山地水廠深度處理改擴(kuò)建工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

何文宇

(上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市對(duì)飲用水的水質(zhì)要求越來越高，長三角地區(qū)的水廠通常建造時(shí)間較早，處理構(gòu)筑物逐漸老舊，出水水質(zhì)難以保持穩(wěn)定，制水能力也無法滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。近年來，隨著居民對(duì)飲用水水質(zhì)要求的提高，較多常規(guī)處理水廠考慮更新改造，設(shè)置深度處理設(shè)施[1]。

然而大部分建成年代較早的水廠多處于城市核心區(qū)域，這些區(qū)域往往土地用地指標(biāo)緊張，周邊地形限制因素多，水廠改擴(kuò)建難度較大。近年來，上海長橋等水廠通過單體疊合、分階段拆改等方式，在嚴(yán)苛條件下進(jìn)行水廠的改造。本文以江蘇省XW水廠為例，具體介紹了對(duì)于地形高差較大、用地緊張的山地水廠，如何充分利用地形高差，在現(xiàn)有水廠用地范圍內(nèi)進(jìn)行局部拆除，對(duì)新建構(gòu)、建筑物組合疊加，合理排布，實(shí)現(xiàn)深度處理升級(jí)改造。

1 工程概況

XW水廠始建于1979年，總用地面積為41 138 m2。經(jīng)多次擴(kuò)建后，廠區(qū)內(nèi)已形成相對(duì)獨(dú)立的東、西2個(gè)制水區(qū)域，平面布置如圖1所示，其中，東區(qū)面積約為17 455 m2，西區(qū)面積約為16 675 m2，北側(cè)空地面積約為7 008 m2。西區(qū)制水流程I為“機(jī)械加速澄清池+虹吸濾池”，制水能力為9萬m3/d，于1982年陸續(xù)投入使用；西區(qū)制水流程Ⅱ?yàn)椤熬W(wǎng)格柵條反應(yīng)斜管沉淀池+虹吸濾池”，制水能力為2.5萬m3/d，于1989年投入使用；東區(qū)制水流程為“折板反應(yīng)平流沉淀池+V型濾池”，沉淀池產(chǎn)水規(guī)模為14萬m3/d，于1993年陸續(xù)投入使用。

水廠地形條件特殊，凈水廠現(xiàn)狀地形高差最大達(dá)10 m，從北至南高低起伏，廠區(qū)被森林公園環(huán)繞，通過擋土墻阻隔，高差巨大；水廠除北側(cè)有少許空地外，無其他空地可用。

水廠東區(qū)現(xiàn)有沉淀池產(chǎn)水規(guī)模為14萬m3/d，濾池設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為17.5萬m3/d。為明確東區(qū)實(shí)際產(chǎn)水能力，對(duì)水廠東區(qū)現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行了產(chǎn)水能力測試。根據(jù)測試結(jié)果，在處理規(guī)模為15萬m3/d時(shí)，濾池出水水質(zhì)可以維持在1.0 NTU以下?？紤]到東區(qū)處理設(shè)施建設(shè)年代相對(duì)較晚，且運(yùn)行穩(wěn)定，本工程對(duì)其予以保留修復(fù)，在本次改擴(kuò)建工程完工后，其制水能力提高到15萬m3/d。西區(qū)工藝建設(shè)年代較早，單個(gè)處理構(gòu)筑物產(chǎn)水量小，機(jī)械設(shè)備維護(hù)較麻煩，機(jī)械澄清池對(duì)原水水量、水質(zhì)、水溫、混凝劑等因素的變化影響較明顯，抗干擾能力較弱，出水水質(zhì)難以保持穩(wěn)定。同時(shí)，由于西區(qū)虹吸濾池等構(gòu)筑物墻體破碎，結(jié)構(gòu)隱患嚴(yán)重，本工程考慮將其拆除，在原址上新建15萬m3/d常規(guī)處理設(shè)施、30萬m3/d深度處理設(shè)施和對(duì)應(yīng)的污泥處理系統(tǒng)。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程選取

XW水廠原處理工藝存在以下問題。

(1)原處理工藝繁多，相同處理功能包含多種不同形式的處理工藝。僅反應(yīng)沉淀工藝就包含：西區(qū)6座機(jī)械澄清池、1座反應(yīng)池+斜管沉淀池；東區(qū)3座反應(yīng)池+平流沉淀池。過濾工藝也分為2種：3座虹吸濾池、2座V型濾池。

