微污染原水水廠擴建工程——以禹城第二水廠為例

張云海，韓慶祥，奚影影，張家銘

(山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南 250101)

隨著社會的發展和人口數量的增加，我國各個地區呈現供水不足和對水質要求更高的現象；隨著環境污染越來越嚴重，原水水質不斷惡化；供水設施老化，水資源浪費嚴重。因此，一些地區開始對原來的水廠進行擴建改良。截至目前，全國水廠擴建改良項目占水廠總量的29%。2020年，水廠建設所在地南方多于北方，以上海、浙江、廣東居多，總建設金額集中在2億～10億元。

禹城第二水廠與江蘇某縣城水廠存在相同問題：(1)原水水質存在不達標問題，地下水鐵含量為0.42 mg/L、錳含量為0.11 mg/L，嚴重超標；(2)供水不足：(3)水處理工藝有短板。本設計與江蘇某縣城水廠二期工程均采用“臭氧預處理+常規處理+深度處理”工藝，可使水質達到國家規定指標[1]。

禹城位于山東省德州市境內，近年來用水量不斷增大。根據《禹城市城市總體規劃(2018—2035)》，到2022年城區人口為27萬人，農村人口為28萬人。2020年城鄉居民生活用水量為5.8萬m3/d。目前，根據第二水廠的現有條件，改擴建后的供水規模可達6.0 萬m3/d。本文介紹了第二水廠擴建的工藝流程，并設計了凈水處理與排泥水處理相關的設備配置方案。

1 概況

禹城第二水廠的設計供水量為3.0萬m3/d，于2012年建設完工并投入使用。隨著城鎮面積的擴大和人口的增長，生產和生活用水量與年俱增，第二水廠趨于滿負荷運行，供水形勢嚴峻。為保障城市用水安全，預防突發事件發生，急需擴大地表水供水規模。

目前，根據第二水廠現有的條件，改建后的供水規模達6.0萬m3/d，采用“臭氧預處理+常規處理+深度處理”工藝[1]。在滿足禹城城鄉居民生活飲用水的同時，還可向高新工業區供水，供水量達3.0萬m3/d。

2 水源水水質分析

2.1 水庫水水質分析

如意湖水庫主要水源為黃河水。根據引黃供水工程的現狀和水庫所處區域的環境條件、設計要求，對引黃工程沿線和水庫周圍區域進行了污染情況調查。因水庫為平原水庫，水庫上游以農業種植為主，經實地考察和向有關部門了解，引黃干渠沿線及水庫周圍無生活污水、農田灌溉回水和工業廢水進入。水庫水水質如表1所示。

表1 原水水質Tab.1 Raw Water Quality

2.2 地下水水質分析

根據山東省水環境監測中心德州中心對淺井的水質檢測報告及國家城市供水(排水)監測網濟南監測站對深井的水質檢測報告，分析進水水質基本上能滿足地下水為生活飲用水水源時GB/T 4848—2017的要求，地下水水質如表2所示。

表2 地下水原水水質Tab.2 Raw Ground Water Quality

2.3 存在問題

河流水污染嚴重，各河流水質達到灌溉飲用水標準的極少，主要污染物來源于工業廢水、生活污水以及人畜糞便、垃圾、農田噴藥施肥等。地下水普遍存在總硬度、溶解性總固體等指標較高現象，且長期開采地下水會導致一系列生態環境問題，尤其是地面沉降速率加快、地下水水質惡化、地下水水位下降過快等問題十分突出。

3 工藝思路及流程

首先，針對水源水水質具體問題，采用臭氧預處理后進入沉淀池。因水源水部分來自水庫水，水源水在不同季節水質不穩定。高效反應沉淀池對水源水水質的適應能力強。之后，設置后臭氧接觸池和上向流活性炭濾池，也是為了進一步去除水中鐵、錳和有機物、農藥、藻類、氨氮等。由于不同時段水質不同，設置超越管線使原水可直接進入濾池。濾池部分綜合考慮投資，充分利用原有V型濾池的設施，增加超濾裝置，流向濾池的水量平均分配到砂濾池和超濾池。

