净水技術 | 笪跃武:城市自来水廠绿色發展路径探索與思考
笪跃武，男，無锡市水務團體有限公司技能总监、副总工程师，高档工程师，從事给排水出產、扶植、運行辦理等相干事情。介入“十二五”水體污染與節制重大科技專項课题钻研；介入多部尺度、规程和指南體例；加入并主持多個水廠工程扶植。前後荣获江苏省五一劳動奖章、上海市優异工程勘测設計二等奖、中原扶植科學技能奖二等奖。绿色成长理念，因此人與天然调和為價值取向，以绿色低碳轮回為重要原则，以生态文明扶植為根基抓手，以效力、调和、延续為方针的經濟增加和社會成长方法。2020年，我國提出“二氧化碳排放力圖于2030年前到达峰值，尽力夺取2060年前實現碳中和”。這是生态庇护和經濟成长的雙驱模式下，贯彻新成长理念、鞭策高質量成长的內涵請求。都會自来水廠在取水、晋升、净化、消毒、加压運送等出產進程中，必要损耗大量水、電、氧气、藥剂等資本。若何提高能源操纵效力、削減温室气體排放，将绿色成长落到實处，是供水行業必需器重并當真践行的首要课题。绿色成长的理念應贯串于都會自来水廠設計、扶植、運维、革新和進级的全生命周期當中。不单應斟酌早期扶植投入，還應斟酌後期運營和保护，和社會和情况本錢，确保建成後能持久、延续地發生杰出社會經濟效益。是以，本文重要從计划設計期、工程扶植期、出產運營期、绿色革新期、伶俐進级期這5個阶段，對水廠全生命周期各阶段的绿色成长施行內容举行梳理，并探究水廠绿色成长的冲破標的目的及辦法。
1 计划設計期
1.1 水源選擇與治理庇护
水源是供水體系的出發點，是打造绿色水廠的首要根本。在水廠计划設計阶段融入绿色成长理念，選用優良水源，增强水源庇护，可觉得實現绿色出產、绿色運營構建根基框架。水源的水質平安與持久不乱是定取水源的重要斟酌身分。《2022年6月天下地表水水質月報》顯示，3 545個地表水國考断面中，Ⅰ類水質断面仅占8.9%，Ⅲ類水以上累计79.2%，水體富養分化還是重要污染問题。面临水質指標差、达標率不高档環境，供水企業不能不提高藥剂投加量，進级处置工艺，来解决原水富養分化和微污染物、新兴污染物等“痛點”“难點”。乃至必要配套扶植粉末活性炭、高锰酸钾、酸碱等應急投加體系，以應答不期呈現的突發污染事務。由此而来的是扶植本錢、保护本錢、制水本錢和碳排放量的总體大幅晋升。
在“共抓大庇护”的生态成长理念引导下，各地渐渐意想到增强水源地扶植、晋升原水水質是掌控水源選擇自動权、節制供水本錢的有用路子。在水源水質获得有用包管的条件下，采纳绿色環保的清水工艺和低本錢出產運即将成為可能。水源地庇护扶植则理當連系現實環境，以當局為主导，構建轨制保障，以經濟手去濕氣足貼,腕鞭策用水、節水、护水意識構成，冲破地區壁垒，增强预警联動，兼顾環保、水利、供水主管部分及水務企業配合介入水源庇护事情。
1.2 水廠區位安插
(1)完美都會供水结構
水廠的區位安插理當與都會整體计划相和谐，顺應都會成长结構。這就請求供水企業及其主管部分增强與计划部分沟通，充實斟酌都會供水成长需求，公道计划水廠结構，實現全部供水體系绿色高效成长。
