作者簡介
陳燕波
陳燕波，中國市政工程中南設計研究總院副總工程師，正高級工程師，主要從事市政給水排水工程咨詢設計與科研工作。負責及指導的大中型工程咨詢設計項目有100余項，其中給水處理總規模達500萬m3/d，污水處理總規模達300萬m3/d，成果獲國家及省部級優 秀咨詢設計獎 20 余次；參與“十三五”國家水專項《城市供水系統規劃設計關鍵技術評估及 標準化》、住建部及省市級科研課題 4 項；主編及參編行業相關規范、標準、規程 8 項。
當前，我國城市供水行業面臨著兩個方面的問題。一方面，飲用水水源污染問題仍然比較突出，存在飲用水水質不達標的風險；另一方面，我國進入小康社會，廣大人民群眾對高品質生活飲用水的需求不斷增長，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質飲用水水質新期待之間的矛盾問題。近年來，上海市、深圳市、雄安新區、海口市江東新區等地已(擬)發布地方性生活飲用水水質標準，提出了比現行國標更為嚴格的生活飲用水水質標準，期望通過標準的提升，進一步推動凈水工藝改進和管理水平提升，提高廣大人民群眾的獲得感和幸福感。
針對第一個問題，應貫徹底線思維，提高供水系統應對水源水質污染風險的能力。飲用水水質安全是國家公共衛生安全體系的重要組成部分，與人民群眾身體健康和社會穩定息息相關，提供合格水、放心水是供水系統的最基本要求。針對第二個問題，應貫徹以人民為中心的發展理念，提高供水系統建設標準，提供更優質、更健康、更好喝的飲用水，實現城市供水系統的高質量發展。
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建設中開始得到較多應用，建成了一批全流程水廠。
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項”(簡稱“水專項”)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體系”和“從源頭到龍頭全過程管理技術體系”。這是“水專項”十多年研發的重大成果，而貫穿其中的“多級屏障”理念直接引領了近十多年我國城市供水系統的建設發展方向，促進了以臭氧-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水廠日益廣泛的應用。
筆者認為，飲用水“多級屏障”理念的內涵，至少包含以下兩個層次：第一個層次，從整個供水系統來說，“多級屏障”涵蓋了水源、水廠和輸配管網(包括二次供水)3道安全屏障；第二個層次，從水廠凈化處理環節來說，“多級屏障”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工藝應包含臭氧-活性炭吸附和膜處理。采用全流程工藝的水廠，稱為“全流程工藝水廠”或“全流程水廠”。
預處理工藝包括化學預處理(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采用的工藝形式，是全流程工藝必備的環節。
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，截至2019年全國總規模約為3 500萬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，截至2019年全國總規模約為500萬m3/d，可進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，可稱之為“雙深度處理”。
另外，全流程工藝還常常包括紫外線消毒工藝。國內有40多座大中型水廠采用了紫外線消毒工藝，總規模近650萬m3/d 。如天津泰達經濟技術開發區給水廠三期工程采用紫外線+氯聯合消毒工藝，北京第十水廠采用紫外線+氯胺聯合消毒工藝。
綜上，全流程工藝是一種長流程工藝，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)、臭氧-活性炭吸附單元和膜處理單元(超濾或超濾+納濾)、消毒單元。全流程工藝的主要特點是具有臭氧-活性炭和膜組成的雙深度處理工藝，如圖1所示。這些工藝單元各具作用，相互補充，組成保障飲用水安全、優質的多級屏障。因此，也可以說全流程工藝是飲用水多級屏障理念在水廠設計中的具體應用，促進了全流程水廠的建設與實踐。
