水廠擴建與深度處理改造工程設計方案

王 雄，黃 興，李國洪，葛本筆

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.睢寧縣自來水公司，江蘇徐州 221200)

1 項目背景

江蘇某縣城水廠原水為水庫水，原水水質基本能達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準，但受水庫補水影響，高錳酸鹽指數(shù)時有超標。水廠原規(guī)模為5萬m3/d，凈水工藝采用常規(guī)的混凝沉淀過濾工藝，投加粉末活性炭后，出廠水能達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)的要求。

根據(jù)縣城區(qū)域供水規(guī)劃和江蘇省《省政府辦公廳關于切實加強城市供水安全保障工作的通知(蘇政辦發(fā)〔2014〕55號文)》的要求，該自來水廠需盡快實施二期工程，不僅需要擴建規(guī)模至15萬m3/d，還需增加深度處理設施。目前，工程已竣工并通水運行2年左右，出水水質穩(wěn)定，運行效果良好。

2 設計概況

2.1 水源及原水水質

該水廠水源來自慶安水庫。慶安水庫興建于1958年3月，1959年9月建成蓄水，控制流域面積為280 km2，總庫容為6 030萬m3，興利庫容為4 800萬m3。慶安水庫水源來自廢黃河，廢黃河水不足時依靠古邳翻水站翻引徐洪河水。

根據(jù)江蘇省水環(huán)境監(jiān)測中心徐州分中心的監(jiān)測結果，慶安水庫主要污染物歷年水質特征值：pH值為7.72～8.67，溶解氧為6.2～11.8 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)為3.4～6.9 mg/L，化學需氧量為15.5～19.8 mg/L，BOD5為1.0～2.9 mg/L，氨氮為0.03～0.96 mg/L，氟化物為0.57～0.98 mg/L，總磷為0.024～0.057 mg/L，鐵、錳均小于0.05 mg/L，溴離子為0.13～0.20 mg/L。

慶安水庫水體水質評價為Ⅲ～Ⅳ類水，水質總體較好，主要超標項目為高錳酸鹽指數(shù)。

2.2 原工藝流程及出水水質

水廠原規(guī)模為5萬m3/d，凈水工藝采用常規(guī)的混凝沉淀過濾工藝。由于原水有機物微污染，需在取水泵站投加粉末活性炭才能確保出廠水達標。出水主要指標：渾濁度為0.2～0.345 NTU，高錳酸鹽指數(shù)為1.72～2.63 mg/L，氨氮<0.02 mg/L，鐵、錳均小于0.05 mg/L。由于擴建提標前并未投加臭氧，故出水未檢測溴酸鹽。

2.3 擴建及提標工藝流程

“預臭氧+強化常規(guī)處理+臭氧生物活性炭過濾深度處理”工藝是處理受污染水源水并保證高質量出水水質的一種有效方法[1-2]。按照江蘇省“蘇政辦發(fā)(2014)55號文”的要求，根據(jù)原水有機物微污染和冬季低溫低濁的特點，經過多方案比選，擴建及深度處理改造工程采用“預臭氧+強化常規(guī)處理+臭氧生物活性炭過濾深度處理”工藝。根據(jù)徐州劉灣水廠深度處理工藝研究的中試成果，雙氧水/臭氧高級氧化對徐州水中溴酸鹽的生成具有良好的抑制效果，在臭氧投加量為1～4 mg/L時，溴酸鹽的抑制率可達到70%左右，抑制效果在[H2O2]/[O3]=0.5時達到最佳。由于本工程原水溴離子較高，為抑制溴酸鹽的生成，確保供水水質安全，預留雙氧水投加措施，采取投加“臭氧(少量)+雙氧水”控制溴酸鹽產生的技術措施[3-4]。整個工藝流程如圖1所示。

圖1 主要工藝流程框圖Fig.1 Schematic Diagram of Water Treatment Process

2.4 平面布置及分組總體方案

常規(guī)處理為2條生產線：第一條生產線為現(xiàn)狀5萬m3/d常規(guī)處理；第二條生產線為新增10萬m3/d常規(guī)處理。為減少新建構建筑的數(shù)量，利于平面流程布置，方便凈水廠運行維護，深度處理采用1條15萬m3/d的生產線。臭氧接觸池分為2組，活性炭翻板濾池采用6格，均可獨立運行。平面布置如圖2所示。

圖2 平面布置簡圖Fig.2 Schematic Layout

2.5 主要凈水處理構筑物及設計參數(shù)

(1)預臭氧接觸池及配水井(15萬m3/d)：接觸時間為5.0 min，臭氧投加量為0.5～1.5 mg/L，分2條渠道運行，預留前加氯投加點，并通過配水堰使原水均勻分配到后續(xù)處理構筑物。

