋势得到控制,淮河等水系干流水质出现了改善趋势。根据2011年水利系统对全国水资源质量的监测资料显示,全国全年Ⅰ~Ⅲ类水河长比例为64.2%,比2010年提高2.8个百分点,相较2009年提高5.3个百分点。湖泊水的主要污染项目是总磷、总氮、高锰酸盐指数和BOD5,在2011年评价的103个主要湖泊中,中营养湖泊占31.1%,富营养湖泊占68.9%。Ⅰ~Ⅲ类的水面占总评价水面面积的58.8%,相较2010年减少0.1个百分点,比2009年提高0.4个百分点。水库水的主要污染项目是总磷、总氮、高锰酸盐指数、COD和BOD5,在2011年评价的471座主要水库中,中营养水库占71.2%,富营养水库占28.8%。Ⅰ~Ⅲ类水库数量占评价水库总数的81.1%,相较2010年提高3.1个百分点,比2009年减少0.1个百分点[2,4]。总体来说,水库水质优于湖泊和河流水质,河流水质有好转趋势,湖泊和水库水质呈现稳定状态,富营养化问题应引起足够重视。
1.1.2 水库原水水质特征
水库原水的主要水质特征是季节性变化,主要表现为:雨季因降雨径流冲刷地表,将地面污染物带入地表水中,极易出现突发高浊情况;冬季水温较低,一般为0~-4℃, 浊度较低可低于10NTU,属典型的低温低浊情况,这种情况可持续4-5个月之久;其余季节属于常温常浊情况[8-9]。
水库原水污染主要有两个典型特征,分别是富营养污染和底泥引起的二次污染[2]。水体富营养化是由于水中氮、磷、有机物含量增加,促使藻类大量繁殖,消耗水中溶解氧,以致水体透明度下降,大多数水生动物和植物死亡,水质不断恶化。底泥对水体的污染,一是消耗水中的溶解氧,造成底部贫氧或厌氧状态;二是沉积物质的再悬浮,造成水体的二次污染;三是向水体释放N、P,这种情况是冬季时水库水质污染的一个主要原因。
水库原水水质有明显的季节性特征,并存在富营养化问题。因此,对水库原水进行处理的技术路线是:重点解决低温低浊和富营养化水处理技术难点,保证突发高浊时期的出水水质稳定,提高常温常浊状态时的处理效果,保障全年的安全稳定供水。
1.1.3 研究意义
总体来看,我国人均水资源量占有量不足世界人均占有量的1/4,且近年来我国饮用水水源污染情况相当严重,给水水源的选择也受到了极大的局限性,许多中小城市及城镇的给水水源均来自水库。本文主要研究气浮净水工艺的设计及应用,具有以下几方面的意义:
(1)针对水库原水的季节性变化特征,总结国内外处理低温低浊、富藻水体的常用工艺,提出了以气浮法为核心的净水工艺流程,为水库原水的处理提供可行方法。
(2)通过气浮原理分析和气浮系统组成分解,研究气浮效果的影响因素,以采取合理措施或选取合理参数优化气浮工艺设计。
(3)实地考察工程实例,深入了解浮沉池和浮滤池的处理效果,总结各种气浮组合工艺的优缺点和适用范围,为气浮组合工艺的设计和应用提供参考。
1.2 研究现状
针对水库原水水质特点,处理工艺的难点主要集中在两个方面,一是低温低浊水处理,二是微污染水处理。下面着重介绍这两种水质特点的水处理方法技术及适用范围。
1.2.1 低温低浊水处理技术研究现状
水温是混凝剂水解反应的重要影响因素之一,水解反应为吸热反应,低水温时水解反应速度缓慢,在常用的混凝剂中,铝盐受水温影响较大。低温使水的粘度增大,相应的增加了水流的剪切力,对水中微小颗粒碰撞、凝聚和絮体的生长产生了不利影响,絮凝速率和颗粒沉降速度也随之减小,使絮体疏松,密度下降,沉降性差。低温还减弱了微粒间的布朗运动,不利于微粒间碰撞,低浊降低了微粒之间的碰撞机率,不利于微粒的聚凝成长[11-13]。采用常规处理工艺处理低温低浊水时,絮凝反应速度较慢,生成的絮体不易沉降,这是处理低温低浊水的难点所在。
从低温低浊水质特点入手,众多科研工作者一直在不断研究和改善处理工艺,目前主要采用的技术包括强化混凝法、泥渣回流法、微絮凝过滤法、气浮法等[14-19]。
强化混凝法是通过优选混凝剂和助凝剂,减弱水温对混凝效果的影响,提高混凝效率。混凝剂的优选要针对不同原水水质特点,浊度、温度、PH值都会影响混凝剂使用种类、投加量、投加方法等。常用活化硅酸作为助凝剂,并与Al2(SO4)3和FeCl3配合使用,利用它对胶体的吸附架桥作用,提高絮体密度和强度。
机械循环澄清池和水力循环澄清池是泥渣回流法的典型应用。澄清池将絮凝和沉淀过程集中在同一构筑物中,当脱稳杂质随水流和活性泥渣层接触时,被泥渣层阻流获得澄清。机械循环澄清池和水力循环澄清池是采用不同的方法实现泥渣回流,泥渣回流增加了原水中的杂质颗粒,增大了颗粒碰撞机会,且泥渣与杂质颗粒粒径相差较大,絮凝效果较好[20-21]。
