老舊水廠工藝升級改造并實現節能增效的探討

童佳佳，李 綱，侯寶芹，戴趙欽

(杭州蕭山供水有限公司，浙江杭州 311203)

1 水廠概況

某老舊水廠設計規模為15萬m3/d，水廠建廠距今已有34年歷史，生產工藝按照20世紀80年代設計水平建造，主要凈水工藝采用5組網格反應池、平流沉淀池、移動鐘罩虹吸濾池加清水池連體的綜合池方式，清水池在沉淀池、濾池下部。每組綜合池原水進水管裝有管道混合器及加藥管，工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程圖

2 主要問題及分析

該水廠無深度水處理單元，導致水廠生產抗沖擊能力差，當水廠滿負荷運行時，如原水水質平穩，水質能夠得到較好保障，一旦原水水質突變，應對手段則相對薄弱，過程水和出廠水水質容易出現較大波動，且能耗較高。主要原因有以下幾點。

2.1 能耗大、混凝效果差

(1)水廠原采取傳統的管式靜態混合器(圖2)，該工藝管內固定翼片水阻高、水頭損失大(水廠混合器由于設備老化等原因，水頭損失在3.0 m左右)、進水量提升困難，且混凝劑單點投加不夠均勻，混合效果差。

圖2 傳統靜態混合器示意圖

(2)反應區采用20世紀80年代安裝使用的普通鋼制網格柵，由于長期與原水中投加的消毒劑(含次氯酸)進行反應，腐蝕嚴重，影響了聚合氯化鋁的混凝反應效果，所結礬花顆粒較小，不易沉淀，沉淀效果不佳。

2.2 沉淀池“跑礬”現象嚴重，濾池負擔較大

水廠共設有5個平流沉淀池，長為60 m，寬為7 m，單池設計最大進水量為1 250 m3/h，流速為15 mm/s，沉淀時間為1 h。高峰供水期間，單池進水量達到1 600 m3/h，超設計最大流量20%以上，沉淀池流速加快至21 mm/s，沉淀池停留時間縮減至約45 min，沉淀不充分。

(2)水廠沉淀池每組安裝6條集水槽，B×H=650 cm×350 cm，L=4 m，設計最大溢流率為300 m3/(m2·h)。高峰供水期間，沉淀池集水槽溢流率為625 m3/(m2·h)，負荷過高會造成礬花上浮，并隨著水流帶入濾池，增加濾池負荷，縮短濾池反沖洗周期。

2.3 濾后水流量變化大，加氯反饋時間長，水質波動大

水廠采用虹吸鐘罩濾池工藝，由于結構以及運行方式等，濾后水流量波動較大[經觀測，濾后水流量可在7 min內，由滿管最大流量(3 000 m3/h)降至最小空管的(0)]，且未安裝在線流量計，會造成清水池次氯酸鈉二次投加不準確。

水廠二次加氯采用出廠水余氯作為投加控制反饋，投加點與出廠水余氯儀采樣點之間的距離過長，采樣點位于出廠水閥門井(圖3)。監測數據反饋有1.5 h的間隔，容易造成投加操作不精準，出現余氯波動幅度大的現象。

圖3 次氯酸鈉投加點示意圖

3 改造方案

為提升水質，確保優質供水，需對水廠進行升級改造。改造的目標是在確保供水安全及供水量的前提下，提升水質和產水率，同時合理降低運行能耗，實現節能增效[1]。另外，由于水廠位于城區中心位置，廠內空間受限，難以進行大規模大投入的工藝改造。改造設計時，采用節地型、“騰籠換鳥”式分階段實施升級改造[2-3]，在不改變現狀凈水構筑物池體結構的前提下，采用小規模、見效快的改造模式。通過更換可降低水頭損失、提高水質水量的微阻力管道混合器[4]、安裝及更新相關管道閥門、工藝制件、儀表設備等模式[5]，實現了老水廠的升級改造。具體改造方案如下。

3.1 更換管道混合器，減少水頭損失

改造水廠更換傳統的管式靜態混合器，采用微阻力管道混合器(圖4)。該設備取消了管內翼片卡阻，改用雙層管腔分流，擴散管流壓力，旋流混合技術優越，水頭損失??；采用噴射式霧狀加藥，內外腔雙層雙向、周邊均布多層多點噴藥，混合效果好。微阻力混合器同時具備管式混合器的結構簡單、免維修、免維護以及防堵塞等優點，改造前后混合器設計參數變化如表1所示。

圖4 微阻靜態混合器示意圖

表1 混合器設計參數

3.2 更換新型格柵，加強絮凝效果

拆除原普通鋼格柵，更換為新型的渦旋流反應器，并適當增加網格數量以增強絮凝強度。更換后的新型渦旋流反應器其材質為丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)，支撐固定件為SUS304不銹鋼，材質安全，并設有網孔的網格板，網孔至少一側向外延伸以形成錐狀的延伸體，該延伸體具有使水流形成渦流效果的內壁。反應器形成的水流渦旋度大，渦旋效果是傳統的微渦旋效果的5 倍以上。

3.3 更換集水槽，降低負荷，減少“跑礬”

本次改造將拆除原集水槽，更換為新型不銹鋼集水槽，槽體數量及槽體斷面不變，將槽體由4.0 m增加至9.0 m，使溢流率由原先的625 m3/(m2·h)降低至278 m3/(m2·h)。同時，在每根槽下增加防礬花上浮裝置，減少礬花帶出，有效降低濾前水渾濁度，改造前后集水槽設計參數變化如表2所示。