(2)機械混合、折板絮凝及平流沉淀池(10萬m3/d)：按低溫低濁水設計，機械混合池停留時間為30 s；折板絮凝池停留時間為25.6 min；平流沉淀池停留時間為2.77 h。機械混合池共4格，單格設置1臺立式機械攪拌器，攪拌功率為7.5 kW。豎向折板絮凝池分3段，第1段為相對折板，υ峰=0.29 m/s，υ谷=0.10 m/s；第2段為平行折板，υ峰=0.234 m/s，υ谷=0.175 m/s；第3段為直板，υ=0.099 m/s。平流沉淀池一共4格，單格有效尺寸為9.225 m×95 m，水平流速為9.4 mm/s，有效水深為3.4 m，池深為4.00 m。

(3)氣水反沖洗濾池(10萬m3/d)：分6格運行，單格有效尺寸為8.7 m×14.55 m，過濾面積為101.5 m2，設計濾速為7.18 m/h，強制濾速為8.62 m/h。濾池濾料為石英砂均質濾料，粒徑為0.9～1.25 mm，K80<1.40，濾層厚度為1.40 m。下部礫石承托層粒徑為2～4 mm，厚度為0.05 m。濾層上最大水深為1.25 m，設計最大過濾水頭為2.5 m，每格濾池配水配氣系統(tǒng)采用長柄濾頭，在濾板上均勻布置，濾板下部空間凈高為0.90 m。沖洗采用氣水反沖洗，沖洗歷時：氣沖1.5 min，氣水同時沖洗4 min，單獨水沖6.5 min，總歷時12 min。氣沖強度為15 L/(s·m2)，氣水同時沖洗時水沖強度為3 L/(s·m2)，單獨水沖洗強度為6 L/(s·m2)，表面掃洗強度為2.2 L/(s·m2)。

(4)提升泵房(15萬m3/d)：安裝軸流泵4臺，3用1備，設備參數(shù)Q=2 099～2 510 m3/h，H=7～3.9 m，全變頻。

(5)后臭氧接觸池(15萬m3/d)：設1座后臭氧接觸池，分2格，總平面尺寸為25.5 m×15.2 m，池深為7.15 m。有效接觸時間為10 min，分為三級串聯(lián)，每級分為接觸及反應2段。三級接觸反應時間分別為2.5、3.5、4.0 min(不計連通渠)。三段臭氧投加量依次為50%、30%、20%。臭氧投加量為1～2 mg/L，預留雙氧水投加點。

(6)翻板活性炭濾池(15萬m3/d)：1座，分6格，單格過濾面積為112.5 m2，單排布置。設計濾速為9.26 m/h，空床接觸時間為12.9 min。濾料采用壓塊破碎活性炭，濾料為8×30目，碘吸附值>950 mg/g，亞甲蘭吸附值>180 mg/g，濾層厚度為2.0 m。為減少微生物穿透的可能，減少截留的微生物及有機物進入清水池的幾率，活性炭濾料下增設500 mm厚砂濾層。采用氣水反沖洗，沖洗過程：單獨氣沖→氣水聯(lián)合沖→單獨水沖，重復2次，氣沖2 min，氣水同時沖洗3～4 min，單獨水沖1～2 min。氣沖強度為15～16 L/(s·m2)，氣水同時沖洗時水沖強度為3～4 L/(s·m2)，單獨水沖洗強度為15～16 L/(s·m2)。

(7)清水池：設2座，有效水深為3.4 m，總有效調節(jié)容積為16 000 m3，與現(xiàn)狀6 400 m3清水池一起，總調節(jié)比例約15%。

(8)送水泵房(15萬m3/d)：新建送水泵房安裝4臺水泵，水泵特性參數(shù)：Q=2 350 m3/h，H=52 m；現(xiàn)狀送水泵房拆除現(xiàn)狀水泵后重新安裝2臺水泵，水泵特性參數(shù)：Q=1 650 m3/h，H=52 m。

3 設計總結

3.1 新老系統(tǒng)銜接

(1)由于該自來水廠為縣城唯一的水廠，若二期工程的實施造成縣城長時間停水，則會帶來極大的社會穩(wěn)定風險。因此，設計時應盡量保留一期生產設施，并考慮合適的施工時序和措施，建設時盡量不影響現(xiàn)狀水廠的生產，并盡可能在最短時間內實現(xiàn)管道的連接和系統(tǒng)的切換，主要措施如下。

①二期新建中控及化驗中心用地原是一期現(xiàn)狀加氯加藥間，故二期新建加氯間、綜合加藥間均先行建設，先于廠區(qū)其他構建筑物進行設備安裝及調試，具備運行條件后再對一期現(xiàn)狀加氯加藥間進行拆除，并實施二期中控及化驗中心建設。

②在二期工程實施的過程中，需對現(xiàn)狀強弱電纜等先行改遷，并對現(xiàn)狀生產管線進行保護。

③只有待二期工程具備通水運行條件后，才能實施現(xiàn)狀一期常規(guī)處理設施進水總管改造，并對現(xiàn)狀一期常規(guī)處理設施和送水泵房的設備進行更換。