公道的供水结構有助于低落體系扶植投入和運行本錢。供水體系應當采纳多水源互联互通情势，各水廠應當挨近用水负荷中間，環抱都會分离安插。偏于一侧的供水款式极易呈現運送瓶颈，致使结尾構成低压區。為補充低压區辦事水頭不足，提超過跨過廠压力，造成局部水頭多余。“多水源對供”则可有用防止這一環境，并提高了供水包管率。以無锡市為例，從长江、太湖两流域取水，構成“江湖并举，南北對供”款式，有用提高市區北部用水保障率，同時两水源互為备用，在突發污染事務時，可應急水量调剂，保障都會大部用水需求。
(2)防止原水管遠間隔運送
原水管的管径凡是较大，所運送的原水泥沙含量高、成份繁杂，持久運行後轻易呈現爆漏、腐化、管径缩小等征象，且保护改换本錢高。原水管間隔越长，設計、敷設、保护难度也就越大，同時沿程水损和泵站能耗也随之增长。是以，在原水管道設計阶段必要综合阐發水質環境、敷設情况、流速等多方面身分，谨慎肯定管径、管材及防腐方法，在水廠计划設計阶段也應充實斟酌天然地舆及經濟身分，尽可能防止原水管遠間隔運送，削減投資運行本錢。
1.3 水廠設計范围及调蓄能力简直定
水廠設計范围直接影响工艺選型、修建物参数和装备安装等各個環節，并瓜葛到整體造價和装备折损等經濟指標简直定。是以，既要充實考量都會近遠期用水需求、供水包管率和應急保障系数等身分，又要按照現實需求分期扶植，防止產能多余、装备過早消耗等酿成的不需要挥霍。除此以外，為實現水廠的機動调治療腰酸背痛,理和節能，需按照時變革系数(一般水廠净水泵房的時變革系数設計尺度是1.2)設置净水泵房和水库容积，需要時需在管網中配备储水调理举措措施，增大供水體系以應答分歧工况的调理能力，同時晋升節能程度。
今朝在二次供水體系中大量利用無负压装备，在防止水箱二次污染和有用操纵市政管網压力實現高效節能方面阐扬了巨高文用。但因管網调蓄能力的低落(如水箱削減)，引發的供水體系時變革系数變大的問题也日趋凸起(有時跨越1.3乃至高于1.4，弘遠于設計尺度)，由此带来的產能不匹配問题應引發器重。同時，在供水岑岭時，太高的出廠压力不单造成能量的挥霍，也增长了管網爆管的危害。圖1為2011年—2021年無锡市區供水時變革系数。
圖1 2011年—2021年無锡市區供水時變革系数
1.4 水廠工艺選擇與安插
以膜处置工艺為代表的“短流程工艺”，具备藥剂投加量低、占地面积小的长处，以物理、生物处置為主，如從“绿色工艺就是請求對水的自然属性没有影响或影响減少到最小”這個概念来看，短流程工艺称得上“绿色工艺”。在知足水質平安請求的条件下，可论證短流程工艺的可行性。值得注重的是，短流程工艺装备投資本錢较高、運行能耗较高、主動化水平請求较高，是以，是不是要選擇短流程工艺，應综合评價其全生命周期的“绿色進献度”。
1.5 绿色設計理念利用
（1）园林式水廠
都會水廠占地面积凡是较大，适合經由過程增长园林景觀安插、绿化面积，打造都會绿源，低落热島效應。同時，扶植绿色屋顶或利用反射率适合的屋面質料，可削減光污染；也能够操纵修建物上部空間或修建屋顶扶植光伏發電項目，開辟操纵新能源，削減大眾能源损耗，提高水廠的绿色属性。
（2）海绵都會理念融入水廠設計
海绵都會，是指在都會水工程扶植中操纵“海绵”具备的特征，實現弹性处置各种水的目標。重要操纵都會扶植中的排水體系、門路、绿地等根本，阐扬“渗、蓄、滞、净、用、排”的感化，来實現弹性处置的方针。在水廠設計中融入海绵都會理念，讓廠區在蓄水的同時還可以或许開释水資本，辅助解决都會內涝、干島問题，構成有用的雨水辦理。
（3）一體化水廠
