處理富營(yíng)養(yǎng)化水庫(kù)水的模塊化水廠設(shè)計(jì)

張 碩，馬延強(qiáng)，鄒偉國(guó)

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

某新建凈水廠工程一期設(shè)計(jì)規(guī)模為1．5萬(wàn)m3/d，總規(guī)模為3．0萬(wàn)m3/d。水源為水庫(kù)水，原水水質(zhì)基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但具有低濁、含藻、有機(jī)物含量較高等特點(diǎn)。典型水質(zhì)指標(biāo)為，冬季時(shí)水溫為2～3℃，pH值為8．1 ～8．2，溶解氧為13 ～14 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)為3．2 ～3．5 mg/L，BOD5為 1．9 ～2．1 mg/L，氨氮為0．1 ～0．15 mg/L，葉綠素 a 為 1．3 ～2．5 μg/L。夏季時(shí)水溫為27 ～32 ℃，pH 值為8．3～8．4，溶解氧為8．5 ～8．7 mg/L，高錳酸鹽指數(shù)為 3．4 ～3．6 mg/L，BOD5為 1．1 ～1．7 mg/L，氨氮為0．08 ～0．09 mg/L，葉綠素 a為8 ～9 μg/L。

1 凈水工藝流程

凈水工藝流程如圖1所示。

圖1 水處理系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig．1 Flow Chart of Water Treatment Processes

預(yù)加氯:可改善低濁原水下的混凝條件、減少混凝劑用量，提高沉淀效率［1］，同時(shí)去除部分色度。預(yù)加氯對(duì)藻類有一定的去除效果，并且可改善后續(xù)工藝的除藻效果［2］。

粉末活性炭:應(yīng)對(duì)突發(fā)的原水水質(zhì)變化，減少有機(jī)物含量，降低水中MIB等嗅味物質(zhì)濃度［3］。

混凝(包括混合絮凝)沉淀和砂濾:有效去除濁度、有機(jī)物、氨氮，并改善消毒條件。

氣浮:具有較高除藻效率，應(yīng)對(duì)低濁下藻及其引起的藻毒素和嗅味問(wèn)題［4］。

活性炭吸附池:以遠(yuǎn)期填裝活性炭的方式進(jìn)行預(yù)留，以滿足將來(lái)進(jìn)一步保障水質(zhì)安全和提高供水水質(zhì)的要求。

后加氯:對(duì)出廠水作最終的消毒，保證出廠水的衛(wèi)生安全。

2 凈水設(shè)施模塊化形式

目前，水處理構(gòu)筑物形式多以鋼筋混凝土為主，具有占地面積大、施工周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。隨著水處理材料的快速發(fā)展、設(shè)備安全可靠性的不斷提高、土地資源的日益緊缺，出現(xiàn)了各工藝集成為一體的模塊化水處理設(shè)備。凈水廠系統(tǒng)可劃分為多個(gè)模塊單元，每個(gè)單元均采用壓力均衡裝置，單元內(nèi)部則直接采用輕質(zhì)、無(wú)毒、耐腐的材料進(jìn)行間隔，簡(jiǎn)化了施工難度，提高了空間利用率和土地利用率，具有占地小、工期短、分期實(shí)施方便、系統(tǒng)組合變換靈活、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合本工程規(guī)模，采用模塊化的建設(shè)方式，本凈水設(shè)施具有以下主要特點(diǎn):

(1)模塊化設(shè)備占地面積小，僅為傳統(tǒng)模式的1/8～1/6;

(2)設(shè)備建造采用工廠化生產(chǎn)模式生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)高、質(zhì)量好、工期短、投資少、見(jiàn)效快，其中工期可縮短1/3～1/2，成本減少30% ～50%;

(3)通過(guò)使用輕質(zhì)、無(wú)毒、耐腐材料，并采用鋼構(gòu)混凝土內(nèi)襯外噴復(fù)合技術(shù)，解決了防腐問(wèn)題，保證了使用壽命;

(4)自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，不僅實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)及智能化，還具有遠(yuǎn)程遙控、監(jiān)視、數(shù)據(jù)共享等功能;

(5)建設(shè)和生產(chǎn)具有靈活性、可調(diào)性、應(yīng)急性，既可快速進(jìn)行分期建設(shè)，又可根據(jù)用水量自動(dòng)調(diào)整投入運(yùn)行的模塊數(shù)量;

