创新与我国城市饮用水净化技术发展

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白， 百废待兴 。 经过一段恢复期后 ， 我国开始了第一 设有自来水厂的城市 个五年计划 的 建 设 ， １ ９ ５ ２ 年， 已增加到 ８ ２个。 当时我国采用的是 “ 向前苏联一边倒 ” 的外交政 策， 第一个五年 计 划 的 重 点 是 在 前 苏 联 援 助 下 进 行 工业建设 ， 以钢为 纲 ， 执行“ 先生产后生活” 的 政 策， 而城市给水排水设 施 建 设 被 归 入 “ 生 活” 类， 所以与 建国前相比虽发 展 较 快 ， 但远远跟不上国民经济发 展的速度 。 大 １ ９ ４ ９ 年前全国只有 ７ ２ 个城镇建有自来水厂 ， 部分在沿海地区 ， 且供水量很小 。 至 １ 设有供 ９ ６ ０ 年， 城市水厂增至３ 水设施的城市已增至 １ ７ １ 个， ２ ６ 座； 城市水厂增至 ５ 年均仅增加 １ １ ９ ８ ０年， ５ ４座， ０座。 在“ 一边倒 ” 政 策 指 导 下， 教育界采用前苏联教 聘请前苏联专家 ， 按前苏联模式培养 育体制及教材 ， 学生 ， 所以教育 界 和 工 程 界 学 习 前 苏 联 成 为 那 时 的 主流 。 那时城镇饮用水净化工艺主要是由前苏联引进 即走的 是 一 条 “ 引进 － 消化 － 再创新” 的常规工艺 ， 的技术路线 。 建国后 １ 共 ９ ５ ０ 年制定了第一部供水水质标 准 ， ／ 其中浊度要求小于１ １ １ 项， ５ｍ Ｌ； １ ９ ５ ５、 １ ９ ５ ６、 ｇ 生活饮用 １ ９ ５ ９ 年曾作了 ３ 次 修 改 ， １ ９ ７ ６年颁布了《 （ ， 有２ 其中 水卫生 标 准 》 Ｔ Ｊ ２ ０－７ ６） ３ 项 水 质 标 准， 浊度要求不高于 ５ 度 。 — — 提高滤速 先进性 ” 的标志 — ２ ． ２ 高负荷成为 “ 第一个 五 年 计 划 （ 的口号是“ 多、 １ ９ ５ ２～１ ９ ５ ７） ， 快、 好、 省建设社会主义 ” 追求高负荷成为净水技术 发展方向 。 由于 那 时 对 水 质 要 求 不 高 ， 为高负荷提 供了发展的可能 。 慢滤池由于滤速很低 ， 占地面积大 ， 已普遍改为 快滤池 。 引进了前苏联 的 “ 反 粒 度 过 滤” 的 概 念， 采用双 、 向过滤滤池 （ 双 层 和 三 层 滤 料 滤 池 等， ＡＫ Ｘ 滤 池） ／ 将滤速提高到 １ ０ｍ ｈ 以上 。 引进前苏联的 接 触 凝 聚 技 术 ， 采用接触澄清池 （ 上向流接触滤池 ） 可省略混凝和沉淀构筑物 。 提高沉速 ２ ． ３ 减少絮凝时间 、 ， 甚 至 更 长。 为 减 一般絮凝时间 为 １ ５～２ ０ｍ ｉ ｎ 少絮凝时间引进 了 Ｇ 提 Ｔ 值 控 制 絮 凝 效 果 的 理 论，
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创新与我国城市饮用水净化技术发展
哈尔滨工业大学 李圭白 梁 恒
DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2015.0464
创新及技术突破 社会需求是 技 术 发 展 的 动 力 ， 将引领技术发展的方向 。 我国社会经济 已 进 入 一 个 新 的 改 革 发 展 时 期 ， 创新将成为社会发展的新动力 。 水业工作者在新的 历史时 期 ， 以 绿 色、 低 碳、 节 能、 环 保、 可持续发展的 新的重大社会需 求 为 导 向 ， 将不断探索自主创新之 路， 以寻求新的技术突破 。 本文将回顾历史中出现的一些重大创新和技术 论述其对 我 国 城 市 饮 用 水 净 化 工 艺 发 展 的 推 突破 ， 动作用 ， 以及其为我们带来的启示 。 １ 建国前国内外城镇饮用水净化技术发展概况 １ ． １ 保障城市饮用水生物安全性的重大社会需求 ２ ０ 世纪以前 城 市 居 民 大 多 从 井 水 或 河 流 中 取 城市人口聚集愈来愈多 ， 出现 水 。 随着城市的发展 ， 了大规模的疾病 流 行 ， 包括水介烈性细菌性传染病 （ 霍乱 、 伤寒 、 痢疾 等 ） 的 流 行， 由此提出了保障饮用 水生物安全性的重大需求 。 