凈水廠工藝改造設計與運行效果分析

陳歡球

(上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，安徽 合肥230088 )

1 項目概況

淮南某水廠始建于1998 年，1999 年1 月一期工程投入運行，設計供水能力為2×104m3/d，2003 年二期工程進行擴建至4×104m3/d，工藝流程見圖1。

圖1 改造前工藝流程FIg.1 Process flow chart before modification

水廠水源采用存在季節(jié)性微污染的瓦埠湖下游東淝河水，除夏季高藻期化學需氧量、氨氮及高錳酸鹽指數略超III 類標準外，全年Ⅱ～Ⅲ類水占比92%。

2 改造技術標準

2.1 水量標準

維持水廠現有的4 ×104m3/d 的供水能力。

2.2 水質目標

出廠水提升至滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求，其中耗氧量＜3 mg/L，濁度達到0.5 NTU。排泥水上清液和干化場滲濾尾水符合《污水綜合排放標準》二級標準，即SS ＜200 mg/L。

2.3 水壓目標

水廠地形、地勢總體較為平緩，供水范圍主要為老城區(qū)和城南新區(qū)。老城區(qū)為古城墻范圍保護區(qū)，建筑層集中在4 層以下，供水壓力不低于24 mH2O;城南新區(qū)供水壓力不低于28 mH2O。

改造后的工藝流程見圖2。

圖2 改造后的工藝流程Fig.2 Process flow chart after reconstruction

3 改造方案設計

3.1 取水泵房改造

水廠主要從位于廠區(qū)西北角2 km 外新建的潛水泵房取水，泵房土建及設備均已按照4 ×104m3/d規(guī)模一次性實施。由于潛水泵的效率較離心泵低，改造中降低新泵房取水規(guī)模至2 ×104m3/d。老泵房內現有2 臺離心泵，流量分別為1 260 和1 500 m3/h，揚程分別為16 和20 m。老泵房一直處于備用狀態(tài)，設備和閥門銹蝕嚴重，故更換2 臺離心泵和管配件，更換后的水泵參數如下:Q，917 m3/h;H，16 m;功率，75 kW;效率，≥86%。

3.2 應急粉末活性炭

由于瓦埠湖接納的地面徑流范圍較廣，農田中農藥、化肥雨季沖刷污染嚴重。為應對水源東淝河水突發(fā)性出現污染物質增高、異臭異味等突發(fā)狀況，在取水頭部老泵房附近新建1 座活性炭投加間，濕式投加，依靠水泵、管道充分混合進行接觸吸附。

采用老泵房現有的管理用房隔間，進行防爆改造設計，室外設1 座6 m3密封活性炭料倉儲存罐，碳鋼材質，壁厚4 mm。料倉上部配吸料器、除塵器、安全閥，其中除塵器、吸料器頂部由高壓氣體定期沖洗上部粉炭，料倉底部設1 臺螺旋喂料機，將粉炭輸送至3 m3的溶解管內，配置濃度為5% (按重量計)。通過軟管泵投加至新老泵房吸水管道，再通過2.1 km 長的管道充分混合，進入機械混合池內。

3.3 混合池改造

現有的新泵房至水廠的原水輸水管為1 根DN800 聚乙烯管道，在進入絮凝池前總管直接分為2 根管道，分別進入一期和二期絮凝池，無任何配水設施，藥劑直接加入絮凝池起端池，無混合時間。

工程在2 座折板絮凝平流池起端的中間位置新建1 座機械絮凝池，將DN800 進水總管改造進機械混合池中間格，通過可調節(jié)堰分配進入中間池兩側的機械混合池，中間水池容積為31.6 m3，調節(jié)堰寬1.6 m，堰上水頭為0.20 m。機械混合攪拌設備采用豎直攪拌軸形式，攪拌軸設2 層間距為1.2 m 的槳板，垂直分布。為防止水流共同運動僅產生漩渦，池壁四周設固定水擋板，槳板與擋板的間距為0.3 m，擋板距離池底0.50 m，距離液面0.50 m，混合時間為45 s，攪拌速度梯度G =55 s-1，體積循環(huán)1.3 次，攪拌均勻度為90%，經機械混合后進入折板絮凝池。機械混合池一方面可以實現一期和二期配水作用，另外一方面可以使PAC 迅速分散，不僅更好地發(fā)揮混合階段的凝聚作用，還可以使加入到水中的混凝劑濃度均勻保持一致，有利于混凝劑水解生成較為均勻的聚合物，提高混凝效果。

