高標準強化常規處理工藝在桂林市某水廠二期工程中的應用

司徒菲，胡新立 ，黃 智，宋子明，王浩然

(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.桂林市自來水有限公司，廣西桂林 541002)

原水水質直接影響水廠處理工藝路線選擇、生產運行效率和供水安全，特別是雙水源水廠，不同水源水質不盡相同，水源切換時會出現原水水質波動，給水廠生產運行帶來極大考驗[1]。桂林某水廠二期工程設計總規模為40萬m3/d，近期規模為20萬m3/d，設計之初，確定以漓江為供水水源，青獅潭及上游水庫作為漓江補充水源，以解決桂林市長期以來只有漓江單一供水水源、枯水季節漓江缺水嚴重以及水污染突發事件隱患等問題。項目設計過程中，由于環保及相關部門要求逐步關閉位于漓江市區段的取水口，全市供水系統布局出現較大調整，最終明確本項目采用漓江和青獅潭水庫雙水源，即兩個水源均可直供水廠。

水廠的處理工藝如何綜合應對漓江短時間高濁以及青獅潭水庫低濁、高藻、微污染隱患等原水狀況，且要有一定的抗沖擊負荷能力，這是本項目需要重點研究和解決的問題。我國目前飲用水源有可能受到的微污染影響主要體現在富營養化引起的藻類污染和有機物污染兩方面，經過行業內長時間的研究和分析發現，預氧化+強化混凝的處理工藝在處理效果上有顯著優勢。本項目經過多方案比選，凈水工藝選擇“預沉池+高效沉淀池+高速濾池”的強化常規處理，同時，廠區預留預處理和深度處理用地，以滿足將來更高品質供水的需求。

1 項目概況

桂林某水廠一期工程已建規模為10萬m3/d，二期工程于2018年完成設計，2020年底竣工投產，運行至今效果良好。二期工程設計總規模為40萬m3/d，近期規模為20萬m3/d，其中，取水工程及水廠內輔助生產構筑物按土建規模為40萬m3/d一次建成。廠區位置如圖1所示。

圖1 廠區位置圖

2 原水水質分析

2.1 漓江水質特性

漓江水質情況具有以下特點：①原水渾濁度受上游植被及山洪影響較大，會出現短時的峰值，渾濁度最高可達3 200.00 NTU，最低只有0.40 NTU，大部分在10.00 NTU以下；②pH值基本為7.34～8.15，稍偏堿性；③TP質量濃度基本小于0.05 mg/L，氨氮質量濃度為0.028～0.172 mg/L，BOD5質量濃度基本小于2.00 mg/L，DO質量濃度為7.20～10.08 mg/L；④平均水溫為20 ℃左右；⑤水中雜草較多，有機污染及重金屬含量較低；⑥平均含沙量為0.020～0.091 kg/m3；⑦藻類數量為十萬級，優勢藻類為綠藻。

從以上水質看，漓江水質總體較好，屬于地表水環境質量標準Ⅱ～Ⅲ類水體，含沙量較少，總體渾濁度偏低，短時間會出現高濁現象。

2.2 青獅潭水庫水質特性

青獅潭水庫水質情況具有以下特點：①大部分渾濁度在5.00 NTU以下；②pH值基本為7.41～8.87，稍偏堿性；③TP質量濃度基本小于0.02 mg/L，TN質量濃度為0.43～0.92 mg/L，CODMn質量濃度為0.90～2.17 mg/L，BOD5質量濃度為0.81～1.21 mg/L，個別指標質量濃度接近3 mg/L，DO質量濃度為8.45～10.30 mg/L；④平均水溫為5～15 ℃；⑤藻類數量達到百萬級，優勢藻類為藍藻。

從以上水質看，青獅潭水庫水質除了TN為Ⅲ類地表水等級范圍、CODMn為Ⅱ類地表水等級范圍，其余指標均屬于Ⅰ類地表水等級范圍，整體水質優于漓江水質，具有低濁、高藻的特點，存在TN污染、有機污染和富營養化風險。

