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。