鄔曉梅，胡 孟，宋衛(wèi)坤，賈燕南，徐萬昌

（1.中國水利水電科學研究院水利研究所，100048，北京;國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，100048，北京）

農(nóng)村供水水處理技術(shù)應用及改進分析

鄔曉梅1，2，胡 孟1，2，宋衛(wèi)坤1，2，賈燕南1，2，徐萬昌1，2

（1.中國水利水電科學研究院水利研究所，100048，北京;國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，100048，北京）

農(nóng)村供水；水處理；技術(shù)；優(yōu)化；應用；建議

截至2015年年底，隨著農(nóng)村飲水安全工程建設任務的全面完成，我國農(nóng)村飲水安全問題已基本解決。但由于我國農(nóng)村自然地理、水資源條件復雜，區(qū)域條件差別大，一些地區(qū)農(nóng)村飲水安全成果還不夠牢固、容易反復，在水量和水質(zhì)保障、長效運行等方面還存在一些薄弱環(huán)節(jié)，特別是部分地區(qū)水質(zhì)保障能力還不夠堅實，亟須在“十三五”農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程建設期間對現(xiàn)有農(nóng)村供水工程進行更新改造，進一步提升水質(zhì)合格率。

一、農(nóng)村供水水處理技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題

農(nóng)村供水工程水源分散，保護難度大，水質(zhì)千差萬別，水處理難度往往比城市供水更復雜；同時農(nóng)村供水工程較城市水廠規(guī)模小，運行管理水平低，農(nóng)民經(jīng)濟承受能力差，這也決定了適宜農(nóng)村的水處理技術(shù)應具有操作方便、維護簡單、運行成本低等特點。

從現(xiàn)狀看，各種水處理技術(shù)在農(nóng)村供水工程中都有不同程度的應用，包括常規(guī)水處理技術(shù)、預處理及深度處理技術(shù)、高氟高砷等劣質(zhì)地下水處理技術(shù)等。但由于農(nóng)村供水技術(shù)基礎薄弱，目前農(nóng)村供水水處理技術(shù)應用現(xiàn)狀仍不容樂觀，適宜水處理技術(shù)模式有待建立，主要存在以下問題：

一是仍有部分農(nóng)村供水工程缺乏必要的水處理設施設備，供水水質(zhì)安全保障程度不高。據(jù)統(tǒng)計，全國千噸萬人規(guī)模以上農(nóng)村集中供水工程中，水質(zhì)凈化設施配備比例為72%，消毒設備配備比例為82%，規(guī)模以下工程配置率更低。

二是由于基層技術(shù)人員缺乏和農(nóng)村供水技術(shù)基礎薄弱，部分農(nóng)村供水工程水處理工藝選擇不當，水處理設施建設不規(guī)范，造成已建工程不能發(fā)揮應有的水質(zhì)保障作用。如在農(nóng)村供水工程中常見的絮凝池池型設計偏小、分格為長方形、無圓弧倒角等問題，造成絮凝效果差，出水濁度不達標。

三是部分配套水處理設施設備的農(nóng)村供水工程，由于水質(zhì)適應性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和可操作性較差，運行管理與維護水平跟不上，導致不能正常使用，存在水質(zhì)安全隱患。如以地表水為水源的農(nóng)村供水工程多受季節(jié)影響，豐水期雨水充沛，水源水泥沙含量大、濁度高，采用的水處理工藝經(jīng)常由于不能適應較高濁度原水或工程運行管理人員不能及時調(diào)節(jié)絮凝劑投加量等，導致出水水質(zhì)不達標。

四是部分農(nóng)村供水工程水源屬高氟水、苦咸水等劣質(zhì)地下水，由于所在地區(qū)往往難以找到可替代的良好水源，需采用特殊水處理措施，但從工程應用效果來看，現(xiàn)有處理技術(shù)尚不成熟。

