當前，我國城市供水行業(yè)面臨著(zhù)兩個(gè)方面的問(wèn)題。一方面，飲用水水源污染問(wèn)題仍然比較突出，存在飲用水水質(zhì)不達標的風(fēng)險。盡管推進(jìn)了全國飲用水水源地集中整治工作并取得極大成效，但2020年3月28日發(fā)生的伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司鉬礦尾礦庫4號溢流井傾斜事故造成鐵力市第一水源地關(guān)閉的事件，提醒我們城市飲用水水源污染風(fēng)險從未離去。

而2020年初的新冠肺炎疫情，也曾一度引起人們對飲用水水質(zhì)安全的擔憂(yōu)，疫情嚴重地區水廠(chǎng)采取了控制出水濁度和強化消毒等預防性措施。另一方面，我國進(jìn)入小康社會(huì )，廣大人民群眾對高品質(zhì)生活飲用水的需求不斷增長(cháng)，供水系統存在設施建設不完善、不充分與廣大人民群眾對優(yōu)質(zhì)飲用水水質(zhì)新期待之間的矛盾。近年來(lái)，上海市、深圳市、雄安新區、?？谑薪瓥|新區、武漢市、浙江省、江蘇省等地已（擬）發(fā)布地方性生活飲用水水質(zhì)標準，提出了比現行國標更為嚴格的生活飲用水水質(zhì)標準，期望通過(guò)標準的提升，進(jìn)一步推動(dòng)凈水工藝改進(jìn)和管理水平提高，使廣大人民群眾因水質(zhì)改善而提高獲得感。

　　針對第一個(gè)問(wèn)題，應貫徹底線(xiàn)思維，提升供水系統應對水源水質(zhì)污染風(fēng)險的能力。飲用水水質(zhì)安全是國家公共衛生安全體系的重要組成部分，與人民身體健康和社會(huì )穩定息息相關(guān)，提供合格水、放心水是供水系統的最基本要求。針對第二個(gè)問(wèn)題，應貫徹以人民為中心的發(fā)展理念，提高供水系統建設標準，提供更優(yōu)質(zhì)、更健康、更好喝的飲用水,實(shí)現城市供水系統的高質(zhì)量發(fā)展。

　　在上述背景下，基于飲用水安全保障的多級屏障工藝——全流程工藝在國內水廠(chǎng)建設中開(kāi)始得到較多應用，建成了一批全流程水廠(chǎng)。

　　1、供水系統多級屏障理念及全流程工藝概念的提出

　　“十一五”和“十二五”期間，“國家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項”（簡(jiǎn)稱(chēng)“水專(zhuān)項”）設立了“飲用水安全保障”主題，構建了我國“從源頭到龍頭多級屏障工程技術(shù)體系”和“從源頭到龍頭全過(guò)程管理技術(shù)體系”。這是水專(zhuān)項十多年研發(fā)的重大成果，而貫穿其中的“多級屏障”理念，直接引領(lǐng)了近十多年我國城市供水系統的建設發(fā)展方向，促進(jìn)了以臭氧-活性炭、膜分離、紫外消毒等為核心的飲用水安全保障多級屏障工藝在供水廠(chǎng)日益廣泛的應用。

　　筆者認為，飲用水“多級屏障”理念的內涵，至少包含以下兩個(gè)層次：第一個(gè)層次，從整個(gè)供水系統來(lái)說(shuō)，涵蓋了水源、水廠(chǎng)和輸配管網(wǎng)三道安全屏障；第二個(gè)層次，從水廠(chǎng)凈化處理環(huán)節來(lái)說(shuō)，涵蓋了預處理、常規處理、深度處理、消毒等若干道安全屏障。

　　基于第二層次，在2015年之后，供水行業(yè)提出了“全流程工藝”這一新概念。所謂全流程工藝，其基本含義是，水廠(chǎng)凈水工藝包含了預處理工藝、常規處理工藝和深度處理工藝，并且其中的深度處理應包含臭氧-活性炭濾池和膜處理。采用全流程工藝的水廠(chǎng)，稱(chēng)為“全流程工藝水廠(chǎng)”或“全流程水廠(chǎng)”。

