南方地区单村供水工程净化设备应用效果比较研究

邱昕恺，卢 成，周殷盈

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；2.杭州市西湖水域管理处，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

我国南方农村地区，尤其是山丘地区，通过城镇水厂管网延伸供水的条件严苛。以浙江省为例，截至2020 年底仍有超过9 000 座单村供水工程。此规模工程往往受限于农村占地条件、管理条件，故无法参照规模化供水工程采用构筑物形式的净水设施（设备）并配备专业管理人员；同时由于数量庞大，全部开展提升建设的成本巨大。相较于构筑物形式的常规处理设施，集接触反应、沉淀、过滤工艺为一体的净化设备，占地更小、价格更低，在农村地区得以推广使用。

现状农村饮用水净化工艺研究中，对滤池选择、混凝剂投配的研究已经逐步成熟，形成各类适用于水厂的净化模式[1]。随着一体化净水设备的不断应用，其研究也逐步开展。一体化净水设备用作现有水厂预处理设备[2]或应急供水设备[3]的研究较多，设备整体表现良好。而基于单村供水工程的实际应用，并比较不同一体化净水设备类型应用效果的研究较少。本文在对厂家、单村水站开展充分调研的基础上，将浙江省主要净化设备分为3 种类型，并选取典型工程跟踪研究其出水水质、购置及运行投入成本、可靠性水平等，最终提出3 种类型净化设备的适用场景，为农村供水工程的净化设备选择提供参考依据。

2 净化设备分类及研究对象

2.1 净化设备分类

一体化净水设备分类与研究已在我国逐步开展，如区分多介质过滤罐及膜处理设备并进行比较分析[4]。本文通过调研浙江、江苏、福建等我国南方省份的农村饮用水净化设备厂商，研究浙江省内农村供水工程，进一步将一体化净水设备分为重力式设备、压力式设备和膜处理设备3 类，工艺流程见图1。

图1 3 类净化设备工艺流程图

重力式设备为顶端敞口设计，利用重力进行输水，制水过流时间长、输水压力小；压力式设备为密封设计，保留输水压力，制水过流时间短、输水压力大；膜处理设备需保留一定入水压力，采用密封设计。现已在污水处理中得到广泛应用的膜处理设备，多需配合前端的粗处理设备，如简易沉淀过滤、微絮凝等设备[5]。

2.2 研究对象

本文在浙江省金华市选择有以上3 类净化设备的水站各1 处，水站具备相同的水源类型及消毒设备类型、相近的设计供水规模及净化设备规模（见表1）。浙江省农村饮用水出厂水的主要不合格指标中，与净化设备相关的为浊度[6]，经过多次检测，3 处水站出厂水浊度合格率为100%。3 类净化设备应有场景及基础情况相似，均满足出水水质要求，在此基础上开展3 类净化设备的稳定性、投入成本及适用性分析。

表1 典型水站基本情况表

3 分析内容

3.1 设备稳定性及应用成本分析

设备稳定性主要体现于其使用寿命，应用成本包括净化设备的购置成本及运行管理成本。其中，运行管理成本包括药剂费、电费等，而人工费及设备维护费因各水站的管理单位自行配备的人员数量及工资水平有所差异，不作为客观比较项计算在内。本研究中应用成本的分析内容包括：购置成本及运行管理成本分析；结合设备使用寿命、购置成本和运行管理成本，分析年度分摊成本。

3.1.1 购置成本及运行管理成本分析

典型水站一体化净水设备的购置成本及运行管理成本见表2。运行管理成本中的用电成本和用药成本，均以日供水量200 t、1 a 供水365 d 计算年度成本。用药成本方面，在水源水类型、水质情况相似的情况下，重力式设备和压力式设备的用药成本相同，约0.30 元/t；膜处理设备约0.02元/t。膜处理设备需每3 个月对膜进行碱洗，费用约100.00 元/次。注：表中上标1 的数据为运行管理成本合计数。

表2 设备购置成本及运行管理成本表

3.1.2 设备寿命及年度分摊成本分析

典型水站一体化净水设备的设计使用寿命分别为：重力式设备20 a、压力式设备15 a、膜设备10 a。浙江省农村饮用水工程经多年改造提升，各类设备实际使用至设计寿命的情况较少。经过对厂家、工程进行实地调研，3 类设备在正常维护情况下均存在使用至近20 a 的案例，如果遇到农村地区失修失管、滑坡塌方、雷击等特殊情况，则难以达到设计寿命。故本文以可使用至20 a 为前提进行分析，得到3 类设备的分摊成本（见图2）。