3 工藝思路

3.1 工藝路線選擇

水廠設計出廠水質近期要求達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)和《城市供水水質標準》(CJ/T 206—2005)的要求，出廠水渾濁度在0.50 NTU以下；遠期出廠水質逐步達到《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)和歐美等發達國家的水平，滿足直飲要求。

本項目針對雙水源的水質特性，工藝方案的選擇需要關注以下幾點：漓江原水平時低濁、遇到洪水期時高濁，增加了青獅潭水庫作為水源后，原水不僅存在低濁，而且含藻量增加，同時存在TN和有機污染的風險；水廠工藝選擇應具有一定前瞻性，能適應潛在的污染影響和今后發展的趨勢。

該廠已經運行的一期工程僅以漓江為水源，采用常規水處理工藝(折板反應平流沉淀池+氣水反沖洗濾池+液氯消毒)，各項指標均滿足國家標準，出廠平均渾濁度為0.27 NTU，游離氯質量濃度控制在0.84 mg/L左右。本次二期工程有進一步降低出廠水渾濁度的需求，推薦采用強化常規水處理工藝，通過增加藥劑量、提高混凝沉淀效率、增加濾層厚度、提高濾池反沖強度確保濾料清潔等措施，在除濁的同時增加對氨氮及有機物等污染物的去除。考慮到漓江水質可能出現波動，甚至短時間惡化，為保證水源水質安全，在取水泵站設置應急加藥間，一旦漓江遭受有機物或氨氮污染、藻類暴發、出現臭和味等突發情況，可及時進行應急處理。

微污染原水常用的預處理方法有化學預氧化、生物預處理和粉末活性炭吸附。化學預氧化分為臭氧預氧化、高錳酸鹽預氧化和預氯化等[2]。臭氧和高錳酸鹽都具有極強的氧化能力，在滅藻、除嗅、脫色及提高后續混凝沉淀工藝對微污染有機物、藻類和膠體顆粒物等的去除率方面效果顯著。粉末活性炭對水中腐殖質、異臭、色度、有機氯化物、重金屬、氰化物、農藥等具有較好的去除作用[3-5]。本工程在取水泵站應急加藥間內設置高錳酸鉀和活性炭兩種應急藥劑，同時在廠內預留預臭氧接觸池建設用地。

考慮到漓江水質會出現短期高渾濁度的情況，需在反應沉淀工藝之前設置預沉池。當原水渾濁度大于500.00 NTU時，通過預沉池先行處理；當原水渾濁度低于500.00 NTU時，原水可以超越預沉池直接進入反應沉淀池進行處理。針對渾濁度較低的情況，采用高效沉淀池，利用污泥回流增強沉淀去除效果。考慮出廠水水質要求提高的發展趨勢，在廠內預留了深度處理工藝建設用地，使出廠水水質始終滿足或優于各個階段飲用水衛生標準的要求，且適應今后供水水質進一步提高的需求。

綜上所述，本項目的凈水工藝路線如圖2所示。

圖2 凈水工藝流程

3.2 強化常規處理工藝選擇

為去除原水中藻類，近期預處理工藝考慮采用預加氯，遠期深度處理設施建設后，改用預臭氧工藝。

針對本工程原水水質低濁、含藻的情況，需提高固液分離效率，同時考慮利用一期工程的成熟運行經驗，選擇高效反應沉淀池與折板絮凝平流沉淀池兩種工藝進行技術經濟比較，如表1所示。

表1 高效反應沉淀池與折板絮凝平流沉淀池的技術比較

由表1可知，高效沉淀池由機械攪拌器控制混合和絮凝以及污泥回流等工藝手段，雖然設備相對較多，但實際運行時設備之間可實現連鎖運行，整套系統可以實現完全的自動運行，無需操作人員過多的干預，其靈活性及適應性上要遠遠優于折板絮凝池。高效沉淀池機械攪拌抗沖擊能力強，更適用于水質、水量的變化情況，出水水質穩定可靠，可減少后續砂濾池的負荷。同時，高效反應沉淀池負荷高、占地面積小、土建費用低。