比年来，一體化水处置装备的利用也逐步進入行業用户視線。經由過程對各工艺单位優化改良、紧凑结構，以鋼板焊接或型材总體拼装為重要施工方法，打造技能靠得住、用地集约、經濟可行的一體化水处置車間。别的，可按照原水水質選擇分歧工艺模块组合，烧毁板質料可從新操纵，凸顯了一體化水廠的機動顺應性與可延续性特色。
（4）地下式水廠
扶植都會地下空間是變化都會成长方法、治理“都會病”，并扶植绿色都會的重要出力點。比年来，地下式水廠成為市政行業争相追赶的“新理念”。地下式水廠最早呈現于污水行業，其噪音可控、异味可控的特征，和“地下廠區+地上景觀”的生态友愛模式，有用解决了污水处置举措措施的“邻避”困难，是摸索市政根本举措措施、扶植绿色低碳成长的新路径。跟着觀點的鼓起，海內一些地域展開了地下自来水廠扶植的测验考试，如海口江东新區高品格饮用水水廠。
地下水廠的绿色進献不但在于生态情况友愛，同時其顯著的節地特征也為地皮集约化供给了新思绪。在各地地下式水廠的扶植進程中，形成為了一些富有成效的“绿色做法”，包含：①工艺修建物组團慎密安插；②地下分层利用，检验平台、装备間、工艺修建物可以叠合结構；③操纵天窗設置，充實操纵天然光照等。但不成防止的是，地下式水廠在工程投資方面會带来必定压力，其扶植本錢為地上水廠的1.5～2倍，其運行本錢较地面水廠也有较着增长，出格是在用電本錢方面。是以，在肯定扶植情势時，應充實斟酌技能經濟可行性，并综合评估其地皮效益、情况效益。
2 工程扶植期
2.1 绿色建材
以往在市政工程扶植中大量依靠鋼材、混凝土、木料等傳统建材，資本损耗庞大，晦气于生态情况連结，利用寿命有限。而绿色建材则具备能源資本损耗少、情况影响低、機能品格好、利用周期长等特色。绿色建材可以用于管道扶植、修建墙體、修建立面、室內装潢等方方面面，既有益于利用者的身體康健，也有益于促成節能減排，切近“碳达峰”“碳中和”的绿色請求。
2.2 施工工法與辦理
區塊鏈遊戲是什麼,（1）绿色施工技能利用
施工新工艺、新技能在修建施工中已有遍及利用，凡是可以或许提高施工效力與平安性、低落工程本錢、減轻情况污染，更合适绿色施工理念。公道拔取施工技能，制订有用的利用方案是都會自来水廠扶植進程中必要重點存眷的课题。
（2）操纵数字化技能優化施工摆設
借助BIM技能，可以在工程平安、質量、進度和本錢获得有用節制条件下，實現绿色、高效施工。它具备和谐、摹拟和優化的特征，可以协助制订更公道的施工摆設，一方面晋升了設計效力和得意度，另外一方面削減了分歧理設計與分歧理施工，削減因错返工和本錢挥霍。BIM技能以三维可視化模子為焦點，将工程中的各項信息同一整合到模子中，使工程項目標設計、施工、運營保护等環節都基于同一模子举行操作。BIM技能具备的功效上風包含但不限于：圖纸可視化，經由過程软件建模，實現二维圖纸的三维立收納纸巾盒,體展現；多层面和谐，解决設計、扶植、運營各專業并行和谐問题，如穿插施工、管道安插、碰撞阐發等；進程摹拟，如對施工進程、工期、工序和應急状态举行摹拟。
（3）装置式工艺辦事绿色施工
現浇施工凡是花费大量建材，且施工面大、效力低，固、液、气、声污染重，难以知足绿色環保的扶植請求。装置式工艺構件预制、模块化水平高，按圖装置、機器化水平高，整體来看經濟友愛、生态友愛。鋼材、混凝土質料、轻質复合板材都可以成為装置式構件的選用質料，同時3D打印技能為装置式工艺供给了更靠得住的技能支持。市政水廠建修建物相對于简略，装置式修建理念與3D打印技能的連系，将极大地简化施工难度，呼應绿色修建理念。
