2014年12月27日,南水北调中线工程正式通水,按计划,在南水北调来水进京之后,一期工程将年均为北京市供水10.5亿m³,供水范围包括了北京市的15个区县。南水北调来水可以解决北京市中心城区年均15亿m³用水量的2/3需求,对北京市的供水具有非常重大的影响。自此之后,北京市形成了以两大动脉、六大水厂、两个枢纽、三大应急水源地与一条环路相结合的供水格局。这其中,两大动脉(南水北调中线总干渠与密云水库至北京市第九水厂的输水干线)显然是整个北京市供水系统中最为重要的构成部分。南水北调来水在很大程度上解决了北京市供水紧张的问题,但同时也给北京市的供水体系带来极大的挑战,尤其是在外调来水与本地水源水质不同的情形之下,对北京市原有的水厂净水工艺形成了较大的冲击。这就要求南水北调来水之后,北京市的相关水厂对自身的净水工艺进行调试,从而确保北京市的供水管网能够更好地适应南水北调来水之后的水源情况,保证北京市的供水安全与供水稳定性。

　　 在2013年10月至2014年9月期间,南水北调来水指标选择北京市南水北调水质监测中心对南水北调中线工程来水的水质情况的监测数据,而本地水指标则选择北京市水务局对密云水库的监测数据进行比对(见表1)。

　　 如表1所示,在硫酸盐、氯化物、总硬度以及硝酸盐方面,南水北调来水的相关数据要显著高于密云水库水,特别是在2013年10月至2014年3月试运行初期,南水北调来水中硫酸盐和氯化物含量明显高于密云水库水,且随着时间的增长,各项指标有逐渐减小趋势。到了2014年4月份之后,相关数据之间的差异有所缩减,但南水北调来水的上述几项指标仍大于北京本地水。2014 年9 月硫酸盐和氯化物含量又有所升高。密云水库水各指标数值相对比较稳定,变化不大,而南水北调来水各指标数值则变化较大,随着南水北调来水的持续进行,各项指标应逐渐趋于稳定。

　　 南水北调来水与北京市本地水之间的水质差异在2008年南水北调中线一期工程通水时就已发现。2008年,北京自来水出现“黄水”事件,此后北京市水务局立即组织了由清华大学、中科院生态中心、北京市自来水集团等单位组成的专家小组,并于2009年在丹江口水库建立了一个“微型水厂”,全程模拟北京市的各自来水厂的工艺流程。经过试验发现,造成北京市黄水现象的关键在于混合水中硫酸根以及氯离子的大幅增加与碱度的减少,导致水体腐蚀性增强,使北京市供水管网中的酸碱平衡状态出现失衡,管垢保护层脱落,内层疏松的铁锈进入水体之中,从而引发北京市的黄水现象。研究结果表明^[1],正是由于外地水和本地水之间存在着较大的水质差异,使北京市各水厂工艺在短期内难以适应,导致供水出现问题。

　　 针对上述情况,负责南水北调来水与本地水协同供应的田村山水厂、第三水厂、第九水厂和城子水厂中,前面三个水厂对其净水工艺进行了有针对性的调适。

　　 田村山水厂位于北京市海淀区的田村山地区,建于1985年,设计能力17万m³/d,建成之初为亚洲最先进的地表水厂,主要以处理地表水水源为主。由于设计时间较早,其间也经过一些设备与工艺的改造,为了能够满足南水北调来水之后的水处理需求,田村山水厂对处理能力进行了升级。工艺流程如图1所示。

　　 改造之后,新增了混合井、V型滤池、臭氧接触池、活性炭吸附池、设备间及加氯间等。其中V型滤池、臭氧接触池、活性炭吸附池以综合池的型式布置在一个构筑物内。以三氯化铁作为混凝剂,投放剂量一般控制在17mg/L;V型滤池采用双排布置形式,每排4格,共8格,臭氧接触池以及生物活性炭吸附池的接触时间分别为10min和9min。