向城市引水 自 古 有 之 ， 不 过 规 模 甚 小。 在 此 基 使居民可以 础上发展出向城 市 居 民 集 中 供 水 管 网 ， 饮用到比较清洁 的 水 源 水 ， 是城市供水技术的一大 突破 。 它与以氯消毒 为 核 心 的 饮 用 水 净 化 工 艺 一 起 ， 控制住了烈性细 菌 性 传 染 病 的 流 行 ， 为人类社会的 发展作出了重大贡献 。２ 美国工程院历时半 ０ ０ ０ 年， ， 年 与３ ０多个美国职业工程协会一起评出了２ ０世 纪对人类社会影响最大的工程技术成就 ２ 其中 ０项， 城市供水及净化工艺 （ 自来水 ） 名列第四 。 英国著名的 《 焦点 》 杂志邀请该国 １ ０ ０ 名最权威 的专 家 学 者 和 １ 评出了世界上最伟大 ０ ０ ０ 名 读 者， 的发明 ， 飞机 、 汽车 、 电灯 、 电脑 、 印刷 、 收音机等都榜 上有名 ， 但位居榜首的竟是抽水马桶 。 中世纪欧洲城市由于人类排泄物及垃圾堆积无 法清除 ， 成为城市发展最臭时期 。 在此背景下 ， １ ５ ９ ５
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试想如果没有 这 项 发 明 ， 城市饮用水净化工艺 可以看出水反冲洗对 将会长期停留在 慢 滤 池 阶 段 ， 发展饮用水 净 化 工 艺 的 重 要 意 义 。 不 仅 如 此 ， 现今 一切以颗粒材料 过 滤 为 特 征 的 水 处 理 工 艺 ， 都是以 反冲洗为基础而发展起来的 。 但提高滤速后 ， 自然过滤后水的浊度过高 ， 不能 满足氯消毒的要求 ， 向水中投加混凝剂进行混凝 ， 使 水中胶体聚集成较大粒子 ， 可被滤层去除 ， 从而使快 滤池出水浊度显著降低 。 当原水浊度较高时 ， 会使快滤池负荷过大 ， 影响 其经济性 ， 故需 于 滤 前 设 置 沉 淀 池 以 部 分 去 除 水 中 这就是混凝沉淀池 。 的浊质 ， 将以上构筑物组合起来 ， 形成以下工艺 ： 河湖原 — 混合池 — 絮凝池 — 沉淀池 — 快 混凝剂投加 ） 水 —（ 滤池 — 氯消毒 — 出水 。 １ ． ４ 澄清池与气浮池 在立式沉淀池运行中 ， 有人发现池中能形成絮体 悬浮层 ， 使 净 水 效 果 显 著 提 高， 从 而 研 发 出 澄 清 池。 用机械搅拌驱动方法实现池内泥渣回流以使进水与 之接触 ， 称为机械循环澄清池 。 用上向流进水方式 ， 使进水与悬浮泥渣层接触 ， 称为悬浮泥渣澄清池 。 对于藻类或细微絮体 ， 因其在池中沉淀慢 ， 沉淀 效果不佳 ， 为提高去除浊质效率 ， 借鉴选矿中的气浮 向水中释放细微气泡， 使 其 附 着 于 絮 体 上， 能 技术 ， 显著提高絮体上浮速度 ， 提高固液分离效率 ， 称为气 浮净水技术或气浮池 。 在不同水质条 件 下 ， 可用澄清池或气浮池替代 形成相应的净水工艺 。 沉淀池与快滤池组合 ， 以上为 １ ９ ４ ９年 以 前 国 内 外 城 镇 饮 用 水 净 化 技 术发展的概况 。 那时国内大多数城镇以地下水为水 源， 一般没有水处理设施 ， 少数以地面水为水源的城 镇， 主要 采 用 以 “ 储 水 池—慢 滤 池—氯 消 毒 ” 及“ 混 凝 — 沉淀 — 快滤 — 氯消毒 ” 水处理工艺 ； 城镇供水普 及率 很 低 ， 自来水主要供给租界区、 富 人 区、 商业区 及部分工厂 。 城镇饮用水净化 ２ 建国后前三 十 年 （ １ ９ ４ ９～１ ９ ７ ９） 技术发展 ２ ． １ 由前苏联引进常规工艺 中华人民共和国成立， 我国 １ ９ ４ ９年１ ０月１日， 进入了一 个 新 的 发 展 时 期 ； 建 国 初 期， 我国一穷二 ２
