农村乡镇自来水厂制水工艺方案比选浅析

黎晓光

【摘 要】“民以食为天，食以水为先”。水是人类生存和繁衍的基本要素，又是社会物质生产不可缺少和替代的战略资源。通过“十一五”和“十二五”国家大力推进农村安全饮水工程的建设，如今我国约30%的农户家庭接入的自来水，改善了农民的生活条件，提高了农村居民的生活水平。那么自来水厂如何地制好水？供好水？如何确保老百姓的饮用水洁净、卫生、安全、便是乡镇自来水厂的重要职责。笔者从事乡镇农村饮水工程管理多年，结合乡镇自来水厂的制水和供水过程从自来水生产的角度浅析传统的制水工艺和制水流程，通过比选确定最佳的制水工艺和制水方案，确保百姓喝上卫生、安全的自来水。

【关键词】加药；絮凝；沉淀；过滤；消毒

0.引言

我国早期的乡镇自来水厂一般始建于上世纪九十年代，由于供水规模小、生产设备简陋，无加药和消毒设施。水质差、水压低、定时供水，水的安全性和方便程度都不达标。经济效益差，基本处于亏本和倒闭状态，农村居民饮用水特别困难。自“十一五”起国家开始实施的农村饮水安全工程，建设乡镇规模化水厂，解决广大农民的饮用水不安全问题。如何建乡镇规模化水厂？采用什么制水工艺？使得自来水厂能过在创造社会效益的前提下，获得一定的经济效益，并能够持续健康的发展下去，是摆在水利人面前的一个课题。笔者通过几年在农村供水工程管理岗位上的感受和实践经验，就乡镇规模化水厂的制水工艺方案比选做一浅析，和水利人共同学习，不足之处请批评指正。

1.自来水的水处理目和水处理过程

水库原水的水体由于大自然客观因素和人为因素的共同作用，使得原水水体里含有各种各样的有机物和无机物杂质。他们分别以悬浮物、胶体、溶解物三大物态形式存在于水体中。自来水厂的水处理的目的就是去除原水中这些会给人类生活、健康和生产带来危害的悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及生产的需要。

自来水的处理过程为：取水→加药→絮凝→沉淀→过滤→消毒→供水。与之相关的建筑物和构筑物有：取水口、取水泵房（俗称一泵房）、絮凝池、沉定池、过滤池、清水池、加药间和供水泵房（俗称二泵房）。通过以上制水过程和制水建构筑物的描述不难看出，制水的关键在，一是水的絮凝，二是水的沉淀，三是水的过滤，四是水的消毒。水的絮凝、沉淀、过滤和消毒有多重方式，如何选择经济高效的制水工艺便是摆在水利人面前的一个课题。

1.1絮凝原理、絮凝过程和絮凝池的选择

自来水常用的絮凝剂普遍为聚合氯化铝无机高分子化学物品，其水溶液能强烈吸引胶体微粒，通过黏附电中和、黏附架桥和交联作用，促进胶体凝聚，同时还发生物理化学变化，中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷，从而使胶体离子发生互相吸引作用，破坏了胶团的稳定性.促进胶体微粒碰撞，形成了大颗粒絮状物，以利于从水中分离、沉降下来。这便是水的絮凝原理。

水库原水通过一泵房水泵提水后（视高程需要）进入到水厂，第一道水处理工序为水的絮凝即：原水→投加水处理剂（聚合氯化铝溶液）→混合（在静态混合器中）→理化反应（管道和絮凝池中）→ 生成絮状水（絮凝池中），这一水处理工序称为水的絮凝过程。其作用是通过水力、水流、旋流的碰撞使药剂迅速均匀地散于水中，并形成大颗粒絮状物水体。这称为水的絮凝过程。经絮凝过程处理后的水流入沉淀池，进入水处理的第二过程即沉淀过程。