3 出產運營期
3.1 鞭策節能降耗
都會自来水廠的耗用重要集中在自用水、電、藥(矾、氯、氧等)，公道的装备選型及技能革新也是低落耗用的首要辦法。供水企業可以經由過程運營计谋優化、装备節能化革新、出產邃密化辦理、伶俐化少人值守，做到绿色低碳出產。
（1）装备進级革新，晋升能源操纵率
取水、送水、加压是都會水廠重要耗能環節，此中關頭耗能装备為水泵。同時钻研表白，水廠能源损耗占到本錢的20%以上，而關頭耗能装备——泵和風機，则跨越总能耗的85%。高效能泵和風機的選用、變頻節制技能利用、公道選型與调试、叶轮革新、分歧泵组并联利用等法子均能包管泵和風機长時候高效運行，同時防止因選型分歧理致使叶轮气蚀毁坏。
以無锡為例，無锡X水廠一期于2008年建成投運，因早期設計范围较大，現實運行水量偏低，出廠管網相對于畅达，出廠压力相對于较低。颠末多年運行，二泵房水泵均已分歧水平偏离原有機能曲線，叶轮气蚀较着，同時伴随機電振動指標超限等問题。為此，水廠逐年改换高效能、耐气蚀、低轉速水泵，低落運行本錢，千吨水電耗均匀降低6.5 kW·h，一年節流電量约123万kW·h。無锡N水廠预处置生物氧化池原曝气體系采纳罗茨風機，能耗较高、维修量较大。經由過程调研阐發，磁悬浮鼓風機具备能耗、噪声及保护本錢方面的上風，将1台罗茨鼓風機改换為磁悬浮鼓風機，固然前期装备投入略高，但經由過程公道選型，現實運行中，1台磁悬浮風機可到达2台罗茨風機風量，能耗可低落约20.48%，且噪声低、保护便捷(圖2)。
圖2 無锡N水廠罗茨風機與磁悬浮風機效力曲線
(2)辦理邃密智能，低落藥剂利用量
矾、氯、氧等藥剂耗用，是出產運行本錢的關頭構成部門，受水質、清水工艺、藥剂种類、职員程度影响较大。水廠平常運轉中，受專業技能缺少、辦理方法简略、装备設置装备摆設缺點、检测手腕不足等身分制约，常存在加藥節制简略、藥耗偏高的問题。可經由過程展開小样實验，選擇公道的藥剂，调解進水负荷，優化投加點與投加方法等手腕，改良混凝结果；進一步展開精准投加體系钻研，應用矾花圖象辨認技能和大数据阐發等法子，推動藥剂投加智能化、主動化革新，亦可顯著低落混凝剂投加量。X水廠采纳聚合氯化铝(PAC)作為混凝剂，年均混凝剂投加量比拟周邊其他水廠较着偏高。經由過程阐發發明：岗亭辦理問题和装备缺點，致使藥剂投加偏差较大。该廠經由過程邃密化辦理，展開相干實验，發掘加藥潜力，并采纳加藥主動化和排泥主動化，将混凝剂投加量渐渐低落，均匀藥耗由42.2 mg/L降至23.5 mg/L，低落约44.3%。
(3)優化出產调剂，實現高效運行
經由過程公道调控清池塘、调理池等液位，連结水廠出產工艺负荷不乱，削減開停泵次数，選擇公道的配泵方案，使水泵在高效區運行，也能够获得较好的節能结果。如無锡市X水廠，經由過程實验寻觅较低電耗下的最優運行頻率區間及最優池塘液位區間，充實操纵调理池和清池塘的调理容积，岑岭補水、低峰蓄水，包管水廠增压泵房和取水泵房出水量安稳，尽可能使水泵在高效點四周運行，一年節電约38万 kW·h。
(4)優化排泥運行，節制自用水耗
