大連市交流島凈水廠一期項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)方案

閻小玲，楊志峰

（1.銀川中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司，寧夏銀川 750004；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

大連市長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)位于遼東半島中西部，渤海東岸，北瀕復(fù)州灣，南臨普蘭店灣，東側(cè)以狹窄水道與陸地相連。長(zhǎng)興島全島面積為502 km2，由長(zhǎng)興島、西中島、鳳鳴島、交流島和駱駝島五個(gè)島嶼組成。

隨著臨港工業(yè)加工區(qū)的深入建設(shè)和發(fā)展，尤其在多家大型石油、化工企業(yè)進(jìn)駐西中島后，交流島、西中島等區(qū)域的用水需求大幅增加。當(dāng)前存在的較為顯著的供水問題如下：（1）已建的長(zhǎng)興島凈水廠供水區(qū)域基本限于長(zhǎng)興島，而西中島、鳳鳴島、交流島上暫無(wú)供水設(shè)施。隨著這三島的開發(fā)進(jìn)程的加快，無(wú)水可供的局面將極大地限制當(dāng)?shù)匕l(fā)展。（2）由于耗能、耗水企業(yè)的進(jìn)駐，原規(guī)劃水量存在較大缺口，現(xiàn)有的長(zhǎng)興島凈水廠建設(shè)規(guī)模難以滿足供水量增大的需求。（3）采用單一水廠（即長(zhǎng)興島凈水廠）供水，表現(xiàn)出供水安全性差，輸水距離過長(zhǎng)，二級(jí)增壓泵揚(yáng)程將顯著提高，不僅增大能耗，且易于造成管網(wǎng)承壓過高，從而導(dǎo)致管道、用水器具壽命降低。

為保證未來(lái)發(fā)展的實(shí)際需要，長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)在交流島規(guī)劃建造6萬(wàn)m3/d的凈水廠，一期工程按3萬(wàn)m3/d建設(shè)。

1 原水水質(zhì)特點(diǎn)及凈水對(duì)策分析

1.1 水質(zhì)特點(diǎn)

長(zhǎng)興島缺乏地表徑流，根據(jù)長(zhǎng)興島臨港工業(yè)園區(qū)的總體規(guī)劃，原水取自東風(fēng)水庫(kù)。東風(fēng)水庫(kù)原水水質(zhì)的主要指標(biāo)如表1所示。

由表1可知濁度總體較低，常年低于6 NTU，由于東風(fēng)水庫(kù)所在緯度較高，冬季氣溫較低，原水水質(zhì)總體上呈現(xiàn)低溫低濁的特征。總氮含量較高，最高達(dá)5.3 mg/L，總磷也時(shí)有超標(biāo)，最高達(dá)0.1 mg/L，富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)較高；有機(jī)物含量不穩(wěn)定，隨季節(jié)變化波動(dòng)較大，CODCr全年在4.4～21.8 mg/L范圍波動(dòng)。

表1 東風(fēng)水庫(kù)主要水質(zhì)指標(biāo)表Tab.1 Water Quality of Dongfeng Reservoir

總體而言，東風(fēng)水庫(kù)原水水質(zhì)基本優(yōu)于Ⅲ類水。

1.2 對(duì)策分析

（1）針對(duì)原水低溫低濁的特性，應(yīng)該通過采用安全、高效的組合工藝，加強(qiáng)混凝、沉淀、過濾效果。

（2）為有效去除有機(jī)物，降低原水可能富營(yíng)養(yǎng)化從而導(dǎo)致水質(zhì)出現(xiàn)惡化的風(fēng)險(xiǎn)，除常規(guī)處理外，還宜增加預(yù)處理及深度處理工藝。考慮到東風(fēng)水庫(kù)原水主要是總氮含量較高，總磷含量較低，如采用常用的曝氣生物濾池[1－3]等預(yù)處理方式效果較為一般，本工程宜采用深度處理工藝。

原水經(jīng)處理后，出水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》（GB 5749—2006）和《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 206—2005）的要求。

2 凈水工藝比選

2.1 常規(guī)凈水工藝比選

常規(guī)凈水工藝的選擇主要包括混合、絮凝、沉淀、過濾工藝及消毒劑的比選。在比選過程中，著重闡述上文所及原水水質(zhì)的對(duì)策分析，具體如下：

（1）本工程水源為低溫低濁水庫(kù)水，水中膠體穩(wěn)定，低溫下絮凝動(dòng)力弱，通過外加動(dòng)力，增加膠體與藥劑的碰撞機(jī)會(huì)，有助于提高混合效果。靈活的可調(diào)的機(jī)械混合對(duì)水量、水溫變化的適應(yīng)性強(qiáng)，因此本方案采用可調(diào)式機(jī)械混合工藝。