(2)由于兩期工程常規(guī)處理部分規(guī)模不同，故二期工程與一期現(xiàn)狀工程在構筑物分組上需合理銜接，并維持運行的相對獨立，主要措施如下。

①二期新建預臭氧接觸池1座，規(guī)模為15萬m3/d，一期工程現(xiàn)狀DN800原水管和二期工程新建DN1200原水管均進入預臭氧接觸池進水井。預臭氧接觸池的出水需根據(jù)常規(guī)處理2條生產線的不同規(guī)模(分別為5萬m3/d和10萬m3/d)，設置不同長度的配水堰進行合理的配水。

②深度處理為1條生產線，處理規(guī)模為15萬m3/d，包括提升泵房、后臭氧接觸池和活性炭濾池。一期氣水反沖洗濾池DN1000的出水管和二期氣水反沖洗濾池DN1400的出水管均進入提升泵房進水井，通過提升后再進入深度處理設施?；钚蕴繛V池DN1600出水總管通過3根支管接入后面3座容積不同的清水池，進入清水池的支管均設置閥門。

③3座清水池的出水管通過總管連通，分別進入新建送水泵房(10萬m3/d)與現(xiàn)狀送水泵房(5萬m3/d)前的吸水井，將2座吸水井連通。2座送水泵房后的出水壓力管連通，通過現(xiàn)狀DN800清水管和新建DN1200清水管接入市政給水管網。

(3)二期工程與一期現(xiàn)狀工程在水力流程上需合理銜接，主要措施如下。

①二期工程常規(guī)處理氣水反沖洗濾池出水堰標高、新建清水池標高和調節(jié)水深等應與一期現(xiàn)狀工程保持一致。

②在常規(guī)處理水質達標的條件下，常規(guī)處理構筑物在流程上應可全部超越深度處理，直接進入清水池，也可部分超越深度處理，出水混合后進入清水池。

3.2 溢流安全措施

水廠深度處理改造工程應根據(jù)常規(guī)處理出水水質和深度處理建設條件甄別分析，選用適當?shù)南到y(tǒng)設計和安全溢流模式[5]。

本工程深度處理前設置了調節(jié)水池及提升泵房，提升泵房設置了4臺潛水軸流泵，調節(jié)水池的最大調蓄容積不小于單臺水泵5 min的出水量，最大調蓄水深為2.7 m。為盡量減少水位變化幅度，維持高水位運行，4臺軸流泵全部配置變頻器。在提升泵房突然斷電的異常情況下，氣水反沖洗濾池的出水仍然將通過重力作用自流進入提升泵房，導致提升泵房漫水甚至濾池管廊發(fā)生外溢，對廠區(qū)生產帶來很大的影響。因此，本工程考慮在提升泵房調節(jié)水池內設置溢流堰，溢流堰堰頂高于調節(jié)水池最高運行水位30 cm，溢流水通過廠區(qū)排水管道，接入排水池回用。

4 施工情況及運行效果

4.1 施工情況

該項目于2016年8月正式開始施工，2017年12月項目的二期擴建及深度處理部分開始通水試運行，于2018年10月完成一期現(xiàn)狀工程改造，整個項目最終于2018年10月29日竣工驗收。鑒于設計階段的精細化設計和合理的施工組織，在整個項目的施工過程中，現(xiàn)狀一期工程維持正常生產，未對縣城供水造成影響。

4.2 進出水水質數(shù)據(jù)分析及運行效果

從2017年12月二期擴建及深度處理部分開始通水試運行至今，產水量已接近滿負荷，凈水各項指標全面達標，出水渾濁度穩(wěn)定在0.3 NTU以下。2019年1月—2019年6月進出水渾濁度數(shù)據(jù)如圖3所示，為0.081～0.257 NTU，相較于提標前的0.2～0.345 NTU，有較大幅度的提升。

圖3 2019年1月—2019年6月進出水水質數(shù)據(jù)分析Fig.3 Analysis of Influent and Effluent Water Quality during January to June in 2019

根據(jù)2019年的出水在線監(jiān)測結果，其他主要指標：高錳酸鹽指數(shù)為1.5～2 mg/L，氨氮<0.02 mg/L，鐵、錳均小于0.05 mg/L，溴酸鹽<0.002 mg/L。在取水泵站未投加粉末活性炭的情況下，高錳酸鹽指數(shù)相較于提標前的1.72～2.63 mg/L，有較大的提高；在實際未投加H2O2的情況下，出水溴酸鹽<0.002 mg/L。

5 結語

(1)針對原水有機物微污染和冬季低溫低濁的特點，為確保出水渾濁度達到0.3 NTU以下，“預臭氧+強化常規(guī)處理+臭氧生物活性炭過濾深度處理”工藝是處理受污染水源水并保證高質量出水水質的一種有效方法。

(2)針對現(xiàn)有凈水廠的擴建和深度處理提標改造，設計時需特別注意對現(xiàn)有生產設施的保留和保護，并考慮合適的施工時序和措施，建設時盡量不影響現(xiàn)狀水廠的生產，并盡可能在最短的時間內實現(xiàn)管道的連接和系統(tǒng)的切換。

(3)改擴建工程和現(xiàn)有生產設施在工程分組和水力流程上均需合理銜接，并維持運行的相對獨立，需重視深度處理提升的溢流安全措施。