青島某給水廠凈水工藝設(shè)計(jì)

趙建超，楊喆，時(shí)艷婷，王金鑫

（1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010；2.青島濱海學(xué)院，山東青島 266555）

1 工程背景

青島某水廠現(xiàn)狀供水規(guī)模40 000 m3/d，水源取自水庫(kù)，原水水質(zhì)基本滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水處理工藝為：進(jìn)水+折板絮凝池+平流沉淀池+V 形濾池+清水池+出水，出廠水達(dá)到GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，水廠服務(wù)范圍逐步擴(kuò)大，片區(qū)需水量增加，亟須擴(kuò)建水廠。原水部分指標(biāo)輕微超標(biāo)，供水安全性受到挑戰(zhàn)，而常規(guī)處理工藝難以解決微污染問題，且根據(jù)省市關(guān)于進(jìn)一步做好城市供水水質(zhì)提升的要求，需新建深度處理工藝。現(xiàn)狀水廠無排泥水和泥處理設(shè)施，水資源浪費(fèi)較大，污泥未有效處理；現(xiàn)狀電氣系統(tǒng)老舊、無自控系統(tǒng)。為解決上述問題，根據(jù)工程安排，保留現(xiàn)狀40 000 m3/d的V 形濾池以便施工期應(yīng)急供水，拆除其余現(xiàn)狀構(gòu)建筑設(shè)施，新建100 000 m3/d 預(yù)處理、深度處理、泥處理，新建60 000 m3/d的V 形濾池，擴(kuò)建后總規(guī)模100000m3/d，出廠水符合GB5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求，且出廠水濁度≤0.3NTU。

2 原水水質(zhì)特點(diǎn)及工藝選擇

2.1 原水水質(zhì)特點(diǎn)

根據(jù)近兩年的原水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，CODMn平均值4 mg/L、TN 平均值0.8 mg/L、TP 平均值0.03 mg/L 等均接近Ⅲ類水質(zhì)限值，夏季存在高藻高濁、冬季存在低溫低濁情況。

為保障水源安全性，后期擬引其他水庫(kù)水，備用水庫(kù)水源為引黃濟(jì)青水、南水北調(diào)水，水質(zhì)存在沿途微污染問題。

2.2 工藝選擇

根據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)要求，為解決微污染、高藻高濁、低溫低濁等問題，在常規(guī)處理工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)置臭氧預(yù)處理應(yīng)對(duì)高藻水，降低平流沉淀池水平流速應(yīng)對(duì)低溫低濁水、高濁水[1]，增加深度處理設(shè)施降解有機(jī)物提升出廠水品質(zhì)。濾池排水接至排水池回收；沉淀池排泥水接至排泥池，濃縮后送至脫水車間脫水外運(yùn)填埋。見圖1 和圖2。

圖1 凈廠工藝流程圖

圖2 污泥處理流程圖

3 凈水工藝設(shè)計(jì)

工程設(shè)計(jì)規(guī)模100 000 m3/d，自用水系數(shù)5%。

3.1 沉砂池、預(yù)臭氧接觸池

沉砂池與預(yù)臭氧接觸池合建，總平面尺寸39 m×4.25 m×6.7 m。

1）沉砂池：設(shè)沉砂池1 座2 砂坑，池深6.15 m，停留時(shí)間3 min。

2）預(yù)臭氧接觸池：預(yù)臭氧接觸池2 座，有效水深5.0 m，接觸時(shí)間5 min，臭氧投量0.5～1.0 mg/L，為避免曝氣頭堵塞，采用射流曝氣的型式。接觸池為密閉式池型，臭氧尾氣通過管道接入尾氣破壞裝置，催化分解后排入大氣。

3.2 機(jī)械混合池、折板絮凝池、平流沉砂池

混合池、絮凝池、沉淀池合建，總平面尺寸94 m×47 m×5.5 m。

1）混合池：設(shè)4 座機(jī)械混合池，混合時(shí)間30 s，采用4 臺(tái)φ600 mm 機(jī)械混合攪拌器，轉(zhuǎn)速n=66 r/min，功率N=2.2 kW。

2）絮凝池：設(shè)2 座6 格折板絮凝池，單格寬7.0 m，每格設(shè)6 條廊道，前2 條為異波折板、中間2 條為同波折板、后2 條為直板。每格絮凝池前設(shè)進(jìn)水閘門，單格絮凝池可與后段單格沉淀池獨(dú)立運(yùn)行。

