北方某開發(fā)區(qū)凈水廠工藝設(shè)計問題探討

王建西

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司， 天津 3000381)

1 水廠概況

北方某開發(fā)區(qū)位于環(huán)渤海地區(qū)，現(xiàn)有工業(yè)企業(yè)70多家，人口5萬余人，工業(yè)以海鹽、氯堿、純堿、化纖、有機硅等產(chǎn)品為主，具明顯的海洋工業(yè)特征，是當(dāng)?shù)卣耙愿叟d市”戰(zhàn)略的重要組成部分。

該開發(fā)區(qū)凈水廠(以下簡稱開發(fā)區(qū)凈水廠)建成以前，開發(fā)區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)生活用水依靠分散在區(qū)內(nèi)的8眼水井。供水方式為分散直供，無處理設(shè)施，也未進行消毒。單眼水井的出水量在30～80 m3/h，總供水量約為1×104m3/d。由于井水為淺層地下水，含細(xì)沙，硬度高，易結(jié)垢，且受到不同程度污染，不能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求。凈水廠以水庫水為水源，設(shè)計規(guī)模為4×104m3/d，規(guī)劃分兩期實施，一、二期各為2×104m3/d。凈水廠總平面按一期布置，預(yù)留了二期用地。

考慮水廠自用水量，一期工程構(gòu)筑物處理能力按2.2×104m3/d設(shè)計，2014年底建成運行至今。水廠供水量逐年大幅增長， 2015年為(0.8～1.0)×104m3/d，2016年為(1.0～1.2)×104m3/d，2017年為(1.2～1.5)×104m3/d。實際運行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)城市需水量在2017年末、2018年初增長至1.5×104m3/d左右，構(gòu)筑物處理能力卻無法繼續(xù)增長。超過該供水量時，不但斜管沉淀池礬花大量上浮，很快堵塞翻板濾池(砂濾池)，而且臭氧接觸池池頂冒水，系統(tǒng)不能正常運行。雖然進行了檢修，但是改善效果不大。

目前用水量已接近水廠實際處理能力的極限，且作為當(dāng)?shù)匚ㄒ凰?，水廠難以停產(chǎn)改造。因此對問題進行分析，以期找出原因并提出切實可行的解決辦法。

2 一期工程設(shè)計參數(shù)

一期工程采用常規(guī)處理+深度處理+污泥處理工藝，流程見圖1。常規(guī)處理工藝采用機械絮凝、上向流斜管沉淀、翻板濾池(石英砂濾料)過濾，構(gòu)筑物位于主凈水間內(nèi)。深度處理構(gòu)筑物包括中間提升泵房、臭氧接觸池和活性炭濾池(翻板濾池形式)。翻板濾池和活性炭濾池共用1套反沖洗系統(tǒng)。污泥處理系統(tǒng)主要由排泥池、污泥濃縮池、污泥脫水機房組成，污泥采用離心脫水。

圖1 水廠工藝流程Fig.1 Flow chart of the waterworks

2.1 絮凝沉淀池

2.1.1 混合池

采用立軸式機械混合攪拌機，JWH-1.2×1.2×4.95，雙層槳葉，共2套(5.5 kW/套)，變頻調(diào)速。

2.1.2 反應(yīng)池

絮凝反應(yīng)區(qū)設(shè)計停留時間為17.5 min，分為2個反應(yīng)區(qū)，一級、二級和三級反應(yīng)均采用2套LJF-2875立軸式機械反應(yīng)攪拌機，單層全高槳板，變頻調(diào)速，其中：一級反應(yīng)，0.55 kW/套，邊緣線速度為0.5 m/s；二級反應(yīng)，0.37 kW/套，邊緣線速度為0.35 m/s；三級反應(yīng)，0.18 kW/套，邊緣線速度為0.2 m/s。

2.1.3 斜管沉淀池

沉淀區(qū)設(shè)計表面負(fù)荷為6.74 m3/(m2·h)。斜管安裝角度為60°，材質(zhì)為乙丙共聚，外接圓直徑為50 mm。采用桁架式吸泥機，軌距為10.45 m，池深為4.65 m。進水采用配水花墻，出水槽采用不銹鋼三角堰。

2.2 翻板濾池

一期工程采用翻板濾池工藝。翻板濾池共分3格，單格過濾面積為40 m2。濾池總高度為4.65 m，承托層厚度為0.40 m，石英砂層厚度為1.3 m，配水配氣區(qū)高1.15 m。石英砂粒徑為0.6～1.2 mm，K80<1.30。最大濾速為7.67 m/h，最大強制濾速為11.5 m/h。氣沖強度為13.3 L/(m2·s)，氣水聯(lián)合沖洗時水沖強度為5.45 L/(m2·s)，單獨水沖強度為10.9 L/(m2·s)。配水采用拱形(面包管)布水布?xì)庀到y(tǒng)。