(2)原單體構(gòu)筑物處理水量小。原水廠處理規(guī)模為26.5×104m3/d，而機(jī)械澄清池處理規(guī)模僅為1.25×104m3/d和2×104m3/d，平流沉淀池處理規(guī)模也只有5×104m3/d，3座虹吸濾池的單座處理規(guī)模僅為2.5×104m3/d和3.75×104m3/d。

(3)水廠取水水源為長江，原水中溶解性有機(jī)物主要是由小分子有機(jī)物構(gòu)成(多以親水物質(zhì)存在)，常規(guī)處理工藝較難去除，目前的工藝流程無法應(yīng)對(duì)長江突發(fā)污染情況。

以上存在的問題，工藝繁多，單體構(gòu)筑物處理水量小，必然會(huì)導(dǎo)致單體之間的連接管道復(fù)雜，運(yùn)行管理困難。本工程擬拆除原西區(qū)處理構(gòu)筑物，并進(jìn)行改擴(kuò)建。經(jīng)過比選，推薦采用臭氧-生物活性炭深度處理工藝。該工藝的主要優(yōu)勢如下。

(1)針對(duì)性強(qiáng)。長江原水短時(shí)會(huì)發(fā)生氨氮、有機(jī)物超標(biāo)，口感有待提高。臭氧-生物活性炭對(duì)氨氮和有機(jī)物都有明顯的去除效果，口感改善明顯。長江江蘇段原水中溶解性有機(jī)物主要由小分子有機(jī)物構(gòu)成，常規(guī)處理工藝和超濾膜技術(shù)都較難去除，而臭氧-活性炭工藝的優(yōu)勢之一是將難降解有機(jī)物氧化為可生物降解有機(jī)物，將大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物并去除[2]，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。

(2)水質(zhì)保障能力強(qiáng)。XW水廠設(shè)深度處理單元，需應(yīng)對(duì)水源突發(fā)性污染，增加安全保障性。根據(jù)調(diào)查，突發(fā)性污染物主要為化學(xué)品、農(nóng)藥等，這些溶解性的有機(jī)物是臭氧-生物活性炭的去除對(duì)象。在預(yù)投加粉炭及高錳酸鉀等應(yīng)急措施之后，增加臭氧-生物活性炭工藝，是保證水廠供水安全性的最有效方法。

(3)技術(shù)成熟。該工藝是目前使用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的深度處理工藝，在江蘇長江沿岸的水廠運(yùn)行穩(wěn)定，管理經(jīng)驗(yàn)豐富。

考慮XW水廠常規(guī)處理工藝出水渾濁度可以做到較低，且原水藻類情況并不嚴(yán)重，也未檢測出“二蟲”，因此，本工程深度處理技術(shù)路線確定為臭氧活性炭吸附工藝。臭氧活性炭工藝各處理單元之間必須進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，關(guān)注細(xì)節(jié)，這也是決定工程成功的關(guān)鍵。

2.2 水廠平面及高程設(shè)計(jì)

XW原廠區(qū)內(nèi)布置了26.5萬m3/d常規(guī)處理設(shè)施，分析水廠現(xiàn)有的處理工藝，本工程將西區(qū)推倒重建，在最西側(cè)新建15萬m3/常規(guī)處理，從北往南依次為折板絮凝反應(yīng)斜板沉淀池、V型濾池；中間布置30萬m3/d深度處理，從南往北依次為臭氧接觸池、炭吸附池；東北側(cè)集中布置排泥處理設(shè)施，從東往西疊壓布置斜管濃縮池、平衡池、脫水機(jī)房。XW水廠平面布置如圖2所示，高程布置如圖3所示。

圖2 XW水廠深度處理改造工程平面布置圖Fig.2 Layout of XW Advanced Treatment Expansion Project

2.2.1 水廠布局分區(qū)

整個(gè)廠區(qū)分為生產(chǎn)制水區(qū)、送水區(qū)及污泥處理區(qū)。

(1)生產(chǎn)制水區(qū)，主要由絮凝沉淀池、砂濾池、臭氧接觸池、炭吸附池等核心單體組成。通過優(yōu)化池型，進(jìn)行集約化布置，方便巡視。輔助生產(chǎn)單體主要包括綜合加藥間、臭氧發(fā)生器間及鼓風(fēng)機(jī)房、回收池，其中，回收池主要收集濾池和炭吸附池反沖洗廢水，回收池出水回流至配水井?；厥粘鼐徒贾糜跒V池附近，減少埋深，流程合理。各輔助生產(chǎn)建、構(gòu)筑物布置在一個(gè)區(qū)域，有利于集成化管理。

