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(jìn)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(yuǎn)的流域來解渴和補給地下水也會帶來一些挑戰(zhàn)。 從遠(yuǎn)處進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(jìn)一步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)物質(zhì)作為食物的微生物，這些微生物將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和能量，以促進(jìn)其自身的生長和繁殖。在消耗有機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)碳(TOC)，它代表有機(jī)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(jìn)水和再生水的電導(dǎo)率及總有機(jī)碳可以確保反滲透的有效運作，以保證最終出水達(dá)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(jìn)一步消毒，去除殘存的小分子有機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(kuò)建，包括增加產(chǎn)能以適應(yīng)日間過剩的污水量。在擴(kuò)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(kuò)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(yuǎn)距離水源進(jìn)口，提供一種更劃算和更節(jié)能的策略(僅使用水源進(jìn)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(jìn)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(jìn)口水源的需求
8.再生水成本低于進(jìn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(kuò)建，包括增加產(chǎn)能以適應(yīng)日間過剩的污水量。在擴(kuò)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(yuǎn)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(jī)構(gòu)同時也在持續(xù)進(jìn)行新技術(shù)的評估。OCWD的先進(jìn)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(dá)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(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)的處理廠?；钚蕴课胶头礉B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(jìn)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(qiáng)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(tuán)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(tuán)隊記錄的持續(xù)性的同業(yè)互查報告。獨立咨詢團(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)隊同時也對GWRS在有關(guān)增強(qiáng)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(tuán)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(kuò)大服務(wù)方面的成就。
4. 2017年州環(huán)境與經(jīng)濟(jì)領(lǐng)導(dǎo)獎(GEELA)，因OCWD在保存加州珍貴資源、保護(hù)環(huán)境和鞏固加州經(jīng)濟(jì)方面的杰出貢獻(xiàn)。
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！