第一段異波折板停留時(shí)間6.37 min，波峰距0.57 m，波峰流速0.25 m/s；波谷距1.25 m，波谷流速0.11 m/s，平均速度梯度68 s-1。

第二段同波折板停留時(shí)間7.76 min，板距0.75 m，流速0.15 m/s，平均速度梯度47 s-1。

第三段直板停留時(shí)間9.17 min，板距0.9 m，流速0.1 m/s，平均速度梯度22 s-1。

絮凝池總水頭損失0.36 m，平均速度梯度47 s-1，GT 值為65 878。

3）沉淀池：設(shè)2 座6 格平流沉淀池，單格寬7.0 m，有效水深3.5 m，停留時(shí)間2.5 h，水平流速8.2 mm/s。主要設(shè)備為2 套泵吸式刮吸泥機(jī)，每套設(shè)6 臺(tái)污泥提升泵，工作周期12 h。

沉淀池與絮凝池之間設(shè)置2 m 的過渡區(qū)，過渡區(qū)內(nèi)設(shè)整流墻，絮凝池出水整流后通過沉淀池配水花墻均勻配水。出水采用鋼制淹沒指型槽，每格沉淀池設(shè)5 條集水槽，集水負(fù)荷250 m3/（m·d）。

3.3 V形濾池

新建60 000 m3/d 的V 形濾池，與臭氧接觸池、活性炭濾池合建，濾池平面尺寸37.9 m×18.4 m×5.55 m。

濾池總有效過濾面積285.12 m2，分4 格，每格過濾面積73.5 m2，過濾濾速8.9 m/h，強(qiáng)制濾速11.8 m/h。雙排對(duì)稱布置，中間為管廊間。濾料為石英砂均質(zhì)濾料，粒徑0.9～1.2 mm，不均勻系數(shù)K60＜1.60，濾層厚度1.40 m；濾料下部承托層粒徑2～4 mm，厚度0.1 m，防止生物穿透。濾池配水配氣系統(tǒng)采用長(zhǎng)柄濾頭，在濾板上均勻布置，開孔比1.86%，濾板為預(yù)制鋼筋混凝土板。每格濾池出水管上設(shè)置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制濾池恒水位運(yùn)行，濾池反沖洗周期24 h。

沖洗過程為單獨(dú)氣沖→氣水聯(lián)合沖→單獨(dú)水沖。單獨(dú)氣沖時(shí)氣沖強(qiáng)度16 L/（s·m2），時(shí)間t=2 min；氣-水聯(lián)合沖時(shí)，水沖強(qiáng)度3 L/（s·m2），t=4 min；單獨(dú)水沖時(shí)，水沖強(qiáng)度6 L/（s·m2），t=5 min；同時(shí)輔以全過程表面掃洗，掃洗強(qiáng)度為2.0 L/（s·m2）。

每格濾池設(shè)置超聲波液位計(jì)、壓力檢測(cè)儀、出水濁度儀，4座濾池共用1 套顆粒檢測(cè)儀。

3.4 臭氧接觸池

后臭氧接觸池1 座2 格，平面尺寸19.6 m×11.4 m，有效水深6.0 m，超高0.55 m。后臭氧投量1.0～2.0 mg/L，接觸時(shí)間10 min；分串聯(lián)的3 級(jí)，每級(jí)分接觸、反應(yīng)兩段，3 級(jí)接觸反應(yīng)時(shí)間分別為3 min、3 min、4 min，3 級(jí)臭氧投加量依次為50%、30%、20%。

采用微孔鈦盤曝氣方式保障臭氧在水中均勻高效擴(kuò)散。臭氧尾氣通過管道接入尾氣破壞裝置，催化分解后排入大氣。

3.5 活性炭濾池

活性炭濾池采用V 形濾池結(jié)構(gòu)型式，1 座6 格，平面尺寸32.15 m×37.9 m，單格過濾面積88.56 m2，濾速8.2 m/h，接觸時(shí)間13 min。雙排對(duì)稱布置，中間為管廊間。濾料采用柱狀破碎活性炭（比表面積≥950 m2/g、碘吸附值≥950 mg/g、亞甲藍(lán)吸附值≥180 mg/g），炭層厚度2.2 m，濾料上部水深2.1 m；下部石英砂層粒徑1～2 mm，厚度0.4m，承托層粒徑2～4 mm，厚度0.1 m，防止生物穿透[2]。濾池配水配氣系統(tǒng)采用長(zhǎng)柄濾頭，在濾板上均勻布置，濾板為預(yù)制鋼筋混凝土板。每格濾池出水管上設(shè)置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制濾池恒水位運(yùn)行，濾池反沖洗周期3～6 d。