(6)設(shè)備置于車間，使水處理系統(tǒng)從室外轉(zhuǎn)到室內(nèi)，避免二次污染，管理方便，安防可靠。

3 總平面布置

凈水廠位于水庫(kù)旁邊，總規(guī)模占地為22 764 m2，現(xiàn)狀場(chǎng)地標(biāo)高約為3．5～6．4 m。室外設(shè)計(jì)標(biāo)高根據(jù)地勢(shì)地貌，基本控制在5．0 m。

土建設(shè)計(jì)規(guī)模為3．0萬(wàn)m3/d，一期設(shè)備規(guī)模為1．5 萬(wàn) m3/d。

總平面布置如圖2所示，功能上，主要分為常規(guī)處理和排泥水處理工程，相對(duì)獨(dú)立布置。預(yù)反應(yīng)池和一級(jí)泵房位于鄰近水庫(kù)的北側(cè)。常規(guī)處理工藝位于廠區(qū)中央，自西向東采用直線型布置。在模塊化設(shè)備車間南側(cè)設(shè)水質(zhì)檢測(cè)間。因脫水設(shè)備噪音大、泥餅外運(yùn)量較大，故排泥水處理區(qū)設(shè)于廠區(qū)西南角。濃縮池上清液排放管排至回用水池，脫水機(jī)濾出液與水廠生活污水排至城市道路的污水管道。綜合樓與水庫(kù)泵站合用，不屬于本工程建設(shè)內(nèi)容。

圖2 水廠總平面示意圖Fig．2 General Layout Plan of Water Treatment Plant

雨水、污水分流。雨水收集后排至市政雨水管網(wǎng)，重現(xiàn)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3年一遇。雨水管管徑大于等于500 mm采用鋼筋混凝土管，小于500 mm采用UPVC管。污水經(jīng)收集后，從廠區(qū)南側(cè)排入市政污水管網(wǎng)。

水廠自用水管線采用球墨鑄鐵管，呈環(huán)狀和樹(shù)狀布置，管徑為DN100。室外消火栓設(shè)8套，用于消防和沖洗水池。加混凝劑和加氯采用UPVC管，均設(shè)于加藥管溝。

廠區(qū)主干道路寬為6 m，次干道寬為6 m和4 m，形成環(huán)行道路，轉(zhuǎn)彎半徑為6～10 m。構(gòu)筑物的人行便道寬為1．2～2 m。

4 凈水單體工藝設(shè)計(jì)

4．1 預(yù)反應(yīng)池

預(yù)反應(yīng)池可按需投加粉末活性炭，接觸時(shí)間為45 min，可有效應(yīng)對(duì)原水水質(zhì)較差時(shí)所引起的嗅味和有機(jī)物問(wèn)題［5］。當(dāng)預(yù)反應(yīng)池停用或者檢修時(shí)，原水經(jīng)過(guò)管路超越，進(jìn)入模塊化設(shè)備車間。

4．2 一級(jí)泵房

泵房?jī)?nèi)共設(shè)4個(gè)泵位，采取大小泵組合，一期安裝2 臺(tái)臥式離心泵 (Q=420 m3/hr，H=10．5 m)，1用1備，遠(yuǎn)期增加1臺(tái);1臺(tái)臥式離心泵(Q=210 m3/hr，H=10．5 m)，遠(yuǎn)期不變。

4．3 模塊化設(shè)備

依據(jù)多介質(zhì)截留吸附系統(tǒng)工藝中雙層濾床的正常運(yùn)行所需高度和材料規(guī)格的要求，單元凈水模塊的總體高度為5．41 m，有效水深取4．9 m。為了運(yùn)輸時(shí)道路的可通過(guò)性，凈水模塊寬度取4．0 m。車間共設(shè)3個(gè)模塊，單個(gè)模塊設(shè)計(jì)水量為218．75 m3/h。

(1)混合工藝

當(dāng)?shù)厮畯S均采用管道靜態(tài)混合器，效果良好，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較豐富。因此，采用該形式作為混合工藝，可發(fā)揮有效利用富余水頭、維護(hù)工作量小、不產(chǎn)生運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)［6］。

(2)絮凝工藝

絮凝池采用穿孔旋流絮凝池，在該模塊化凈水設(shè)備中取8格，各格之間的隔墻上沿池壁開(kāi)孔，孔口上下交錯(cuò)布置。水流沿池壁切線方向進(jìn)入后形成旋流。第一格孔口尺寸最小，流速最大，水流在池內(nèi)旋流轉(zhuǎn)速也最大，而后孔口尺寸逐漸增大，流速逐格減小。起點(diǎn)孔口流速取0．8 m/s，末端孔口流速取0．2～0．3 m/s。沉淀和氣浮工況下，通過(guò)分格運(yùn)行，絮凝時(shí)間分別為21 min和16．5 min。