圖1 全流程工藝示意圖
2、全流程水廠建設現狀
國內全流程水廠建設與實踐始于2010年之后，部分已建成的全流程水廠情況如表1所示。從公開報道資料來看，北京市門頭溝城子水廠是國內最早建成投運的全流程水廠。
國內其他全流程水廠還有上海臨港水廠(在建，規模為20萬m3/d)、東莞松山湖水廠(在建，規模為110萬m3/d)、東莞蘆花坑水廠(在建，總規模為90萬m3/d，一期規模為50萬m3/d)，以及本文將要介紹的4個案例等，總規模超過450萬m3/d。
表1 國內部分已建成全流程水廠
3、全流程水廠設計案例
3.1 雄安新區起步區1#水廠
(1)項目概況
水廠規劃遠期總規模為20萬m3/d，一期規模為15萬m3/d，已于2021年7月建成供水。水源為南水北調水，原水水質總體達到地表水Ⅲ類標準，但存在水質污染情況：總氮超標，石油類、糞大腸菌群偶有超標，整體呈現低濁、低有機物的水質特征，冬季低溫；pH 相對較高；檢出多種典型致嗅物質，其中雙-2-氯異丙基醚(雙醚)質量濃度接近嗅閾值(100 ng/L)；藻類總數為150萬～300萬個/L。
水廠按高品質飲用水廠建設，供水水質要求滿足《河北雄安新區生活飲用水水質指標體系》(建議稿)，出廠水渾濁度要求≤0.1 NTU。
(2)凈水工藝流程
水廠工藝流程為：原水-預臭氧接觸池-高效沉淀池-V型砂濾池-提升泵房-后臭氧接觸池-翻板活性炭濾池-超濾膜車間-紫外線+次氯酸鈉聯合消毒-清水池-送水泵房-配水管網。
(3)主要工藝設計參數
預臭氧接觸時間為5.0 min；高效沉淀池混合時間為2.2 min，絮凝時間為21.0 min，斜管區液面負荷為11.7 m3/(m2·h)；V型砂濾池濾速為7.3 m/h；后臭氧接觸時間為12.0 min；活性炭濾池空床濾速為9.3 m/h；超濾膜通量為50 L/(m2·h)；紫外消毒采用2臺DN800管式消毒設備。
3.2 珠海市梅溪水廠
(1)項目概況
水廠規劃總規模為45萬m3/d，一期工程土建按30萬m3/d規模一次建成，設備按15萬m3/d規模進行安裝，目前項目在建。原水平時取自西江磨刀門水道，咸潮期取自竹銀水庫，應急備用水源為梅溪水庫和大境山水庫。原水水質基本符合地表水Ⅱ類標準，其中總磷、總氮偏高，竹銀水庫藻類含量較高(4 300萬～7 800萬個/L)。
供水水質要求同時滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)和《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)，出廠水渾濁度內控標準為≤0.1 NTU。
(2)凈水工藝流程
水廠工藝流程為：原水-預臭氧接觸池-高效沉淀池-氣水沖洗砂濾池-后臭氧接觸池-翻板活性炭濾池-超濾膜池-紫外線+次氯酸鈉聯合消毒-清水池-送水泵房-配水管網。
(3)主要工藝設計參數
預臭氧接觸時間為7.4 min；高效沉淀池混合時間為1.25 min，機械絮凝時間為12.1 min，斜管區液面負荷為14.4 m3/(m2·h)；砂濾池濾速為7.5 m/h；后臭氧接觸時間為13.1 mim；活性炭濾池空床濾速為11.1 m/h；采用浸沒式超濾膜，平均膜通量為23.3 L/(m2·h)；紫外消毒采用4臺DN800管式消毒設備。
3.3 海口市江東新區水廠
(1)項目概況
水廠土建按40萬m3/d規模一次建設，設備按20萬m3/d規模安裝，目前項目在建。采用地下式水廠+地上開發的建設模式。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。
供水水質要求優于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，滿足“江東新區高品質飲用水水質標準”的要求，出廠水渾濁度要求≤0.1 NTU。
(2)凈水工藝流程
水廠工藝流程為：原水-進水配水井-預臭氧接觸池-高效沉淀池-提升泵房-一級超濾-后臭氧接觸池-活性炭濾池-二級超濾-清水池(投加次氯酸鈉消毒)-送水泵房-配水管網。