　　 田村山水厂工艺改造后的运行效果见表2。

　　 北京市第三水厂设计能力40万m³/d,涉及地下水工艺升级改造及地表水工艺引入。其中,与南水北调来水相关的地表水处理工艺改进之后的工艺流程如图2所示。

　　 如图2所示,该工艺主要涉及预氯化与预臭氧两项关键处理技术,其中,预氯化工艺主要是通过5~15 mg/L纯度为10%的次氯酸钠溶液实现,预臭氧处理主要是利用水射器投加1.0~1.5 mg/L臭氧;高密度沉淀池由4部分构成,铝盐及PAM的投加量分别是30~40 mg/L、0.1 mg/L,上升速度为4.16mm/s;V型滤池由6格构成,利用均质石英砂实现过滤;臭氧接触池按照2∶1∶1的比例进行布气,同时将接触时间控制在15.8 min以内;活性炭吸附池同样由6格构成,采用颗粒状活性炭,接触时间12min。

　　 第三水厂的工艺改造后的运行效果见表3。

　　 北京市第九水厂始建于20 世纪80 年代,于2002年竣工,处理规模150 万m³/d。第九水厂利用隧洞重力原理实现对密云水库取水,同时借助投加设备进行氯、高锰酸钾以及活性炭等物质投加,原水经75km封闭性管道之后到达水厂,在经过混凝、沉淀、过滤以及炭吸附等一系列措施之后进入清水池。第九水厂整体工程共分三期,每期工艺各有侧重,其中,一期是机械混合池—机械搅拌澄清池—煤砂双层虹吸滤池—活性炭吸附池,具有50万m³/d处理规模;二、三期采取机械搅拌混合池—波形板絮凝池—侧向流波形板沉淀池—无烟煤气水反冲滤池—活性炭吸附池,共计具备100 万m³/d处理规模。2005年及2007年第九水厂分别对二期絮凝沉淀工艺实施升级改造,处理规模由之前的50万m³/d提升至66万m³/d,使整体处理能力提升至166万m³/d。第九水厂改选后工艺流程见图3。第九水厂三期工艺参数见表4。第九水厂工艺改造后的运行效果见表5。

　　 三大水厂都增加了水处理能力,使得全新的工艺在大大提升水处理能力的同时,又确保水质不会出现下降。从三大水厂工艺升级运行效果来看,其升级后的出厂水质都能够确保符合北京市的自来水供水要求。

　　 就现阶段北京市三座水厂实际运行状况而言,在分别以南水北调、河北四库、密云水库以及地下水作为水源的情况下,当前所采用的工艺都可以确保出水水质达到《生活饮用水卫生标准》。然而不同工艺的出水水质还是有所不同,在水质存在差异的情况之下,也要综合考虑每种工艺自身的适应性问题,并且南水北调丹江口水库来水具有不确定性,所以,对每种工艺实际处理效果进行综合对比分析,进一步明确丹江口水库水质特点及风险,可以为选择最适宜的工艺提供可靠性依据。

　　 通常实践中比较常见的方式是通过预氧化或者粉末活性炭吸附等方式进行预处理。以北京第三水厂预氧化工艺实际运行效果为例,预处理效果比较明显,通过预氯化及预臭氧可以将水中76%左右的水藻类等物质去除;与此同时,预氧化对水中有机物、异味的去除以及提升混凝度等都具有一定效果,即使是对于突发性原水污染等紧急状况,同样有效。粉末活性炭投加一般适用于臭味或者明显的有机物污染等紧急状况。鉴于南水北调来水途经数个省份,跨越里程长,所面临的风险系数也相对较高,所以,设置预处理环节极为必要。