2.3 臭氧接觸池和活性炭濾池

臭氧接觸池設(shè)計2套系統(tǒng)并聯(lián)運行，每套系統(tǒng)設(shè)計三級投加，并設(shè)置接觸填料層。一級、二級采用給水用焦炭填料，粒徑為4～6 mm；三級采用活性炭填料，粒徑為4～6 mm。臭氧接觸池的設(shè)計接觸時間為16.3 min，填料高度為1.5 m。

生物活性炭濾池采用翻板濾池形式，活性炭粒徑為0.9～1.1 mm，厚度為3 m。活性炭填料下敷石英砂，粒徑在0.6～1.2 mm，厚度為0.4 m。卵石墊層厚度為0.25 m。活性炭池分為4格，單格過濾面積為20 m2，濾速為11.45 m/h，接觸時間為15.7 min。

一期工程運行以來原水水質(zhì)較好，基本達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，濁度最大值為9 NTU。夏季原水為微污染水質(zhì)，最高COD為9 mg/L。水廠出水水質(zhì)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求。

3 存在的問題分析

3.1 上向流斜管沉淀池

上向流斜管沉淀池的優(yōu)點是沉淀效率高、占地小、投資省，其缺點是對水質(zhì)水量變化的適應(yīng)能力較差，對配水、出水條件要求較為苛刻，表面負(fù)荷率、配水、出水條件是設(shè)計時應(yīng)重點把握的因素。

水質(zhì)因素與礬花上浮現(xiàn)象關(guān)系不大[1]，只要藥劑投加量恰當(dāng)，原水水質(zhì)的變化不會影響沉淀池出水水質(zhì)。水量的變化(即水力條件的變化)是影響出水水質(zhì)的關(guān)鍵因素。

水庫水在夏季通常會有藻類產(chǎn)生，但該水廠實際運行中原水藻類并不嚴(yán)重，而且礬花上浮嚴(yán)重的現(xiàn)象在不同季節(jié)均有發(fā)生。此外，同一城市內(nèi)也采用斜管沉淀池的其他水廠，并無該現(xiàn)象發(fā)生。因此可以認(rèn)為，礬花上浮與季節(jié)及水質(zhì)變化關(guān)系不大，僅與處理水量增加有關(guān)。

3.1.1 表面負(fù)荷率

表面負(fù)荷率是上向流斜管沉淀池的重要設(shè)計參數(shù)之一，應(yīng)按相似條件下的運行經(jīng)驗確定?！妒彝饨o水設(shè)計規(guī)范》中此參數(shù)為5～9 m3/(m2·h)[2]，北方寒冷地區(qū)宜取低值?！兜蜏氐蜐崴o水處理設(shè)計規(guī)范》采用5.4～7.2 m3/(m2·h)。

該水廠上向流斜管沉淀池的設(shè)計表面負(fù)荷為6.74 m3/(m2·h)。斜管下方設(shè)計有縱橫2道共4道、寬度為300 mm的托架梁，用螺紋鋼筋網(wǎng)搭在托架梁以支撐斜管。除托架量所占面積外，實際表面負(fù)荷率為7.8 m3/(m2·h)。經(jīng)了解，當(dāng)?shù)赜兴畯S也采用上向流斜管沉淀池，表面負(fù)荷率為7.6 m3/(m2·h)，運行十余年的出水效果始終很好。兩者的實際表面負(fù)荷率相近，因此可以認(rèn)為斜管形式適宜應(yīng)用于當(dāng)?shù)卦|(zhì)。

3.1.2 出水條件

該水廠采用不銹鋼集水槽，鋸齒堰出水。單座沉淀池設(shè)置5條集水槽，集水槽間距為1.50 m，清水區(qū)高度為0.97 m。

參考凈水廠設(shè)計[3]，按集水槽間距1.5 m計算，清水區(qū)高度應(yīng)不小于1.3 m。《室外給水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定斜管沉淀池清水區(qū)保護高度不宜小于1.0 m[2]。實際工程中也有清水區(qū)高度較小，出水水質(zhì)依然較好的案例。因此開發(fā)區(qū)凈水廠斜管沉淀池清水區(qū)保護高度雖然略小，但與規(guī)范相比并不離譜，出水槽平整度尚可，可以認(rèn)為其不是造成礬花上浮的主要因素。