(2)送水區(qū)為現(xiàn)狀二級(jí)泵房，位于廠區(qū)地勢較低處，與生產(chǎn)區(qū)銜接順暢。

(3)污泥處理系統(tǒng)包括斜管濃縮池下疊平衡池和離心脫水機(jī)房，流程順暢，布置緊湊，對(duì)廠區(qū)干擾少，便于外運(yùn)。污泥處理系統(tǒng)主要處理沉淀池排泥水，將污泥處理設(shè)施集中布置在水廠東北角，方便集中管理，污泥管道流程較短，減少了管道的繞行。

2.2.2 核心處理單元組合設(shè)計(jì)

現(xiàn)有用地條件特殊，最大高差達(dá)10 m，在無任何預(yù)留用地情況下挖潛改造，必須選取單位面積處理能力高效的單體，必要時(shí)還需通過合理的疊合解決無擴(kuò)建用地的難題。

沉淀池：本工程擬新建1座配送井，建成后將原水分配至東區(qū)3座平流沉淀池(單座為5萬m3/d)和西區(qū)新建的2座沉淀池(單座為7.5萬m3/d)，由于水廠南北長度限制，為節(jié)約用地，新建沉淀池采取折板絮凝斜板沉淀池，總長度約為38.5 m，有效水深為4.80～4.30 m。

V型濾池下疊提升泵房：為匹配東區(qū)濾池水位，新建西區(qū)V型濾池底標(biāo)高為21.20 m，高于該處地面標(biāo)高，為使構(gòu)筑物的基礎(chǔ)能落在原狀土上，靠結(jié)構(gòu)自重滿足空池工況下的抗浮要求，并充分利用了山區(qū)土體天然地基的承載力，需在V型濾池下疊加構(gòu)筑物。而現(xiàn)狀清水池水位過高，無法疊于濾池下，因此，考慮將提升泵房前的調(diào)節(jié)池疊于V型濾池下，并在濾池管廊一側(cè)設(shè)置提升泵房。

活性炭吸附池：由于廠區(qū)南側(cè)地勢較低，活性炭吸附池同樣面臨一半池體懸空的問題，結(jié)合平面布置，將處理后的清水池疊于炭池下，有效解決了池體結(jié)構(gòu)問題，同時(shí)節(jié)省了占地。

本工程合計(jì)10個(gè)單體構(gòu)筑物采用了上下組合的布置方式，除上文所述的V型濾池和提升泵房上下組合、炭吸附池和清水池上下組合外，還將鼓風(fēng)機(jī)和反沖泵房上下組合、臭氧發(fā)生器和臭氧接觸池上下組合、斜管濃縮池和平衡池上下組合，有效利用現(xiàn)有場地，高度利用了狹小的用地范圍，解決了新老系統(tǒng)銜接時(shí)構(gòu)筑物懸空的問題，同時(shí)利用水廠地形高差，大大減少了構(gòu)筑物的埋深。

2.3 臭氧接觸和提升泵房流程優(yōu)化

由于將提升泵房疊于V型濾池下，V型濾池出水水位約為21.90 m，現(xiàn)狀清水池水位為22.40 m，如先提升進(jìn)入臭氧接觸池，將導(dǎo)致臭氧接觸池進(jìn)入水位過高，臭氧接觸池懸空近9 m。同時(shí)，根據(jù)V型濾池底板反推，如下疊提升泵房，則提升水泵調(diào)節(jié)池最高水位約為20.00 m。因此，綜合考慮，為充分利用其中的水位差，本工程將臭氧接觸池前置，并布置于水廠最南側(cè)地勢較低位置，使V型濾池出水無需提升，直接進(jìn)入臭氧接觸池。臭氧接觸池出水進(jìn)入V型濾池下疊調(diào)節(jié)池。

研究表明，當(dāng)中間提升泵房的前調(diào)蓄水池容積不足、流態(tài)不好，水泵選型不恰當(dāng)時(shí)，常規(guī)處理來水量一旦發(fā)生波動(dòng)，中間提升泵房難以適應(yīng)，會(huì)發(fā)生溢流或抽干的現(xiàn)象，給運(yùn)營單位帶來很多管理風(fēng)險(xiǎn)[3]。因此，在提升水泵前設(shè)置調(diào)節(jié)容積較大的調(diào)節(jié)池，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