總的來說，各種技術(shù)都有其適用性，需從技術(shù)、經(jīng)濟及運行管理多方面綜合權(quán)衡、詳細論證，選擇適宜不同農(nóng)村供水工程的水處理技術(shù)。

二、常規(guī)水處理技術(shù)及選擇應用要點

飲用水常規(guī)處理技術(shù)是指混凝、沉淀、過濾、消毒四種過程的工藝組合，是目前應用最廣泛、發(fā)展最成熟的水處理工藝，以去除水中懸浮物、膠體顆粒及病原微生物等為主要目標，以渾濁度為主要控制指標。

1.適用范圍

常規(guī)水處理工藝通常適用于以較清潔地表水為水源的供水工程。需要注意的是，對于屬于上層滯水的地下水，由于其埋藏離地表近，易受降雨等氣候條件影響，在水處理中要按地表水對待。對于埋藏較深、濁度較低的潛層和承壓層地下水，當其他水質(zhì)指標符合生活飲用水衛(wèi)生標準時，一般情況僅需消毒即可飲用。

常規(guī)水處理工藝在實際應用中應根據(jù)原水濁度情況進行適當調(diào)整，如當原水濁度較低時，可刪減混凝與沉淀單元；當處理濁度較高或含沙量較大原水時，可增設預沉單元，如圖1所示。

2.技術(shù)應用要點

（1）混凝劑選擇與投加

混凝作為常規(guī)水處理的第一道工序，其效果好壞對后續(xù)工藝運行有著重要影響，混凝劑的選擇和投加是關(guān)鍵影響因素。

圖1 不同適用條件下常規(guī)水處理工藝

表1 不同絮凝池絮凝時間要求

混凝劑選擇時，應依據(jù)原水水質(zhì)、藥劑適用范圍及當?shù)叵嗨茥l件水廠使用藥劑的效果情況選用。目前在農(nóng)村水廠中應用最多的是聚合氯化鋁，其絮凝效果好，對水的溫度和pH值適應性強。

混凝劑投加時，為避免在農(nóng)村供水工程中經(jīng)常出現(xiàn)的混凝劑投加點不正確、混合不充分、投加粗放等問題，在工程建設和運行管理中應注意以下幾點：一是投加點應設置在距離絮凝池不超過120 m的進水管道上；二是需將混凝劑配成一定濃度溶液進行投加，濃度通常為1%~5%；三是投加量應根據(jù)試驗或參考相似條件水廠運行經(jīng)驗確定，并根據(jù)原水水質(zhì)變化情況進行調(diào)節(jié)；四是應通過管道混合器、離心泵混合或機械混合池等方式實現(xiàn)混凝劑與原水充分混合。

（2）池型選擇與優(yōu)化

絮凝池、沉淀池的選擇，應根據(jù)原水水質(zhì)、供水規(guī)模、工程運行管理及技術(shù)經(jīng)濟條件等多種因素綜合考慮確定。在農(nóng)村供水工程中，穿孔旋流絮凝池與斜管沉淀池的組合應用最多，但也常見絮凝池分格為長方形、無圓弧倒角等問題，在鞏固提升工程中需進一步規(guī)范設計與建設。

穿孔旋流絮凝池構(gòu)造簡單、施工方便、造價低，在農(nóng)村中小型水廠中應用較為廣泛，但由于其絮凝效果不佳、受流量影響大，在城市水廠已屬淘汰技術(shù)。而網(wǎng)格（柵條）絮凝池應用紊流理論，具有絮凝效果好、水力停留時間短等優(yōu)點，在農(nóng)村水廠的應用前景更為樂觀，可在鞏固提升工程建設中用于原有絮凝池的改造，在改造中應注意網(wǎng)格（柵條）的分段布置。