3.1.3 配水條件

上向流斜管沉淀池抗沖擊負(fù)荷的能力只有平流沉淀池的十分之一到三分之一。上向流斜管沉淀池的進水區(qū)只占總?cè)莘e的三分之一左右，因此進水口配水是否均勻和穩(wěn)定對其的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對平流沉淀池[4]。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計指南：沉淀池“配水區(qū)的高度一般應(yīng)保持進口斷面處(不包括集泥高度)的流速不大于0.02～0.05 m/s”、配水花墻“穿孔流速規(guī)定不超過反應(yīng)池末端的反應(yīng)流速，一般在0.10 m/s以下”[3]；沉淀池配水花墻“穿孔流速小于0.08～0.10 m/s”[5]；平流沉淀池水平流速不大于40 cm/min(6.67 mm/s)，配水花墻開孔率標(biāo)準(zhǔn)為6%，按此計算得到過孔流速不大于0.11 m/s[6]。

惠州市某水廠斜管沉淀池出現(xiàn)礬花上浮現(xiàn)象[7]，采取多種措施進行改造后，配水花墻過孔流速在0.096 m/s以下，最終實現(xiàn)了滿意的出水效果。

大連市某凈水廠規(guī)模為40×104m3/d，其斜管沉淀池配水區(qū)穿孔流速為0.09 m/s，沉淀池出水濁度小于2 NTU，出廠水濁度在0.2～0.3 NTU，水質(zhì)優(yōu)良。

開發(fā)區(qū)凈水廠沉淀池配水花墻孔口直徑為100 mm，單側(cè)開孔3層共57個，計算滿負(fù)荷時過孔流速為0.28 m/s，一半負(fù)荷時過孔流速為0.14 m/s。過大的孔口流速不僅影響配水的穩(wěn)定性，還會將絮凝階段已經(jīng)形成的較大的礬花打碎，成為難以沉降的細(xì)小絮體，是造成沉淀池礬花上浮的根本原因。

3.2 翻板濾池

開發(fā)區(qū)凈水廠砂濾池和活性炭濾池均為下向流翻板濾池。翻板濾池閉閥沖洗，沖洗完畢后經(jīng)過短暫靜沉再開閥排水，因而沒有濾料流失，但也存在諸如翻板下的反沖洗廢水無法徹底排放、反沖洗后進水使濾料產(chǎn)生擾動等問題。

該水廠在實際運行中，翻板濾池出現(xiàn)沖洗不勻現(xiàn)象，清池檢修發(fā)現(xiàn)是濾料顆粒進入面包管內(nèi)堵塞造成。堵塞頻發(fā)，雖經(jīng)多次清池維修，但改善不大。砂濾池和活性炭濾池均有堵塞現(xiàn)象，尤以砂濾池較為嚴(yán)重。面包管堵塞一方面使濾水困難，另一方面造成反沖洗不均勻。

翻板濾池采用PE材質(zhì)的面包管作為配水、配氣系統(tǒng)。面包管上方有一排直徑為1.5 mm的開孔，拱腳處左右各有一排直徑為3.5 mm的開孔，用于反沖洗的布?xì)夂筒妓?/p>

與其它濾池不同，翻板濾池的承托層一般采用“粗-細(xì)-粗”的礫石分層方式。上層粗礫石防止中層細(xì)礫石在反沖洗過程中向上移動，中層細(xì)礫石防止濾料流失，下層粗礫石則支撐中層細(xì)礫石。通常情況下承托層厚度為0.45 m，分5層，粒徑級配布置由下至上依次為：8～16 mm，厚度為250 mm；4～8 mm，厚度為50 mm；2～4 mm，厚度為50 mm；4～8 mm，厚度為50 mm；8～16 mm，厚度為50 mm。江蘇省某縣10×104m3/d水廠翻板濾池即采用相同的設(shè)計。

也有采用兩層設(shè)計的，例如哈爾濱磨盤山水廠和深圳市寶安區(qū)福永鳳凰水廠。其中哈爾濱磨盤山水廠采用翻板濾池[8]，濾料和承托層如下：雙層濾料層厚度為1.5 m，上層無煙煤粒徑為1.4～2.5 mm，厚度為0.7 m；下層石英砂粒徑為0.7～1.2 mm，厚度為0.8 m；卵石濾料承托層中粒徑3～5 mm的厚度為0.20 m，粒徑8～12 mm的厚度為0.25 m。水廠于2006年底投入運行，效果良好，水質(zhì)優(yōu)良。

