城市水工程总论

　　摘要：本文从城市水工程学科的定义出发，分别简要地阐述了城市水工程学科在我国的沿革、城市水工程学科的内涵及其未来的某些发展方向。
　　关键词：城市水工程 水质 管网系统 工艺设备
　　Abstract： According to the definition of municipal water engineering， this paper is to explain municipal water engineering‘s origin and development in our country， and the cores and the future of municipal water engineering.
　　Key words： municipal water engineering  quantity of water  piping system   process equipment
　　1. 城市水工程学科的沿革
　　1.1 水工程学科
　　水是人类生存、生活和生产不可代替的宝贵资源。人类生存离不开水，每人每天平均需要使用2~4L水。人们为了生活和生产的需要，由天然水体取水，经适当处理后，供人们生活和生产使用。用过的水又排回天然水体。一般天然水体都是一个生态系统，其依靠水体的自净能力，对排入的废弃物有一定的净化能力。但由于社会循环的水量不断增大，排入水体的废弃物已经超过的水体的自净能力，水体水质不断恶化，使得水体遭到污染。受到污染的水体，将丧失和部分丧失使用功能，从而影响水资源的可持续利用，并加剧水资源短缺的危机。
　　以水的自然循环的“水利工程”和以水的采集、净化、生产加工成商品水的“水工业”作为研究对象的学科，称之为水工程学科。水工程学科含盖了水的自然循环和社会循环，它主要包括服务于水的自然循环的“水利工程”和以水的社会循环为服务对象，为实现水的社会循环提供所需的工程建设、技术装备、运营管理和技术服务的“水工业”。
　　1. 2 城市水工程学科
　　“城市水工程学科”是以水的社会循环为研究对象，以水质为中心，研究其水质和水量的运动变化规律，以及相关的工程技术问题，在社会主义经济条件下，以实现良性社会循环和水资源的可持续利用为目标的工程技术学科。城市水工程学科是支持水工业的主干学科，它是以水工业发展中提出的问题特别是前沿课题为研究对象，以科技进步带动水工业发展和进步。
　　1.3 城市水工程学科的沿革
　　给水排水工程学科是“城市水工程” 学科的前身，它在我国建于20世纪50年代。那时中华人民共和国刚成立，为学习前苏联建设经验，提出“向苏联学习”的口号，所以也模仿前苏联的模式，建立了“给水排水工程”学科，在高等院校成立了“给水排水工程”专业。
　　建国后的前30年，但由于当时实行的“先生产，后生活”的发展方针，而“给水排水”被归入“生活”类，所以长期发展缓慢，大大滞后与国民经济的发展。
　　进入80年代，我国开始实行“改革开放”政策，国民经济开始了快速发展，相应的对水的需求成倍地增加，而我国是一个说资源短缺的国家，从而引起了供求之间的矛盾。同时，水污染治理滞后，大量城市污水和工业废水未经过处理直接排入水体，再加上农田化肥农药流失，使得水环境污染情况日益严重。
　　80年代以后，水环境污染程度不断加大，这与人对饮用水水质不断提高的要求之间的矛盾也日益增大，这样在水量和水质两个方面，水质矛盾就日益突出而上升成为主要矛盾 .与此同时，以水的社会循环为主要研究对象，在水质和水量两个方面以水质为中心的“城市水工程”也孕育而生。
　　2. 城市水工程学科内涵
　　城市水工程学科是以水质为中心，研究水质和水量的运动变化规律，以及相关的工程技术问题的学科，具体的说包括水资源的保护和利用、城市给水排水工程、水工艺设备及水工艺过程检测与控制等三大部分。
　　2.1 水资源的保护和利用
　　广义的水资源是指地球上所有的水。不论它以何种形式、何种状态存在，都能够直接或间接的加以利用，是人类社会的财富，属于自然资源的范畴。狭义的水资源则认为水资源是在目前的社会条件下可被人类直接开发利用的水 .而且开发利用时必须技术上可行、经济上合理且不影响地球生态，同时要考虑水量和水质的要求。
　　2.1.1水资源概况
