美國七個州和墨西哥共享科羅拉多河的水權(quán)，每個州都面臨著人口增長和降水減少的情況。地下水補給系統(tǒng)(GWRS)已經(jīng)成為為橙縣提供可靠水資源的重要部分。
橙縣再生水廠介紹
1 地理情況
加州三分之二的人口居住在南加州，但這里只有不到全州三分之一的降水。為滿足用水需求，南加州的一些地區(qū)需要從外地引水，但橙縣不用。橙縣的水主要來源于其巨大的地下水盆地。這個盆地位于橙縣中北部，從太平洋延伸到Y(jié)orba Linda，它擁有超過490億立方米的水資源，年產(chǎn)量約3.7億立方米，供水能力約為6.17億立方米。
自1933年成立以來，橙縣水務(wù)部門(Orange County Water District, OCWD)一直在監(jiān)測該流域的地下水位。 20世紀(jì)40年代， OCWD啟動了地下水補給計劃，因為自然補給不再能夠抵消地下水開采帶來的影響。歷史上，地下水盆地的主要水源是圣安娜河。由于上游的用水活動以及氣候原因，每年的河水流量并不相同。
為了彌補圣安娜河水流量的不足，OCWD開始從其他來源進口水，首先是科羅拉多河，后來是薩克拉門托 - 圣華金河三角洲。 向橙縣北部和中部地區(qū)供應(yīng)的水中約有30%來自這些水源。 盡管如此，依靠這些遙遠的流域來解渴和補給地下水也會帶來一些挑戰(zhàn)。 從遠處進口水源是非常昂貴的。 此外，三角洲也是一個環(huán)境敏感的地區(qū)，是許多瀕危物種的家園。
美國七個州和墨西哥共享科羅拉多河的水權(quán)，每個州都面臨著人口增長和降水減少的情況。地下水補給系統(tǒng)(groundwater replenishment system, GWRS)已經(jīng)成為為橙縣提供可靠水資源的重要部分。
2 地下水補給系統(tǒng)(GWRS)
GWRS是世界上最大最先進的凈化再利用系統(tǒng)。 經(jīng)過橙縣衛(wèi)生部門(Orange County Sanitation District, OCSD)先處理的污水，不再排入太平洋，而是通過GWRS進一步凈化。在微濾、反滲透和紫外線與過氧化氫消毒三步高級工藝處理之后，可生產(chǎn)出符合甚至優(yōu)于州及聯(lián)邦飲用水標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)水。 這些凈化過的水通過自然滲透，補給橙縣地下水盆地，并補充飲用水。
自2008年1月開始運營以來，GWRS最初每天生產(chǎn)7000萬加侖(265,000立方米)高度凈化水。 2015年，該項目擴建至1億加侖每天(378,000立方米)。在增加從OCSD到GWRS輸水流量的設(shè)施建設(shè)完成之后，GWRS的最終產(chǎn)量預(yù)計為1.3億加侖每天(492,000立方米)。預(yù)計擴建項目將于2023年完工并投入使用。
3 合作精神
地下水補給系統(tǒng)(GWRS)是橙縣水務(wù)部門(OCWD)和橙縣衛(wèi)生部門(OCSD)之間合作的產(chǎn)物。兩者都在尋求解決他們面臨問題的方法。在20世紀(jì)90年代中期，橙縣水務(wù)部門需要擴建Water Factory 21(WF 21)并解決海水入侵問題。與此同時，橙縣衛(wèi)生部門面臨著必須建造第二個海洋排污口的挑戰(zhàn)。GWRS的建立解決了這些問題。
兩個部門共同承擔(dān)了建設(shè)GWRS第一階段的費用(4.81億美元)。橙縣水務(wù)部門資助了其第一次擴建，耗資1.42億美元。橙縣衛(wèi)生部門免費為橙縣水務(wù)部門提供嚴(yán)格控制的二級處理廢水，并投入資金和資源建設(shè)了史蒂夫安德森泵站，以最大限度地提高GWRS的廢水流量。橙縣水務(wù)部門反過來同意管理和資助GWRS業(yè)務(wù)。通過此次合作，GWRS成為世界上最著名的土木工程和水再利用項目之一。