　　預處理工藝包括化學(xué)預處理（如臭氧氧化、氯氧化、高錳酸鉀氧化等）、生物預處理、粉炭吸附預處理等多種形式。全流程工藝中的預處理工藝，一般多為預臭氧工藝。

　　常規處理為混凝-沉淀-砂濾-消毒處理，是最基本的凈水工藝，也是我國目前大多數水廠(chǎng)采用的工藝形式，是全流程工藝必備的環(huán)節。

　　深度處理工藝包括臭氧-活性炭工藝、膜處理工藝和高級氧化工藝。其中臭氧-活性炭工藝應用最為普遍，截止2019年全國總規模約為3500萬(wàn)m3/d；膜處理工藝包括超濾和納濾，以超濾膜為代表，近年也得到更多應用，截止2019年全國總規模約為500萬(wàn)m3/d，可進(jìn)一步提高飲用水的生物安全性，彌補臭氧-活性炭工藝的不足。全流程工藝中的深度處理工藝應包括臭氧-活性炭工藝和膜處理工藝，可稱(chēng)之為“雙深度處理”。

　　另外，全流程工藝還常常包括紫外線(xiàn)消毒工藝。國內有四十多座大中型水廠(chǎng)采用了紫外線(xiàn)消毒工藝，總規模近650萬(wàn)m3/d，如天津泰達經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區給水廠(chǎng)三期工程采用紫外線(xiàn)＋氯聯(lián)合消毒工藝，北京第十水廠(chǎng)采用紫外線(xiàn)+氯胺聯(lián)合消毒工藝。

　　綜上所述，全流程工藝是一種長(cháng)流程工藝，其組成單元如下：預處理單元（預臭氧、生物預處理等）、常規處理單元（混凝、沉淀、砂濾、消毒）、臭氧-活性炭吸附單元和膜處理單元（超濾或超濾+納濾），有些水廠(chǎng)還有紫外線(xiàn)消毒單元，流程框圖見(jiàn)圖1。這些工藝單元各具作用，相互補充，組成保障飲用水安全、優(yōu)質(zhì)的多級屏障。因此也可以說(shuō)，全流程工藝是飲用水多級屏障理念在水廠(chǎng)設計中的具體應用，促進(jìn)了全流程水廠(chǎng)的建設與實(shí)踐。

　　圖1 全流程工藝框圖

　　我院結合承擔的國家“十三五”水專(zhuān)項課題成果，在珠海市拱北水廠(chǎng)專(zhuān)門(mén)建立了一座“預處理+常規處理＋深度處理（BAC+超濾膜）”的水處理全流程中試基地，旨在通過(guò)對多水源采用不同組合工藝流程的試驗研究[7]，為全流程水廠(chǎng)設計提供依據。

　　2 全流程水廠(chǎng)建設現狀

　　國內全流程水廠(chǎng)建設與實(shí)踐始于2010年之后，盡管當時(shí)并沒(méi)有全流程水廠(chǎng)這一提法。國內目前已建成的全流程水廠(chǎng)情況如下表1所示。從公開(kāi)報道資料看，北京市門(mén)頭溝城子水廠(chǎng)是國內最早建成投運的全流程水廠(chǎng)。