高速濾池采用粗砂濾料，砂粒具有較大的有效粒徑，能使礬花更深地滲入過濾介質中從而增大滯留能力，濾層更深，使截污容量更大；應用多進水槽布水，減少了進水對濾床的沖擊，使其運行穩定，能更好地適應原水水量的變化，出水水質安全、穩定。對高速濾池和常規V型濾池的技術性能、安全可靠性和經濟型等方面進行比較，如表2所示。

表2 高速濾池與V型濾池的技術比較

高效斜管沉淀池+高速濾池工藝較為成熟穩定，根據國內近十幾處采用高效斜管沉淀池+高速濾池工藝組合的應用實例運行反饋數據(如上海臨江自來水廠、上海金海自來水廠、成都六水廠B廠、成都雙流水廠、綿陽水廠及德陽孝感水廠等)，其能較好地適應進水量、水質不穩定的生產情況，完全能滿足高渾濁度原水處理要求。故本項目采用預沉池+高效沉淀池+高速砂濾池的組合。

4 工藝流程

本項目工藝流程如圖3所示。

圖3 廠區工藝流程圖

凈水廠內各工段構(建)筑物根據工藝流程從北向南布置，如圖4所示。

圖4 廠區平面布置圖

5 主要設計參數

該水廠設計總規模為40萬m3/d，取水工程及水廠內輔助生產構筑物土建按40萬m3/d規模一次建成，主要生產構筑物及設備按近期20萬m3/d規模建設。為保證制水、供水安全，分為兩條生產線運行，每條生產線規模為10萬m3/d。

(1)取水頭部

取水頭部按20萬m3/d的規模設計，采用鋼筋混凝土箱形結構，呈菱形布置。

(2)引水管

自流引水管采用2根D1420×14鋼管，單根長為298 m，正常運行管內流速為0.80 m/s，事故或檢修時單管通過70%流量時流速為1.10 m/s。

(3)取水泵房

取水泵房采用半地下式泵房，下圓上方，內徑為24.80 m，外徑為26.00 m，筒體深為14.50 m，上部建筑面積為530.66 m2。按最高日取水量及99%保證率枯水位為控制條件設計。共設4臺泵位，雙排布置。

(4)配電間

配電間設在取水泵房西側，與取水泵房連為一體，包括控制室、高/低壓配電間、儀表間及變頻器間等，其建筑面積為246.06 m2。

(5)應急加藥間

在取水泵站設置應急加藥間，兼顧一、二期工程投藥需求，建筑面積為314.80 m2。一旦漓江遭受有機物或氨氮污染、藻類暴發、出現臭和味等突發情況，可及時投加高錳酸鉀及粉末活性炭進行應急處理。

高錳酸鉀一般投加量為0.1～0.5 mg/L，最大投加量為2.5 mg/L，投加質量分數為4%。每日調制2次藥劑，采用數字計量泵投加，投加點設在泵房吸水井內。

活性炭投加量為15～25 mg/L，比重約為0.4 g/cm3，采用濕式投加，炭漿質量分數為5%～10%，投加點設在泵房吸水井內。

(6)配水井

按遠期規模建1座總配水井，用于切換兩路原水進廠。按近期規模建1座分配水井，用于切換來水進入預沉池或高效反應沉淀池。在總配水井和分配水井之間預留預臭氧接觸池建設用地，并設有超越管路。

(7)預沉池

按近期規模建2座周進周出預沉池，單座內徑為26.00 m，池邊水深為4.80 m，水力停留時間為35 min，上升流速為8.24 m/h。

(8)高效反應沉淀池

按近期規模建1座高效反應沉淀池，分為可獨立運行的4組。前混凝池停留時間為1.9 min，后混凝池停留時間為0.6 min，絮凝池停留時間為20.2 min，沉淀池斜管區上升流速為12.85 m/h，斜管斜長為1.4 m，直徑為50 mm。

混凝劑選用液體PAC，前混凝投加點在前混合池進水口，最大投加量為14.00 mg/L(以純Al2O3計，下同)，平均投加量為2.50 mg/L；后混凝投加點在后混合池進水口，最大投加量為0.50 mg/L，平均投加量為0.20 mg/L。助凝劑選用PAM，投加點在絮凝區中部，最大投加量為0.30 mg/L，平均投加量為0.08 mg/L。近期預氧化采用前加氯，投加點在分配水井內，最大投氯量為1.50 mg/L。遠期實施預臭氧氧化時，取消前加氯。