斜管沉淀池利用層流原理，通過安裝斜管，縮短顆粒沉降距離及增加沉淀面積，有效減少了沉淀時間，提高了處理效率。但斜管存在易堵塞、需定期更換等問題，給工程運行管理帶來了一定難度，也給后續(xù)過濾環(huán)節(jié)帶來了處理負擔?？赏ㄟ^改造排泥車，實現(xiàn)在排泥同時對斜管頂端的積泥進行表面沖洗，改善斜管堵塞狀況。

（3）適宜的水力停留時間

適宜的水力停留時間對絮凝效果的保障非常重要，如果絮凝時間過短，絮體形成不夠充分、小且結(jié)構(gòu)松散，在沉淀池不易沉降；如果時間過長，則可能造成絮凝池過大帶來的不必要的浪費。從折板絮凝池、柵條（網(wǎng)格）絮凝池、穿孔旋流絮凝池到隔板絮凝池，所需絮凝時間依次增加，如表1所示，當處理低溫或低濁水時應取上限。

在實際工程運行中，如存在絮凝池水力停留時間過短、絮凝效果不好的情況，首先可在允許范圍內(nèi)，減少單位時間處理水量，延長絮凝時間；其次可通過絮凝池的改擴建來保障絮凝時間，如采取在穿孔旋流絮凝池分格中加裝網(wǎng)格等措施，將其改造成所需絮凝時間較短、絮凝效果較好的網(wǎng)格絮凝池。

農(nóng)村供水工程中應用廣泛的一體化凈水設備，往往為了追求設備的緊湊性，犧牲了絮凝池的水力停留時間，有的甚至不設絮凝反應池，給水處理系統(tǒng)的運行可靠性帶來風險，在鞏固提升工程設計、建設中應避免此類問題的發(fā)生。

（4）過濾系統(tǒng)的濾料選擇與反沖洗控制

常規(guī)水處理工藝中的過濾系統(tǒng)是快濾系統(tǒng)，其核心是控制出水濁度，保障進一步去除沉淀出水中的微小絮體及原蟲類病原微生物。

在快濾系統(tǒng)的百年發(fā)展歷程中，通過池型與工藝的優(yōu)化、濾料的改性與復配等形成了成熟的以石英砂濾料為核心的過濾系統(tǒng)。目前多數(shù)農(nóng)村供水工程仍采用傳統(tǒng)的細砂級和均粒石英砂濾料，石英砂和無煙煤等復配雙層濾料和多層濾料也有應用。自20世紀80年代開始，隨著超濾技術(shù)的發(fā)展，在有條件的地方，利用超濾膜過濾系統(tǒng)替代傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)已成為新的發(fā)展趨勢。

反沖洗周期和強度是過濾系統(tǒng)運行的重要參數(shù)，在農(nóng)村供水工程中通常由運行管理人員手動控制，一般為固定周期和強度，并不隨進水水質(zhì)及運行狀況的變化而改變，經(jīng)常造成反沖洗不夠或過量。隨著自動化監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，一些有條件的水廠已通過控制濾池液位、水頭損失或時間實現(xiàn)自動反沖洗，改善了反沖洗效果，保障了過濾系統(tǒng)的可靠運行。

三、水源微污染條件下水處理技術(shù)的發(fā)展與應用

水源污染是目前全世界范圍面臨的普遍問題，對于我國農(nóng)村數(shù)量眾多且分散的水源來說，污染問題更為突出，水質(zhì)問題更為復雜，如微污染水源水中的有機物、氨氮等超標物質(zhì)，僅采用常規(guī)水處理工藝已不能滿足出水達標要求。在加強水源保護、防止污染源進入水源地等源頭控制措施及針對特定的微污染水源水質(zhì)進行混凝、過濾等常規(guī)水處理單元的強化措施外，預氧化、臭氧活性炭、超濾及生物慢濾等處理技術(shù)也得到了快速發(fā)展與廣泛應用。