3.4 反應沉淀池改造

絮凝沉淀池共計設2 座，單座處理規(guī)模為2 ×104m3/d，均設置單通道異波折板、同波折板、直板三段式。一期折板絮凝寬1.4 m，采用混凝土折板，每段折板的間距相同，無有效的流速遞減趨勢，出水經穿孔配水花墻進入平流沉淀池，二期折板絮凝池寬1.3 m，采用塑料折板，板間流速符合要求。

本次改造均保留一期和二期絮凝池的土建尺寸，更換一期和二期折板為SUS340 不銹鋼折板，折板夾角為90°。一期折板絮凝池第一段單通道異波折板波峰流速為0.27 m/s，波谷流速為0.12 m/s，G=89 s-1，T =6.12 min;第二段采用單通道異波折板，通道間波峰流速為0.25 m/s，波谷流速為0.10 m/s，G=45 s-1，T =7.39 min;第三段采用直板，通道間流速為0.10 m/s，G =16.3 s-1，T =6.34 min。二期折板絮凝池的設計參數與一期一致。

一期折板絮凝池配水花墻前增設一道豎直縫隙式配水墻，目的是均勻配水進配水花墻后的反應沉淀池?？p隙式配水孔洞共21 個，引水面段孔眼尺寸為50 mm，出水面孔眼尺寸為100 mm，進出水孔眼高2.2 m，過孔流速0.10 mm/s。在池底底板側壁開鑿孔洞，增設ABS 排泥管。

將沉淀池段出水槽由鋸齒堰排水槽改造為淹沒圓孔出水集水槽，防止沉淀池表面浮渣直接進入沉淀池后端，增強沉淀池末端出水均勻性，提高沉淀池沉淀效率。同時，更換2 座平流沉淀池內的吸泥機。

3.5 四閥濾池改造

改造前，水廠一期和二期濾池均采用大阻力“豐”字管單獨水沖配水方式，設計濾速為6.5 m/h，強制濾速為7.2 m/h，反沖洗采用水廠內已建高位水箱進行沖洗，反沖洗強度為15 L/(m2·s)，一期濾池設計8 格，雙邊對稱布置。二期濾池格數與一期一致，單格土建尺寸均為4.2 m ×4.2 m。一期濾料厚0.70 m，二期濾料厚0.90 m，反沖洗排水槽均為鋼筋混凝土結構，四閥均為手動閥門。

擬將工程一期和二期四閥濾池改造成翻板濾池配水配氣形式，濾料采用均質濾料，反沖洗采用氣水反沖洗。

3.5.1 進出水管路與閥門改造

一期濾池進水管道緊貼管廊間頂板下沿鋪設，原有的進水長桿蝶閥穿越管廊間樓板進入二層空間。拆除長桿蝶閥并封堵預留孔，更換為DN300 電動蝶閥，將其余清水閥、反沖洗進水閥均更換為電動蝶閥。管廊間內原有DN400 反沖洗水管改造為DN250 反沖洗管道，并在一期濾池兩側池壁距離池底位置開DN150 孔，增加氣管和電動蝶閥。

將二期濾池進水長桿蝶閥更換為電動蝶閥，清水閥手動閥門、反沖洗進水閥、廢水排水閥全部更換為手動蝶閥，并在濾池兩側增加氣管和電動蝶閥。2座濾池均增加就地控制PLC 控制柜。

