基于浊度评估饮用水处理厂的运行鲁棒性：应对气候变化影响的关键策略

《Water Research》：Quantifying Drinking Water Treatment Plant Robustness with Respect to Turbidity: Examining Raw Water and Treatment

本文聚焦气候变化下饮用水处理厂(DWTPs)面临的原水浊度波动加剧这一挑战。研究团队以浊度鲁棒性指数(TRI90D)为核心工具，建立了一个浊度专项鲁棒性框架，应用于一个以河水为源水、采用CSBC工艺的A厂和一个以湖水为源水、采用CFS工艺的B厂，评估了其关键处理单元（絮凝-澄清与过滤）在正常和极端浊度事件下的性能。研究发现A厂整体鲁棒性优于B厂，且历史浊度事件与更高的TRI值无显著相关性。研究还通过中试实验为应对未来极端浊度事件提供了工艺优化建议。该框架为评估、比较和提升DWTPs处理浊度的能力提供了一个实用的诊断工具，有助于制定应对气候变化的短期运行调整和长期资本规划策略。

　　

气候变化正在重塑我们的世界，其中频繁且剧烈的降雨事件带来了一个看似不起眼却关乎大众健康的核心挑战——饮用水源水质的恶化。当瓢泼大雨冲刷地表，大量悬浮颗粒物涌入河流湖泊，原水“浊度”陡然升高，这不仅像给水厂的处理工艺蒙上了一层“面纱”，增加了处理难度，更可能夹带着隐孢子虫等水生病原体，威胁供水安全。传统的水处理厂设计可能并未预见到如此频繁和强烈的原水波动，面对这种新常态，一个关键问题亟待回答：我们的饮用水处理厂在应对浊度冲击时，究竟有多“坚不可摧”或者说“鲁棒”？为了解决这个迫切的问题，来自加拿大滑铁卢大学的研究团队进行了一项开创性的研究，他们构建了一套科学的评估框架，对两家采用不同水源和工艺的饮用水处理厂进行了深入“体检”，并将研究成果发表在水处理领域的顶级期刊《Water Research》上。

为了系统评估水厂的鲁棒性，研究人员采用了几项关键方法。他们首先基于Nemani等人提出的通用框架，开发了针对浊度去除的专项鲁棒性评估框架。研究的核心是应用由Li和Huck (2008) 发展的浊度鲁棒性指数 (Turbidity Robustness Index, TRI_90D) ，该指数利用处理单元出水浊度的第50百分位(T₅₀)、第90百分位(T₉₀)与目标浊度(T_goal)的关系来量化性能。研究人员将计算周期定为“周”，以匹配观测到的浊度事件持续时间，并对权重因子A₁和A₂进行了调整（从0.9/0.1调整为0.6/0.4），以更平衡地反映性能的均匀性和平均水平。此外，他们创新性地提出并应用了一套通用公式来区分原水中的“正常浊度”和“浊度事件”，该公式结合了季节性中值百分比阈值(y%)和一个常数增加值(z NTU)，并依据水厂运行经验进行校准。最后，为了前瞻性评估水厂应对远超历史记录极端事件的能力，他们对A厂的CSBC工艺进行了基于析因实验设计的改良烧杯试验，模拟了高达400-500 NTU的极端浊度条件。

3.1 原水浊度事件与正常背景浊度的分离

为了评估关键处理步骤在不同进水条件下的性能，必须首先将原水浊度数据区分为代表正常天气的“基线浊度”和可能代表历史降水事件的“高浊度”。研究团队为此开发了一个通用方法：浊度事件被定义为浊度值在至少一小时内超过“季节性中值浊度”的某个百分比(y%)再加上一个常数(z NTU)。对于以河水为源的A厂，分析发现使用季节性中值（而非年度中值）更为合理，最终确定y=50%，z=0 NTU是合适的阈值。对于以五大湖湖水为源的B厂，由于其背景浊度极低，即使y=100%也会将大量微小波动误判为事件。因此，结合水厂运行人员的经验（认为低于10 NTU属正常），最终设定y=100%，z=5 NTU。这一方法的建立，使得后续对不同浊度情景下的处理单元性能进行对比分析成为可能。

3.2 控制浊度去除的关键处理步骤的鲁棒性

应用每周TRI对A厂（关键步骤为CSBC和过滤）和B厂（关键步骤为CFS和过滤）进行了评估。结果显示，A厂的CSBC单元（目标浊度1.0 NTU）绝大多数时间的TRI处于“稳定”类别，表明其对波动的原水浊度处理良好，且Train 1比Train 2更鲁棒。相比之下，B厂的CFS单元（目标浊度同样为1.0 NTU）大部分时间处于“轻度扰动”类别，甚至在某些周出现了“扰动”和“严重扰动”类别的TRI。值得注意的是，除了一个特例外，所有“扰动”及以上的TRI都出现在浊度事件期间，且部分高TRI也出现在低温低浊的春季，这可能是由于低浊低温条件下混凝效果不佳所致。