　　 北京市现阶段主要采用机械搅拌澄清池、Actilo微砂沉淀池以及高密度沉淀池等澄清工艺,每种工艺的技术特点见表6。

　　 北京市第九水厂二期、第三水厂以及田村山水厂混凝沉淀工艺实践结果证实,其所采取的澄清工艺都可以确保现实需求。相比较而言,机械搅拌澄清池,不但澄清效果显著,并且运行管理难度较低,对机械设备的要求也较低,所需投资有限,运行实践时间较长,已经积累了大量的成功经验,具有很好的适应性。丹江口水库水大致符合行业 Ⅱ 类水质要求,机械搅拌澄清池可以充分实现今后多水源水质需求,鉴于此,在不必考虑水厂面积的前提之下,可以将机械搅拌澄清池作为首选方案。

　　 相较于机械搅拌澄清池,高密度沉淀池与微砂循环沉淀池的运行负荷高,但占地面积相对较少。对于极易出现的水质显著变化的状况,也可以很好适应。所以,对于水厂改造以及用地面积有限的场合,可以对其予以优先考虑。总而言之,在实践操作过程中,要综合水厂用地等状况选择最适宜的澄清工艺。

　　 现阶段水厂过滤环节以传统过滤与超滤膜技术为主。通过前述对北京市第九水厂、第三水厂以及田村山水厂运行状况的阐述,加之我国目前滤池实际状况的综合分析,气水反冲洗滤池的效果远高于传统的单独水冲洗滤池;除此之外,相较于传统过滤技术,超滤膜技术可以实现出水浊度不超过0.1NTU的目标,同时稳定性更强,可对微生物进行有效截留,特别是对于贾第鞭毛虫以及隐孢子虫等微生物的去除效果十分明显,可以有效确保出水安全。所以,在过滤工艺方面,气水反冲洗滤池或超滤膜技术都是首选方案。在气水反冲洗滤池中,V型滤池的优势主要是滤池深度低,结构简单,工程投资低,过滤效果好,目前国内应用较为普遍,V型滤池已经成为现阶段气水反冲洗滤池的首选方案。

　　 对于水源水质微污染等状况,单纯借助常规处理手段效果并不令人满意,相比传统水处理技术,深度处理技术的优势十分突出。现阶段北京市水厂中的深度处理工艺主要涉及活性炭吸附池、臭氧—生物活性炭吸附池等技术,北京市第三水厂以及田村山水厂的实际运行效果充分证实,臭氧—生物活性炭吸附池能够同时实现臭氧氧化以及活性炭吸附的双重效果,去除有机物的效果显著。

　　 在深度处理工艺方面,需要对活性炭吸附池的池型设计予以高度关注。 北京市第三水厂以及田村山水厂都选择了V型活性炭吸附池池型,在实际操作过程中,常出现反冲洗完成后V型槽处于进水状态时,炭面平整度不达标的问题。 这一问题会进一步引发水流阻力差异问题,使炭层薄的位置水力停留时间短于设计时间,并最终对出水水质造成影响。导致这一问题的原因大致有以下两方面:

　　 (1)V型滤池由V型槽两边进水,常规快滤池是由洗砂排水槽进水,常规快滤池洗砂排水槽长度是V型槽的4~5倍,V型滤池侧堰长有限,所承担的流量大,滤床所承担的冲击力相应提升。

　　 (2)颗粒活性炭密度低,相较于砂滤料而言,颗粒活性炭在反冲洗之后需要花费更多的时间才能实现着床。炭料在反冲洗且着床之前,极易被冲动,导致炭面有高有低现象的出现。所以,对于密度偏低的吸附性材料,过堰流量负荷低的丰字型滤池或翻板阀滤池是最佳备选方案。

　　 (1)由于南水北调调水跨度长,污染源多,设置预处理环节极为必要。

　　 (2)对于今后多水源水质现实需求,在不必考虑水厂面积的前提之下,可以将机械搅拌澄清池作为首选方案。

　　 (3)V型滤池深度低,结构简单,能确保出水水质达标,工程投资低,可以作为气水反冲洗滤池的首选方案。

　　 (4)对于深度处理环节,臭氧—生物活性炭吸附池能够同时实现臭氧氧化以及活性炭吸附的双重效果,去除有机物的效果显著,是目前的首推工艺。