传统的絮凝池有以下几种形式：

A.折板絮凝池，絮凝时间10min-15min，一般取12min，适用于日产1万吨水厂。

B.往复式隔板絮凝池，絮凝时间20min-3-min 适用于日产3万吨及以上的水厂。

C.穿孔旋流式絮凝池，絮凝时间15min-25min。适用日产2千吨-5千吨水厂。

D.网格絮凝池，絮凝时间10min-15min，适用日产5吨-5万吨水厂和水厂的改造工程，由于农村乡镇自来水厂规模一般为2千吨-2万吨不等，通过笔者的实践经验建议新建2千吨-5千吨的水厂采用穿孔旋流式絮凝池，其絮凝时间一般取为20min，该池型具有结构简单、布局紧凑、占地面积小、水质处理效果好的等优点。

1.2沉淀原理、沉淀过程和沉定池的选择

通过絮凝过程形成的大颗粒絮状物水体，沿布水区横截面的过水孔均匀分配后进入沉淀区。絮状体依靠重力作用从水中分离出来，这便是沉淀原理。

水流入沉淀区后，由于沉淀池沉淀区的容积较大，致使絮凝反应后的水流流速急剧下降，因此水流开始在沉淀池中缓慢向前向上流动。在缓慢流动过程中，水体中的大颗粒絮状物开始和水体离析，并沉于池底。离析、沉淀后的水体开始变得清澈、洁净起来，一般浊度达到3NTU-10NTU.沉淀下来的絮状物不断堆积和氧化等最终形成污泥，聚于池底。这个的过程称为沉淀过程。整个过程在沉淀池中进行。

传统的沉淀池有：

A.平流沉淀，适用于大中小型水厂。由于池体占地面积大，结构要求严格，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为，异向流、侧向流和同向流。其中以斜管沉淀池具有停留时间短、沉淀效果好、占地面积小等优点而得到最广泛的应用。缺点是因停留时间短，要求絮凝的效果要好即絮体大、密度高等。

C.侧向流水平管沉淀池，水平管沉淀”应用“哈真”浅层理论，将沉淀管水平放置，原水平行流动，悬浮物垂直分离，具有最佳状态下的沉淀和分离功能。水平管沉淀分离装置分成若干层，由此增加了沉淀面积，减小了悬浮物的沉降距离，缩短了悬浮物沉淀时间；水平管单元的垂直断面形状为菱形，管底侧向设有排泥狭缝，沉泥顺侧底下滑，再通过排泥狭缝滑入下面的水平管沉淀单元，悬浮物通过水平管及时与水分离，水走水道、泥走泥道，改善了悬浮物可逆沉淀的排泥条件，并避免了悬浮物堵塞管道和跑矾现象的发生。该池和斜管沉淀池比较具有沉淀效率高，水处理效果好、过载能力强和占地面积小等优点，适用于大中小各类水厂。缺点是造价高，阻碍了其推广应用。

1.3过滤原理、过滤过程和过滤池的选择

以石英砂（海沙为好）、鹅暖石、滤砖或是纤维滤料、蘑菇型滤头和PVC滤板等组成有空隙的粒状或是蓬松状滤料层，通过黏附作用和阻碍作用，截留水体中更为细小悬浮絮状物。这便是水的过滤原理。

沉淀后的水体通过集水槽流入布水池，再通过布水管槽均匀分布给过滤池，流入滤池的水体通过有空隙的沙石滤料或蓬松状的纤维滤料，水体中悬浮的细微絮状物被吸附和阻碍，从而进一步使水澄清，这一水处理过程称为水的过滤过程，滤后水的浊度0，05NTU-1NTU。

过滤池的选择：

A.无阀滤池（也称虹吸滤池）一种不用阀门切换过滤与反冲洗过程的快滤池，由滤池本体、进水装置、虹吸装置三部分组成，是没有阀门的快滤池。在运行过程中，出水水位保持恒定，进水水位则随滤层的水头损失增加而不断在吸管内上升，当水位上升到虹吸管管顶，并形成虹吸时，即自动开始滤层反冲洗，冲洗废水沿虹吸管排出池外。无阀滤池分为压力式无阀滤池和重力式无阀滤池。虹吸滤池的优缺点：

