【国际案例】污水变自来水？你敢喝么？再生水厂探秘！

【中国环保在线 应用方案】美国七个州和墨西哥共享科罗拉多河的水权，每个州都面临着人口增长和降水减少的情况。地下水补给系统(GWRS)已经成为为橙县提供可靠水资源的重要部分。
橙县再生水厂介绍
1 地理情况
加州三分之二的人口居住在南加州，但这里只有不到全州三分之一的降水。为满足用水需求，南加州的一些地区需要从外地引水，但橙县不用。橙县的水主要来源于其巨大的地下水盆地。这个盆地位于橙县中北部，从太平洋延伸到Yorba Linda，它拥有超过490亿立方米的水资源，年产量约3.7亿立方米，供水能力约为6.17亿立方米。
自1933年成立以来，橙县水务部门(Orange County Water District, OCWD)一直在监测该流域的地下水位。 20世纪40年代， OCWD启动了地下水补给计划，因为自然补给不再能够抵消地下水开采带来的影响。历史上，地下水盆地的主要水源是圣安娜河。由于上游的用水活动以及气候原因，每年的河水流量并不相同。
为了弥补圣安娜河水流量的不足，OCWD开始从其他来源进口水，首先是科罗拉多河，后来是萨克拉门托 - 圣华金河三角洲。 向橙县北部和中部地区供应的水中约有30%来自这些水源。 尽管如此，依靠这些遥远的流域来解渴和补给地下水也会带来一些挑战。 从远处进口水源是非常昂贵的。 此外，三角洲也是一个环境敏感的地区，是许多濒危物种的家园。
美国七个州和墨西哥共享科罗拉多河的水权，每个州都面临着人口增长和降水减少的情况。地下水补给系统(groundwater replenishment system, GWRS)已经成为为橙县提供可靠水资源的重要部分。
2 地下水补给系统(GWRS)
GWRS是世界上先进的净化再利用系统。 经过橙县卫生部门(Orange County Sanitation District, OCSD)先处理的污水，不再排入太平洋，而是通过GWRS进一步净化。在微滤、反渗透和紫外线与过氧化氢消毒三步工艺处理之后，可生产出符合甚至优于州及联邦饮用水标准的水。 这些净化过的水通过自然渗透，补给橙县地下水盆地，并补充饮用水。
自2008年1月开始运营以来，GWRS初每天生产7000万加仑(265,000立方米)高度净化水。 2015年，该项目扩建至1亿加仑每天(378,000立方米)。在增加从OCSD到GWRS输水流量的设施建设完成之后，GWRS的终产量预计为1.3亿加仑每天(492,000立方米)。预计扩建项目将于2023年完工并投入使用。
3 合作精神
地下水补给系统(GWRS)是橙县水务部门(OCWD)和橙县卫生部门(OCSD)之间合作的产物。两者都在寻求解决他们面临问题的方法。在20世纪90年代中期，橙县水务部门需要扩建Water Factory 21(WF 21)并解决海水入侵问题。与此同时，橙县卫生部门面临着必须建造第二个海洋排污口的挑战。GWRS的建立解决了这些问题。
两个部门共同承担了建设GWRS阶段的费用(4.81亿美元)。橙县水务部门资助了其次扩建，耗资1.42亿美元。橙县卫生部门免费为橙县水务部门提供严格控制的二级处理废水，并投入资金和资源建设了史蒂夫安德森泵站，以大限度地提高GWRS的废水流量。橙县水务部门反过来同意管理和资助GWRS业务。通过此次合作，GWRS成为世界上的土木工程和水再利用项目之一。
GWRS的工作范围
1. 先进的再生水厂(橙县水务部门总部，Fountain Valley)
经过橙县卫生部门处理过的水在这个再生水厂进一步进行处理，包括微滤、反渗透以及紫外线和过氧化氢消毒。
2. 防止海水入侵的水力屏障(Huntington Beach 和Fountain Valley)
经过再生水厂的净化后，每天大约3千万加仑(11.3万立方米)的水通过泵站注入到多个注水井中，形成一条防止海水入侵的水力屏障。
3. Kraemer、Miller 和Miraloma盆地(Anaheim)
每天剩余的7千万加仑(26.5万立方米)的水经由泵站回灌到Kraemer、Miller和Miraloma盆地。
前处理(澄县卫生部门)
1 预处理