沖洗過程為單獨(dú)氣沖→氣水聯(lián)合沖→單獨(dú)水沖，重復(fù)2次。單獨(dú)氣沖時(shí)氣沖強(qiáng)度15 L/（s·m2），t=2 min；氣水聯(lián)合沖時(shí)，水沖強(qiáng)度3.5 L/（s·m2），t=4 min；單獨(dú)水沖時(shí)，水沖強(qiáng)度10.5 L/（s·m2），第一次t=47 s，停止反沖，靜沉20 s，排水1.5 min，第二次t=1.5 min，停止反沖，靜沉20 s，排水1.5 min。打開進(jìn)水閥，升水60%后，重復(fù)上述沖洗流程。

每格濾池設(shè)置超聲波液位計(jì)、壓力檢測(cè)儀、出水濁度儀，4座濾池共用1 套顆粒檢測(cè)儀。

3.6 清水池及送水泵房

3.6.1 清水池

清水池1 座2 格，平面尺寸56.8 m×55.63 m，有效水深4.5 m，有效容積約13 000 m3，占供水規(guī)模的13%。全地下布置型式，上部覆土綠化。

3.6.2 送水泵房

送水泵房采用半地下型式，設(shè)計(jì)規(guī)模100 000 m3/d，時(shí)變化系數(shù)k 時(shí)＝1.3。泵房?jī)?nèi)共設(shè)5 臺(tái)水泵機(jī)組，3 臺(tái)大泵，2 臺(tái)小泵，大泵2 用1 備；大泵流量Q=1 806 m3/h，揚(yáng)程H=30～35 m，功率N=200 kW，小泵流量Q=903 m3/h，揚(yáng)程H=30～35 m，功率N=110 kW，電機(jī)均變頻。通過大小泵搭配的方式，可實(shí)現(xiàn)1/6、1/3、1/2、2/3、5/6、6/6 設(shè)計(jì)規(guī)模的供水量，滿足供水范圍內(nèi)的不同實(shí)際需求，節(jié)約能耗。

3.7 污泥處理設(shè)施

污泥處理系統(tǒng)由排泥池、污泥濃縮池、儲(chǔ)泥池、污泥脫水機(jī)房組成[3]。80%保證率下，原水濁度30NTU，最大原水濁度37.5NTU，泥、水平衡計(jì)算如圖3 所示。

圖3 泥水平衡

3.7.1 排水池、排泥池

排水池收集濾池反沖洗廢水，池內(nèi)設(shè)水泵，將反沖洗廢水回流至沉砂池前端。排水池的調(diào)節(jié)容積按單格活性炭濾池沖洗水量的1.5 倍設(shè)計(jì)，總有效容積700 m3，分兩格，設(shè)潛水泵4 臺(tái)，2 用2 備，單泵流量Q=80 m3/h，揚(yáng)程H=13 m，功率N=7.6 kW。

排泥池收集沉淀池排水，池內(nèi)設(shè)水泵，經(jīng)調(diào)節(jié)后將廢水排至濃縮池。排泥池調(diào)節(jié)容積按平流沉淀池最大一次排泥水量的1.5 倍設(shè)計(jì)，總有效容積525 m3，分兩格，設(shè)潛水泵4 臺(tái)，2 用2 備，單泵流量Q=40 m3/h，揚(yáng)程H=13 m，功率N=3.9 kW。

3.7.2 污泥濃縮池、儲(chǔ)泥池

設(shè)2 座污泥濃縮池，單座直徑14 m，有效水深4.5 m，固體負(fù)荷16.25 kg/（m2·d）；進(jìn)濃縮池干泥量TDS=5.0 t/d，設(shè)計(jì)流量為80 m3/h，濃縮后污泥量為250 m3，含水率為98%。每座設(shè)1臺(tái)柵條濃縮機(jī)，污泥濃縮池與排泥池24 h 連續(xù)運(yùn)行，濃縮后的污泥重力自流至儲(chǔ)泥池。