(3)主要工藝設計參數
預臭氧接觸時間為5 min；高效沉淀池斜管區液面負荷為21.8 m3/(m2·h)；一級超濾膜通量為42 L/(m2·h)；后臭氧接觸時間為8.2 mim；活性炭濾池空床濾速為9.5 m/h；二級超濾膜通量為56 L/(m2·h)。
3.4 濟寧市長江水廠
(1)項目概況
水廠遠期總規模為20萬m3/d，一期工程建設規模為10萬m3/d，是濟寧市首座地表水廠，目前已建成供水。水源為南四湖，原水水質基本符合地表水Ⅲ類標準，但水質比較復雜，化學需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、總氮、氟化物、硫酸鹽等項目超標頻次較高，有機微污染、硫酸鹽等問題比較突出；溴化物及藻類含量較高；新興污染物有不同程度的檢出。
供水水質要求滿足《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)。
(2)凈水工藝流程
水廠工藝流程為：原水-預處理(粉末炭、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(投加次氯酸鈉消毒)-送水泵房-配水管網。
(3)主要工藝設計參數
折板絮凝池絮凝時間為20 min，平流沉淀池停留時間為2.2 h，水平流速為15 mm/s；氣浮池設置于沉淀池之后，氣浮池接觸室上升流速為51.0 mm/s，分離區流速為7.4 mm/s，最大溶氣壓力為0.60 MPa，設計最大回流比為15%；臭氧接觸時間為14.6 mim；活性炭濾池空床濾速為11 m/h，接觸時間為14 min；采用浸沒式超濾膜，設計膜通量為33 L/(m2·h)。
4、全流程水廠特點分析
通過對國內已建、在建的全流程水廠進行對比分析，總結出以下特點。
(1)水廠規模大，定位高，具有強烈的社會需求
國內已建、在建的全流程水廠基本都是大型或超大型水廠，是當地的主供水廠，對保障城市供水安全極為重要，提出了諸如“高品質飲用水廠”“現代化水廠”的高定位要求，擔負著滿足人民群眾對優質飲用水的渴望、引領水處理技術進步、促進高標準供水設施建設、展示高質量發展成果的重任，在社會需求層面具有建設必要性。
(2)原水存在復雜性，出水水質標準高，應有完善的技術保證措施
國內已建、在建的全流程水廠的原水水質普遍存在一定的復雜性，存在季節性水質變差或較大的突發性水源污染可能性。例如雄安新區起步區1#水廠、北京郭公莊水廠、石景山水廠、門頭溝城子水廠、鄭州航空港二水廠的原水都是南水北調水，水質總體較好，但存在冬季低溫低濁、夏季高藻、有機物、色、嗅味等問題，具有低微有機污染、微生物遷移、突發性原水污染的潛在風險；鄭州龍湖水廠、航空港二水廠(部分時段)的原水采用黃河水，突發性水污染事故時有發生，具有低溫低濁、有機微污染、有一定的藻類和嗅味等水質特征；廣州西部水廠、珠海梅溪水廠原水采用西江水，基本屬于Ⅱ類水源，但部分時段會出現高濁、高藻、異味等突發情況；濟寧長江水廠原水水質則更為復雜。
出水水質標準方面，普遍提出了優于國標的要求。例如雄安新區起步區1#水廠、珠海梅溪水廠、海口江東水廠均要求提供高品質出水，其中出廠水渾濁度<0.1 NTU；北京郭公莊水廠、石景山水廠要求出水水質低于國家標準限值，達到國際標準，其中出水渾濁度<0.3 NTU，保證率>95%；廣州北部水廠出水要求基本達到《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)，其中出廠水渾濁度<0.3 NTU 。
由于進水水質的復雜性及出水水質的高要求，水廠在技術措施層面具有采用全流程工藝的必要性。
(3)在采用全流程工藝的前提下，各工藝單元的具體形式選擇具有多樣性
絮凝沉淀池池型多樣，主要結合水廠原水水質特點、使用和管理習慣、運行管理簡便性、項目用地面積等因素進行選擇。例如雄安新區起步區1#水廠、珠海梅溪水廠、海口江東水廠等采用占地較小且對低溫低濁水處理效果較好的高效沉淀池；濟寧長江水廠、鄭州航空港二水廠及龍湖水廠、上海臨港水廠、廣州西部水廠等采用運行穩定且管理簡單的折板絮凝平流沉淀池；郭公莊水廠、石景山水廠、門頭溝城子水廠采用在北京地區應有較多、具有豐富管理經驗且對低溫低濁水處理效果較好的機械攪拌澄清池。