水廠自用水耗重要在砂滤池反冲刷和沉淀池排水進程。經由過程滤池自控革新，按照分歧時候、分歧水質和滤池運行工况，公道設置滤池運行周期、冲刷時候、冲刷强度，在提高滤池冲刷结果的同時，响應削減冲刷水耗。對付沉淀池，優化排泥周期，增强泥浆浓度節制，举行主動化革新，可有用節水。出格是對平流沉淀池，經由過程增长PLC主動節制、排泥管電動阀，安装污泥浓度计，按照污泥浓度，優化排泥車運行路径并跟踪其運行状态，節制分歧的步长和轮回次数，增加剧泥區排泥，削減中後段少泥區排泥頻次，可以顯著提高排泥效力，“多排泥，少排水”，同時响應低落了排泥水晋升運送的電耗，有用低落後续尾水处置负荷。
(5)提高自控程度，晋升出產效力
以水廠少人/無人化值守及全廠兼顾辦理為路径，低落人力本錢、提高出產效力是現代化水廠成长的方针之一。經由過程主動化装备的進级和革新，實現重要進程的长途節制，渐渐告竣水泵機组一键启停、智能化配泵、加藥體系主動投加、排泥車主動運行、数据处置進级、智能巡检等，强化水質平安、空間平安辦理，在保障出產不乱、平安的根本上，削減人力、物力投入。
3.2 構建绿色轮回
跟着“轮回”觀點深刻人心，若何充實利用、有用回用水廠本身資本引發了遍及思虑。滤池反冲刷水可直接回用；沉淀池排泥水采集处置後，上清液可回用至原水，或用作河流生态補水、园林景觀用水及部門工業用水；臭氧產生装备冷却水可直接回用。這些轮回操纵行動在必定水平上實現了水廠水資本的“表里雙轮回”。
水廠出產的另外一類可回用資電動清潔刷,本是污泥。自来水廠污泥有機質含量较低，可以斟酌干化後填埋或制砖，作為建材操纵。韦杰文等提出，對付高铝含量的水廠污泥，可以配制屋顶绿化基質，辅助“海绵都會”扶植。并已有研發團队钻研把握了“操纵污泥制备绿色负碳包装質料及產物”的全消纳、高附加值、節省碳汇資本的無废负碳利用技能功效，實現資本節省和生态情况庇护。
3.3 践行绿色辦正义念
增强辦公區域用電辦理，削減辦公装备電耗和待性能耗，實時封闭電源，杜绝长明燈、無人燈；严酷划定、公道設置空调温度，削減辦公進程中的碳排放；推廣無纸化辦公或罕用纸辦公，削減纸张损耗；提倡節省水資本，用水時節制水流，用水终了實時封闭水龙頭，節省每滴水。
4 绿色革新期
4.1 绿色能源的利用
雙碳布景下绿色進级革新离不開绿色能源技能的利用。對付园地空間大、光照前提好的水廠，可充實操纵上風，開辟光伏發電項目，實現電能自產自用、余電并網。别的，水处置行業也應增强對“水能”的操纵测验考试，比方扶植水源热泵空调，冬日充實操纵水中存热，夏日經由過程轮回水冷降温；也有企業钻研操纵修建物間的水跌落势能發電。對付風力資本较為丰硕的地域，也能够斟酌扶植風力發電举措措施，但對邻近修建物的平安影响必要评估。以無锡X水廠為例(圖3)，其操纵5個清池塘顶部空間，扶植一座散布式光伏電站，总面积约為4.4万m2，装機容量為4.6 MW。光伏電站采纳“自觉自用、余電上彀”的模式，設計寿命為25年。每一年可發電500万kW·h，投資收受接管期约為9年。
圖3 無锡市X水廠光伏發電項目
4.2 绿色辦理系统扶植
在“碳資產”期間到临之際，以“碳排放量”的變革来评價供水企業革新、扶植、出產、運營等举動的“含绿量”，可以或许有用防止在實現绿色水廠進程中的無序、低效举動。水廠構建碳排放绿色辦理系统可以包含如下几項內容：①肯定鸿沟前提，并對排放源及其种類举行辨認；②選擇核算法子；③選擇因子，肯定统计的排放源种類；④采集與挑選相干数据；⑤计较與汇总排放量；⑥评價與節制。终极目標是經由過程单位(如按组织、項目或區域)、种别(如出產原料類、装备類)、阶段(或時候)收拾，统计碳排放量，對绿色举動發生的碳增或碳減举行评價，從而制订公道的減排指標，鞭策節能減排事情。