1.預氧化與吸附預處理

（1）預氧化

在微污染水源水中加入強氧化劑，可氧化分解去除有機污染物，促進混凝和提高后續(xù)常規(guī)水處理單元的有機物去除效果，同時由于氧化劑還可殺滅藻類，因此在農(nóng)村水廠藻類季節(jié)性暴發(fā)時可用來除藻。

常用預氧化劑包括氯氣、二氧化氯、次氯酸鈉、臭氧和高錳酸鉀等，其特點和適用范圍如表2所示，在實際應用中應根據(jù)原水水質(zhì)特征并結(jié)合水廠的消毒措施等綜合考慮確定。由于氯氣在氧化過程中易生成三鹵甲烷等消毒副產(chǎn)物，近年來采用二氧化氯、臭氧等代替氯氣作為預氧化劑已成為主流發(fā)展趨勢。

（2）吸附預處理

吸附預處理經(jīng)常作為季節(jié)性水源惡化或突發(fā)污染事件時的應急措施，在農(nóng)村供水工程中的應用多是投加粉末活性炭。粉末活性炭吸附速度快，可有效去除水中嗅味、色度，但由于其是一次性投加且無良好回收再利用方法，運行費用較高，在農(nóng)村多數(shù)僅用于突發(fā)性污染事件。需注意的是，在實際應用中投加粉末活性炭后應采取強化混凝措施，以防對后續(xù)過濾單元產(chǎn)生不良影響。

2.臭氧-活性炭技術(shù)

臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)是典型的飲用水深度處理技術(shù)，其研發(fā)始于20世紀70年代，最早應用于1985年建成的北京市田村山水廠。該技術(shù)利用臭氧的強氧化性、活性炭的吸附能力及生物膜的形成，可有效降解去除水中各種穩(wěn)定性有機微污染物，滅活水中各類病原微生物，提高飲用水的生物安全性。

隨著近年水源污染加劇，臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)得到了快速發(fā)展與進一步推廣應用，國內(nèi)越來越多現(xiàn)有水廠的改造及新建水廠采用臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)，李圭白院士將“常規(guī)水處理工藝+臭氧-顆?；钚蕴俊惫に嚪Q為第二代凈水工藝，工藝流程見圖2。

但目前臭氧-活性炭聯(lián)用技術(shù)在農(nóng)村水廠應用還較少見，在農(nóng)村供水工程中多為單獨使用顆粒活性炭吸附技術(shù)，通常適用于有機物含量較低情況（如耗氧量不大于 5 mg/L），包括采用活性炭石英砂雙層濾料濾池或在快濾池后設置活性炭吸附池，都是簡單有效地去除微量有機物、嗅味物質(zhì)及色度的方法。

3.超濾技術(shù)

超濾膜孔徑在10-1~10-3μm區(qū)間范圍內(nèi)，介于微濾和納濾之間，可有效濾除水中顆粒物及微生物。近年隨著膜技術(shù)的發(fā)展，特別是由于超濾膜具有操作壓力和成本較低的優(yōu)勢，及其可與常規(guī)水處理各單元靈活組合、設備的集成與自動化程度高等特點，超濾技術(shù)用于常規(guī)水處理工藝升級換代的應用日益增多。

對于以濁水較低的水庫水等為水源的農(nóng)村供水工程，可用超濾單元替代常規(guī)工藝中的沉淀過濾單元，出水濁度可穩(wěn)定低于0.1 NTU；對濁度較高的原水，為拓寬超濾對原水濁度的適用范圍，超濾單元可替代常規(guī)工藝中的過濾單元。

對于微污染原水，可通過超濾單元前投加粉末活性炭提高有機物等的去除能力，有研究者提出了由混凝、預氧化、吸附和超濾膜生物反應器組合而成的工藝流程，如圖3所示。由于超濾能將水中微生物幾乎全部去除，所以原則上對膜出水不必再進行消毒，但為防止二次污染，尚需向水中投加少量消毒劑，可顯著減少消毒副產(chǎn)物的生成量。