砂濾池池型基本相同，一般采用氣水沖洗濾池(V型濾池)，有些廠則未設砂濾池。
活性炭濾池池型形式包括上向流和下向流。雄安新區起步區1#水廠、珠海梅溪水廠、海口江東水廠、鄭州航空港二水廠、上海臨港水廠均采用下向流活性炭濾池；濟寧長江水廠、北京門頭溝城子水廠、鄭州龍湖水廠、廣州西部水廠采用上向流活性炭濾池，設置于絮凝沉淀池之后、砂濾池之前；郭公莊水廠、石景山水廠則采用炭砂濾池。
超濾膜形式包括壓力式和浸沒式，其中壓力式使用較多。除濟寧長江水廠、鄭州航空港二水廠及龍湖水廠采用浸沒式超濾膜外，其他水廠均采用壓力式超濾膜。
(4)工藝流程長，既要考慮運行靈活性，又要應對運行管理復雜性
大部分全流程水廠都設置了多種運行模式，提高了水廠應對水質、水量變化的靈活性。珠海梅溪水廠、鄭州龍湖水廠只設一級中間提升泵房，有利于簡化運行管理；雄安新區起步區1#水廠、海口江東水廠、鄭州航空港二水廠等采用智慧水務技術提高運行管理水平。
5、全流程水廠設計思考
(1)充分利用國家“水專項”系列成果，建設標桿水廠，促進水廠建設技術進步
全流程水廠是國家“水專項”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和幸福感；其核心理念是多級屏障，強化凈化環節的風險管控能力，提升水質安全裕度；其核心工藝是綠色工藝，有利于減小水處理藥劑的投加量，水質更加健康、好喝。全流程水廠設計應充分利用“水專項”系列成果及其他最新研究成果，按標桿水廠進行建設，促進我國城市水廠建設技術進步。
當前，我國城市發展已進入到城市更新的階段，由“增量”向“提質”轉變，從“有沒有”向“好不好”轉變。筆者認為，城市更新行動對城市供水系統的要求是建設優質供水設施，讓老百姓喝上放心水、優質水。對于有需求、有必要、有條件的地區，可以通過全流程水廠的建設帶動本地區優質供水設施的建設。
(2)充分分析原水水質，強化風險識別，提高凈水工藝針對性，保證安全優質供水，節約投資
全流程水廠應安全與優質并重，原水水質差時保證出水達標，提供合格水；原水水質好時保證出水優質，提供高品質水。全流程水廠設計應對原水水質進行客觀、準確分析，對風險進行精準識別，必要時可進行專門試驗研究，在此基礎上進行工藝選擇，以提高凈水工藝針對性和有效性。例如，在珠海梅溪水廠設計前，專門在珠海拱北水廠建立了一座水處理全流程中試基地，旨在通過對多水源采用不同組合工藝流程的試驗研究，為水廠設計提供依據。同時還應該認識到，盡管全流程工藝對水質的安全保障性高，但工程投資較大，運行成本相對較高，廠區占地面積較大，運行管理要求更嚴格，不應為追求全流程而進行全流程設計，而應該按工程實際需要決定是否采用全流程工藝。
在采用全流程工藝保證安全優質供水的基礎上，如何降低工程投資也需要深入思考，可考慮的措施包括超濾膜系統分期建設、采用國產超濾膜、減少中間提升泵房、采用炭砂濾池、不設砂濾池等。
(3)合理選擇工藝單元及工藝參數，凈水處理系統具備彈性
全流程水廠各工藝單元具備不同功能，要結合項目特點和具體工藝流程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，以及考慮納濾處理水量的比例；活性炭濾池前是否設置提升泵房等。不同的池型形式存在不同的適用條件和優缺點，并無嚴格的好壞之分，以合適為原則。
全流程水廠各工藝單元處理側重點不同，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，對于全流程水廠設計，仍要注意強化常規處理單元的效果，其設計參數取值不宜因采用全流程工藝而偏高，一般情況下仍可相對保守，以提高常規處理系統的彈性，便于后續深度處理單元的功能發揮或超越運行。例如雄安新區起步區1#水廠、珠海梅溪水廠高效沉淀池斜管沉淀區液面負荷取值都靠近現行《室外給水設計標準》的下限值，北京郭公莊、石景山、門頭溝城子水廠機械攪拌澄清池斜管上升流速均為1 mm/s，有利于保證沉淀池出水水質；雄安新區起步區1#水廠、珠海梅溪水廠和海口江東新區水廠砂濾池設計濾速均低于7.5 m/h，均屬于中間偏下的濾速。
(4)貫徹綠色生態理念，設施采用集約化布置方式，做到水廠與環境的高度融合