在过滤单元方面，A厂所有过滤器的TRI几乎都处于“稳定”类别，表现优异，这得益于其前端CSBC工艺的鲁棒性。B厂大部分过滤器也表现良好，但存在性能差异，个别过滤器（如Filter 18）有较高比例的TRI未达到“稳定”类别，虽然仍满足0.3 NTU的法规限值，但未达到厂内0.1 NTU的更严目标。通过箱线图对比进一步发现，A厂的CSBC工艺比B厂的CFS工艺表现更一致、更鲁棒。分析还表明，两个水厂的过滤器TRI与历史峰值浊度之间没有正相关性，这说明现有工艺足以应对过去经历过的浊度挑战，但能否应对更极端的未来事件仍是未知数。

3.3 A厂和B厂的整体鲁棒性

研究进一步使用整体鲁棒性指数 (Overall Robustness Index, ORI) 来综合评估水厂的整体性能。通过赋予CSBC/CFS和过滤工艺不同的权重（等权重、前处理权重更高、过滤权重更高）进行计算和比较。结果表明，无论采用哪种权重方案，A厂的整体鲁棒性都高于B厂。对于A厂，即使在对浊度事件进行评估时，其“稳定”类别的周数占比也高于“轻度扰动”类别，且当过滤工艺被赋予更高权重时，表现更好。对于B厂，由于其CFS单元鲁棒性较差，在等权重和前处理权重更高的情况下，“轻度扰动”类别的周数占比较高；但当过滤工艺权重更高时，“稳定”类别占主导，这说明B厂的过滤工艺在一定程度上弥补了前处理的不足。分析还发现，尽管单个单元的TRI与浊度事件不相关，但水厂的ORI却在一定程度上受到了浊度事件的影响。

3.4 中试实验

为了探索如何应对未来可能出现的、远超历史记录的极端浊度事件（步骤6：优化与适应），研究人员对A厂的CSBC工艺进行了改良烧杯试验。首先用正常浊度和历史高浊度的原水进行模拟，结果表明中试试验能较好地模拟实际工艺。随后，针对可能在未来因气候变化出现的极端浊度（设定为400-500 NTU），他们进行了析因实验，考察了混凝剂、微砂和聚合物投加量的影响。实验结果表明，在测试的范围内，维持现有的聚合物投加量是适宜的，但增加微砂和混凝剂的投加量可能有助于提高对极端浊度的去除率。这为潜在的工艺优化提供了初步方向，但需要进一步的扩大试验或实际运行验证，才能纳入标准操作规程 (Standard Operating Procedures, SOPs)。

本研究通过构建并验证一个浊度专项鲁棒性框架，成功地对两家水源和处理工艺迥异的饮用水处理厂进行了为期两年的性能评估与对比。核心结论与重要意义体现在多个层面：首先，每周TRI被证明是一个有效的诊断工具，能够量化各处理单元的性能短板，识别表现不佳的单元，为追溯性评估运行方案和针对性改进标准操作规程提供了科学起点。具体而言，研究发现A厂的CSBC和过滤工艺在两年内均表现出高鲁棒性，而B厂的CFS单元则因工艺本身（传统CFS对比先进CSBC）及低温低浊的挑战性条件，表现出更高且更波动的TRI。其次，本研究首创了一套可普遍应用的、区分原水正常浊度与历史浊度事件的方法，该方法的参数可根据具体水源特点和水厂经验进行定制，确保了阈值的实用性和可操作性。尤为重要的是，这是首次将TRI用于评估处理单元在历史浊度事件期间的鲁棒性。分析表明，在所研究的时间段内，两家水厂的历史浊度事件与更高的TRI值并无显著相关性，这证明两家水厂现有的运行程序足以应对过去经历过的浊度挑战。然而，这并不意味着可以高枕无忧，应对更极端未来事件的能力仍需检验。再者，该鲁棒性框架首次实现了不同水厂之间性能的直接、定量化比较。本研究中，A厂因其更鲁棒的CSBC和过滤工艺，整体鲁棒性优于B厂。这种比较能力对于水务公司管理多个水厂，或在同一法规区域内建立运行基准具有重要意义。最后，研究通过中试析因实验证明，这类实验可以作为评估和优化运行程序以应对未来极端浊度事件的第一步探索。对于A厂，实验建议在极端浊度下可考虑增加微砂和混凝剂投加量。这为识别当前运行方案的性能边界、规划短期运行调整乃至启动长期资本升级计划提供了初步依据。总而言之，这项研究不仅为饮用水处理行业提供了一个评估自身抵御浊度波动能力的“听诊器”和“比较尺”，更在气候变化背景下，为保障饮用水水质安全、实现从被动应对到主动适应的战略转变，贡献了一套兼具理论基础和实践价值的系统性工具与方法。