（1）优点。不需要大型的闸阀及相应的电动或水力等控制设备，可以利用滤池本身的出水量、水头进行冲洗，不需要设置洗水塔或水泵；不需要滤速控制装置；不至于发生负水头现象；设备简单，操作管理方便，易于自动化控制，减少生产管理人员，降低运转费用；在投资上与同样生产能力的普通快滤池相比能降低造价20～30%，且节约金属材料30～40%。

（2）缺点。与普通快滤池相比，池深较大（5～6米）；没有富余的水头调节，有时冲洗效果不理想。

（3）适用条件。虹吸滤池适用于中小型给水处理（一般在4000吨/日～5000吨/日），有较突出的优点。

B.普通快滤池指的是为传统的快滤池布置形式，滤料一般为单层细砂级配滤料或煤、砂双层滤料，冲洗采用动力单一水形式冲洗，冲洗水由清水池和水泵供给。普快滤池的优缺点：

（1）优点：运行管理可靠，有成熟的运行经验；池深较浅；滤速高；污能力较大工作周期较长。

（2）缺点：阀门比较多；一般冲洗阻力大，需要设有动力冲洗设备。

C.V型滤池.（粗滤料滤池）是法国德格雷蒙公司设计的一种快滤池，因两侧（或一侧也可）进水槽设计成V字形而得名，目前在我国普遍应用，适用于大、中型水厂。V型滤池一般采用较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层，V型滤池提升了滤速另因于采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗，明显提升了滤池的反冲洗效果，改善V型滤池过滤能力的再生状况，从而增大滤池的截污能力，降低了滤池的反冲洗频率。V型滤池的优缺点：

（1）优点：出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。

（2）缺点：增加高压气冲设备、滤池构造复杂、汽水配管繁多。

D.D型滤池是由清华大学和德安公司共同开发研制的一种重力式高速自适应滤池，它以国家863计划的专利产品——彗星式纤维滤料为技术核心，采用小阻力配水系统、高效的气水反冲洗技术、恒或变水位的过滤方式，广泛应用于自来水、工业给水、中水回用工程，取得良好的经济效益和社会效。

D型滤池的优缺点：

（1）优点a、过滤精度高：经颗粒粒度分布和计数仪分析测试，对水中大于5μm的悬浮固体颗粒的去除率可达91%以上，最高去除率为97.7%，正常出水浊度在0.5NTU-1NTU以下。

b、截污容量大：经絮凝处理的水，截污容量在10～35kg/m3的范围内。

c、过滤速度快：在工程应用中的过滤速度可达18～23m/h，减少滤池的占地面积，节约工程建设投资。

d、反洗耗水率低：反冲洗耗水量小于周期滤水量的1%-2%。

e、运行费用低：絮凝剂投加量是常规的1/2～1/3，使得吨水运行费用减少。

f、使用寿命长：滤料本身耐腐蚀性能好，自然使用寿命在十年以上，维护费用低，使用多年后对滤池适量补充前委滤料，不存在更换的弊病

g、抗负荷能力强：能经受短时间内高浊度水（雨季源水浊度陡然曾高或加药设备异常造成的高浊度水入池）的冲击，而仍然保证出水水质。

（2）缺点：

a、纤维滤料的造价高。

b、气冲洗系统设备安装要求高。

c、金属管路阀门多，施工难度大。

通过以上四种滤池的比选可以看出产能为3000m3/d-5000m3/d农村乡镇规模水厂建议采用虹吸无阀滤池，产能为10000m3/d-20000m3/d大水厂建议使用D型滤池。