GWRS的工作范圍
1. 先進的再生水廠(橙縣水務(wù)部門總部，F(xiàn)ountain Valley)
經(jīng)過橙縣衛(wèi)生部門處理過的水在這個再生水廠進一步進行處理，包括微濾、反滲透以及紫外線和過氧化氫消毒。
2. 防止海水入侵的水力屏障(Huntington Beach 和Fountain Valley)
經(jīng)過再生水廠的凈化后，每天大約3千萬加侖(11.3萬立方米)的水通過泵站注入到多個注水井中，形成一條防止海水入侵的水力屏障。
3. Kraemer、Miller 和Miraloma盆地(Anaheim)
每天剩余的7千萬加侖(26.5萬立方米)的水經(jīng)由泵站回灌到Kraemer、Miller和Miraloma盆地。
前處理(澄縣衛(wèi)生部門)
1 預(yù)處理
格柵是污水處理的第一步。在將未經(jīng)處理的污水引入OCSD的污水處理廠之前，必須清除較大的雜物，如石頭、碎布、玩具、高爾夫球等，這些雜物可能堵塞損壞之后的設(shè)備。這些由格柵攔截的垃圾將作為固廢，送至垃圾填埋場處理。在格柵之后，污水進入沉砂池，在這里砂礫等顆粒較大的物質(zhì)會被去除，之后污水會進入一級處理
2 一級處理
污水在沉淀池或澄清池中流速緩慢，這使得砂石或有機固體等較重的物質(zhì)沉入底部。油脂等漂浮物也在這里被去除。 旋轉(zhuǎn)臂同時從底部移除沉淀的物質(zhì)，并從頂部移除漂浮物。這些移除的固體會被收集入消化池中。
3 二級處理
二級處理去除了在一級處理期間未能去除的溶解有機物。處理工藝包括活性污泥工藝、生物濾池、二沉池以及其他微生物處理方法。該過程使用以有機物質(zhì)作為食物的微生物，這些微生物將有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和能量，以促進其自身的生長和繁殖。在消耗有機物質(zhì)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為兩條線路。一部分污泥回流，繼續(xù)消耗水中的有機質(zhì)；另一部分污泥在濃縮、消化、脫水之后，送到亞利桑那的堆肥廠，或者送到農(nóng)田作為土壤改良劑。二級處理的出水一部分排放入海，另一部分輸送到GWRS進一步凈化。
4 微濾
在橙縣衛(wèi)生部門的前處理之后，出水由橙縣水務(wù)部門運營的GWRS進一步處理。首先是微濾(MF)。微濾工藝使用成束的中空聚丙烯纖維來去除水中的顆粒污染物。在真空下，水被抽吸通過直徑約0.2微米的微小孔，懸浮固體、原生動物、細(xì)菌和一些病毒從水中被攔截去除。
5 反滲透
微濾處理后，下一步是反滲透(RO)。反滲透系統(tǒng)是將使用束狀聚酰胺半透膜包裹在抗壓長管中。微濾后，水加壓通過外層的濾膜后進入內(nèi)層的長管，過濾后的純凈水之后被收集起來。溶解鹽、有機物、病毒、藥物等我們想去除的組分被阻留在濃鹽水中。經(jīng)過反滲透的水非常純凈，我們不得不在水進入管網(wǎng)之前加入礦物質(zhì)以用來緩沖和穩(wěn)定水質(zhì)。
密切監(jiān)控兩個關(guān)鍵參數(shù)可確保反滲透的有效運行。 第一個是電導(dǎo)率(EC)，它代表水中鹽或溶解性總固體(TDS)。 第二個是總有機碳(TOC)，它代表有機物的去除情況。最終，再生水的TOC也受到區(qū)域水質(zhì)控制委員會(RWQCB)和州水資源控制委員會飲用水部門的密切監(jiān)控。 監(jiān)測進水和再生水的電導(dǎo)率及總有機碳可以確保反滲透的有效運作，以保證最終出水達到水質(zhì)要求。
6 紫外線和過氧化氫消毒之后的石灰處理
水在經(jīng)過了微濾和反滲透之后，為了進一步消毒，去除殘存的小分子有機物，包括那些含量必須要保持ppt以下的物質(zhì)，出水需要暴露在高強度的含有過氧化氫和紫外線中。這個處理過程確保了那些不想要的微生物和有機物被有效地去除。