5 伶俐進级期
《城镇水務2035年行業成长计划纲领》提出“到2035年，根基建成平安、便民、高效、绿色、經濟、伶俐的現代化城镇水務系统”。加上“数字經濟”海潮鼓起，“数字水務”“伶俐水務”觀點已成為當前水務行業钻研與摸索扶植的热門。
伶俐水務的协同運作、切确处置和科學预判有益于實現出產辦理邃密化、高效化、便捷化，伶俐水務扶植的任務和應有成效之一是實現水处置出產的绿色可延续，而且理當體如今都會自来水廠設計、扶植、出產、運營等多方面。一是操纵“新基建”中的BIM技能、3D打印技能、AI、5G、云计较等先辈工業信息东西優化設計方案和施工方案，促成“人、材、機”的高效利用，低落扶植本錢，同時搭建伶俐扶植辦理平台，節制施工時代的非绿色举動產生。二是構建及時监测、動态调解的伶俐出產體系，如時候、空間一體化的水源监控系统，随水質、流量要素變革精准節制的智能出產辦理方案，以物联網為根本的工艺動态监控和能源辦理模块，實現出產力高度协同、出產資料高效操纵，能源資本起码损耗。三因此海量数据和算法為根本，搭建精准展望模子助力伶俐運營，實現诸如多身分交融的日用水量展望、低碳及時调剂等功效，引导出廠水量调剂和压力调理。
6 结語
自来水廠是都會扶植的首要根本举措措施，是支持是社會成长和人民糊口的首要保障。在计划、設計、扶植、運營及進级革新的全生命周期各阶段都應贯彻落實绿色成长的理念，贯串利用绿色、智能新技能，随機應變、顺手推舟、公道扶植、邃密辦理，尽力将都會水廠打造為高效低碳、绿色可延续的都會新基建，實現項目與周邊情况的调和共生。
（1）注意前期计划設計，公道選擇水源、守住水源平安底線，充實做好水廠扶植计划，優化工艺設置與廠區設計，為都會自来水廠扶植、運營增加“绿色”底色。
（2）贯彻绿色修建理念，從用材、施工、辦理方方面面鞭策都會自来水廠扶植進程绿色、低碳。
（3）多维度展開節能降耗，經由過程装备更新革新、邃密化辦理、優化出產调剂、主動化革新等方法，實現水廠出產運營提質增效，同時提高資本操纵率，實現出產進程“高功效，低排放”。
（4）立异思绪，斗胆测验考试利用绿色新能源，推動伶俐化進级，获得“新技能”带来的绿色價值。
举薦参考
本文原题目為《都會自来水廠绿色成长路径摸索與思虑》，颁發在《清水技能》2022年第11期“大师之言”栏目，接待水業學者、科研與技能职員参考援用，文献援用格局以下：
笪跃武, 于少亭, 胡淑圆. 都會自来水廠绿色成长路径摸索與思虑. 清水技能, 2022, 41(11):1-6,54.
DA Y W, YU S T, HU S Y. Exploration and consideration on green development path of urban WTPs. Water Purification Technology, 2022, 41(11): 1-6,54.
排版：马骏驰
校订：万梓薇
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