(9)高速濾池、反沖泵房及鼓風機房

為節省占地和投資，反沖洗泵房、鼓風機房、電氣間和高速濾池按近期規模合建1座。高速濾池分為8格，單格有效過濾面積為93.42 m2，濾料有效粒徑為1.35 mm，濾床厚度為2.0 m，承托層厚度為0.1 m，承托層粒徑為5.00～7.00 mm。過濾時濾床上部水深為1.2 m，平均濾速為11.70 m/h，1格濾池反沖洗時強制濾速為13.40 m/h。反沖洗周期為24 h，氣反沖洗強度為60 m3/(m2·h)，時間為1 min；氣水聯合反沖洗水強度為20 m3/(m2·h)，時間為8 min；單獨水沖洗強度為60 m3/(m2·h)，時間為7 min。采用液氯消毒，濾后加氯點在濾池出水總管上，最大投氯量為3.00 mg/L。

反沖洗泵房按一次最多可沖洗1格濾池運行。

(10)清水池

清水池按遠期規模一次建成，共4座，近、遠期調節比例為40.6%、20.3%。

(11)吸水井及送水泵房

吸水井及送水泵房土建按遠期規模一次建成，泵房按水泵自灌啟動設計，共設6臺泵位，近期安裝4臺水泵(1大2中1小)，預留2臺泵位，所有泵均采用變頻調速。在吸水井設有補氯點，設計補氯量為0.50 mg/L。

(12)回收水池

按遠期規模建1座廢水回收水池和1座上清液回收水池，分別收集濾池反沖洗廢水、初濾水和濃縮池上清液，反沖廢水儲存容積按最多連續沖洗4格考慮。池內設回收水泵，將廢水回流至總配水井內。

(13)污泥濃縮池

污泥濃縮池按近期規模建成2座，單座直徑為22.00 m，池邊水深為4.20 m。固體通量為0.54 kg干固體/(m2·h)，液面負荷為0.03 m3/(m2·h)。

(14)污泥脫水車間

污泥脫水車間土建按遠期規模一次建成1座，出泥含水率為80%。共設置4臺機位，近期采用3臺離心機，預留1臺機位。近期原水渾濁度正常時，運行1臺；原水渾濁度較高時，運行2臺；一期工程污泥運行1臺。

6 運行情況

水廠正式投產一年以來(2020年11月—2021年10月)，出廠水平均渾濁度維持在0.15 NTU以下，低于一期工程出廠水渾濁度。菌落總數、耐熱大腸菌群、總大腸菌群合格率均為100%，整體水質優于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)標準。

由于進廠水渾濁度尚未遇到高于500.00 NTU的情況，預沉池在調試后未持續運行。為避免高效沉淀池內斜管長藻，預氧化系統一直投入使用。

一、二期工程的主要能耗對比如表3所示。

表3 兩期工程能耗對比

青獅潭水庫原水管尚在建設中，二期工程投產一年期間處理的原水與一期工程一樣，均為漓江水，平均藥耗有所增加，平均電耗相當。

7 結論

(1)該工程為漓江和青獅潭水庫雙水源，采用“預沉池+高效沉淀池+高速濾池”的強化常規處理工藝，能夠適應低濁、高濁、高藻多種原水水質特性，并且具有一定的抗沖擊負荷能力和抗微污染風險能力。運行一年以來，出廠渾濁度控制在0.15 NTU以下，各項衛生指標合格率為100%。

(2)廠區平面布置中預留預處理、深度處理用地和管道接駁口控制閥門，將來對供水水質提出更高要求時，可在不影響正常生產的情況下，增加預處理和深度處理流程。

(3)考慮到桂林市內其他現有水廠內清水池調節容量偏小，且均無擴建可能，為提高整個市區供水安全性，清水池調節容積設計相應增大，并一次建成，近、遠期調節比例分別為40.6%、20.3%。