設(shè)1 座2 格貯泥池，有效容積82.4 m3，以調(diào)節(jié)進(jìn)脫水車間的泥量。

3.7.3 污泥脫水車間

脫水車間設(shè)置2 臺(tái)離心脫水機(jī)，1 用1 備，單機(jī)處理能力20 m3/h，運(yùn)行時(shí)間為16 h/d。當(dāng)原水濁度超過設(shè)計(jì)值時(shí)，可考慮延長(zhǎng)脫水機(jī)工作時(shí)間。陽離子PAM 平均投加率3 kg/TDS，設(shè)置一座容積30 m3的污泥料倉(cāng)。

3.8 其他附屬設(shè)施

3.8.1 反沖洗泵房

V 形濾池與活性炭濾池合建反沖洗泵房，泵房?jī)?nèi)設(shè)反沖洗水泵、反沖洗風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

V 形濾池和活性炭濾池反沖洗風(fēng)機(jī)共用，設(shè)3 臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)，2 用1 備，風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q=80 m3/min，風(fēng)壓H=0.07 MPa，功率N=160 kW，電機(jī)變頻。

根據(jù)V 形濾池水沖洗強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)3 臺(tái)反沖洗水泵，2 用1 備，單泵流量Q=795 m3/h，揚(yáng)程H=11.0 m，功率N=37 kW，電機(jī)變頻；V 形濾池氣水同時(shí)沖洗時(shí)開1 臺(tái)泵，單獨(dú)水沖洗時(shí)開2 臺(tái)泵。

根據(jù)活性炭濾池水沖洗強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)4 臺(tái)反沖洗水泵，3 用1 備，單泵流量Q=1 116 m3/h，揚(yáng)程H=9 m，功率N=55 kW，電機(jī)變頻；活性炭濾池氣水同時(shí)沖洗時(shí)開1 臺(tái)泵，單獨(dú)水沖洗時(shí)開3 臺(tái)泵。

3.8.2 臭氧發(fā)生車間

前臭氧投加量為1 mg/L，后臭氧投加量為2 mg/L，共計(jì)3 mg/L。取安全系數(shù)1.06，計(jì)算臭氧發(fā)生量為13.25 kg/h，采用3 臺(tái)臭氧發(fā)生器，2 用1 備，單臺(tái)制備能力7 kg/h，功率52.5 kW。

3.8.3 加藥間

混凝劑PAC 商品液濃度為10%，設(shè)計(jì)最大投加量40 mg/L，平均投加量20 mg/L。設(shè)置3 臺(tái)加藥泵，2 用1 備，單泵流量Q=150 L/h，壓力P=0.5 MPa，功率N=0.25 kW。

采用二氧化氯消毒，前加氯濃度1 mg/L，后加氯濃度2 mg/L。設(shè)置3 臺(tái)二氧化氯發(fā)生器，2 用1 備，1 臺(tái)用于前加氯投加，1 臺(tái)用于后加氯投加，單臺(tái)二氧化氯產(chǎn)量為5 kg/h，功率N=3.5 kW。

4 工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)及主要經(jīng)濟(jì)參數(shù)

該工程在實(shí)施過程中主要有以下特點(diǎn)：

1）保留了現(xiàn)狀V 形濾池，充分利用了現(xiàn)狀構(gòu)筑物，在改擴(kuò)建期間可實(shí)現(xiàn)不間歇供水。

2）針對(duì)原水微污染、高溫高藻、低溫低濁等特點(diǎn)，采取了預(yù)臭氧、臭氧-活性炭等處理措施，提升了飲用水水質(zhì)，改善了供水口感。

3）搭建了智慧水務(wù)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)智能化控制、運(yùn)營(yíng)數(shù)字化管理、應(yīng)急智慧化決策，做到小事自決策自執(zhí)行、大事輔助決策輔助執(zhí)行、事后輔助歸檔分析。

4）工程總投資約2.6 億元，噸水單位投資約2 600 元，預(yù)計(jì)水廠經(jīng)營(yíng)成本1.03 元/m3，水價(jià)1.84 元/m3。

5 結(jié)語

工程設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合原水水質(zhì)特點(diǎn)及省市政策要求，采用了預(yù)沉砂+前臭氧接觸+機(jī)械混合+折板絮凝+平流沉淀+V 形濾池+后臭氧接觸+活性炭濾池+中間提升+清水池+二泵房的處理工藝，工藝選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)保障了出廠水的水質(zhì)滿足GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求，且出廠水濁度≤0.3NTU。另外，水廠智慧化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無人值守情況下全自動(dòng)凈水的功能。項(xiàng)目總體具有投資省、穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化水平高的特點(diǎn)，可為國(guó)內(nèi)其他水廠的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。