魏村水廠深度處理及利舊改造工程實例

閆東晗

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

常州市地處江蘇省南部、太湖平原西北部、長江三角洲平原中部，屬“長三角”沿海經濟發達地區，城市以先進制造業和文化旅游業為重要特色。為滿足常州地區未來的供水需要，于2001年開始建設常州地區供水一期工程，包括新建長江取水口和取水泵站、魏村水廠等。2005年后，又相繼開展魏村水廠續建工程以及禮河水廠等的建設。上述工程均采用絮凝-沉淀-砂濾-消毒的常規水處理工藝，它們的建成投產基本解決了“十一五”期間常州地區自來水的供需矛盾。

《江蘇省城市自來水關鍵水質指標控制標準》(DB 32/T 3701—2019)于2020年3月1日起實施，其中內控標準規定指標為23項，19項嚴于國標，包含附錄項目3項。隨著人民生活水平的提高，對城市供水的關注點從水量、水壓的關注，逐步轉向于水質安全保障和常態化、穩定的處理工藝。常州周邊以長江作為飲用水水源的城市均實施了水廠深度處理工程，相關研究數據表明，深度處理工程對提高供水水質和安全保障有積極作用，采用臭氧-生物活性炭處理工藝較常規水處理工藝能夠有效改善出廠水水質，具有較大的推廣應用價值[1-2]。為提升城市供水水質和服務，改善居民生活水平，實現從“合格水”向“優質水”的跨越，常州通用水司相繼推進了常州第一水廠和魏村水廠深度處理改造工程的實施[3]。本文以魏村水廠為例，對魏村水廠的深度處理及利舊改造進行分析，以期為相似改造工程提供參考。

1 工程概況

魏村水廠總規模為70萬m3/d，位于江蘇省常州市新北區的魏村地塊，占地面積為1.074×105m2。取水水源為長江魏村飲用水水源地，取水口位于新德勝河上游200 m處的夾江，取水點伸入長江500 m，采用3×DN2200自流鋼管，其樁架式頭部便于今后往江心延伸，平面布置如圖1所示。現狀水廠內有兩組流程，其中，一期工程規模為30萬m3/d，于2001年實施，采用機械絮凝平流沉淀和V型濾池的常規工藝；2009年實施的二期工程規模為40萬m3/d，采用法國OTV公司的Multiflo絮凝高速沉淀+TGV濾池工藝[4]。出水水質全年合格，處于國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)各項水質指標要求的限值以內。對2011年—2015年出廠水水質檢測數據分析，其中渾濁度的平均值為0.12 NTU，最高值為0.30 NTU，最低值為0.06 NTU，平均去除率可達到99.8%。但受制于常規處理工藝的去除特點，出水水質中感官性狀和有機物等指標還有待提高，如出廠水高錳酸鹽指數最高質量濃度為2.00 mg/L。

圖1 魏村水廠原平面布置Fig.1 Layout of Weicun WTP before Reconstruction

鑒于長江原水存在富營養化風險及突發污染威脅，為落實《江蘇省政府辦公廳關于加強城市基礎設施建設的實施意見》，本工程考慮在不新征地原則下確保現有水廠規模不減少。對現有凈水構建筑物進行改造后，充分“挖潛”，并通過增設深度處理工藝提高供水保證度，從而使出水水質達到更高的公司內控指標要求，如高錳酸鹽指數質量濃度不大于1.5 mg/L，甲醛質量濃度不大于0.5 mg/L，氨氮質量濃度不大于0.5 mg/L。

2 存在的問題

經過充分的現場調研，水廠現狀常規處理工藝在運行過程中存在問題包括如下幾點。

(1)取水點上下游存在水質突發污染風險。長江在魏村水廠取水口上下游發生過多起水質污染的突發性危機事件，如2012年長江鎮江段苯酚污染事件、2013年食用油儲罐坍塌事故等。該類突發水質污染事件具有高濃度污染、高危害性、高突發性的特征，對魏村水廠的正常生產構成潛在威脅。

(2)受工業排放影響，原水可能存在有機微污染物。受上游工業排放影響，原水可能存在各類低濃度工業排放污染物,雖然這些物質排放規律性不強、排江后已被快速稀釋，并未造成原水相關水質指標不達標，但依然是水廠供水水質安全的隱患。

(3)現有設備管理維護工作量較大，影響生產效益。例如，一期機械絮凝雖然效果尚好，但絮凝區共有64臺攪拌機，設備維護和檢修頻繁，常因攪拌機故障導致整條生產線停產，生產效益不佳。

3 升級改造工程方案

3.1 原水水質總體分析

魏村水廠取水點處的長江原水水質較好，基本符合《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準，部分指標優于Ⅱ類標準。原水渾濁度在洪峰期可上升至600.00 NTU以上，但日檢數據統計平均渾濁度僅為55.00 NTU；氨氮的平均值不高，TN質量濃度偏高(1.31～3.23 mg/L)，說明原水存在一定的富營養化風險；溴離子質量濃度低，均低于0.025 mg/L；鐵離子質量濃度較高，最高達3.40 mg/L；高錳酸鹽指數質量濃度為1.20～3.90 mg/L。依據《生活飲用水水源水質標準》，魏村水廠原水評判為二級水源水，水質受輕度污染，具體如表1所示。