同時(shí)，由于臭氧接觸池出水經(jīng)過了較長時(shí)間的停留后，自濾池管廊一側(cè)進(jìn)入，另一側(cè)進(jìn)行提升，臭氧殘留濃度低，克服了因提升泵后置于臭氧池帶來的水泵腐蝕問題。提升水泵導(dǎo)流肋和葉輪采用可全抽式，并要求設(shè)備廠家采用耐臭氧腐蝕材料定制。V型濾池下疊提升泵房布置剖面如圖4所示。

圖4 XW V型濾池下疊提升泵房布置剖面圖Fig.4 Section of V-Type Filter and Intermediate Pumping House of XW Water Treatment Plant

2.4 新老處理流程銜接

本工程新老處理流程銜接主要體現(xiàn)如下。

(1)優(yōu)化配水系統(tǒng)：拆除東側(cè)現(xiàn)有配水井，新建1座配水井，將新老系統(tǒng)的進(jìn)水統(tǒng)一由新建配水井配水，確保配水均勻，保證處理效果。同時(shí)，重新梳理原水管線，將現(xiàn)狀5根原水進(jìn)水管線梳理改造為2根，使流程簡潔，管理方便。

(2)高程的銜接：新老處理構(gòu)筑物共同進(jìn)入深度處理構(gòu)筑物，因此，需協(xié)調(diào)臭氧接觸池進(jìn)水水位和清水池水位。由于現(xiàn)狀東區(qū)V型濾池及東區(qū)清水池水位固定，因此，新建V型濾池、清水池水位需與其匹配。由于用地十分緊張，水廠構(gòu)筑物必須采用疊壓式布置，且新老系統(tǒng)流程必須匹配。但由于炭池出水水位較高，可采取炭吸附池出水跌水方案或東區(qū)現(xiàn)狀清水池單獨(dú)配置二泵房方案，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性和安全性綜合比較，最終確定炭吸附池出水適當(dāng)?shù)渲料炉B清水池。

(3)回收水池銜接：本工程新建回收水池，回收東西兩側(cè)砂濾池反沖洗水、新建的炭池反沖洗水及初濾水，容量約為1 250 m3，分為2格。因此，回收池水位標(biāo)高需保證新老濾池生產(chǎn)廢水能夠流入。

3 結(jié)語

(1)本工程保留XW水廠東側(cè)15萬m3/d常規(guī)處理設(shè)施、拆除并新建西側(cè)15萬m3/d常規(guī)處理設(shè)施，同時(shí)增設(shè)30萬m3/d臭氧-生物活性炭深度處理流程和對(duì)應(yīng)的排泥處理設(shè)施。水廠用地指標(biāo)為0.137 m2/(m3·d-1)。

(2)本工程克服用地緊張、地形高差大、現(xiàn)狀構(gòu)筑物水位固定等限制條件，采用有效組合合理布置總平面，V型濾池和提升泵房上下組合、鼓風(fēng)機(jī)和反沖泵房上下組合、炭池和清水池上下組合、臭氧發(fā)生器和臭氧接觸池上下組合、斜管濃縮池和平衡池上下組合，有效利用現(xiàn)有場地，既滿足生產(chǎn)功能要求、美化環(huán)境，又節(jié)省土地施工費(fèi)用。

(3)由于新建凈水處理系統(tǒng)與現(xiàn)狀凈水處理系統(tǒng)需完全匹配，且需滿足現(xiàn)狀特殊地形條件，利用提升泵房后置于臭氧接觸池的方式，解決了臭氧接觸池懸空的問題。同時(shí)，泵前調(diào)節(jié)池疊于V型濾池下降低臭氧殘留濃度，并采用抗腐蝕水泵材料，克服因臭氧池前置帶來的水泵腐蝕問題。

(4)新建常規(guī)處理系統(tǒng)和現(xiàn)有常規(guī)處理系統(tǒng)共用配水系統(tǒng)和清水供水系統(tǒng)(二級(jí)泵房)，新老系統(tǒng)的銜接考慮進(jìn)、出水標(biāo)高統(tǒng)一，中間通過不同構(gòu)筑物疊合方式使水處理系統(tǒng)流程順暢。