2.自来水消毒处理的目和消毒过程

2.1消毒处理（包括前后加氯）

水经过滤后，浊度由原来的3NTU-10NTU降低为1NTU以下，使的水体中残留的微生物、细菌和病毒成几何级的降低。但是残存的微量细菌和病毒如果不进行消毒，它们依然会繁殖，危害人的身体健康。为此必须进行自来水的消毒，使得自来水达到饮用水细菌学指标。消毒不仅能够杀死出厂水中的病毒和有害细菌，而且也对自来水进行去色去味处理，使得水质更清澈和洁净，另外溶解在水体里的消毒剂余量还可以控制管网末梢水细菌繁殖以及预防二次污染。这就是消毒的目的。自来水消毒主过程要是通过次氯酸钠（二氧化氯、液氯）等与水反应生成的次氯酸在细菌和病毒的细胞膜内部起氧化作用，破坏细菌和病毒的酶系统而使死亡的过程。

2.2自来水消毒剂的选择

常用的自来水消毒剂和消毒方式一般有三类，一是二氧化氯消毒；二是次氯酸钠消毒；三是液氯消毒。

A、二氧化氯是二氧化氯是国际上公认的含氯消毒剂中唯一的高效消毒灭菌剂，它对微生物细胞壁有较强的吸附穿透能力，可有效地氧化细胞内含巯基的酶，还可以快速地抑制微生物蛋白质的合成来破坏微生物，可以杀灭一切微生物，包括细菌繁殖体，细菌芽孢，真菌，分枝杆菌和病毒等，并且这些细菌不会产生抗药性。具有高效、强力、快速、持久、光谱、灭菌、无毒、无刺激、安全性高的特点。缺点：是制取二氧化氯的设备由于原材料使用的是盐酸和氯化钠经常被腐蚀损毁，故障率高，维修成本高。但是由于安全性依然得到广泛的使用。二氧化氯投放在水中的反应方程式4Cl02+2H2O=2Cl2+3O2+4HClO。

B、次氯酸钠的消毒原理（NaCLO）

次氯酸钠的杀菌原理：次氯酸的氧化作用是含氯消毒剂的最主要的杀菌机理。含氯消毒剂在水中形成次氯酸，作用于菌体蛋白质。次氯酸不仅可与细胞壁发生作用，且因分子小，不带电荷，故侵入细胞内与蛋白质发生氧化作用或破坏其磷酸脱氢酶，使糖代谢失调而致细胞死亡。次氯酸钠的浓度越高，杀菌作用越强。而次氯酸钠在水中能解离为次氯酸所以说次氯酸钠溶液是一种高效的消毒液。特点是：杀菌消毒效果好，使用方便，价格便宜。

缺点是：腐蚀性较强，易挥发，经常吸入对人体有致癌作用。次氯酸钠投放在水中的反应方程式NAC10+H2O-NAOH+HC10。

C、氯气（液氯）

氯气（Cl2）是一种黄绿色有刺激性气味的液氯挥发气体，能溶于水，常温下1体积水能溶解2体积氯气。氯气的消毒原理是氯气溶于水后生成盐酸和次氯酸，而次氯酸具有强氧化性，因此具有很强的杀菌消毒能力，是常用的消毒剂。氯气对人体有强烈的刺激性，吸入少量氯气会刺激鼻腔和喉头粘膜，并引起胸痛和咳嗽；吸入较多氯气会窒息致死。特点：使用维护简单方便，杀菌消毒效果好、价格低廉。缺点：危险性高，易泄漏。氯气加入水中的化学方程式：Cl2+H2O=HCl+ HClO。

2HClO=2HCl+O2↑。

笔者通过几年对千吨、万吨水厂的管理，建议农村乡镇500m3/d-1000m3/d使用二氧化氯消毒剂。1000m3/d-8000m3/d使用次氯酸钠消毒剂。10000m3/d以上的使用氯气。

3.总结

水是生命之源，没有水的安全，人们的生活便得不到保障。制好水是一个水利人的责任所在，管理好、运行好农村乡镇自来水厂是人心所向、众望所归。本文所述是笔者几年从事农村乡镇自来水厂管理的工作体会和实践经验的总结，不足之处请同仁指教谢谢。 [科]