表1 魏村水廠原水水質指標Tab.1 Raw Water Quality of Weicun WTP

因此，在確定凈水工藝時應以某些超標物質的去除和控制水體富營養化風險為重點目標，并應考慮應對將來長江原水突發污染的不利情況。同時，針對廠內現狀運行存在的問題予以有效改善。

3.2 深度處理工藝選擇

對于凈水深度處理工藝，國內主要常用超濾膜、活性炭、臭氧-生物活性炭等。其中，臭氧-生物活性炭是目前應用最為廣泛的深度處理工藝，運行穩定，管理運行方面也積累了大量豐富的經驗。從現有原水水質和相似水廠的運行經驗來看，臭氧-生物活性炭工藝能有效應對氨氮季節性超標，也可較為經濟地降低水中有機物含量，對出水水質保障的可靠性較高。常州的原水水質中溴酸鹽和溴離子的含量均較低，臭氧-生物活性炭凈水工藝具有很強的技術和經濟優勢。另外，為應對長江魏村段原水可能發生的突發性污染事件，增設臭氧-生物活性炭工藝也可大大增加去除效果，增加水質安全。因此，本次改造工程推薦采用臭氧-生物活性炭深度處理工藝，如圖2所示。

圖2 魏村水廠工藝流程Fig.2 Process Flow of Weicun WTP

3.3 水廠平面布置方案

常州魏村水廠現有常規處理工藝先進、布局合理、經濟實用，且使用年限不足12年，深度處理改造平面布置以不影響現有生產系統、充分利用現有設施、兼顧節約工程投資為原則。水廠現狀廠區場地較為平整，標高基本在3.500 m(1956年黃海高程系)左右。可用于改造工程建設的地塊主要為平流沉淀池以西、V型濾池南北兩側和二級泵房以東空地，也可拆除現有綜合樓以置換建設用地，如圖3所示，提出以下3個水廠總平面布置方案作比選，3種方案比較如表2所示。

圖3 魏村水廠總平面布置Fig.3 General Layout Scheme of Weicun WTP

表2 平面布置方案比較Tab.2 Comparison of General Layout Plans

布置一：拆除現有綜合樓置換建設用地。二級泵房以東空地新建后臭氧接觸池-生物活性炭濾池、綜合樓，V型濾池北側空地新建中間提升泵房和反沖洗泵房，機械絮凝池北側空地新建臭氧制備車間和液氧站。

布置二：拆除現有綜合樓置換建設用地。二級泵房以東空地新建活性炭濾池、反沖洗泵房和鼓風機房、綜合樓、門衛，V型濾池北側空地新建中間提升泵房和后臭氧接觸池，V型濾池南側空地新建臭氧制備車間和液氧站。

布置三：拆除現有綜合樓置換建設用地。二級泵房以東空地新建活性炭濾池、綜合樓，V型濾池北側空地新建中間提升泵房和后臭氧接觸池，V型濾池南側空地新建反沖洗泵房，機械絮凝池北側空地新建臭氧制備車間和液氧站。

本工程推薦采用平面布置二，雖然進廠大門和門衛需改建，但構筑物布局緊湊、用電負荷集中，且基本按照流程布置。出廠管線無需改排，建設過程中能夠保證一期、二期生產運行受到影響較小。

4 主要構筑物設計

4.1 預臭氧氧化設計

由于場地受限，本次新設預臭氧工藝采用管道式投加方式，接觸時間為3.00 min，最大投加量為0.5 mg/L，采用流量比例投加控制方式。水廠進廠DN1600總管上設置2處管道混合器，采用不銹鋼材質(標號316 L)，上設臭氧投加管。為避免臭氧的強氧化性對現有管道的影響，經分析，對現有生產管線(投加點后至配水井)內壁增加食品級氟碳涂料涂層，安全可靠。

4.2 中間提升泵房和后臭氧接觸池

由于現有流程，本次增設深度處理流程需進行一次提升。結合用地條件限制，中間提升泵房和后臭氧接觸池進行合建，總體設計規模為70萬m3/d。中間提升泵采用潛水泵型式，設有8臺(6用2備)，單泵流量為5 104 m3/h，揚程為10 m，均設置變頻調速裝置，可靈活應對生產能力的變化。后臭氧接觸池可分為獨立運行的2組，每組2格，為提高臭氧的溶解和氧化效率，設置為三段接觸室串聯多點投加的方式。后臭氧的接觸時間共計7.89 min，設計投加量為0.5～1.0 mg/L。

提升泵房吸水井溢流接至清水池，利用溢流完成超越，實現深度處理和超越運行的自分配，這一巧妙設計使水廠運行工況多樣化，有利于降低水耗和生產成本。

4.3 活性炭濾池

活性炭濾池的池型選擇直接影響著處理效果、穩定性。其中，翻板濾池在反沖洗系統、排水系統與濾料選擇方面雖然有新的技術性突破，但存在著工程投資較大、沖洗水耗大、污染物排放不徹底的問題。反之，普通快濾池具有出水水質好、運行周期長、沖洗效果好且水量低、自動化程度高等優點，已在國內絕大部分新建水廠中得以采用。且生產實踐表明，普通快濾池適用于常州地區的地表水水廠。綜合多方面的技術、經濟因素，本工程推薦選用普通快濾池。