深圳市寶安區(qū)福永鳳凰水廠使用翻板濾池[9]，設(shè)計采用雙層濾料，上層無煙煤濾料厚度為0.7 m，下層石英砂厚為0.8 m，L/d有效=1.52。無煙煤：d=1.4～2.5 mm，k60<1.50；石英砂：d=0.8～1.2 mm，d10=0.70～0.75 mm，k60≤1.45。礫石承托層厚度為0.45 m，自上而下采用由細(xì)到粗的分層布置方式，細(xì)礫石d=3.0～5.6 mm，粗礫石d=8.0～12.0 mm。

開發(fā)區(qū)凈水廠翻板砂濾池和翻板活性炭濾池承托層設(shè)計厚度分別為0.40和0.35 m。濾料采用石英砂均質(zhì)濾料，標(biāo)準(zhǔn)有效粒徑為0.6～1.2 mm，K80≤1.3。

因此，分析認(rèn)為面包管易堵塞的原因在于承托層厚度不足，且粒徑、級配和分層不當(dāng)，運行中使大量顆粒物進入面包管內(nèi)，在過濾過程中堵塞出水，反沖洗時又反向堵塞?；钚蕴繛V池的設(shè)計與砂濾池相似，堵塞原因亦類似。

3.3 臭氧接觸池

臭氧接觸池和生物活性炭濾池集臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解于一體，用以去除水中微量的有機污染物。

該水廠臭氧接觸池不能滿負(fù)荷運行，當(dāng)水量在60%以上負(fù)荷(約1.2×104m3/d)時就會從池頂雙向呼吸閥處冒水。臭氧接觸池設(shè)計接觸時間為16.3 min，池內(nèi)裝填有3層焦炭、活性炭填料，總厚度為1.5 m。運行時池頂冒水，說明設(shè)計時對于填料的水頭損失計算有誤或估計不足。

此外，凈水廠還存在一些其它問題，例如：加氯加藥無自動控制投加，在線顯示儀表設(shè)計不全；濃縮池設(shè)計無排空管；反沖洗時清水池液位低于2 m時不能反沖洗(現(xiàn)已改造)；排水池容積較小，反沖洗排水時常冒水等。

4 解決措施探討

4.1 關(guān)于絮凝沉淀池

① 針對北方水庫水冬季低溫低濁的特點，應(yīng)合理選用和投加絮凝劑、助凝劑，適量增加泥渣回流，改善絮凝條件。

② 改造沉淀池配水孔，增大孔口面積，降低過孔流速至0.10 m/s以下，以改善配水水力條件，保證形成的礬花不被打碎。

③ 適當(dāng)增大清水區(qū)保護高度和配水區(qū)高度，使之符合規(guī)范要求，以改善沉淀池出水、配水和沉泥等水力條件。

④ 改造斜管的大梁支撐，例如可改為工程上常用的鋼板網(wǎng)支撐。鋼板厚度約為5～8 mm，寬度約為300 mm，間距約為500 mm。采用鋼板網(wǎng)支撐既可增加沉淀面積，又有助于改善斜管泥渣沉淀條件。

⑤ 增加放空管及閥門設(shè)計，改善沉淀池維護條件。

4.2 關(guān)于翻板濾池

針對翻板濾池，建議承托層采用“粗-細(xì)-粗”的礫石分層方式，或采用其它效果較好的方式，承托層采用合理的粒徑、級配和厚度。

4.3 臭氧接觸池

臭氧氧化的作用在于殺滅水中的細(xì)菌、病毒，氧化微量有機物質(zhì)(例如苯酚、洗滌劑、農(nóng)藥和生物難降解有機物等)，增加溶解氧，從而有利于后繼生物活性炭上好氧微生物的生長。因此，建議取消臭氧接觸池全部現(xiàn)有填料層，取消后不會對臭氧作用的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響，例如江蘇省某縣10×104m3/d水廠、河北省某縣南水北調(diào)5×104m3/d水廠項目中的臭氧接觸池都未使用填料。

5 結(jié)語

在進行水廠設(shè)計時，需要針對上向流斜管沉淀池的弱點采取必要的工程措施，并根據(jù)翻版濾池配水系統(tǒng)的特點實施必要的技術(shù)措施，細(xì)致準(zhǔn)確進行構(gòu)筑物的水力流程計算，在細(xì)節(jié)方面考慮周全。從而避免水廠實際處理能力達(dá)不到設(shè)計能力的問題，使水廠能夠持續(xù)滿足城市供水量增長的需求。