格栅是污水处理的步。在将未经处理的污水引入OCSD的污水处理厂之前，必须清除较大的杂物，如石头、碎布、玩具、高尔夫球等，这些杂物可能堵塞损坏之后的设备。这些由格栅拦截的垃圾将作为固废，送至垃圾填埋场处理。在格栅之后，污水进入沉砂池，在这里砂砾等颗粒较大的物质会被去除，之后污水会进入一级处理
2 一级处理
污水在沉淀池或澄清池中流速缓慢，这使得砂石或有机固体等较重的物质沉入底部。油脂等漂浮物也在这里被去除。 旋转臂同时从底部移除沉淀的物质，并从顶部移除漂浮物。这些移除的固体会被收集入消化池中。
3 二级处理
二级处理去除了在一级处理期间未能去除的溶解有机物。处理工艺包括活性污泥工艺、生物滤池、二沉池以及其他微生物处理方法。该过程使用以有机物质作为食物的微生物，这些微生物将有机质转化为二氧化碳、水和能量，以促进其自身的生长和繁殖。在消耗有机物质后，污水被引入二沉池中，水中的微生物在此沉淀。之后，二沉池中的污泥被分为两条线路。一部分污泥回流，继续消耗水中的有机质；另一部分污泥在浓缩、消化、脱水之后，送到亚利桑那的堆肥厂，或者送到农田作为土壤改良剂。二级处理的出水一部分排放入海，另一部分输送到GWRS进一步净化。
4 微滤
在橙县卫生部门的前处理之后，出水由橙县水务部门运营的GWRS进一步处理。首先是微滤(MF)。微滤工艺使用成束的中空聚丙烯纤维来去除水中的颗粒污染物。在真空下，水被抽吸通过直径约0.2微米的微小孔，悬浮固体、原生动物、细菌和一些病毒从水中被拦截去除。
5 反渗透
微滤处理后，下一步是反渗透(RO)。反渗透系统是将使用束状聚酰胺半透膜包裹在抗压长管中。微滤后，水加压通过外层的滤膜后进入内层的长管，过滤后的纯净水之后被收集起来。溶解盐、有机物、病毒、药物等我们想去除的组分被阻留在浓盐水中。经过反渗透的水非常纯净，我们不得不在水进入管网之前加入矿物质以用来缓冲和稳定水质。
密切监控两个关键参数可确保反渗透的有效运行。 个是电导率(EC)，它代表水中盐或溶解性总固体(TDS)。 第二个是总有机碳(TOC)，它代表有机物的去除情况。终，再生水的TOC也受到区域水质控制委员会(RWQCB)和州水资源控制委员会饮用水部门的密切监控。 监测进水和再生水的电导率及总有机碳可以确保反渗透的有效运作，以保证终出水达到水质要求。
6 紫外线和过氧化氢消毒之后的石灰处理
水在经过了微滤和反渗透之后，为了进一步消毒，去除残存的小分子有机物，包括那些含量必须要保持ppt以下的物质，出水需要暴露在高强度的含有过氧化氢和紫外线中。这个处理过程确保了那些不想要的微生物和有机物被有效地去除。
在反渗透中，加入硫酸可以提率与性能，但同时也会产生过量的二氧化碳并且降低pH值。此外，由于矿物离子的移除，反渗透这个过程也会极大地降低水的碱性。 为了稳定出水并提高其pH值，过量的二氧化碳会通过空气吹脱法被移除。不仅如此，由于在反渗透中加入过硫酸，这些处理过的水后还要在经过一次pH值的检测，并且确保数值在6与9之间。因为在这个pH区间的水既不会腐蚀管道亦不会产生水垢。
7 流量均衡
GWRS阶段的大产能是每天7千万加仑(26万5千立方米)的水。同时，这一产能要求每天9千3百万加仑(34万4千立方米)的进水量。在一天中的部分时段，OCSD会收到超过每天1亿加仑(37万8千立方米)的进水量。这些超出的部分会通过OCSD二号平台被排放到入海口。另外，由于昼夜交替(夜间流量过少和日间流量过剩)，到达OSCD一号平台的未处理的废水流量在每天6千万加仑(27万7千立方米)到每天1亿5千万加仑(56万8千立方米)之间浮动。因此，GWRS的产量必须随着一号平台的废水流量而提升或减少，终导致GWRS并不能持续地保持在其大的设计生产能力。
既然知道了GWRS可以在不同流量中运作，GWRS的初扩建，包括增加产能以适应日间过剩的污水量。在扩建方案中，两个蓄水池的加入可以平衡水量，即储存日间过剩的污水并将其用于夜间生产。这一举措可以提升GWRS的大产能至每天1亿加仑(37万8千立方米)。1千5百万加仑(5万7千立方米)容量的蓄水池才能平衡日间废水流量，并为GWRS提供每天恒定的1亿3千万加仑(49万2千立方米)的水量。