在反滲透中，加入硫酸可以提高效率與性能，但同時也會產(chǎn)生過量的二氧化碳并且降低pH值。此外，由于礦物離子的移除，反滲透這個過程也會極大地降低水的堿性。 為了穩(wěn)定出水并提高其pH值，過量的二氧化碳會通過空氣吹脫法被移除。不僅如此，由于在反滲透中加入過硫酸，這些處理過的水最后還要在經(jīng)過一次pH值的檢測，并且確保數(shù)值在6與9之間。因為在這個pH區(qū)間的水既不會腐蝕管道亦不會產(chǎn)生水垢。
7 流量均衡
GWRS第一階段的最大產(chǎn)能是每天7千萬加侖(26萬5千立方米)的水。同時，這一產(chǎn)能要求每天9千3百萬加侖(34萬4千立方米)的進水量。在一天中的部分時段，OCSD會收到超過每天1億加侖(37萬8千立方米)的進水量。這些超出的部分會通過OCSD二號平臺被排放到入?？凇Ａ硗?，由于晝夜交替(夜間流量過少和日間流量過剩)，到達OSCD一號平臺的未處理的廢水流量在每天6千萬加侖(27萬7千立方米)到每天1億5千萬加侖(56萬8千立方米)之間浮動。因此，GWRS的產(chǎn)量必須隨著一號平臺的廢水流量而提升或減少，最終導(dǎo)致GWRS并不能持續(xù)地保持在其最大的設(shè)計生產(chǎn)能力。
既然知道了GWRS可以在不同流量中運作，GWRS的最初擴建，包括增加產(chǎn)能以適應(yīng)日間過剩的污水量。在擴建方案中，兩個蓄水池的加入可以平衡水量，即儲存日間過剩的污水并將其用于夜間生產(chǎn)。這一舉措可以提升GWRS的最大產(chǎn)能至每天1億加侖(37萬8千立方米)。1千5百萬加侖(5萬7千立方米)容量的蓄水池才能平衡日間廢水流量，并為GWRS提供每天恒定的1億3千萬加侖(49萬2千立方米)的水量。
兩個鋼制蓄水池建于地表之上，且蓄水容量都為7百50萬加侖(2萬8千立方米)。蓄水池?fù)碛凶銐虻娜萘?，確保初次擴建可以為GWRS提供額外的每天3千萬加侖(11萬4千立方米)的產(chǎn)能。蓄水池直徑216英尺(66米)，高35英尺(11米)，并且配備了太陽能攪拌器和由五個功率為75馬力(56千萬)的垂直渦輪泵組成的泵站。蓄水池中的水由重力自流入GWRS的格柵，而這些水泵是用來滿足水池額外的次級出水量。蓄水池的進水和出水使用同一套管線。
流量的均衡使得GWRS可以在穩(wěn)定的流量中運行，并且簡化流程、增加產(chǎn)能和減少成本。
其他案例
1 海岸屏障項目
亨廷頓海灘(Huntington Beach)的海岸存在淺層含水層和一種稱為托伯特間隙(Talbert Gap)的地質(zhì)特征。沙和礫石形成的沖積層跨越了斷層障礙，并形成了利于海水倒灌的環(huán)境。當(dāng)內(nèi)陸的水井取水時，海水可以通過托伯特間隙移往深層蓄水層，并最終污染飲用水井。
對這一流域易受到海水倒灌的認(rèn)知可以追溯到半個世紀(jì)以前。早在1965年，OCWD就開啟了實驗項目，其目的就是為了制止海水倒灌。基于其他南加州的海岸屏障的經(jīng)驗，OCWD確信可以增壓將水注入位于托伯特間隙的注水井內(nèi)。這樣可以創(chuàng)造出一個水壓屏障將倒灌的海水重新排入海中。
由于保持這個保護屏障有極高的重要性，必須要尋找到一個百分之百可依賴的供水水源。OSCD為 WF21提供了可靠的污水水源以用來處理。經(jīng)過多年的實驗測試，WF 21的建立為注水井提供了一個安全可靠的水源。數(shù)十年的數(shù)據(jù)監(jiān)測表明，使用先進凈化過程所產(chǎn)生的超純水在托伯特屏障中具有高效性和安全性的雙重優(yōu)點。
2 內(nèi)陸擴散盆地
兩個鋼制蓄水池建于地表之上，且蓄水容量都為7百50萬加侖(2萬8千立方米)。蓄水池?fù)碛凶銐虻娜萘?，確保初次擴建可以為GWRS提供額外的每天3千萬加侖(11萬4千立方米)的產(chǎn)能。蓄水池直徑216英尺(66米)，高35英尺(11米)，并且配備了太陽能攪拌器和由五個功率為75馬力(56千萬)的垂直渦輪泵組成的泵站。蓄水池中的水由重力自流入GWRS的格柵，而這些水泵是用來滿足水池額外的次級出水量。蓄水池的進水和出水使用同一套管線。