表1  國內已建成全流程水廠(chǎng)情況表

　　序號水廠(chǎng)名稱(chēng)水廠(chǎng)規模（萬(wàn)m3/d）水源及特點(diǎn)建設情況

　　1北京市門(mén)頭溝城子水廠(chǎng)8.64南水北調水-團城水庫水，低溫低濁水；長(cháng)距離輸水可能存在污染2014年9月建成通水

　　2北京市郭公莊水廠(chǎng)（一期）50南水北調水-團城水庫，低溫低濁水；長(cháng)距離輸水可能存在污染2014年12月建成通水

　　3鄭州航空港第二水廠(chǎng)（一期）20南水北調水或黃河水，低溫低濁水；黃河水一般為III類(lèi)，存在突發(fā)水污染情況2017年8月正式供水

　　4鄭州市龍湖水廠(chǎng)20花園口黃河水，低溫低濁水；一般為III類(lèi)，存在突發(fā)水污染情況，2018年11月開(kāi)工建設

　　5廣州市北部水廠(chǎng)（一期）60西江水，II類(lèi)水2019年1月年月試運行

　　國內已建成投運的全流程水廠(chǎng)尚不多，主要位于經(jīng)濟較為發(fā)達的大城市。這些項目的基本特點(diǎn)是：項目規模較大，服務(wù)人口多，安全性要求高；原水存在突發(fā)水質(zhì)污染的可能，為保證水質(zhì)安全，或者盡管原水水質(zhì)較好，為提供高品質(zhì)飲用水，采用了包括預處理、常規處理和雙深度處理的全流程工藝。目前正在建設的全流程水廠(chǎng)包含雄安新區起步區1#水廠(chǎng)、珠海市梅溪水廠(chǎng)、?？谑薪瓥|新區水廠(chǎng)、濟寧市長(cháng)江水廠(chǎng)等。

　　3 全流程水廠(chǎng)設計案例

　　3.1 雄安新區起步區1#水廠(chǎng)

　?。?）項目概況

　　水廠(chǎng)規劃遠期總規模20萬(wàn)m3/d，一期規模15萬(wàn)m3/d。水源為南水北調水，原水水質(zhì)總體達到地表水Ⅲ類(lèi)標準，但存在水質(zhì)污染情況：總氮超標，石油類(lèi)、糞大腸菌群偶有超標，整體呈現低濁、低有機物的水質(zhì)特征，冬季低溫；pH 相對較高；檢出多種典型致嗅物質(zhì)；藻類(lèi)總數150-300萬(wàn)個(gè)/L。

　　水廠(chǎng)供水水質(zhì)要求滿(mǎn)足“雄安新區生活飲用水水質(zhì)標準”，為服務(wù)區提供高品質(zhì)生活飲用水。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——預臭氧接觸池——高效澄清池——V型砂濾池——提升泵房——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜車(chē)間——紫外線(xiàn)+次鈉聯(lián)合消毒——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　?。?）主要工藝設計參數

　　預臭氧接觸時(shí)間5min；高效澄清池混合時(shí)間2min，絮凝時(shí)間20min，沉淀區液面負荷12m3/(m2.h)；V型砂濾池濾速 7.2m/h；后臭氧接觸時(shí)間12mim；活性炭濾池空床濾速10m/h；超濾膜通量不大于60L/(m2.h)，紫外消毒采用2臺DN800管式消毒設備。

　　圖2 雄安新區起步區1#水廠(chǎng)鳥(niǎo)瞰圖

　　3.2珠海市梅溪水廠(chǎng)

　?。?）項目概況

　　水廠(chǎng)規劃總規模45萬(wàn)m3/d，一期工程土建按30萬(wàn)m3/d規模一次建成，設備按15萬(wàn)m3/d規模進(jìn)行安裝。水源取自西江磨刀門(mén)水道，咸期可利用平崗泵站或竹銀水庫；應急備用水源為梅溪水庫和大境山水庫。原水水質(zhì)基本符合地表水Ⅱ類(lèi)標準，但藻類(lèi)明顯超標，TN超標不多且以無(wú)機污染為主。

　　水廠(chǎng)供水水質(zhì)要求同時(shí)滿(mǎn)足《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）和《飲用凈水水質(zhì)標準》（CJ94-2005）。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——預臭氧接觸池——高效澄清池——氣水反沖洗砂濾池——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜池——紫外線(xiàn)+次鈉聯(lián)合消毒——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　?。?）主要工藝設計參數