　　广义的水资源是指地球上所有的水。通常所说的“水资源”是指陆地上可供生产、生活直接利用的江河、湖沼以及部分储存是地下的淡水资源，即“可利用的水资源”。从可持续发展的角度来看，水资源仅指一定地域内逐年可以恢复更新的淡水量，具体来说是指河川径流量表征的地表水资源，以及参与水循环的以底下径流量表征的地下水资源。对一定地域范围而言，水资源的量并不是恒定不变的，它随用水的目的与水质要求的不同、科学技术与经济发展水平的不同而变化。地球上的水通过不段的蒸发、降雨和径流的循环实现再生和更新。其循环的基本形式是自然循环和社会循环。
　　进入社会循环供人类使用的水，主要取自江河、湖泊和地下水。
　　地球上的总水量达14.6亿km3，但可为人类开发利用的淡水资源却有限；特别是现代工业发展对水资源的污染，加剧了“水质”型缺水。
　　2.1.2水资源的保护与管理
　　水资源的保护与管理的目的实现水资源可持续开发利用、保护水生态环境的良好状态，促进社会经济的不段发展。
　　水资源保护的内涵是采取法律、行政、经济、技术等综合措施，对水资源实行积极的保护与科学管理：一方面对水量的合理取用及对其补给源的保护，包括对水资源的开发利用的统筹规划、涵养及保护水源、科学合理用水、节约用水、提高用水效率等；另一方面是对水质的保护，包括制定有关法规和标准、进行水质调查、监测和评价、制定水质规划、治理污染等。
　　水资源管理就是运用行政、法律、经济、技术和教育等手段，合理开发利用水资源，协调水资源的开发利用与社会经济发展之间的关系，处理各地区、各部门之间的用水矛盾；监督并限制各种危害水资源的行为；保护水资源的水量及水质供应，以满足社会现实可持续发展对水资源的要求。
　　2.2 市政给水排水工程
　　市政给排水工程是市政水工程所研究的主要内容，它包括居民生活用水、城市生产用水、其他市政用水、各种来源和形式的污水与废水及各种水的处理、净化和排放。市政给排水工程含盖了市政水质工程、市政管网系统工程和建筑给水排水系统工程三大块。
　　2.2.1市政水质工程
　　2.2.1.1水质工程简述
　　市政水质工程又可分为市政给水水质工程和市政排水水质工程两部分。市政给水水质工程主要是对从水源取来的水进行相应的处理，使得经过处理后的水符合相应的用水水质标准；市政排水水质工程是对收集的污（废）水进行处理，使经过处理后的水达到污（废）水排放标准。
　　市政水质工程对水的处理一般采用物理方法、化学方法、物理化学处理方法和生物处理方法。物理一般方法有格栅和筛网拦截、混凝和絮凝、沉淀、气浮、吸附、粒状材料过滤以及曝气和吹脱等；化学方法有电解、化学沉淀、酸碱中和、氧化还原等；物理化学方法有离子交换、电渗析、反渗透和纳滤、超滤和微滤等；生物处理方法有好氧生物处理方法和厌氧生物处理方法等。
　　2.2.1.2水及污、废水的处理工艺
　　对每一项水质指标一般都有一种或几种处理方法可供选择。但是，有时一项水质指标只有采用几种处理方法的组合才能达到水质标准的要求，这种组合称为处理工艺。在具体情况下，如果有几种水质项目需要处理，就需要采用多种处理方法进行组合，从而形成相应的处理工艺。
　　当城市以轻度污染的河水为水源时，水中除了浑浊度和细菌学指标不符合标准要求外，水中有机物也常不符合要求，为除去水中有机物，特别是种类繁多的微量有机物，和在混凝、沉淀、过滤之后，增设臭氧氧化和粒状活性炭吸附的处理方法，或在混凝投药之前增设生物预处理，或在混凝投药前后向水中投加氧化剂或粉末活性炭，经过处理后的水中微量有机物指标便可符合水质标准要求。
　　城市以含铁井水为水源时，一般水的含铁量和细菌学指标不符和要求。对此可以通过曝气和沉淀过虑去除二价铁。向滤后水加氯进行消毒，便可使水的细菌学指标符合标准要求。
　　对城市生活污水的处理，主要是降低水中的有机物含量和杀灭水中细菌。一般多采用生物处理的方法对污水进行处理，处理后的水在排放前加氯消毒。城市工业废水的处理，要针对废水的性质，即要降低有机物含量，又要使其他对人体有害的物质达到排放标准。
　　2.2.2市政管网系统工程
　　市政管网系统工程由管道和相应附属构筑物组成。管道承当水的输送任务；附属构筑物则起水压提升、水量调控以及污（废）水和雨水的收集等作用。市政管网系统工程分为市政给水管道系统和市政排水管道系统。
　　2.2.2.1市政给水管道系统