低温低浊水还可以考虑采用微絮凝法进行处理,该法是在滤池前设置一个简易的微絮凝池,原水经加药混合后先进入微絮凝池,形成粒径约为40-60μm的絮粒,然后直接进入滤池过滤,滤料作为接触絮凝的介质,与微絮粒充分碰撞接触和粘附。微絮凝过滤所用滤料一般采用双层、三层或均质滤料,滤料粒径和厚度要适当增加,原水经微絮凝后所形成的絮粒不宜过大,以免堵塞滤层表面孔隙。
以上这些方法中,强化混凝过程对低温低浊水的处理效果比较理想,但增加了药耗成本,对水质安全性也有一定影响;采用泥渣回流法可能带来重金属、细菌积累等问题;微絮凝过滤工艺简单,混凝剂用量少,可以较好的处理低温低浊水,在美国和北欧等国家应用广泛,但因省略沉淀过程增加了滤池负荷,适用于小型水厂 [12]。采用溶气气浮法处理低温低浊水,气泡与微絮粒粘附,借助气泡上浮去除杂质颗粒,克服了低温低浊对絮体分离的影响;气浮法还可以高效处理密度小、不易沉淀的絮体;气浮法通过向水中释放空气,增加了水中含氧量,对出水水质的提高也有一定积极作用[24-26]。由此可见,气浮法在处理低温低浊原水时,具有一定的优越性。
1.2.2 微污染水处理技术研究现状
微污染水源水是指受到较低程度的污染,根据地表水环境质量标准(GB3838-2002)规定,部分水质指标超过Ⅲ类水体标准,但仍可作为饮用水水源的水[27]。其特征是原水中的有机物、氨氮、磷及有毒污染物指标有所升高,并造成水中藻类大量繁殖,水体富营养化现象严重。氨氮过高不仅使水厂消毒加氯量提高,还会导致管网中亚硝酸菌滋生,残留的有机物会引起管道中异养菌生长。藻类密度较小,难以用沉淀方式去除,且藻类会散发腥臭气味,使用液氯进行消毒时,不仅不能完成消除嗅味,还有可能产生新的致臭物质或消毒副产物三卤甲烷,饮用水质量和安全性下降;藻类在水中呈悬浮状态不易脱稳,有穿破絮体的可能,影响出水水质;藻类进入滤池中会堵塞滤料孔隙,造成过滤周期缩短,反冲洗水量增加。 [28-29]。
因微污染水源水中污染物浓度低,现有常规处理工艺(混凝、沉淀、过滤、消毒)对微污染水源水中的有机物、氨氮、藻类等污染物的去除率较低[30]。根据原水水质和出水水质要求,针对微污染水原水的现状,可行的处理技术主要包括预处理技术、常规强化处理技术以及深度处理技术三个部分[31-32]。
第六章 结论与建议
6.1 结论
本文以水库原水为研究对象,采用以气浮法为核心的水处理工艺,从气浮工艺的机理入手,探讨了气浮池各组成系统的优化设计,并根据工程实例和现场参观,分析比较了多种气浮组合工艺的优缺点,最终结合歙县第二自来水厂原水水质情况,选择侧向流斜板浮沉池做为其主要处理工艺,完善二期工程净水工艺设计。主要结论如下:
(1)水库原水的水质特征主要表现为:雨季极易出现突发高浊情况,冬季出现典型的低温低浊情况,部分月份处于微污染状态,藻类等有机物含量较高,其余季节属于常温常浊情况。因此,对水库原水进行处理的技术路线是:重点解决低温低浊和富营养化水处理技术难点,保证突发高浊时期的出水水质稳定,提高常温常浊状态时的处理效果,保障全年的安全稳定供水。
(2)气浮法的基本机理是在水中产生微细气泡,使其与水中的疏水性物质粘附,形成整体比重小于水的絮粒上浮达到去除目的。低温低浊时采用传统工艺形成的絮体结构松散,沉降性能较差,藻类通常密度较小,也属于沉降性能较差的污染物,采用气浮工艺可以将这些沉降性能较差的絮体通过上浮方式去除,处理效果显著。
(3)气浮法净水按照气泡产生的方式,可分为电解气浮法、生物及化学气浮法、散气气浮法和溶气气浮法,其中以溶气气浮法中的压力溶气气浮法最为常用。压力溶气气浮工艺由压力溶气系统、溶气释放系统、气浮分离系统组成,每个系统都有其对应的效率影响因素,如溶气罐中的填料类型及高度影响溶气效率,溶气释放器的选择影响形成的微细气泡的数量与大小,回流比、上升流速、气浮池的池深等因素影响气浮工艺的处理效果等。通过合理选择溶气、释气设备,优化气浮池设计,可以提高气浮池出水水质。
(4)针对水库原水的水质特点,通常采用单一的气浮工艺并不能应对原水水质变化要求,此时可以考虑气浮组合工艺,如浮沉池、浮滤池等。通过浮沉池和浮滤池的实际运行发现,这两种组合工艺均有良好的处理效果和不错的适应性。采用熵权理想点法对气浮组合工艺进行综合评价,可得五种气浮组合工艺的优劣排序为侧向流斜板浮沉池>平流式浮沉池>双层沉淀气浮池>逆向流浮滤池>传统浮滤池。
6.2 建议
由于诸多因素的限制,本文的研究方向更侧重于工程设计和应用方面,气浮法工艺在以下几个方面还有待深入研究:
(1)根据不同原水水质,通过实验确定气浮池设计的参数选值,如混凝剂投加量、回流比、上升流速等,为不同原水水质的气浮池优化设计提供数据参考。
(2)进一步进行气浮池浮渣成分、处置及利用研究。

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