3.5.2 配水配氣改造

一期、二期濾池底部原配水干管、配水支管均拆除，一期濾池原有800 mm ×400 mm 配水干管布置淺渠，二期濾池池底原有950 mm ×450 mm 淺渠2座濾池渠頂兩側用素混凝土找平加高200 mm，鋪設配水配氣立管定位板。定位板之間采取密封，并在其上安裝垂直布水布氣立管，在一期和二期原有池底布置雙向雙層鋼筋并澆筑200 mm 混凝土，重新找平池底，使定位板和原有渠道形成新的密閉空間配水配氣渠道。

水沖采用現有的高位水箱，保留出水管至濾池管廊間之間的DN400 管道，并在該管道上設1 根DN250 旁通管道，2 根并聯管道上均設手動和電動蝶閥2 個。手動閥門調節(jié)反沖洗強度，單獨水沖時開啟DN400 電動蝶閥，氣水聯合沖洗時開啟旁通管道DN250 閥門，主管閥門關閉。

氣沖洗風機采用2 臺羅茨風機，1 用1 備，風機參數:Q，16.87 m3/min;H，0.05 MPa;P，22 kW;r，1 650 r/min，附帶隔音罩。

氣水反沖洗參數如下:反沖洗開始前停止進水，過濾濾格內水進行降水6 min;氣沖時間為1.5 min，沖洗強度為54 m3/(h·m2);氣水聯合沖洗時間為5 min，氣沖強度和水沖洗強度分別為54 和10. 8 m3/(h·m2);單獨水沖時間為5 min，水沖洗強度為21.6 m3/(h·m2)。

3.5.3 濾料與排水槽改造

移除原一期和二期濾池全部承托層、砂濾濾料，更換為厚400 mm 的新承托層，均質濾料厚度為1 250 mm。拆除原鋼筋混凝土排水槽，改造為不銹鋼排水槽，一期和二期排水槽槽頂標高分別抬高300和350 mm。

為防止配水配氣沖刷均勻粗砂濾料，同時增加布水布氣均勻性并防止濾料流失，濾料底部設置400 mm 承托層，由下至上依次為:厚100 mm，粒徑為6 ～25mm;厚100 mm，粒徑為8 ～16 mm;厚100 mm，粒徑為4 ～8 mm;厚100 mm，粒徑為2 ～4 mm。

濾料參數如下:有效粒徑d10=0.9 ～1.2，不均勻系數K80=1.35，厚度為1 250 mm;均勻系數:Cu＜1.6;真實直接密度:2.4 ＜dr＜2.7;抗藥性:Rc ＜2%;抗磨損度:在1 500 沖程試驗下，重量損失F ＜10%;硅含量大于或等于96%。

改造后，一期和二期布局和單格土建尺寸類似。

3.6 二級泵房改造

二級泵房及配電間土建完好，結構穩(wěn)定，空間足夠改造需要。改造中土建維持原貌，僅同步更換泵房內水泵和水泵基礎。

泵房內現有5 臺水泵，運行2 臺350S44 水泵:Q，1 260 m3/h;H，44 m;P，220 kW。實際運行發(fā)現，出廠水壓力偏高，水泵效率偏低。其余3 臺250S -39II 水泵Q =500 m3/h，H =45 m，N =90 kW，運行揚程偏高。

現有的二級泵房配電間為低壓室，變壓器原為室外桿式變壓器，后經改造成為室外箱式變壓器，在水廠內緊鄰二級泵房布置，供電安全性差。因此，將二級泵房南側的原有加氯間改造作為高壓配電間。

對二級泵房5 臺水泵和管配件均進行改造，改造后Kh=1.4，更換后水泵參數如下:大泵2 臺，Q=1 300 m3/h，H=35 m，P≤220 kW，1 用1 備;小泵3臺，Q=700 m3/h，H=35 m，功率P≤110 kW。

3.7 加氯加藥間改造

水廠原有加氯間及加藥間分建，改造后加氯間采用液氯消毒，加藥間采用固體PAC 投加方式。由于設備老舊，將原有加氯間改程高配間，加藥間改成機修倉庫間，新建1 座加氯加藥間。