禹城第二水廠改擴建工程采用的工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow Chart

4 設計要點

4.1 預處理

本設計采用臭氧預處理。臭氧的氧化能力較強，可以更好地進行殺菌消毒；可以減小水的臭味和色度；可以降解水中的高分子有機物，對絮凝作用有一定的改善效果，提高水質；可以將難生物降解的有機物轉化為易生物降解的小分子有機物；可以將酚類、氰化物等有害物質轉化為無害物質。因此，臭氧預處理可以降解水中的難降解有機物，改善絮凝，減小色度和臭味以及鐵、錳。臭氧投量一般為0.2～2.0 mg/L。

4.2 深度處理

目前水污染越來越嚴重，原本的處理技術往往已經達不到國家供水標準，因此，必須在水處理工藝中增加深度處理。本設計深度處理采用臭氧+上流式活性炭吸附、外壓式超濾(部分)[2]。臭氧有很強的氧化性，可以降解大分子有機物，提高可生化性，減少后續的有機負荷[3]。上流式活性炭吸附可以使生物膜有效更新，從而保持較高的傳質效率和生物活性，即使在冬季也能保證較好的運行效果。在設計中充分利用原有V型濾池的設施，3.0萬m3/d活性炭吸附池的出水進入V型砂濾池進行處理。由于場地的受限和新的水質標準即將實施，剩余的3.0萬m3/d出水采用超濾裝置處理。

4.3 水源確定

根據引黃供水工程的現狀和水庫所處區域環境條件、設計要求，對引黃工程沿線和水庫周圍區域進行了污染情況調查。水庫為平原水庫，水庫上游以農業種植為主，經實地考察和向有關部門了解，引黃干渠沿線及水庫周圍無生活污水、農田灌溉回水和工業廢水進入。如意湖水庫水質變化不大，大部分水質能達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水源水水質標準，可以作為飲用水水源。

由于地下水用量有限且存在鐵錳超標問題，而水庫水較充足，本工程采用地下水和水庫水1∶1混合后的摻混水作為水源。地下水和地表水混合后，解決了地下水總硬度、含鐵量、溶解性總固體偏高的問題，摻混水水質符合飲用水衛生標準的要求。

5 主要構建筑物工藝設計

5.1 配水井和預臭氧接觸池

配水井主要功能是調節水量，使出水均勻；預氧化接觸池主要功能是去除異臭、藻類、色素、有機物污染等。結構類型為半地下鋼筋混凝土結構(配水井和預氧化接觸池合建)。建1座分3池，單池尺寸為9.15 m×8.95 m×7.5 m，處理能力為0.24 m3/s，總停留時間t=6 min，臭氧的投加量根據進水水質情況確定。

5.2 高效反應沉淀池

主要是通過投加水處理藥劑，使其與水中的污染物混合、反應，直至水體中的污染物沉淀而被去除[4]。高效反應沉淀池有以下工藝特點：反應區到沉淀區流速變化較低、一體化反應區設計獨特、沉淀區到反應區的污泥循環、投加有機絮凝劑、使用斜管沉淀布置[5]。結構類型為半地下鋼筋混凝土結構，建2座。總池尺寸為38.0 m×19.70 m，單座處理能力為875 m3/h。混合時間為2.0 min，絮凝時間為15.5 min。

5.3 臭氧接觸池

主要功能是將臭氧擴散到水中，使其與水面完全接觸和反應，以去除水中的有機污染物。結構類型為鋼筋混凝土結構，建2座。臭氧平均投加量不大于1.0 mg/L，總接觸時間為10 min。整個后臭氧接觸池是完全封閉的。