（2）本工程原水水量小，一期僅3萬(wàn)m3/d，若采用折板絮凝，水量較小的波動(dòng)將造成絮凝效果的較大變化，從而影響后續(xù)沉淀的分離效果，而機(jī)械絮凝則可以有效克服以上缺陷，故本工程采用可調(diào)式機(jī)械絮凝工藝。

（3）本工程廠址位于山坡上，廠區(qū)范圍內(nèi)地形起伏較大，最大高差達(dá)24 m，難以具備常規(guī)平流沉淀池的用地條件；同時(shí)本工程總水量較小，不同季節(jié)水質(zhì)變化較大，也不適宜采用常規(guī)的斜板（管）沉淀池。因此，在借鑒以往工程實(shí)例同時(shí)結(jié)合斜管沉淀池與平流沉淀池各自特點(diǎn)開發(fā)一種新型沉淀池，它具有斜管沉淀池出水負(fù)荷高、沉淀效率高的特點(diǎn)，又可做到平流沉淀池停留時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)、水量變化適應(yīng)性強(qiáng)，且運(yùn)行管理方便。

通過對(duì)比高密度沉淀池[4,5]、氣浮池、斜管加強(qiáng)平流沉淀三種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)及工程費(fèi)用，如表2所示。分析得出斜管加強(qiáng)平流沉淀池相較于氣浮池來(lái)說(shuō)，造價(jià)較高，但出水水質(zhì)穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，且排出的污泥較容易處理；相較于高密度沉淀池來(lái)說(shuō)造價(jià)較低、設(shè)備較少、管理難度較小且后期運(yùn)行成本低。綜合以上分析，本工程采用斜管加強(qiáng)平流沉淀池。

表2 絮凝－沉淀（澄清）方案技術(shù)比較表Tab.2 Comparison of Different Flocculating－Precipitating Processes

（4）現(xiàn)有過濾池形式較多，其中氣水反沖洗均勻級(jí)配濾料濾池出水水質(zhì)好，運(yùn)行周期長(zhǎng)，沖洗效果好且水量低，自動(dòng)化程度高，本工程采用氣水反沖洗V型均粒濾料濾池。

（5）由于長(zhǎng)興島水廠已經(jīng)采用二氧化氯作為消毒劑，為保持消毒劑的一致，本工程采用二氧化氯消毒工藝。

2.2 深度處理工藝比選

在對(duì)常規(guī)工藝出水進(jìn)行深度處理時(shí)，采用的工藝一般有膜處理、活性炭吸附、臭氧+生物活性炭等。

膜處理對(duì)大的有機(jī)物分子有明顯的截留作用，去除濁度效果好，但一次性投資較高、能耗大，對(duì)本工程而言，采用砂濾池已可以滿足對(duì)濁度的要求，因此不建議采用膜處理?；钚蕴课街饕且揽科浒l(fā)達(dá)的孔隙產(chǎn)生的對(duì)污染物強(qiáng)吸附作用，同時(shí)存在少量的生物降解。單純的活性炭過濾將很快使活性炭吸附作用飽和，一般少則幾個(gè)月，多則半年就需要更換或再生，故生物降解作用不明顯，凈水成本也將大為提高。生物活性炭吸附技術(shù)可以增加水中溶解性有機(jī)物的去除效果，延長(zhǎng)活性炭的再生周期，減少運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)水中氨氮可以被生物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而減少出水氨氮含量，減少投氯量，降低三鹵甲烷的生成量。故本工程深度處理采用“臭氧+生物活性炭”的深度處理工藝。

進(jìn)一步對(duì)活性炭濾池的形式進(jìn)行選擇，主要比選的參數(shù)是流向及濾層形式，不同流向及濾層形式的活性炭濾池優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 不同形式活性炭濾池優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.3 Comparison of Different Kind of Activated Carbon Filter