流量的均衡使得GWRS可以在穩(wěn)定的流量中運行，并且簡化流程、增加產(chǎn)能和減少成本。
項目內(nèi)容
1 項目收益與支出
GWRS提供以下范圍的收益：
1. 即使在干旱時期都可以提供一個可靠的、高純度的和接近蒸餾程度的水
2. 相比于遠距離水源進口，提供一種更劃算和更節(jié)能的策略(僅使用水源進口一半的能量和海水脫鹽三分之一的能量)
3. 提供一定程度的供水措施，預(yù)防進口水供應(yīng)可能存在的變化
4. 創(chuàng)造一個防止海水倒灌的水壓屏障
提供地下水回灌水源的同時最小化地下水的透支
5. 提高地下水的水質(zhì)
6. 減少處理過的廢水向海洋的排放量并增加其有益的用途
7. 減少地區(qū)內(nèi)對于進口水源的需求
8.再生水成本低于進口水: 每英畝-英尺花費為525美金(有補助)或850美金(沒有補助)
2 水質(zhì)的確保
兩個鋼制蓄水池建于地表之上，且蓄水容量都為7百50萬加侖(2萬8千立方米)。蓄水池?fù)碛凶銐虻娜萘?，確保初次擴建可以為GWRS提供額外的每天3千萬加侖(11萬4千立方米)的產(chǎn)能。蓄水池直徑216英尺(66米)，高35英尺(11米)，并且配備了太陽能攪拌器和由五個功率為75馬力(56千萬)的垂直渦輪泵組成的泵站。蓄水池中的水由重力自流入GWRS的格柵，而這些水泵是用來滿足水池額外的次級出水量。蓄水池的進水和出水使用同一套管線。
流量的均衡使得GWRS可以在穩(wěn)定的流量中運行，并且簡化流程、增加產(chǎn)能和減少成本。
3 研究概述
GWRS第一階段的最大產(chǎn)能是每天7千萬加侖(26萬5千立方米)的水。同時，這一產(chǎn)能要求每天9千3百萬加侖(34萬4千立方米)的進水量。在一天中的部分時段，OCSD會收到超過每天1億加侖(37萬8千立方米)的進水量。這些超出的部分會通過OCSD二號平臺被排放到入?？?。另外，由于晝夜交替(夜間流量過少和日間流量過剩)，到達OSCD一號平臺的未處理的廢水流量在每天6千萬加侖(27萬7千立方米)到每天1億5千萬加侖(56萬8千立方米)之間浮動。因此，GWRS的產(chǎn)量必須隨著一號平臺的廢水流量而提升或減少，最終導(dǎo)致GWRS并不能持續(xù)地保持在其最大的設(shè)計生產(chǎn)能力。
既然知道了GWRS可以在不同流量中運作，GWRS的最初擴建，包括增加產(chǎn)能以適應(yīng)日間過剩的污水量。在擴建方案中，兩個蓄水池的加入可以平衡水量，即儲存日間過剩的污水并將其用于夜間生產(chǎn)。這一舉措可以提升GWRS的最大產(chǎn)能至每天1億加侖(37萬8千立方米)。1千5百萬加侖(5萬7千立方米)容量的蓄水池才能平衡日間廢水流量，并為GWRS提供每天恒定的1億3千萬加侖(49萬2千立方米)的水量。
OCWD和OCSD在從排海廢水中開發(fā)一個可靠的供水資源，這是一個長遠的目標(biāo)，而GWRS正是他們的最終體現(xiàn)。研究始終是OCWD水資源開發(fā)中不可或缺的部分，而測試機構(gòu)同時也在持續(xù)進行新技術(shù)的評估。OCWD的先進水質(zhì)保證實驗室是世界首批水質(zhì)實驗室。其不僅獲得了州的認(rèn)證，也同時在世界范圍內(nèi)獲得一致好評和極高的聲望。
4 連鎖反應(yīng)