年英国一位名叫约翰 · 哈林顿的教士发明了第一只 抽水马 桶 ， 但由于城市缺乏排水系统而被冷落了 直到 １ ２ ０ ０ 多年 ， ８ ６ ５ 年伦 敦 将 简 陋 的 城 市 沟 渠 改 造 成正规的排水系统 ， 才使抽水马桶开始发挥作用 。 抽水马桶能将 排 泄 物 迅 速 排 出 ， 极大地改善了 室内卫生环境 ， 并使居室内用水成为可能 ， 为城市民 包括高层建筑 ） 奠定了基础 。 居和公共建筑现代化 （ — — 饮用水净化技术的重大突破 １ ． ２ 氯消毒 — 英国用氯 消 毒 氯消毒起源于 １ ８ ５ ０ 年； １ ８ ９ ７ 年， 饮用水来应 对 伤 寒 病 。 而 将 氯 作 为 水 常 规 处 理 工 序， 一般认为是 从 １ 比利时将其用于 ９ ０ ２ 年 开 始 的， 公共供水 。 氯能 有 效 杀 灭 水 中 的 致 病 细 菌 ， 基本控 制住了水介烈性 传 染 病 的 流 行 ， 使水的生物安全性 是城镇饮水净化技术的重大突破 。 得到了保障 ， 水中的悬浮物及浊质对氯消毒效果有较大的影 需要将水中的悬浮物及 响 。 为提高氯的 消 毒 效 果 ， 浊质去除 ， 为此 研 发 出 慢 滤 池。为 减 轻 慢 滤 池 的 负 荷， 于慢滤池前设置预沉池 ， 水在池中进行自然沉淀 数日 ， 可使水中大部分悬浮物和浊质得以去除 。 将氯消毒 、 慢滤池和预沉池三者组合 ， 形成了以 下工 艺 ： 河 湖 原 水—预 沉 池—慢 滤 池—氯 消 毒— 出水 。 １ ． ３ 快滤池和混凝沉淀池 ／ 慢滤池的 负 荷 较 低 ， 只有０ 这是 ． １～０ ． ２ｍ ｈ， 只能用人工的方法将滤层 由于慢滤池滤层 堵 塞 后 ， 表面的含泥沙层刮除 １～２ｃ 需停 池 数 日 ， 费力费 ｍ， 时； 在较大水厂中一般每座滤池只能每 １～２ 月刮沙 这限制了负荷的 提 高 。 但 随 着 城 市 发 展 ， 用水 １次， 量愈来愈多 ， 慢滤池占地面积愈来愈大 ， 已不适应城 市发展的需要 。 用水对滤层进行反冲洗以去除滤层中的积泥是 一项重要发明 ， 它在几分钟内就能将滤层中积泥清 除， 使提高滤池负荷成为可能 ， 从而发展出快滤池 。
； 出增大 Ｇ 值可以减小 Ｔ 值 （ 反应时间 ） 为了既减少 研发出各种变梯度（ 反应时间又 保 证 反 应 效 果 ， Ｇ） 的新 型 絮 凝 装 置 ， 如回流隔板絮凝池、 折 板 絮 凝 池、 涡流絮凝池等 ， 将絮凝时间减少至１ 甚 ５ｍ ｉ ｎ 以 内， 至１ ０ｍ ｉ ｎ 以内 。 引进澄清池 ， 可使截留沉速比沉淀池提高一倍 ， ／ 达到 １ 沉淀时间减少至 １ ． ０ ｍｍ ｓ 左右 ， ． ０ｈ 左 右 。 北京市市政工程设计研究院和北京自来水公司较早 其规模 地成功在北京设 计 和 应 用 机 械 加 速 澄 清 池 ， 全国最大 。 ２ ． ４ 浑水异重流和现代平流沉淀池 哈尔滨工业大学较早系统地阐述了浑水异重流 对沉淀池内水流工况的影响 。 理想沉淀池理论只考 而忽视了泥沙对水的 虑了水对泥沙颗 粒 物 的 作 用 ， 故 作用 。 含泥沙的 进 池 浑 水 的 密 度 比 池 内 清 水 大 ， 潜入池下部运动 形 成 浑 水 异 重 流 ， 这也是沉淀池水 流的基本流态 ， 从而对理想沉淀池理论作了补充与 完善 。 按照浑水异重 流 的 特 点 ， 指出表面集水的重要 性， 上向流斜板斜管沉淀装置对浑水异重流最适应 ， 而下向流和平向流斜板斜管沉淀池则易受浑水异重 流的影响 。 建 国 初 采 用 的 平 流 沉 淀 池， 表面负荷只有 ／ ， 沉淀时 间 ２～４ｈ。２ 上 ０ ． ５ｍｍ ｓ ０世纪８ ０ 年 代， 海市政工程设计 研 究 院 设 计 出 浅 而 长 、 大流速的新 型平流沉淀池 ， 使浑水异重流的影响得到控制 ， 并采 用虹吸连续自动 排 泥 及 与 清 水 池 合 建 的 技 术 措 施 ， 在大型水厂中获得成功 ， 是一个突破 ， 现已成为大型 水厂的主流工艺构筑物 。 ２ ． ５ 斜板斜管沉淀技术 哈真 提 出 了 平 流 池 的 浅 池 理 论 ， 即在 １ ９ ０ ４年， 保持同样沉淀效 果 的 条 件 下 ， 池深减小数倍可使池 长和沉淀时间相 应 地 减 少 数 倍 ， 从而大大降低沉淀 池的建设费用 。 工程界曾作多年努力进行多层沉淀 池工程试验 ， 皆因排泥困难而未获成功 。 日本医务工作者博伊科特在 ２ ０世 纪 ６ ０ 年 代， 用试管进行血沉 测 定 时 ， 发现试管倾斜会使沉降加 速 。 水处理工作 者 根 据 这 一 现 象 ， 研发出了斜板斜 管沉淀装置 。 斜板斜管沉 淀 装 置 极 大 地 减 小 了 沉 降 距 离 （ 池