5.4 上向流生物活性炭吸附池

活性炭吸附池設計處理規模為6.30萬m3/d，水廠的自用水量按5%計算，選用5組，單格過濾面積為51.10 m2，每組處理水量為525 m3/h[6]。5組濾池采用單排布置。設計濾速為10.30 m/h，強制濾速為12.87 m/h，停留時間為14.5 min，反沖洗周期為3～6 d。

活性炭吸附池反沖洗采用單獨氣反沖洗，反沖洗程序為降低水位—氣沖—初濾水排放—運行。反沖洗氣強度為60 m3/(m2·h)。反沖洗程序可自動控制進行，沖洗時間參數可現場調整，也可手動控制，操作步驟如下。

氣沖：關閉濾池進水閥門，開啟放空閥門降低至濾池反沖洗水位，然后關閉放空閥門，并開啟反沖洗風機和反沖洗氣閥門，沖洗5～6 min。反沖洗完成后關閉反沖洗風機和反沖洗氣閥門。濾池放空水排入管廊放空井，然后排入廠區雨水系統。

初濾水排放：開啟濾池初濾水排放閥門，然后開啟濾池進水閥門，濾池運行并排放初濾水(20～30 min)。濾池初濾水直接排入廠區廢水回收系統[7]。

運行：待濾池出水水質滿足運行要求后，關閉濾池初濾水排放閥門，濾池正常運行。

大流量沖洗：活性炭吸附池每月進行1次定期大流量沖洗。

5.5 外壓超濾膜車間

工藝系統流程為緩沖水池(中間水池)—原水泵—自清洗過濾器—超濾裝置—清水，系統描述如下。

自清洗過濾器：作用是截留過濾水帶來的粒徑大于100 μm的懸浮物和部分細微懸浮物，防止膜組件受到破壞而堵塞，保證之后處理設備的正常運行。

超濾裝置：本工程使用超濾過濾技術，依靠此裝置絕對過濾的能力可保證不受進水水質變化的影響以及出水穩定。

超濾反洗系統：采用超濾產水進行沖洗，由清水池經超濾反洗泵抽出，進行沖洗。

本工程采用外置式外壓超濾膜，數量為8套，每套處理量為3 750 m3/d。原水泵流量Q=460 m3/h，揚程H=25 m，功率N=45 kW，數量為3臺。自清洗過濾器流量Q=170 m3/h，過濾精度為100 μm，數量為8臺。超濾裝置處理量Q=156 m3/h，回收率為95%，設計通量為40 L/(m2·h)，設計溫度為6～10 ℃，數量為8臺。反洗水泵流量Q=440 m3/h，揚程H=25 m，功率N=45 kW，數量為2臺。清洗水箱體積V=10 m3，數量為1臺。清洗水泵流量Q=170 m3/h，揚程H=25 m，功率N=18.5 kW，數量為1臺。

5.6 臭氧制備車間

臭氧制備車間設計規模為6.0萬m3/d。設置3套臭氧發生器，2用1備。每臺臭氧發生器的供氣量為3.0 kg/h。進入臭氧發生器的氧氣應與氮氣混合，因此設置空壓系統以提供空氣。

5.7 氧氣站

在戶外設置氧氣站1座，由水廠提供設備場地，由廠商提供供氧設備并負責設備的日常維護和檢修[8]。

5.8 排泥水濃縮池

主要功能是對來自高效沉淀池的污泥進行儲存和均化，設置攪拌器使污泥濃度均勻，保證脫水機正常運行。設中心傳動懸掛式污泥濃縮機1臺，直徑D=9 m，功率N=0.55 kW。

5.9 污泥脫水車間

污泥脫水機應根據水廠的供水規模、水廠的占地面積、進水的水質、污泥的性質、經濟條件、建設投資及運行成本等因素和實際情況進行合理選型。綜合考慮，本工程采用2臺疊螺式污泥脫水機，1用1備，處理后污泥的含固率約為80%，流量Q=15 m3/h，功率N=4.3 kW。