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of Treatment Processes

本工程原水中有機(jī)物含量不高，可將生物活性炭濾池設(shè)在砂濾池之后，降低負(fù)荷，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地形高差較大的有利條件，選擇采用下向流的形式，砂濾池之后無(wú)須設(shè)提升泵房。另外根據(jù)已有工程設(shè)計(jì)后期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，石英砂、活性炭雙層濾料實(shí)際處理效果較差，本工程選擇單層活性炭濾料，對(duì)于穿越的脫落生物膜及碎炭的控制，除合理選擇炭強(qiáng)度及加強(qiáng)沖洗外，還應(yīng)通過投加消毒劑及在清水池中設(shè)置接觸池去除并定期清洗，保證出廠水的合格率。

2.3 排泥水處理工藝比選

本工程排泥水主要來(lái)自于沉淀池。經(jīng)計(jì)算，一期工程干泥量約為0.8 t/d。由于排泥水懸浮固體含量高，直接排放至周邊河道時(shí)，易造成污染，長(zhǎng)期淤積還可能堵塞河道?？紤]通過對(duì)排泥水進(jìn)行截留調(diào)節(jié)、調(diào)質(zhì)平衡、污泥脫水及脫水干泥外運(yùn)的處置工藝過程予以處理，以實(shí)現(xiàn)排泥水達(dá)標(biāo)排放的處理目標(biāo)。

綜上所述，本工程采用的凈水工藝方案如圖1所示。

3 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 常規(guī)水處理工藝構(gòu)筑物

常規(guī)水處理工藝構(gòu)筑物包括配水井、絮凝池、沉淀池、濾池等。本項(xiàng)目為節(jié)約工程用地，將機(jī)械絮凝池、斜管加強(qiáng)平流沉淀池、均質(zhì)砂濾池、后臭氧接觸池、活性炭濾池、反沖洗泵房及鼓風(fēng)機(jī)房以“組合池”的形式集中建設(shè)。

3.1.1 機(jī)械混合、絮凝池及斜管加強(qiáng)型平流沉淀池

絮凝池與沉淀池合建，設(shè)計(jì)規(guī)模為3萬(wàn)m3/d，共設(shè)2座，每座處理規(guī)模為1.5萬(wàn)m3/d，可獨(dú)立運(yùn)行。絮凝沉淀池總長(zhǎng)為5.3 m、寬為11 m、池深約4.9 m。

絮凝池進(jìn)口設(shè)機(jī)械混合池，與絮凝池相對(duì)應(yīng)，混合時(shí)間為50 s。內(nèi)設(shè)立式攪拌器一臺(tái)；機(jī)械絮凝池絮凝時(shí)間為18 min，共設(shè)三檔絮凝室，第一、二、三檔絮凝攪拌器葉輪邊緣槳板中心點(diǎn)線速度分別為0.4～0.5 m/s、0.3～0.4 m/s、0.2～0.3 m/s。

沉淀池采用斜管加強(qiáng)型平流沉淀池。斜管沉淀池部分在前，單格尺寸8.5 m×11 m（為上向流型）、表面負(fù)荷 9.0 m3/m2·h、斜管管徑為 40 mm、斜長(zhǎng)為1.0 m、清水區(qū)的保護(hù)高度為1.2 m、底部配水區(qū)高度為1.8 m。采用三角堰集水槽，溢流負(fù)荷為154 m3/m2·d。平流沉淀池部分在后，單格尺寸22.3 m×11 m。由于冬季低溫低濁原水條件下，產(chǎn)生的絮凝物較小較多，因此應(yīng)適當(dāng)增加停留時(shí)間，平流沉淀池沉淀時(shí)間為1 h、水平流速為4.74 mm/s，出水采用長(zhǎng)指型槽集水，溢流負(fù)荷為190 m3/m2·d。

3.1.2 均質(zhì)濾料氣水反沖V型濾池

設(shè)計(jì)規(guī)模為3萬(wàn)m3/d、濾速為6.7 m/h。濾池采用單層石英砂濾料，粒徑d10＝0.90 mm，不均勻系數(shù)K80＝1.4、厚度為1.2 m；下層再設(shè)置粗砂層，厚度為50 mm、粒徑為2.0～4.0 mm。反沖洗方式為氣水反沖，空氣沖洗強(qiáng)度為 55 m3/m2·h，反沖時(shí)間為 2 min。由于濾料粒徑較小，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，為防止跑砂現(xiàn)象發(fā)生，氣水同時(shí)沖洗時(shí)反沖水強(qiáng)度取較低值（7.5 m3/m2·h），沖洗時(shí)間為 4 min；單水沖洗時(shí)反沖水強(qiáng)度為 15 m3/m2·h、沖洗時(shí)間為 6 min；表面掃洗強(qiáng)度為6.7 m3/m2·h，布水布?xì)庀到y(tǒng)采用長(zhǎng)柄濾頭。