表2 集水槽設計參數

3.4 增加加氯控制反饋在線儀表

改造水廠增加濾后水流量計、余氯儀等在線儀表，具體位置如圖5所示。通過PLC采集實時濾后水流量以及濾后水余氯數據，實現二次加氯隨流量變化自控投加。另外，投加點與測量點的反饋時間間隔大大縮短，由原來的1.5 h縮短至10 min，幫助水廠加藥系統實施精準投加，保證出廠水水質全面優質達標。

圖5 新增在線儀表位置示意圖

4 改造成效

4.1 混合反應效果

混合反應效果提升主要體現在混凝效果充分、反應池形成的礬花大且密實、沉淀后出水及出廠水渾濁度降低、沉淀池末端跑礬現象緩解。

4.1.1 沉淀池出水效果

水廠改造于2021年1月4日全部完成。改造前后1個月內原水渾濁度基本穩定，平均值為50.00 NTU，礬耗平均約為1.9×10-3kg/m3。由于對進水管道混合器及反應區格柵進行更換，藥劑與原水反應更充分，改造后沉淀池末端集水槽側礬花明顯減少，濾池負荷減小。

圖6～圖7為改造前后沉淀池出水渾濁度變化情況，改造前沉淀池出水渾濁度在1.44～4.00 NTU，平均渾濁度為3.11 NTU，改造后沉淀池出水渾濁度明顯下降，為1.68～2.43 NTU，平均為1.99 NTU，相比改造前渾濁度降低了36%，表明改造完成后混凝效果明顯提升，沉淀池末端“跑礬”現象明顯得到緩解。

圖6 改造前沉淀池出水渾濁度

圖7 改造后沉淀池出水渾濁度

4.1.2 出廠水質效果

經工藝改造后，混凝效果提升，濾池負擔減輕，出廠水渾濁度得到有效改善，圖8～圖9為改造前后出廠水渾濁度變化情況。改造前出廠水渾濁度在0.09～0.27 NTU，平均值為0.14 NTU，改造后出廠水渾濁度降低為0.07～0.12 NTU，平均值為0.09 NTU，平均降低了0.05 NTU，基本滿足浙江省現代化水廠出廠水渾濁度不高于0.10 NTU的要求[6]。

圖8 改造前出廠水渾濁度

圖9 改造后出廠水渾濁度

4.2 出廠水余氯有效可控

水廠采用增加濾后水流量計、濁度儀、余氯儀等在線儀表等措施，縮短了次氯酸鈉投加點與測量點的反饋時間間隔，協助水廠加藥系統實施精準投加。通過加強過程水水質監測，保證出廠水水質全面優質達標。

圖10為改造前出廠水余氯變化情況。如圖10所示，改造前缺少過程水監測儀表，余氯反饋時間長，導致出廠水余氯持續上下波動，波動差值高達約0.6 mg/L。圖11為改造后出廠水余氯變化情況，增加濾后水余氯儀，水廠加藥得到有效精準投加，出廠水余氯基本穩定在1.0 mg/L，確保出廠水余氯穩定可控。

圖10 改造前出廠水余氯情況

圖11 改造后出廠水余氯情況

4.3 節能降耗水平提升

(1)電耗

改造水廠主供原水管為某取水口泵站1# DN1400原水管，供水流量為4 800～5 300 m3/h。改造后，水廠進水管壓力由0.07 MPa降低至0.04 MPa，節省水頭損失約為3.0 m。對應取水泵站原水管壓力降低值為0.03～0.04 MPa(表3)，原水從取水口到改造水廠管線總長為13.6 km，可節約12×10-3kW·h/m3。同時，原水管線由于運行壓力降低，管道漏損率大大降低，原水供應更加安全穩定。

表3 改造前后原水管壓變化

(2)藥耗

改造水廠藥耗的降低主要體現在氯耗的降低，改造水廠通過PLC采集實時濾后水流量以及濾后水余氯數據，實現二次加氯隨流量變化自控投加，2021年3月氯耗較2020年同期下降1.12×10-3kg/m3(按10%濃度次氯酸鈉計算)。

另外，由于沉淀池以及管道混合器改造主要目的是降低能耗的同時改善加藥混凝效果，礬耗改造前后無明顯變化，2021年3月以及2020年同期礬耗分別為21.96×10-3kg/m3和21.78×10-3kg/m3(按原液計算)，礬耗無明顯變化。

5 結論與建議

(1)沉淀池更換微阻力混合器、反應池更換渦旋反應器后，混凝效果提升明顯，沉淀水出水平均渾濁度由3.11 NTU降為1.99 NTU，降低了36%；

(2)沉淀池后端更換加長集水槽后，溢流率降低，“跑礬”現象明顯緩解，濾池負擔有效減輕，出廠水渾濁度由0.14 NTU降低為0.09 NTU，基本滿足浙江省現代化水廠渾濁度要求；

(3)出廠水余氯有效可控，通過增加濾后水流量計、余氯儀在線儀表，水廠二次加氯實現自控投加，濾后水余氯反饋快而準，有效協助廠內精準加氯，氯耗較改造前降低1.12×10-3kg/m3，同時出水優質更加穩定；

(4)更換微阻力混合器后，混合器水頭損失下降至0.3 m以下，水廠原水管管壓由0.07 MPa降低為0.04 MPa，節約12×10-3kW·h/m3，原水管線運行安全穩定。

本文著力探究水廠工藝改造對水廠運行效果的影響，通過采用微阻力管道混合器、更換新型格柵以及新型不銹鋼集水槽等工藝改造措施，加強絮凝效果，降低沉淀池出水和出廠水渾濁度，減少“跑礬”現象，增加加藥控制反饋在線儀表，協助水廠加藥系統有效精準投加，在節能降耗的同時保障出廠水優質供水，為同行老舊水廠改造提供建議。