改造后采用液體PAC 投加，將30%液體PAC藥液調配至10%濃度后直接投加，最大投加量為20 mg/L。設投加點1 個，考慮當地的藥液運輸條件，設計最大儲存原液量按30 d 計。儲液池和溶液池均為2 個，1 用1 備，其中儲液池為地下式，2 格獨立運行，總有效容積為80 m3，單格土建凈尺寸為4 m×4 m，有效深度為2.65 m，超高0.35 m。

維持現有的液氯消毒，加氯間內設噸級氯瓶4個，5 臺6 kg/h 加氯機互為備用。投加點5 處，最大投加量均為1 mg/L，其中預氧化前加氯1 處、濾前加氯和清水池前加氯各2 處。

附屬設施主要包括1 臺單梁懸掛起重機，最大起重量為2 t，跨度為5 m。地下式事故水池1 座，頂板與室內地坪齊平，土建凈尺寸為2.2 m ×1.5 m，有效深度為1.0 m，超高0.4 m。在氯瓶儲存間四周設漏濾吸收溝至余氯吸收間，余氯吸收裝置通風量為5 000 m3/h，配套吸收塔的直徑為2.8 m，高3.2 m，再生箱尺寸為2.4 m×2.2m，高1.6 m。

3.8 排泥水處理

3.8.1 排泥水處理現狀

由于水廠建設年代較遠，現有的反應沉淀池排入廠區(qū)圓形沉淀池內，經簡單靜沉后直接外排至廠區(qū)外溝渠，無回收利用。濾池反沖洗廢水通過廠區(qū)管道直接外排至廠區(qū)北側溝渠內，造成廠區(qū)北側溝渠淤積嚴重，影響過水能力。改造中，擬征用廠區(qū)北側圍墻線三角型空地建設排泥水處理設施，空地面積約為9 333 m2。

3.8.2 排泥水處理改造

采用排水池和排泥池分建模式。由于廠區(qū)北側空地本身為閑置水塘和荒地，改造中緊鄰反應沉淀池和濾池分別建設排泥池和排水池及備用池。正常運行工況下，反沖洗廢水和反應沉淀池分別排至排泥塘和排水塘，池底設5%坡度收集排水池和排泥池底部沉泥，底泥通過泵提入自然干化場處理，上清液經DN300 鋼管重力流至回收水泵房水池。

① 干污泥量計算

原水濁度一般為1 ～40 NTU。根據《室外給水設計規(guī)范》(GB50013—2018)［1］，綜合考慮水廠原水近3 年平均濁度(15 NTU)，排泥水處理保證率取90%，原水濁度設計值擬定為41.55 NTU。絮凝劑采用聚合氯化鋁(PAC)，K2取值為1.53，絮凝劑投加量按最大投藥量20 mg/L，最終計算得到水廠干泥量為3.17 t/d。

② 排水池

一期和二期反沖洗廢水經DN500 鋼管重力流至北側八字口排水池，排水池總容積為1 500 m3，其中儲泥容積252 m3，污泥清掏周期為79 d，設計水力停留時間為33.7 h，液面負荷為0.160 m3/(m2·h)，沉淀污泥后含水率為96%，凈尺寸為23.0 m ×25.0 m。污泥泵設2 臺，1 用1 備，Q =8.75 L/s，H=10 m。排水池池壁設1 ∶7 斜坡車道，排水池中間設1 條寬3.0 m 的清淤硬化車道，其余池壁設計液面以下均為1 ∶1.5 槳砌塊石護坡，液面以上為草皮生態(tài)護坡。

③ 排泥池

排泥池容積為2 000 m3，有效水深為2.5 m，其中儲泥容積為1 281 m3，污泥清掏周期為21 d，底泥污泥含水率為96%。一期和二期反應沉淀池排泥水DN300 管道重力流至池內。在池子直角兩邊中間各設1 座污泥泵，底泥通過泵提進干化場。4 臺同型號污泥泵Q =40.28 L/s，H =10 m，P =7.5 kW，2 用2備。設1 根DN300 上清液回收水利用管道。