全流程水廠工藝單元多，占地面積較大，應按照集約化原則(如平面組合，豎向疊合等)進行水廠總平面布置，減小廠區占地，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區優美景觀環境。應重視廠區建筑設計，采用去工業化設計理念，將凈水構筑物建筑化，并且要求廠區工業建筑像民用建筑那樣擁有建筑藝術性，創造宜人、優美、時尚、有文化的建筑空間環境，達到水廠與周邊環境的高度融合。例如，在雄安新區起步區1#水廠設計中，根據規劃要求對廠區地形進行重構，通過地形綠化和覆土景觀營造成一幅“行云流水”般的畫卷，采用組合式構(建)筑物，集約化布置，并將構筑物建筑化，以達到廠區設施與周邊環境的高度融合；珠海梅溪水廠廠區利用采石場廢坑建設，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，與環境高度融合，占地極省；海口江東新區水廠是國內首座全地下式水廠(臭氧發生間等少數設施布置在地面上)，對地上面積進行復合式開發利用，提高了土地利用率和抗臺風等自然災害的能力；北京石景山水廠采取調整水廠設計高程、降低廠區建筑物高度的方式，建成為半地下式水廠，保證項目所在地金頂山的景觀風貌不受影響，用地比標準低20%。
全流程水廠生產廢水量較大，需要最大程度地回收利用，這對于保護生態環境、充分利用水資源具有重要意義。如何根據生產廢水性質(絮凝沉淀池排泥水、砂濾池反沖排水、炭濾池反沖排水、砂濾池和炭濾池的初濾水、超濾膜反洗水等)進行分質、分點回用，降低廢水處理系統的投資，減小回用水對凈水系統的沖擊影響，值得進一步研究和探索。
(5)合理進行凈水構筑物水力高程布置，設置多種運行模式，提高水廠運轉靈活性，節約運行成本
全流程水廠工藝流程長，安全性高，但運行成本也較高，需要合理進行凈水構筑物水力高程布置設計，具備多種運行模式，從而提高水廠運轉靈活性，節約運行成本。上述介紹的很多全流程水廠均具備長流程、中流程、短流程等多種運行模式，包括：正常運行工況，全部單元運行的長流程運行模式；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。例如在原水水質較好的情況下，可采用中流程或短流程運行模式，在保證出水安全優質的情況下節約運行成本，提高膜的使用壽命。
全流程水廠常常需要設置兩級中間提升泵房,即臭氧-活性炭之前、超濾膜前或膜后，這無疑增大了管理復雜性，有條件時應盡可能減少一級提升。可通過優化提升泵房的溢流方式(溢流堰)，保證運行靈活和安全。另外，可通過優化壓力式超濾膜的布置，充分利用膜的出水余壓。
(6)按智慧型水廠進行設計建設，提升水廠運行管理水平
數字化轉型是時代的要求。全流程水廠工藝相對復雜，對運行管理提出了更高要求，迫切需要利用數字技術進行運行管理賦能。全流程水廠宜按智慧型水廠進行設計建設，配置完善的自動檢測系統、自動/智能控制系統、資產管理系統、生產信息管理系統等，以實現對水廠的全流程在線監測、對工藝單元的自動/智能化控制、對生產過程的預警預測及模擬分析、對水廠運行的整體優化和輔助決策，從而保證水廠運行安全、穩定、高效。
6、結語
全流程水廠設計建設是新時代我國城市供水系統高標準建設的最新實踐，需要不斷總結經驗。提供安全、優質的飲用水是供水行業從業人員永恒的追求，期望通過全流程水廠的設計建設，打造供水基礎設施高標準建設示范標桿，引領供水行業技術進步，為城市安全供水做出更大貢獻。
推薦參考
本文發表在《凈水技術》2022年第7期“大家之言”欄目，歡迎水業學者、科研與技術人員參考引用，文獻引用格式如下：
陳燕波，潘名賓，司徒菲，等. 基于飲用水安全優質保障的全流程水廠設計思考[J]. 凈水技術, 2022, 41(7):1-6,26.
CHEN Y B, PAN M B, SITU F, et al. Consideration on the design of whole-process waterworks based the safety and quality guarantee of drinking water [J]. Water Purification Technology, 2022, 41(7):1-6,26.