表2 不同預氧化劑應用比較

圖2 第二代凈水工藝流程

將超濾技術(shù)用于農(nóng)村供水工程，除了超濾膜成本外，膜污染帶來的物理和化學清洗是影響超濾技術(shù)應用的重要因素。有研究者提出了零污染通量，指在零污染通量下工作，可以極少或基本不對膜進行化學清洗，簡化運行操作，運行成本大幅度降低，很有工程實際應用價值。

4.生物慢濾技術(shù)

慢濾技術(shù)起源于19世紀初，后由于快濾技術(shù)的快速發(fā)展而被逐漸擱置。20世紀末，人們認識到慢濾能有效去除隱孢子蟲、細菌等病原性微生物且運行管理簡單，適用于農(nóng)村地區(qū)的小型供水系統(tǒng)，從而重新開始得到推廣應用。與傳統(tǒng)快濾相比，生物慢濾通過在濾料表面形成的生物膜，可有效提高有機物、氨氮及微生物的去除能力，且無須投加藥劑，在我國南方農(nóng)村地區(qū)應用較為廣泛。

生物慢濾池一般要求進水濁度不大于20 NTU，當進水濁度較高時，需設置預處理單元，最常見的是配置粗濾池，粗濾可有效降低顆粒物給慢濾池帶來的負擔。近年研究人員也在不斷地改進生物慢濾技術(shù)，如增加臭氧預處理、在慢濾濾料中加入顆粒活性炭等，擴大了生物慢濾適宜處理的水源范圍，見表3。

依據(jù)水源水質(zhì)特征，將各種預處理技術(shù)、深度處理技術(shù)與常規(guī)水處理單元組合集成聯(lián)用，是當前微污染水源水凈化的基本技術(shù)對策。同時，隨著科技發(fā)展，尋求以膜技術(shù)為代表的新型高效的水處理技術(shù)也是研究和實踐的熱點。

四、特殊水質(zhì)處理技術(shù)研究與應用

圖3 微污染水超濾處理工藝流程

表3 不同單元組合條件下生物慢濾處理技術(shù)適用水源水質(zhì)要求

受水文地質(zhì)條件和環(huán)境污染影響，當水源為高氟水、高砷水、苦咸水、鐵錳超標水等特殊水質(zhì)地下水時，應首選優(yōu)質(zhì)水源替換；無優(yōu)質(zhì)水源的情況下再考慮采用成熟穩(wěn)定的適宜水處理技術(shù)。

高氟水、高砷水處理技術(shù)以吸附法研究與應用最多，其核心是高效吸附劑的開發(fā)。由于高砷水中砷的濃度通常較氟化物濃度低2個數(shù)量級以上，吸附法除砷較除氟更有優(yōu)勢。除砷吸附劑以水合羥基鐵氧化物為主，在內(nèi)蒙古等地小型農(nóng)村除砷供水工程中取得了較好的應用效果，混凝過濾法除砷在美國、歐洲等一些大型水廠有一定應用，也在我國飲用水突發(fā)性砷污染事件的應急處理中取得良好效果。而對于除氟吸附技術(shù)，由于活性氧化鋁、活化沸石、羥基磷灰石等傳統(tǒng)吸附劑在實際工程應用中普遍存在吸附容量低、適用pH值偏酸性、操作復雜等問題，影響了吸附法除氟技術(shù)的推廣應用，目前運行良好的多為反滲透除氟工程，但存在濃水排放量大、投資和運行費用高等問題，多采用分質(zhì)供水方式，以減少處理水量和成本。