两个钢制蓄水池建于地表之上，且蓄水容量都为7百50万加仑(2万8千立方米)。蓄水池拥有足够的容量，确保初次扩建可以为GWRS提供额外的每天3千万加仑(11万4千立方米)的产能。蓄水池直径216英尺(66米)，高35英尺(11米)，并且配备了太阳能搅拌器和由五个功率为75马力(56千万)的垂直涡轮泵组成的泵站。蓄水池中的水由重力自流入GWRS的格栅，而这些水泵是用来满足水池额外的次级出水量。蓄水池的进水和出水使用同一套管线。
流量的均衡使得GWRS可以在稳定的流量中运行，并且简化流程、增加产能和减少成本。
其他案例
1 海岸屏障项目
亨廷顿海滩(Huntington Beach)的海岸存在浅层含水层和一种称为托伯特间隙(Talbert Gap)的地质特征。沙和砾石形成的冲积层跨越了断层障碍，并形成了利于海水倒灌的环境。当内陆的水井取水时，海水可以通过托伯特间隙移往深层蓄水层，并终污染饮用水井。
对这域易受到海水倒灌的认知可以追溯到半个世纪以前。早在1965年，OCWD就开启了实验项目，其目的就是为了制止海水倒灌。基于其他南加州的海岸屏障的经验，OCWD确信可以增压将水注入位于托伯特间隙的注水井内。这样可以创造出一个水压屏障将倒灌的海水重新排入海中。
由于保持这个保护屏障有极高的重要性，必须要寻找到一个可依赖的供水水源。OSCD为 WF21提供了可靠的污水水源以用来处理。经过多年的实验测试，WF 21的建立为注水井提供了一个安全可靠的水源。数十年的数据监测表明，使用先进净化过程所产生的超纯水在托伯特屏障中具有性和安全性的双重优点。
2 内陆扩散盆地
两个钢制蓄水池建于地表之上，且蓄水容量都为7百50万加仑(2万8千立方米)。蓄水池拥有足够的容量，确保初次扩建可以为GWRS提供额外的每天3千万加仑(11万4千立方米)的产能。蓄水池直径216英尺(66米)，高35英尺(11米)，并且配备了太阳能搅拌器和由五个功率为75马力(56千万)的垂直涡轮泵组成的泵站。蓄水池中的水由重力自流入GWRS的格栅，而这些水泵是用来满足水池额外的次级出水量。蓄水池的进水和出水使用同一套管线。
流量的均衡使得GWRS可以在稳定的流量中运行，并且简化流程、增加产能和减少成本。
项目内容
1 项目收益与支出
GWRS提供以下范围的收益：
1. 即使在干旱时期都可以提供一个可靠的、高纯度的和接近蒸馏程度的水
2. 相比于远距离水源进口，提供一种更划算和更节能的策略(仅使用水源进口一半的能量和海水脱盐三分之一的能量)
3. 提供一定程度的供水措施，预防进口水供应可能存在的变化
4. 创造一个防止海水倒灌的水压屏障
提供地下水回灌水源的同时小化地下水的透支
5. 提高地下水的水质
6. 减少处理过的废水向海洋的排放量并增加其有益的用途
7. 减少地区内对于进口水源的需求
8.再生水成本低于进口水: 每英亩-英尺花费为525美金(有补助)或850美金(没有补助)
2 水质的确保
两个钢制蓄水池建于地表之上，且蓄水容量都为7百50万加仑(2万8千立方米)。蓄水池拥有足够的容量，确保初次扩建可以为GWRS提供额外的每天3千万加仑(11万4千立方米)的产能。蓄水池直径216英尺(66米)，高35英尺(11米)，并且配备了太阳能搅拌器和由五个功率为75马力(56千万)的垂直涡轮泵组成的泵站。蓄水池中的水由重力自流入GWRS的格栅，而这些水泵是用来满足水池额外的次级出水量。蓄水池的进水和出水使用同一套管线。
流量的均衡使得GWRS可以在稳定的流量中运行，并且简化流程、增加产能和减少成本。
3 研究概述
GWRS阶段的大产能是每天7千万加仑(26万5千立方米)的水。同时，这一产能要求每天9千3百万加仑(34万4千立方米)的进水量。在一天中的部分时段，OCSD会收到超过每天1亿加仑(37万8千立方米)的进水量。这些超出的部分会通过OCSD二号平台被排放到入海口。另外，由于昼夜交替(夜间流量过少和日间流量过剩)，到达OSCD一号平台的未处理的废水流量在每天6千万加仑(27万7千立方米)到每天1亿5千万加仑(56万8千立方米)之间浮动。因此，GWRS的产量必须随着一号平台的废水流量而提升或减少，终导致GWRS并不能持续地保持在其大的设计生产能力。