本工程設活性炭濾池1座，共16格，雙排布置，設計規模為70萬m3/d。單格濾池過濾面積為140 m2，設計濾速為13.7 m/h，炭床吸附停留時間為10.10 min。活性炭層厚度為2.30 m，濾料選用15柱狀炭，下層采用粗砂承托層，厚度為0.30 m，顆粒粒徑為2～4 mm。反沖洗單氣沖強度為55 m3/(m2·h)，單水沖強度為25 m3/(m2·h)。參數滿足相關設計和運行規范的要求。

由于單座活性炭濾池規模大、格數多，單側進水總渠超過80.0 m。受場地條件限制，活性炭濾池進水總渠寬度僅能做到1.8 m。若從進水渠道一端進水，渠道起始端流速將達到0.85 m/s，難以保證多格濾池均勻進水，這使靠近進水端的濾格負荷增大，而尾端的濾格負荷低于設計值。基于上述問題，本工程設計了單側總渠4點進水，使整條總渠內流速降低至0.50 m/s以下，確保多格濾池進水的均勻性，同時也減少了總渠內水力比降。經過實踐證明，該設計方法有效改善了大尺寸濾池進水不均勻的問題。

4.4 反沖洗泵房和鼓風機房

反沖洗泵房和鼓風機房是炭濾池反沖洗中水沖和氣沖的重要設施，本次工程將兩者合建，并下疊反沖洗吸水井。反沖洗水泵采用潛水泵型式，設4臺(3用1備)，單泵流量為1 167 m3/h，揚程為12.0 m，均設置變頻調速裝置。鼓風機設備設3套(2用1備)，單機流量為3 850 m3/h，揚程為4.5 m。上述設備參數均符合炭濾池反沖洗強度的要求。

4.5 臭氧制備車間和氧氣站

臭氧制備車間布置3套管式臭氧發生系統，單套臭氧發生能力為15.3 kg O3/h(臭氧質量分數為10%)。氧氣站距離臭氧制備車間為12 m，滿足消防距離要求。采用氧氣供貨商租賃設備的形式，儲罐體積為30 m3，周邊不允許采用瀝青路面。

4.6 機械絮凝改造

為配合預臭氧投加，配水和機械絮凝區池體接高為0.6 m(圖4)。配水渠內增設跌水堰，頂部設人孔、安全閥、尾氣吸收管吸收預臭氧殘留的尾氣；絮凝區拆除現有內部隔墻，重筑隔墻和配水花墻，新增折板、排泥管，由機械絮凝改造為折板絮凝，分3段，第一絮凝區停留時間為6.20 min，第二絮凝區停留時間為5.71 min，第三絮凝區停留時間為7.75 min，絮凝區總停留時間為19.66 min。

注：標高單位為m；尺寸單位為mm圖4 配水和機械絮凝區改造示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Reconstruction of Water Distribution and Mechanical Flocculation Zone

5 改造后處理效果

目前，魏村水廠深度處理系統已正式投產，并網運行以來出水水質穩定，統計2019年1月—2021年12月的水質檢測數據，出廠水甲醛質量濃度<0.05 mg/L，氨氮質量濃度<0.02 mg/L。且過程水的監測數據表明(圖5)，砂濾后高錳酸鹽指數最高質量濃度為2.00 mg/L、最低質量濃度為0.83 mg/L、平均質量濃度為1.25 mg/L；炭濾后高錳酸鹽指數最高質量濃度為1.60 mg/L、最低質量濃度為0.59 mg/L、平均質量濃度為1.04 mg/L；出廠水高錳酸鹽指數最高質量濃度為1.40 mg/L、最低質量濃度為0.64 mg/L、平均質量濃度為1.03 mg/L。可見，深度處理改造后有機物去除效果明顯提高，達到預期的工程目標。

圖5 高錳酸鹽指數監測數據Fig.5 Monitoring Data of Permanganate Index

魏村水廠深度處理改造工程費用約為2.7億元，噸水投資為386元，低于同地區同類型水廠改造噸水投資的平均水平(約為500元)，具有較好的經濟性。

6 結論

在水廠提質改造實施過程中，由于很多水廠無新征用地條件，只能利用現有場地進行深度處理改造工程建設，且為了減少對周邊供水的影響，保產能的同時增加了改造難度。本次深度處理改造工程實例中，選擇管道式投加預臭氧以節省預處理工藝用地、通過遷建管理用房釋放建設場地并納入新建深度處理設施重新規劃布局廠區、針對微污染長江原水合理選擇臭氧-生物活性炭工藝方案、對單座大規模濾池均勻進水給出設計建議等，實現了水廠深度處理改造的同時不征地、不降產，可為類似的水廠升級改造工程提供設計參考。