　　市政给水管道系统的任务是水的提升、水的输送和分配及水量的调节。其组成包括输水管（渠）道、配水管网、泵站、水量调节构筑物和给水管道系统上的附属构筑物。
　　市政给水管道系统的总体布局，可分为统一供水系统、分质供水系统、分区供水系统和区域供水系统；配水管网的布置是在给水系统总体布局基础上进行的，基本形式有树状网和环状网。输水管（渠）选线及布置在保证按安全送水和满足用户用水要求是前提下，充分利用重力流送水，以节省工程造价；同时要尽量不穿越如河谷、铁路等障碍。给水管道系统设计的内容包括流量计算、配水管网中的管段设计流量计算、管径计算、管道系统水力计算、水泵扬程计算和给水管道系统优化计算。
　　2.2.2.2市政排水管道系统
　　市政排水管道系统的任务是将城市的污（废）水和降水按要求进行收集并输送到污水厂或天然水体，其主要由污水支管、干管、主干管、雨水支管、雨水干管和排水管道系统上的附属构筑物组成。
　　市政排水管道系统的体制有合流制和分流制两种基本形式。前者又分为完全合流制和部分合流制。新建的城区只能采用分流制，在旧城改造过程中，对改造难度大的可以将原来的合流制改造为部分合流制。排水管道系统设计的内容包括污（废）水和雨水流量计算、流速设计、最小管径计算、最小坡度设计及覆土厚度计算。
　　2.2.3建筑给水排水系统工程
　　建筑给水排水系统工程是城市水工程学科的重要内容。从组成上将，它是给水系统工程的末端和排水系统工程的起端；从水质控制上将，建筑给水排水系统工程是关键性工程措施之一。为保证人们在节约用水的前提下，能用到安全优质的水和排放不致污染过分的水，建筑给水排水系统工程的设备和装置起重要的作用，因为它们是人们直接的用水点和排水点。
　　2.2.3.1建筑给水系统工程
　　建筑给水系统工程要保证供水安全可靠、管理修理方便的同时，要力求工程投资量最小；而满足用户对水的水量、水质和水压要求是建筑给水系统工程的核心要求。
　　建筑给水系统工程一般由引入管、干管、主管、支管和用水设备组成。按用途不同可分为生活给水系统、生产给水系统和消防给水系统三类。给水方式有直接给水方式，设有水箱的供水方式，设水泵的给水方法，设水泵、畜水池、高位水箱联合供水方式和设气压给水装置的供水方式。供水方式的选择原则是：保证供水安全可靠，管理维修方便，在满足用户用水要求的前提下，力求给水系统简单，造价最省；充分利用市政管网直接供水。
　　建筑消防系统工程作为建筑给水的重要组成部分，应根据消防用水的要求供水。特别是现代建筑中的高层建筑和高层建筑群的消防系统，正在成为人们研究的重点。
　　2.2.3.2建筑排水系统工程
　　建筑排水系统工程按排除污、废水的类别分为生活污水排水系统、工业废水排水系统和建筑雨水排水系统。三类排水系统可按需要独立设置或合并设置，分别称为建筑合流排水系统或建筑分流排水系统。独立设置或分流设置主要考虑的因素是：污、废水的性质、污染程度、城市排水系统的体制以及综合利用是可能性与处理要求等。同时，排水系统应该有通气管，将排水管道中的有害气体及时排至建筑物外。
　　2.3水工艺设备及水工艺过程检测与控制
　　2.3.1水工艺设备
　　2.3.1.1水工艺设备概述
　　水工艺设备，是以水质为核心的水工艺和工程的重要组成部分。它是保证水质、提高水处理效率、降低制水成本的关键。现代化的水工艺与工程，应在精密、高效、节约动力和原材料、运行稳定的设备方面体现出来。
　　水工艺设备分通用设备、专用设备和一体化设备三大类。通用设备主要有各类阀门、泵和风机。
　　2.3.1.2水工艺专用设备
　　水工艺专用设备可分为物化处理设备和生化处理设备。
　　在水处理工艺中，通过物理、化学、或物理化学作用去除水中某些特定物质或承当整个水处理工艺中某一特定任务的设备，称物化处理设备。
　　水工艺中常用的物化处理设备有：拦污机械设备，排泥、排沙设备，撇油、撇沙设备，污泥浓缩脱水设备，搅拌设备，气浮设备，投药设备，消毒设备，过滤设备，离子交换设备，膜处理设备等。
　　生化处理设备主要有曝气设备和生物转盘。
　　水工艺一体化设备分小型一体化净水设备和小型一体化污水处理设备。
　　小型一体化净水设备是以地面水为水源，将混凝、沉淀、过滤三个净水单元合理地组合与同一设备内，再配以加药、消毒即可成为一个完整的小型净水设备。它适用于水量较小，远离城市供水系统以外的区域。一体化净水设备混凝、沉淀、过滤三个净水单元可根据不同原水水质及处理水量采用不同型式，但原则是：体积小，效率高。