　　預臭氧接觸時(shí)間7.4min；高效澄清池混合時(shí)間1.25min，總絮凝時(shí)間15.1min（含推流區），沉淀區液面負荷14.4m3/（m2.h）；砂濾池濾速7.5m/h；后臭氧接觸時(shí)間13.1mim；活性炭濾池空床濾速11.1m/h；采用浸沒(méi)式超濾膜，平均膜通量23.3L/（m2.h）；紫外消毒采用4臺DN800管式消毒設備。

　　圖3 珠海市梅溪水廠(chǎng)鳥(niǎo)瞰圖

3.3 ?？谑薪瓥|新區水廠(chǎng)

　?。?）項目概況

　　水廠(chǎng)土建按40萬(wàn)m3/d規模一次建成，設備按20萬(wàn)m3/d規模安裝。采用地下式水廠(chǎng)+地上開(kāi)發(fā)的建設模式。水源取自南渡江龍塘壩，原水總體達到地表水III類(lèi)標準，但鐵、錳超標情況比較突出，總磷偶有超標，存在微污染情況。

　　水廠(chǎng)供水水質(zhì)要求優(yōu)于《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006），滿(mǎn)足“江東新區高品質(zhì)飲用水水質(zhì)標準”的要求。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——進(jìn)水配水井——預臭氧接觸池——折板絮凝斜管沉淀池——V型砂濾池——中間提升泵房——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜車(chē)間——紫外線(xiàn)+次鈉聯(lián)合消毒——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　?。?）主要工藝設計參數

　　預臭氧接觸時(shí)間5min；折板絮凝斜管沉淀池混合時(shí)間55s，絮凝時(shí)間16min，沉淀池斜管區液面負荷6.5m3/(m2.h)；V型砂濾池濾速7.41m/h；后臭氧接觸時(shí)間8.2mim；活性炭濾池空床濾速9.5m/h；超濾膜通量60L/(m2.h) ；紫外消毒采用4臺DN800管式消毒設備。

　　圖4 ?？谑薪瓥|新區水廠(chǎng)鳥(niǎo)瞰圖

　　3.4濟寧市長(cháng)江水廠(chǎng)

　?。?）項目概況

　　水廠(chǎng)遠期總規模20萬(wàn)m3/d，一期工程建設規模10萬(wàn)m3/d。水源取自南陽(yáng)湖石橋泵站，原水水質(zhì)基本符合地表水Ⅲ類(lèi)標準，但總氮、硫酸鹽、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、氟化物、氨氮、溴化物等項目超標，且有機微污染、硫酸鹽等問(wèn)題突出。

　　水廠(chǎng)供水水質(zhì)要求滿(mǎn)足《生活飲用水衛生標準》（GB5749－2006）。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——預處理（粉炭、高錳酸鉀）——豎向折板絮凝平流沉淀氣浮池——臭氧接觸池——UV/H2O2高級氧化（預留）——上向流活性炭濾池——超濾膜池——納濾（預留）——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　?。?）主要工藝設計參數

　　折扳絮凝池絮凝時(shí)間取20min，平流沉淀池停留時(shí)間2.2h，水平流速15.0mm/s，氣浮池設置于沉淀池之后，氣浮池接觸室上升流速51mm/s，分離區流速7.4mm/s，最大溶氣壓力0.60MPa，設計最大回流比10%；臭氧接觸時(shí)間14.6mim；活性炭濾池空床濾速10.1m/h，接觸時(shí)間14min；浸沒(méi)式超濾膜池平均膜通量30L/(m2.h) 。