(3)沉淀/氣浮工藝

通過(guò)優(yōu)化單元凈水模塊的進(jìn)水和出水系統(tǒng)，在同一構(gòu)筑物內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣浮或沉淀模式。

沉淀工藝采用異向流斜管沉淀池，有效尺寸長(zhǎng)度為7．82 m，寬度為3．68 m，有效水深為4．8 m。沉淀負(fù)荷為7．6 m3/(m2·h)。配水區(qū)高度為1．5 m，清水區(qū)高度為1．2 m，斜管管徑為30 mm，斜長(zhǎng)為1．0 m，傾角為60°。池底設(shè)集泥區(qū)，集泥區(qū)高度為0．98 m，采用DN300穿孔管排泥。

氣浮采用成熟可靠的部分回流壓力溶氣法，對(duì)不同藻類的去除有著廣泛的適應(yīng)性，氣浮浮渣的含固率可達(dá)到3%以上，滿足浮渣后續(xù)處理的要求［7］。接觸區(qū)有效尺寸長(zhǎng)度為1．5 m，寬度為3．68 m，高度為5．41 m，接觸區(qū)上升流速為11 mm/s。分離區(qū)有效尺寸長(zhǎng)度為8．32 m，寬度為3．68 m，有效水深為4．8 m，分離區(qū)水力負(fù)荷為 7．1 m3/(m2·h)。池頂設(shè)刮渣機(jī)一臺(tái)，刮渣機(jī)可變頻調(diào)速。溶氣壓力為0．5 MPa，回流比取10%。每臺(tái)設(shè)備配套溶氣罐三臺(tái)，單臺(tái)尺寸φ250×3 000 mm?；亓魉迷O(shè)一臺(tái)，流量為22 m3/h，揚(yáng)程為50 m，功率為5．5 kW。空壓機(jī)兩臺(tái)，一用一備，氣量為 0．45 m3/min，壓力為0．7 MPa。

(4)多介質(zhì)截留吸附工藝

過(guò)濾采用單層石英砂均質(zhì)濾料，有效粒徑d10=0．9 mm，k80=1．4，L/d為 1333 在較好的 1 200 ～1 400范圍之內(nèi)［8］。設(shè)計(jì)濾速為 9．5 m/h，濾層厚為1．2 m，承托層厚為50 mm，粒徑為2～4 mm，清水區(qū)高度為 1．5 m。

單元內(nèi)預(yù)留活性炭池，疊合于砂濾池下方。當(dāng)水質(zhì)惡化時(shí)，填加活性炭濾料進(jìn)行吸附過(guò)濾。活性炭層設(shè)計(jì)填裝高度為500 mm，顆粒粒徑為2～4 mm，下設(shè)50 mm承托層，承托層粒徑為4～8 mm。吸附池面積為22．08 m2，反沖強(qiáng)度取13 L/(m2·s)，沖洗時(shí)間為10 min，沖洗周期為6 d。

(5)清水池

清水池容量按23%，共設(shè)2座，每座約3 500 m3清水池，并排布置，總?cè)莘e約7 000 m3，池深約4．0 m。為了防止水質(zhì)污染，設(shè)溢流井。

(6)吸水井及二級(jí)泵房

吸水井分兩格，互相連通。

當(dāng)?shù)赜盟孔兓^大，并且建成初期供水量較小。二級(jí)泵房采用大小泵組合與變頻調(diào)速的集成節(jié)能方法，實(shí)現(xiàn)0．5～3．0萬(wàn)m3/d工況要求。二級(jí)泵房時(shí)變化系數(shù)為1．5，共設(shè)8個(gè)泵位，其中2臺(tái)為反沖洗泵。反沖洗泵為臥式離心泵(Q=1 260 m3/h，H=16．2 m)2臺(tái)，1用1備。輸送出廠水的臥式離心泵(Q=625 m3/h，H=55 m)近期 2 臺(tái)，變頻，1 用1備，遠(yuǎn)期增加2臺(tái);臥式離心泵(Q=160 m3/h，H=55 m)近期2臺(tái)，變頻，近期為2用，遠(yuǎn)期1用1備。泵房出水總管設(shè)置計(jì)量設(shè)備閥門井。