图2 3 类净化设备多年分摊成本图

3.2 设备适用性分析

设备适用性即设备投入应用所需具备的基础条件。对净化设备的应用要求进行实际调查后，本文的分析内容聚焦以下4 方面：①入水水压要求；②入水水质要求；③运输安装条件；④占地面积。

3.2.1 入水水压和入水水质要求分析

根据3 处典型工程情况，重力式设备的入水水头小于10 m；压力式设备的入水水头为15 m，可为输水提供一定的水压；膜处理设备因过滤压力要求，水头需达到40 m，甚至需要在膜处理前端设置加压泵。入水水质方面，重力式及压力式设备的入水浊度要求小于200 NTU，膜处理设备的入水浊度上限可至500 NTU。

3.2.2 运输安装条件和占地面积分析

重力式设备和压力式设备均采用罐体构造，多需道路运输、起重机吊起；无法运输的，需依靠人力搬运或拆解后于现场安装。膜处理设备由于净化设备核心的膜组件小巧易搬运，同时可配合撬装式底座对设备整体进行撬装式运输，或拆分膜组件轻易运输至指定位置，较重力式及压力式设备，其运输安装更为便捷。占地面积方面，设计供水规模相近的重力式设备和压力式设备所需占地面积均为18.6 m2，膜处理设备所需占地面积为5.1 m2。

4 净化设备应用效果

3 类净化设备的出厂水在监测期间均满足水质标准，设备应用效果的主要差距在于寿命、成本表现、适用性表现3 方面（见表3）。

表3 3 类净化设备应用表现情况表

寿命方面。膜处理设备的膜组件需精心维护，压力式设备较重力式设备对于密封性及焊接工艺要求更高，故设备设计使用寿命方面，重力式设备最长、压力式设备次之、膜处理设备最短。通过合理运行维护，各类设备实际使用寿命均可增加。

成本表现方面。运行年份越少，年度分摊成本受购置成本的影响越大；随着运行年份增加，年度分摊成本受运行维护成本影响增大。由于重力式设备、压力式设备的购置成本不高于膜处理设备的50%，故运行5 a 内，膜处理设备的年度分摊成本较其他2 种高。但由于膜处理设备通过物理过滤，主体设备制水无需投加药剂[7]，运行成本较低，故运行15 a 后，膜处理设备的年度分摊成本较其他2 种低。考虑到目前膜处理设备的设计使用寿命为10 a，整体使用是否可达到15 a 并使年度分摊成本低于其他2 种净化设备，需根据实际运行管理水平决定。

适用性表现方面。膜处理设备设计可处理入水浊度达500 NTU；重力式设备和压力式设备设计可处理入水浊度为200 NTU，能满足浙江省农村供水工程的一般需要。膜处理设备要求入水水压大，往往需另配水泵，压力式设备次之，重力式设备要求入水水压最低，因此，如供水区域高程较大，重力式设备仍需另配水泵输水。运输安装及占地面积方面，膜处理设备表现较好，尤其是占地面积，可节约72.6%。

5 净化设备应用建议

重力式设备整体较为可靠，设计使用寿命最高、购置成本较低，但输水水压如果不满足供水地区高程，难以利用水源水压，则需另配水泵。

压力式设备整体情况中等、输水水压更大。压力式设备整体上与重力式设备相似，但使用寿命相对较短、检修难度更大；优势在于可利用入水水压，保持一定的输水水压以满足一定高程地区的供水需要。

膜处理设备长期运行成本最低、适用性表现好。膜处理设备虽设计使用寿命短，但所需用药量少，正常维护增加使用寿命至15 a 后，分摊成本更低。同时在入水水质（浊度≤500 NTU）、输水水压、运输安装、占地面积等适用性方面，均优于重力式设备和压力式设备。

如果购置成本和管理水平有限、对设备可靠性要求更高，建议使用重力式设备；运行维护到位、预备长期使用的情况下，3 类设备均可使用，如计划使用时间超过15 a，建议使用运行维护成本更低的膜处理设备；在入水水压大且需保持输水水压的情况下，建议使用压力式设备；如果安装条件或允许设备占地条件要求苛刻，在购置成本允许的前提下，建议使用膜处理设备。