既然知道了GWRS可以在不同流量中运作，GWRS的初扩建，包括增加产能以适应日间过剩的污水量。在扩建方案中，两个蓄水池的加入可以平衡水量，即储存日间过剩的污水并将其用于夜间生产。这一举措可以提升GWRS的大产能至每天1亿加仑(37万8千立方米)。1千5百万加仑(5万7千立方米)容量的蓄水池才能平衡日间废水流量，并为GWRS提供每天恒定的1亿3千万加仑(49万2千立方米)的水量。
OCWD和OCSD在从排海废水中开发一个可靠的供水资源，这是一个长远的目标，而GWRS正是他们的终体现。研究始终是OCWD水资源开发中不可或缺的部分，而测试机构同时也在持续进行新技术的评估。OCWD的先进水质保证实验室是世界首批水质实验室。其不仅获得了州的认证，也同时在世界范围内获得一致好评和极高的声望。
4 连锁反应
GWRS发源于WF 21，而WF 21 也是OCWD初的处理厂中的佼佼者。建于1976的WF 21在当时是一个创新型的处理厂， 并且是为了向橙县(Orange County)提供额外的高质量的供水。WF 21可以满足每天1千5百万加仑(5万6千立方米)的水质净化，并且提供了无额外花费的石灰净化、氨气洗涤、多重过滤、活性炭吸附和对来自于OCSD的二级排水的氯化消毒。此外，在1977年，为了减少可溶解的固体，WF 21增加了一个处理量达到每天5百万加仑(1万9千立方米)的反渗透的脱盐设备。不仅如此，WF 21也是世界上使用反渗透来净化废水并令其达到饮用水标准的处理厂。活性炭吸附和反渗透处理过的水和来自于深井的水混合不仅可以注入深井、形成水压屏障从而防止海水倒灌，也可以增加地下水的回灌。为了回应2000年产生的新的水质问题，WF 21 只是用反渗透处理过的水和来自深井的水混合，注入海水屏障中。
从2004年开始，在OCWD和OCSD为了修建GWRS而停止WF 21运作的两年间，IWF 21作为临时水厂随之启用。为了不让之前防止海水倒灌的努力白费，并且让工作人员可以熟悉未来在GWRS的运作，IWF 21同时也展开培训工作。为了创造更先进的氧化步骤，IWF 21在原有的WF21上改建，并且增加了新的处理过程，包括微滤和紫外线结合过氧化氢消毒。这个新的处理过程和原有的反渗透系统的组合，再加新的复合聚酰胺薄膜，可以更节能和更的移除污染物。而紫外线光与过氧化氢的结合使用不仅可以加强其氧化过程，还可以消灭抗紫外线的污染物。为了防止注入井产生的生物淤积，IWF 21保留了原有的氯化系统。 IWF 21于2006年停止运作。直到2008年GWRS的建成为止，OCWD一直使用来自于芳泉谷的直饮水作为托伯特屏障的水源。
5 独立咨询团队
除了有由OCWD研究部门和水质实验室发布的报告和由美国环境工程师与科学家协会发布的GWRS年度报告外，还有一份由独立咨询团队记录的持续性的同业互查报告。独立咨询团队不仅分析OCWD提供的GWRS年度工厂运营报告，还通过地下盆地地收集有关水质的数据。为了提供关于GWRS的可信的并且客观的评价，这个独立咨询团队由国家水研究所从世界各地召集并认证的科学与工程专家组成。尽管独立咨询团队的报告非常的科学性和技术性，并且主要面向卫生与监管团队，但是任何有兴趣的人都有权利查看。除了提供正式的书面报告，独立咨询团队同时也对GWRS在有关增强水质监控、增加现有科技的能效以及未来项目的评估方面提出建议。
6 国际认可
在2018年2月16日，随着OCWD和OCSD创下了吉尼斯世界纪录(24小时内多废水至饮用水循环)，GWRS也同时被吉尼斯世界纪录团队称为出色的项目。这个项目获得了超过50个奖项。以下列举：
1. 2008年斯德哥尔摩工业水奖，水利工程高的国际荣誉。
2. 美国土木工程师协会2009年杰出土木工程成就奖，工程高国内荣誉。
3. 2014年李光耀水源奖，因OCWD在地下水管理、污水回用和公共政策与社区的扩大服务方面的成就。
4. 2017年州环境与经济领导奖(GEELA)，因OCWD在保存加州珍贵资源、保护环境和巩固加州经济方面的杰出贡献。
5. 2018年环境传播大奖，由美国环境工程师与科学家协会颁发，因为GWRS在2017发起的瓶装水运动是西半球的首例。
原标题：【国际案例】污水变自来水？你敢喝么？全球大再生水厂探秘！