泵房為半地下式泵房。地下深度約為3 m，地上高度為6．75 m。泵房一側(cè)設(shè)變電所及其配電設(shè)施。

(7)排泥水調(diào)節(jié)池及回用水池

排泥水調(diào)節(jié)池和回用水池以疊合式形式合建。排泥水調(diào)節(jié)池位于上層，按二組沉淀池同時(shí)排泥計(jì)算，容積約350 m3，分二格，一期設(shè)2臺(tái)潛水泵，平時(shí)1用1備，應(yīng)急時(shí)2用。為防止泥沉積，設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)1臺(tái)。

回用池位于下層，收集砂濾池以及活性炭濾池反沖洗水。按二格濾池同時(shí)沖洗并且二格同時(shí)排放初濾水計(jì)算，容積約350 m3，一期設(shè)2臺(tái)潛水泵，平時(shí)1用1備，應(yīng)急時(shí)2用。廢水經(jīng)提升送至預(yù)反應(yīng)池前回用。為防止泥沉積，設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)1臺(tái)。

(8)加氯加藥間

當(dāng)?shù)厮畯S大多采用二氧化氯消毒工藝，其消毒效果及制備設(shè)備運(yùn)行情況均較好。因此，選用二氧化氯作為水廠的消毒劑。預(yù)加氯最大加注量為1．5 mg/L(以有效氯計(jì))，加注點(diǎn)位于預(yù)反應(yīng)池出水管道，加注點(diǎn)1個(gè)。后加氯最大加注量為1．0 mg/L(以有效氯計(jì))，加注點(diǎn)位于清水池進(jìn)水總管道，加注點(diǎn)1個(gè)。

加礬采用液體聚合氯化鋁(原液含Al2O3的有效濃度為10%)。最大加注量為10～15 mg/L，加注點(diǎn)位于管式混合器前，加注點(diǎn)3個(gè)。

(9)加粉炭間

粉末活性炭加注量為5～20 mg/L，加注濃度為5%，僅作為應(yīng)急使用。加注點(diǎn)位于預(yù)反應(yīng)池進(jìn)水管道，加注點(diǎn)1個(gè)。

5 工程投資

工程投資中未包括征地費(fèi)用。工程總投資近6 000萬(wàn)元，其中第一部分工程費(fèi)用4 800多萬(wàn)元，第二部分其他費(fèi)用700多萬(wàn)元，工程預(yù)備費(fèi)270多萬(wàn)元，建設(shè)期貸款利息130多萬(wàn)元，鋪底流動(dòng)資金30萬(wàn)元。

6 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)針對(duì)水庫(kù)水，采用預(yù)氯化+粉末活性炭應(yīng)急+雙模式常規(guī)處理的現(xiàn)代多屏障組合工藝，并且以季節(jié)性氣浮替換沉淀的雙模式切換工藝，適當(dāng)放低砂濾池的濾速和遠(yuǎn)期生物活性炭濾池的濾速等設(shè)計(jì)參數(shù)，充分發(fā)揮生物作用，有效應(yīng)對(duì)藻類和嗅味問(wèn)題。

(2)氣浮和沉淀集約化布置于同一單體，通過(guò)優(yōu)化進(jìn)水和出水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣浮或沉淀的雙模式運(yùn)行，且無(wú)空間浪費(fèi)。

(3)以疊合式形式布置過(guò)濾池及吸附池、排泥水調(diào)節(jié)池及回用水池，充分利用了空間，發(fā)揮了土地效率。

(4)常規(guī)工藝和深度處理工藝采取模塊化設(shè)備方式，占地面積僅為傳統(tǒng)建設(shè)模式的1/8～1/6，工期可縮短1/3～1/2，成本減少了30% ～50%，并且將水處理過(guò)程從室外轉(zhuǎn)到室內(nèi)，避免了污染、紅蟲(chóng)等問(wèn)題，方便管理和安防。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)有機(jī)物含量較高、季節(jié)性含藻的水庫(kù)水，采用化學(xué)預(yù)處理+吸附應(yīng)急+雙模式常規(guī)處理的組合工藝，投產(chǎn)后出廠水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)。

(2)解決水庫(kù)水的藻類和嗅味問(wèn)題的優(yōu)化方法包括以氣浮季節(jié)性替換沉淀的雙模式切換工藝，將砂濾濾速和活性炭濾速等工藝設(shè)計(jì)參數(shù)均取較低值，充分發(fā)揮生物作用。

(3)水廠可采用模塊化設(shè)備形式，簡(jiǎn)化施工難度，提高凈水設(shè)施內(nèi)部的空間利用率和土地利用率，并具有工期短、分期實(shí)施方便、系統(tǒng)組合變換靈活、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

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