5.10 廢水池

主要收集上向流活性炭濾池、V型砂濾池和超濾裝置的反洗水，上清液可以回到配水井再利用。建1座，尺寸為13.80 m×19.60 m×4.0 m。采用2臺單級端吸臥式離心泵，1用1備。流量Q=10.0 m3/h，功率N=11 kW，揚程H=20.0 m。

5.11 中和水池

主要功能是收集超濾膜化學清洗后的廢液。建1座，尺寸為10.2 m×4.4 m×4.0 m。采用2臺中和池提升泵(耐腐蝕泵)，1用1備。流量Q=25.0 m3/h，揚程H=11 m，功率N=2.2 kW。

6 改建構筑物

6.1 加氯間改造

加氯間改造主要是更換原有的二氧化氯發生器設備，將原有的供水規模為3.0萬m3/d的二氧化氯發生器改為供水規模為6.0萬m3/d的。設置二氧化氯發生器2臺，1用1備，產氯量Q=5 000 g/h。

6.2 二級泵房改造

二級泵房改造主要是將原二級泵房3臺反沖洗泵改為加壓泵。主要設備為單級雙吸立式離心泵，流量Q=660 m3/h，揚程H=44.0 m，功率N=110 kW，數量為3臺(2用1備)。

7 經濟性分析

7.1 建設投資

禹城第二水廠改擴建及深度處理工程項目概算總投資約6 435.41萬元：工程費用為5 586.15萬元、其他費用為257.10萬元、工程預備費用為292.16萬元、鋪底流動資金為60萬元、建設期利息為240萬元。

7.2 運營成本

本工程完成后供水量為6萬m3/d，建設期為1.5年，生產期為20年，整個計算期為21.5年。外購原材料費，主要包括所需的藥劑費用。根據計算，全年所需藥劑費共計343.05萬元。燃料及動力費包括電費及生活用水，年耗電量約為597萬kW·h，按0.80元/(kW·h)計算，每年的電費共計447.60萬元。可變成本為上述費用之和，共計820.65萬元/年。固定成本平均為752.66萬元/年。根據計算，年平均總成本為1 507.55萬元，運營期內年均單位總成本為1.72元/m3。

7.3 工程效益

7.3.1 經濟效益

項目的財務分析結果表明：本項目實施后，每年可實現銷售收入為2 628萬元，年平均凈利潤為631.47萬元，財務內部收益率(全部投資)為17.69%，大于本行業基準收益率，投資回收期為7.83年(包括建設期)。各項經濟指標符合行業標準，該項目能產生較好的經濟效益。

7.3.2 環境效益

本工程的的環境效益主要包括改善水質和環境、提高居民用水質量、生態效益等。本項目的建設，提高了供水的可靠性和水質的安全性，改善了城鎮的水生態和衛生條件，城市環境得到明顯的優化。

7.3.3 社會效益

城市環境的改善，有利于提高城市的可持續發展空間和產業結構的調整，提高工業化水平，增加該地區勞動就業，促進經濟發展，社會效益顯著。

8 結語

供水不足的問題不僅影響農村，也會影響城鎮；既影響工業，又影響農業，最終將嚴重制約城鎮和農村的發展。

(1)本次擴建利用地下水和水庫水摻混的方式解決了地下水鐵錳含量超標的問題。

(2)利用設置超越管線調節了不同時段原水水質變化的問題。

(3)設計中充分利用原有V型濾池的設施處理3.0萬m3/d出水，剩余3.0萬m3/d出水采用超濾裝置處理，節約了建設成本。

(4)不僅在水量上達到供需要求，更在水質和水壓方面得到提高。生活飲用水水質要求達到《生活飲用水衛生規范》(GB 5749—2006) 106項標準。根據禹城城區現狀與發展規劃，結合《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)，確定管網最不利點水壓為0.28 MPa。