苦咸水處理技術(shù)以膜法為主，反滲透法因技術(shù)成熟、脫鹽效率高，適用于不同類型苦咸水，在內(nèi)蒙古、天津、河北等農(nóng)村苦咸水處理工程中都有應用，但其推廣也同時受限于較大的濃水排放量和較高的制水成本。近年新型高通量、耐污染和低成本的膜材料的開發(fā)、預處理工藝的優(yōu)化及清洗方法的改進已成為研究和應用的熱點。其中納濾膜截留選擇性較反滲透膜強，對硫酸根、鈣鎂離子等多價離子截留率高，且操作壓力低，對于我國西北典型的硫酸鹽氯化物型苦咸水淡化處理適用性較好，也可作為反滲透膜的預處理工藝，可改善反滲透膜的抗污染能力，提高產(chǎn)水率。

高鐵錳水中鐵錳共存，選擇處理技術(shù)時需同時考慮鐵和錳的去除，目前在我國農(nóng)村地下水除鐵錳工藝中，應用的主流技術(shù)是接觸氧化法。在工程實踐中發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對錳的氧化和去除效果不佳。生物法是針對接觸氧化法對錳的去除效果不理想，利用微生物技術(shù)提高二價錳的氧化活性、改善錳的去除效果而提出的方法，具有基建費用低、抗沖擊負荷強及出水水質(zhì)較為穩(wěn)定等優(yōu)點。2002年在沈陽建立了我國首座大型生物除鐵錳工藝水廠，在遼寧、湖南等省的農(nóng)村地區(qū)也得到了一定應用，但受菌群培養(yǎng)時間長、低溫下生物活性顯著降低等影響，在東北等高鐵錳水較普遍存在的地區(qū)推廣應用存在困難。

農(nóng)村供水水源水質(zhì)區(qū)域差異性大，每種方法均有一定適用范圍和優(yōu)缺點，農(nóng)村供水工程在選用特殊水處理技術(shù)時，需綜合考慮水源水質(zhì)、運行管理水平和經(jīng)濟承受能力等多種因素，有條件時應進行現(xiàn)場中試試驗，慎重選擇適用水處理技術(shù)。

五、農(nóng)村供水水質(zhì)保障建議

一是加強水源保護。強化農(nóng)村水源環(huán)境監(jiān)管及綜合整治，防范水源環(huán)境風險，從源頭保障水質(zhì)安全。

二是規(guī)范水處理工藝設計及建設。嚴格設計單位準入，規(guī)范前期工作程序，注重水處理技術(shù)方案比選論證；強化工程建設施工監(jiān)督制度，規(guī)范水處理設施設備建設安裝。

三是加強水處理技術(shù)集成創(chuàng)新研究及推廣應用。形成適宜我國農(nóng)村不同水源水質(zhì)特點的水處理技術(shù)模式，建立安全保障技術(shù)體系，并加大推廣力度。

四是切實做好水質(zhì)檢測工作。加強千噸萬人以上農(nóng)村水廠水質(zhì)化驗室建設及日常檢測工作，充分發(fā)揮縣級農(nóng)村飲水安全水質(zhì)檢測中心作用，建立水質(zhì)檢測監(jiān)測與水處理工藝及供水工程運行管理良性反饋機制。

五是強化技術(shù)培訓。編制農(nóng)村供水水處理實用技術(shù)手冊，加強基層供水單位隊伍建設和技術(shù)培訓，建立健全基層專業(yè)技術(shù)人才體系，提升工程管理水平。 ■

[1]水利部農(nóng)水司．《農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程“十三五”規(guī)劃》編制工作大綱[S].2016.

[2]高占義，胡孟，鄔曉梅，等.農(nóng)村安全供水工程技術(shù)與模式[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]楊敏，曲久輝.水源污染與飲用水安全[J].環(huán)境保護，2007（19）.

[4]葉少帆，王志偉，吳志超.微污染水源水處理技術(shù)研究進展和對策分析[J].水處理技術(shù)，2010（6）.

責任編輯 張金慧

TU991

：B

：1000-1123（2016）19-0049-04

2016-09-16

鄔曉梅，博士，高級工程師。

農(nóng)村牧區(qū)供水關(guān)鍵技術(shù)集成與示范（2016-NK-132）。