3.2 深度處理工藝構(gòu)筑物

深度處理工藝構(gòu)筑物主要包括臭氧接觸池及活性炭吸附池，本工程將二者結(jié)合布置。

臭氧接觸池設(shè)計(jì)規(guī)模為3萬(wàn)m3/d，分兩組，每組規(guī)模為1.5萬(wàn)m3/d，采用堰板配水，有效水深為6.3 m。臭氧最大投加量為2.0 mg/L，分別導(dǎo)入臭氧接觸池三個(gè)接觸室，第一、第二接觸室接觸時(shí)間為4 min，臭氧總接觸時(shí)間約16 min。臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式，擴(kuò)散器設(shè)置于接觸池底部。

活性炭吸附池一期規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d、設(shè)計(jì)濾速為7.9 m/h。炭床吸附停留時(shí)間為16 min，當(dāng)1格炭濾池反沖洗或者檢修時(shí)，濾速調(diào)整為10.0 m/h。活性炭吸附池濾料采用擠壓成型的具有相應(yīng)粒徑級(jí)配的不定型顆粒炭，濾床厚度為2 m，級(jí)配采用8目×30目（相當(dāng)于2.38 mm×0.60 mm），不均勻系數(shù)為1.90～2.00。承托層為石英砂，顆粒粒徑為2～4 mm、厚度為250 mm。池體下部設(shè)濾板濾頭，保證出水均勻。反沖洗方式為單獨(dú)氣沖加單獨(dú)水沖洗，氣沖強(qiáng)度為 55 m3/m2·h，水沖強(qiáng)度為 25 m3/m2·h。

3.3 污泥處理工藝構(gòu)筑物

3.3.1 排泥水調(diào)節(jié)池及回用水池

排泥水調(diào)節(jié)池及回用水池下疊于臭氧車間，土建按6.0萬(wàn)m3/d規(guī)模設(shè)計(jì)、設(shè)備按3.0萬(wàn)m3/d規(guī)模安裝。沉淀池排泥水通過重力流排入排泥水調(diào)節(jié)池，排泥水調(diào)節(jié)池設(shè)1座，有效容量設(shè)為400 m3；砂濾池、活性炭濾池反沖洗廢水全部納入回用水池中，回用水池調(diào)節(jié)容量約為600 m3。

3.3.2 污泥濃縮池

本工程污泥濃縮池土建按照遠(yuǎn)期6萬(wàn)m3/d規(guī)模建造，投加PAM的前提下，在濃縮池泥水分離區(qū)設(shè)置斜長(zhǎng)為2 m的斜板，并在池中設(shè)置刮泥濃縮機(jī)以加強(qiáng)濃縮效果。近期運(yùn)行時(shí)，以較小負(fù)荷每天運(yùn)行 24 h。濃縮池設(shè)計(jì)固體負(fù)荷約 53 kgTDS/m2·d，濃縮池底部濃縮底流污泥出泥含固率大于3%，上清液達(dá)標(biāo)后排放。

3.3.3 脫水機(jī)房

污泥平衡池疊于脫水機(jī)房下部建造，設(shè)1座，有效容量設(shè)為80 m3、單格平衡池平面尺寸9 m×14.5 m。內(nèi)設(shè)水下攪拌器，以防止污泥沉積。

4 特點(diǎn)分析與總結(jié)

（1）針對(duì)東風(fēng)水庫(kù)低溫低濁的特點(diǎn)及工程水量較小的特征，選用可調(diào)式機(jī)械混凝工藝，采用“斜管加強(qiáng)型平流沉淀池+均粒濾料氣水反沖V型濾池”進(jìn)行常規(guī)處理?？紤]到原水中有機(jī)物含量不高，凈水廠現(xiàn)場(chǎng)地形高差較大，交流島居民對(duì)飲用水口感要求較高等情況，采用“臭氧接觸+下向流單層生物活性炭”工藝進(jìn)行深度處理，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

（2）采用組合池方式，將機(jī)械絮凝池、斜管加強(qiáng)平流沉淀池、均質(zhì)砂濾池、后臭氧接觸池、活性炭濾池、反沖洗泵房及鼓風(fēng)機(jī)房集中建造。另外排泥水調(diào)節(jié)池及回用水池疊于臭氧車間下部，污泥平衡池疊于脫水機(jī)房下部，布局緊湊，節(jié)約了大量工程用地。

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