　　圖5 濟寧市長(cháng)江水廠(chǎng)鳥(niǎo)瞰圖

　　4 全流程水廠(chǎng)總體設計思考

　?。?）充分利用國家“水專(zhuān)項”系列成果，促進(jìn)水廠(chǎng)建設技術(shù)進(jìn)步

　　全流程水廠(chǎng)是國家“水專(zhuān)項”成果的具體應用，代表了現階段我國飲用水處理工藝先進(jìn)水平。其根本宗旨是以人為本，體現了以人民為中心的思想，有利于增強人民群眾的獲得感；其核心理念是多級屏障理念，強化凈化環(huán)節的風(fēng)險管控能力，提升水質(zhì)安全裕度；其核心工藝是綠色工藝，有利于減小水處理藥劑的投加量，水質(zhì)更加健康、好喝。全流程水廠(chǎng)設計應充分利用“水專(zhuān)項”系列成果，促進(jìn)我國城市水廠(chǎng)建設技術(shù)進(jìn)步。

　?。?）充分分析原水水質(zhì)，強化風(fēng)險識別

　　全流程水廠(chǎng)的基本目標是原水水質(zhì)差時(shí)保證出水達標，提供合格水；原水水質(zhì)好時(shí)保證出水優(yōu)質(zhì)，提供高品質(zhì)水。全流程水廠(chǎng)設計應對原水水質(zhì)進(jìn)行客觀(guān)、準確分析，對風(fēng)險進(jìn)行精準識別，必要時(shí)可進(jìn)行專(zhuān)門(mén)試驗研究，在此基礎上進(jìn)行工藝選擇，以提高工藝針對性，不能為追求全流程而進(jìn)行全流程設計。

　?。?）合理選擇工藝單元及其形式

　　全流程水廠(chǎng)采用長(cháng)流程，工藝單元多，各單元具備不同功能，要結合項目特點(diǎn)和具體情況合理選擇工藝單元及其形式，如預處理的形式，絮凝沉淀池池型，砂濾池池型，活性炭濾池池型，超濾膜形式（壓力式或浸沒(méi)式）；是否設置砂濾，砂濾池在前還是活性炭濾池在前，是否有必要設置納濾，納濾處理水量的比例；活性炭濾池前是否設置提升泵房等。例如在雄安新區起步區1#水廠(chǎng)和珠海梅溪水廠(chǎng)設計中，綜合考慮原水水質(zhì)、廠(chǎng)區用地及景觀(guān)要求，絮凝沉淀采用高效沉淀池池型；在濟寧長(cháng)江水廠(chǎng)設計中，針對原水水質(zhì)特點(diǎn)，采用平流沉淀+氣浮的雙沉淀組合工藝，炭濾池采用上向流形式，不設砂濾池，預留高級氧化（UV/H2O2）單元和納濾單元；在珠海梅溪水廠(chǎng)設計中，針對廠(chǎng)區地形高差較大的特點(diǎn)，在砂濾和炭濾之間不設提升泵房。

　?。?）合理確定工藝參數

　　全流程水廠(chǎng)各工藝單元處理重點(diǎn)不同，其基本原則是前序單元為后續單元減負荷，后續單元為前序單元加保險。因此，對于全流程水廠(chǎng)，要更加注意強化常規處理單元的效果，其設計參數取值在一般情況下也相對保守，以便后續深度處理單元的功能發(fā)揮。這與全流程水廠(chǎng)注重安全的理念是一脈相承的，同時(shí)相對保守的常規處理設計參數還可以減小藥劑投加量，更加綠色安全。例如雄安新區起步區1#水廠(chǎng)、珠海梅溪水廠(chǎng)高效澄清池斜管沉淀區液面負荷取值都靠近《室外給水設計標準》（GB50013-2018）的下限值，有利于保證沉淀水水質(zhì)，可降低PAM投加量，保護砂濾和后續超濾膜；雄安新區起步區1#水廠(chǎng)、珠海梅溪水廠(chǎng)和?？诮瓥|新區水廠(chǎng)砂濾池設計濾速均低于7.5m/h，屬于中間偏下的濾速。