④ 備用池

當排水池或排泥池檢修停運時，臨時應急接納反應沉淀池或濾池排放廢水。上清液回用管DN300與排水池、排泥池上清液回收管道聯重力流至回收水泵房。備用池池壁四周均為1 ∶2 斜坡，有效容積為1 500 m3，儲泥容積、清掏周期和污泥含水率與排泥池一致。污泥泵Q=40.28 L/s，揚程H=10 m，功率P=7.5 kW，1 用1 備。

⑤ 自然干化場

自然干化場面積為1 830 m2，根據當地氣溫、降雨資料，設計干化時間為21 d。設5 格，單格寬5 m，長7.83 ～49.20 m。進泥鋼管管徑為DN200，采用均勻分布多點進泥，間距為5 m。濾床鋪設2 層濾料，下層選擇厚200 mm、粒徑為15 ～20 mm 的粗卵石或礫石?？紤]當地實際情況，上層選擇厚250 mm、粒徑為6 ～15 mm 的細礦渣(煤渣)，濾床底部設i=0.02 的聚乙烯管，穿孔收集干化場濾液，與干化場上清液一道排至市政污水管道。

⑥ 回收水泵房

利用原有的一期、二期反應沉淀池前段圓形排泥池，將其改造為排水池、排泥池、備用池上清液回收水泵房，直徑D =10 m，進水總管直徑為DN600。設2 臺潛水泵，1 用1 備，考慮進水和時空分布均勻性且不對水廠凈水工藝產生沖擊負荷，所設潛水泵Q=145 m3/h，H=11 m，直接回用至機械混合池內。當回收水水質較差時，利用原有的DN300 管道直接外排至廠區(qū)外河道。

4 改造后的運行效果分析

① 2018 年改造調試運行后，水廠濾前水、二級泵房供水均較改造前大幅度降低。近3 個月的檢測數據表明，與改造前相比，沉淀池出水濁度從5 ～8 NTU 下降至3.8 NTU，出廠水濁度從1. 5 ～2. 8 NTU 穩(wěn)定降低到0.5 NTU 以下，原水濁度較低時出廠水能達到0.03 ～0.35 NTU。2018 年7 月藻類繁殖旺季，通過投加粉末活性炭，出廠水耗氧量平均值為1.2 mg/L，完全達到標準要求。

② 通過近半年的運行發(fā)現，設計自然干化場由于濾料上層較易堵塞，實際運行效果與設計期望值相差較大。干化場上清液聚集后大部分外排至污水管道，處理效果欠佳。建議設計時盡量考慮機械脫水。

③ 保留高位水塔沖洗方式，通過采取加厚濾料、更換為均質濾料等措施后，出廠水濁度顯著降低，過濾周期由18 ～20 h 延長至24 ～36 h。高位水塔單獨水沖和氣水聯合沖洗經反復調試閘門開啟動，濾料沖洗較為干凈。

5 結語

① 設置應急粉末活性炭投加間，投加應急粉末活性炭至一期和二期原水管道部分，經4 km 距離混合后進水廠的方式可行，保證了高藻期的出水耗氧量達標。

② 通過機械混合和平流沉淀池處理后，濾前水濁度較改造前下降24%～52.5%，出廠水濁度穩(wěn)定在1 NTU 以下。

③ 改造后的四閥濾池全部由現場PLC 控制閥門的開啟，自動化程序大大提高。配水系統(tǒng)倒置“U”型穿孔塑料配水系統(tǒng)方式兼顧翻板濾池配水、配氣形式特點，且濾料采用均質濾料，具有V 型濾池等水頭恒速運行的特點，在新建水廠［2］和此次水廠改造中均取得了較好的運行效果。

④ 選擇在用水量較低的冬季進行水廠改造施工，對城市供水的影響大大降低。廠區(qū)改造過程中，一期和二期凈水構筑物互為切換運行。