　　小型一体化污水处理设备多用于生活污水的处理。由于生活污水可生化性强，采用生物处理比较经济有效，故基本都采用生物处理工艺。根据处理工艺流程的不同小型一体化污水处理设备可分为压力式污水生物处理设备、间歇式污水生物处理设备和地埋式污水生物处理设备。
　　2.3.2水工艺过程检测与控制
　　水工艺过程检测分水质检测、水工艺参数检测和水工艺设备运行参数检测。
　　水质检测的目的是为了水处理工艺过程的控制提供依据，并保证处理后的水质达到预期的要求和规定的水质标准，掌握水处理设备运行是状况。水质检测包含物理性检测、化学性检测和生物性检测。
　　水工艺参数检测的目的主要是为了保证水工艺过程运行正常，为生产操作、运行控制以及管理提供依据。水工艺参数检测主要包括：水力特征参数的检测；气体特性参数检测；以及其他工艺参数检测。
　　3.城市水工程学科的未来
　　在水及污、废水处理技术方面，水处理的新方法和新工艺正随着高新技术的发展，随着对水质是要求的不段提高，随着对水处理系统的经济性、可靠性、安全性的要求不断提高，而不断发展和不断更新。
　　研制多功能高效、廉价的新的水处理药剂，是当前的一个热点。在混凝剂、絮凝剂方面，过去主要用与除浊，但现在因水质污染、水中有机物增多，所以要求研制出即能高效除浊，又能高效去除有机物的新型混凝剂和絮凝剂。目前，研制新型无机高分子混凝剂、新型有机高分子絮凝剂以及各种复合混凝剂，是该领域的发展动向。氯消毒产生的消毒副产物读人体健康构成危害，研制安全有效的新型消毒剂以取代氯，是消毒技术发展的一个方向。
　　在氧化剂方面，目前正在开发的高级氧化技术，如催化氧化技术、二氧化钛催化氧化技术等，能提高氧化剂是氧化能力，特别是能产生比上述氧化剂强的中间产物—自由基。
　　膜技术近年发展非常迅速。膜几乎可以去除水中的一切杂质，研制低价的微滤膜和超滤膜，用微滤和超滤取代城市水厂常规水处理工艺，可以不向水中投药或少投药，减少投药对水质带来的影响，处理水质可以得到进一步，并便于实现水厂自动化，这是水处理技术今后发展的一个方向。
　　生物技术是当代发展最迅速的一个领域。利用生物技术对微生物进行分离、纯化，得到处理所需的微生物群落和利用基因工程处理微生物，得到处理某些污水的高效菌种这两个方面，都将大大推动生物法处理水技术的进步。
　　水及污、废水处理设备与工艺方面，主要是改进专用设备的安全性和提高设备的使用效率和成套及一体化设备的研究。如由于废水资源化和水回用的要求，要开发废水深度处理设备（如膜法、臭氧法、活性碳法及微过滤技术）和新型消毒装备。安全饮用水技术设备：包括水源水微污染处理技术和设备；乡镇和中西部地区饮水净化设备；节水技术设备等。用于轻工、食品、饮料、医药、发酵、屠宰加工领域的中、高浓度有机废水处理设备。根据市场需求，要重点发展升流式厌氧污泥床反应器（UASB）、厌氧复合滤地、好氧生物流化床及折流式厌氧生物处理反应器等技术设备。近几年来，我国合资的啤酒厂和可口可乐厂，大多引进了国外的升流式厌氧污泥床反应器组件和沼气燃烧系统，而国内的水处理环保企业，还很少有能力提供此类定型组件和沼气系统设备。开发造纸废液有效的处理设备。为了控制水污染急剧发展，国家不得不下令关闭大批小造纸厂，以改变一个纸厂污染一条河道的局面。但大中型的造纸厂，特别是草浆废水的治理，应着力研制可行的技术装备。还有表面处理废水、废液及有色金属等矿冶炼废水处理设备；含油废水处理设备；油田水净化设备；煤矿地下水及高浊度含盐废水处理净化设备等，都需要在优化现有处理设备基础上，开发定型设备。开发多功能组合式水处理设备等。
　　城市水工程施工与经济是城市水工程学科是最重要的外延。城市水工程学科的各个方面都具有很强的使用性，水的开发、净化、供给、保护、利用和再生都与经济直接相连。在水工程项目方案评价、决策及项目建设、管理方面将有长足发展。
　　主要参考资料：
　　1.李圭白主编   《城市水工程概论》  中国建筑工业出版社
　　2.李广贺主编   《水资源利用与保护》   中国建筑工业出版社
　　3.严煦世、刘遂庆主编   《给水排水管网系统》   中国建筑工业出版社
　　4. 沈光范  《我国水污染防治战略与技术发展趋势》