　?。?）廠(chǎng)區平面宜采用集約化布置方式，節約用地，提高與環(huán)境的融合度

　　全流程水廠(chǎng)工藝單元多，占地面積大，運行管理相對復雜，應按照集約化原則（如平面組合，豎向疊合等）進(jìn)行水廠(chǎng)總平面布置，減小廠(chǎng)區占地，縮短連接管路，方便巡視管理，提高土地利用效率，結合海綿設施打造廠(chǎng)區優(yōu)美景觀(guān)環(huán)境。應重視廠(chǎng)區建筑，有條件時(shí)，采用去工業(yè)化設計理念，將凈水構筑物建筑化，并且要求廠(chǎng)區工業(yè)建筑像民用建筑那樣擁有建筑藝術(shù)性，創(chuàng )造宜人、優(yōu)美、時(shí)尚、有文化的建筑空間環(huán)境，達到水廠(chǎng)與周邊環(huán)境的高度融合。例如，在雄安新區起步區1#水廠(chǎng)設計中，根據規劃要求對廠(chǎng)區地形進(jìn)行重構，借鑒北京四合院布局特點(diǎn)，采用組合式構（建）筑物，集約化布置，并將構筑物建筑化，以達到廠(chǎng)區設施與周邊環(huán)境的高度融合；珠海梅溪水廠(chǎng)廠(chǎng)區利用采石場(chǎng)廢坑建設，變廢為寶，充分利用山地地形，因山就勢，處理設施采用組合設計、集約化布置，消隱于山谷，與環(huán)境高度融合，占地極??；?？诮瓥|新區水廠(chǎng)是國內首座全地下式水廠(chǎng)（綜合樓及臭氧發(fā)生器間布置在地面上），地上面積進(jìn)行復合式開(kāi)發(fā)利用，極大地提高土地利用率，并提高了水廠(chǎng)臺風(fēng)期抗災能力。

　?。?）優(yōu)化凈水構筑物水力高程布置，靈活設置多種運行模式

　　全流程水廠(chǎng)工藝安全性高，設計應充分注意優(yōu)化凈水構筑物水力高程布置，使水廠(chǎng)具備采用多種運行模式的條件，以適應不同條件下的運行工況，包括：正常運行工況，全部單元運行的長(cháng)流程運行模式；超越運行工況一，超越炭濾池的中流程運行模式；超越工況二，超越全部膜處理單元的中流程運行模式；超越工況三，超越部分膜處理單元的中流程運行模式；超越工況四，特殊情況下超越炭濾池和膜處理單元的常規處理短流程模式等。例如前文介紹的四座全流程水廠(chǎng)均設置了多種運行模式。

　?。?）充分應用智慧水務(wù)技術(shù)，提升運行管理水平

　　全流程水廠(chǎng)作為工藝安全性高的水廠(chǎng)，還應該在高效、智能運營(yíng)方面做出表率和示范。應配置完善的自動(dòng)檢測系統、自動(dòng)控制系統、資產(chǎn)管理系統、生產(chǎn)信息管理系統等，以實(shí)現對水廠(chǎng)的全流程在線(xiàn)監測，對關(guān)鍵工藝單元的智能化管控，對生產(chǎn)過(guò)程的預測模擬分析，對水廠(chǎng)運行的整體優(yōu)化和輔助決策，從而保證水廠(chǎng)運行安全高效、水質(zhì)穩定可靠。

　　5   總結

　　全流程水廠(chǎng)系“水專(zhuān)項”成果的具體應用，代表了現階段我國飲用水處理工藝先進(jìn)水平。全流程水廠(chǎng)設計應充分利用“水專(zhuān)項”成果；充分分析原水水質(zhì)，強化風(fēng)險識別，在此基礎上進(jìn)行工藝選擇，提高工藝針對性，不能為全流程而全流程；合理選擇工藝單元及其形式、工藝設計參數；在平面布置方面應注意集約化布置，高效利用土地；在豎向水力高程布置方面應靈活設置多種運行模式；充分應用智慧水務(wù)技術(shù)，配置完善的智慧管控系統，實(shí)現水廠(chǎng)安全高效運行，保障安全優(yōu)質(zhì)供水。

編輯：王媛媛