GWRS發(fā)源于WF 21，而WF 21 也是OCWD最初的處理廠中的佼佼者。建于1976的WF 21在當(dāng)時是一個創(chuàng)新型的處理廠， 并且是為了向橙縣(Orange County)提供額外的高質(zhì)量的供水。WF 21可以滿足每天1千5百萬加侖(5萬6千立方米)的水質(zhì)凈化，并且提供了無額外花費的石灰凈化、氨氣洗滌、多重過濾、活性炭吸附和對來自于OCSD的二級排水的氯化消毒。此外，在1977年，為了減少可溶解的固體，WF 21增加了一個處理量達到每天5百萬加侖(1萬9千立方米)的反滲透的脫鹽設(shè)備。不僅如此，WF 21也是世界上首個使用反滲透來凈化廢水并令其達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)的處理廠。活性炭吸附和反滲透處理過的水和來自于深井的水混合不僅可以注入深井、形成水壓屏障從而防止海水倒灌，也可以增加地下水的回灌。為了回應(yīng)2000年產(chǎn)生的新的水質(zhì)問題，WF 21 只是用反滲透處理過的水和來自深井的水混合，注入海水屏障中。
從2004年開始，在OCWD和OCSD為了修建GWRS而停止WF 21運作的兩年間，IWF 21作為臨時水廠隨之啟用。為了不讓之前防止海水倒灌的努力白費，并且讓工作人員可以熟悉未來在GWRS的運作，IWF 21同時也展開培訓(xùn)工作。為了創(chuàng)造更先進的氧化步驟，IWF 21在原有的WF21上改建，并且增加了新的處理過程，包括微濾和紫外線結(jié)合過氧化氫消毒。這個新的處理過程和原有的反滲透系統(tǒng)的組合，再加新的復(fù)合聚酰胺薄膜，可以更節(jié)能和更高效的移除污染物。而紫外線光與過氧化氫的結(jié)合使用不僅可以加強其氧化過程，還可以消滅抗紫外線的污染物。為了防止注入井產(chǎn)生的生物淤積，IWF 21保留了原有的氯化系統(tǒng)。 IWF 21于2006年停止運作。直到2008年GWRS的建成為止，OCWD一直使用來自于芳泉谷的直飲水作為托伯特屏障的水源。
5 獨立咨詢團隊
除了有由OCWD研究部門和水質(zhì)實驗室發(fā)布的報告和由美國環(huán)境工程師與科學(xué)家協(xié)會發(fā)布的GWRS年度報告外，還有一份由獨立咨詢團隊記錄的持續(xù)性的同業(yè)互查報告。獨立咨詢團隊不僅分析OCWD提供的GWRS年度工廠運營報告，還通過地下盆地地收集有關(guān)水質(zhì)的數(shù)據(jù)。為了提供關(guān)于GWRS的可信的并且客觀的評價，這個獨立咨詢團隊由國家水研究所從世界各地召集并認(rèn)證的科學(xué)與工程專家組成。盡管獨立咨詢團隊的報告非常的科學(xué)性和技術(shù)性，并且主要面向衛(wèi)生與監(jiān)管團隊，但是任何有興趣的人都有權(quán)利查看。除了提供正式的書面報告，獨立咨詢團隊同時也對GWRS在有關(guān)增強水質(zhì)監(jiān)控、增加現(xiàn)有科技的能效以及未來項目的評估方面提出建議。
6 國際認(rèn)可
在2018年2月16日，隨著OCWD和OCSD創(chuàng)下了吉尼斯世界紀(jì)錄(24小時內(nèi)最多廢水至飲用水循環(huán))，GWRS也同時被吉尼斯世界紀(jì)錄團隊稱為最出色的項目。這個項目獲得了超過50個獎項。以下列舉：
1. 2008年斯德哥爾摩工業(yè)水獎，水利工程最高的國際榮譽。
2. 美國土木工程師協(xié)會2009年杰出土木工程成就獎，工程最高國內(nèi)榮譽。
3. 2014年李光耀水源獎，因OCWD在地下水管理、污水回用和公共政策與社區(qū)的擴大服務(wù)方面的成就。
4. 2017年州環(huán)境與經(jīng)濟領(lǐng)導(dǎo)獎(GEELA)，因OCWD在保存加州珍貴資源、保護環(huán)境和鞏固加州經(jīng)濟方面的杰出貢獻。
5. 2018年環(huán)境傳播大獎，由美國環(huán)境工程師與科學(xué)家協(xié)會頒發(fā)，因為GWRS在2017發(fā)起的瓶裝水運動是西半球的首例。
原標(biāo)題：【國際案例】污水變自來水？你敢喝么？全球最大再生水廠探秘！