魏村水廠深度處理及利舊改造工程實(shí)例

閆東晗

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

常州市地處江蘇省南部、太湖平原西北部、長(zhǎng)江三角洲平原中部，屬“長(zhǎng)三角”沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，城市以先進(jìn)制造業(yè)和文化旅游業(yè)為重要特色。為滿足常州地區(qū)未來的供水需要，于2001年開始建設(shè)常州地區(qū)供水一期工程，包括新建長(zhǎng)江取水口和取水泵站、魏村水廠等。2005年后，又相繼開展魏村水廠續(xù)建工程以及禮河水廠等的建設(shè)。上述工程均采用絮凝-沉淀-砂濾-消毒的常規(guī)水處理工藝，它們的建成投產(chǎn)基本解決了“十一五”期間常州地區(qū)自來水的供需矛盾。

《江蘇省城市自來水關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/T 3701—2019)于2020年3月1日起實(shí)施，其中內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)為23項(xiàng)，19項(xiàng)嚴(yán)于國(guó)標(biāo)，包含附錄項(xiàng)目3項(xiàng)。隨著人民生活水平的提高，對(duì)城市供水的關(guān)注點(diǎn)從水量、水壓的關(guān)注，逐步轉(zhuǎn)向于水質(zhì)安全保障和常態(tài)化、穩(wěn)定的處理工藝。常州周邊以長(zhǎng)江作為飲用水水源的城市均實(shí)施了水廠深度處理工程，相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，深度處理工程對(duì)提高供水水質(zhì)和安全保障有積極作用，采用臭氧-生物活性炭處理工藝較常規(guī)水處理工藝能夠有效改善出廠水水質(zhì)，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值[1-2]。為提升城市供水水質(zhì)和服務(wù)，改善居民生活水平，實(shí)現(xiàn)從“合格水”向“優(yōu)質(zhì)水”的跨越，常州通用水司相繼推進(jìn)了常州第一水廠和魏村水廠深度處理改造工程的實(shí)施[3]。本文以魏村水廠為例，對(duì)魏村水廠的深度處理及利舊改造進(jìn)行分析，以期為相似改造工程提供參考。

1 工程概況

魏村水廠總規(guī)模為70萬m3/d，位于江蘇省常州市新北區(qū)的魏村地塊，占地面積為1.074×105m2。取水水源為長(zhǎng)江魏村飲用水水源地，取水口位于新德勝河上游200 m處的夾江，取水點(diǎn)伸入長(zhǎng)江500 m，采用3×DN2200自流鋼管，其樁架式頭部便于今后往江心延伸，平面布置如圖1所示。現(xiàn)狀水廠內(nèi)有兩組流程，其中，一期工程規(guī)模為30萬m3/d，于2001年實(shí)施，采用機(jī)械絮凝平流沉淀和V型濾池的常規(guī)工藝；2009年實(shí)施的二期工程規(guī)模為40萬m3/d，采用法國(guó)OTV公司的Multiflo絮凝高速沉淀+TGV濾池工藝[4]。出水水質(zhì)全年合格，處于國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)要求的限值以內(nèi)。對(duì)2011年—2015年出廠水水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，其中渾濁度的平均值為0.12 NTU，最高值為0.30 NTU，最低值為0.06 NTU，平均去除率可達(dá)到99.8%。但受制于常規(guī)處理工藝的去除特點(diǎn)，出水水質(zhì)中感官性狀和有機(jī)物等指標(biāo)還有待提高，如出廠水高錳酸鹽指數(shù)最高質(zhì)量濃度為2.00 mg/L。

圖1 魏村水廠原平面布置Fig.1 Layout of Weicun WTP before Reconstruction

鑒于長(zhǎng)江原水存在富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)及突發(fā)污染威脅，為落實(shí)《江蘇省政府辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的實(shí)施意見》，本工程考慮在不新征地原則下確保現(xiàn)有水廠規(guī)模不減少。對(duì)現(xiàn)有凈水構(gòu)建筑物進(jìn)行改造后，充分“挖潛”，并通過增設(shè)深度處理工藝提高供水保證度，從而使出水水質(zhì)達(dá)到更高的公司內(nèi)控指標(biāo)要求，如高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度不大于1.5 mg/L，甲醛質(zhì)量濃度不大于0.5 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度不大于0.5 mg/L。

2 存在的問題

經(jīng)過充分的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，水廠現(xiàn)狀常規(guī)處理工藝在運(yùn)行過程中存在問題包括如下幾點(diǎn)。

(1)取水點(diǎn)上下游存在水質(zhì)突發(fā)污染風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)江在魏村水廠取水口上下游發(fā)生過多起水質(zhì)污染的突發(fā)性危機(jī)事件，如2012年長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段苯酚污染事件、2013年食用油儲(chǔ)罐坍塌事故等。該類突發(fā)水質(zhì)污染事件具有高濃度污染、高危害性、高突發(fā)性的特征，對(duì)魏村水廠的正常生產(chǎn)構(gòu)成潛在威脅。

(2)受工業(yè)排放影響，原水可能存在有機(jī)微污染物。受上游工業(yè)排放影響，原水可能存在各類低濃度工業(yè)排放污染物,雖然這些物質(zhì)排放規(guī)律性不強(qiáng)、排江后已被快速稀釋，并未造成原水相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，但依然是水廠供水水質(zhì)安全的隱患。

(3)現(xiàn)有設(shè)備管理維護(hù)工作量較大，影響生產(chǎn)效益。例如，一期機(jī)械絮凝雖然效果尚好，但絮凝區(qū)共有64臺(tái)攪拌機(jī)，設(shè)備維護(hù)和檢修頻繁，常因攪拌機(jī)故障導(dǎo)致整條生產(chǎn)線停產(chǎn)，生產(chǎn)效益不佳。

3 升級(jí)改造工程方案

3.1 原水水質(zhì)總體分析

魏村水廠取水點(diǎn)處的長(zhǎng)江原水水質(zhì)較好，基本符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)優(yōu)于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。原水渾濁度在洪峰期可上升至600.00 NTU以上，但日檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均渾濁度僅為55.00 NTU；氨氮的平均值不高，TN質(zhì)量濃度偏高(1.31～3.23 mg/L)，說明原水存在一定的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)；溴離子質(zhì)量濃度低，均低于0.025 mg/L；鐵離子質(zhì)量濃度較高，最高達(dá)3.40 mg/L；高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)量濃度為1.20～3.90 mg/L。依據(jù)《生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，魏村水廠原水評(píng)判為二級(jí)水源水，水質(zhì)受輕度污染，具體如表1所示。

表1 魏村水廠原水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Raw Water Quality of Weicun WTP

因此，在確定凈水工藝時(shí)應(yīng)以某些超標(biāo)物質(zhì)的去除和控制水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)為重點(diǎn)目標(biāo)，并應(yīng)考慮應(yīng)對(duì)將來長(zhǎng)江原水突發(fā)污染的不利情況。同時(shí)，針對(duì)廠內(nèi)現(xiàn)狀運(yùn)行存在的問題予以有效改善。

3.2 深度處理工藝選擇

對(duì)于凈水深度處理工藝，國(guó)內(nèi)主要常用超濾膜、活性炭、臭氧-生物活性炭等。其中，臭氧-生物活性炭是目前應(yīng)用最為廣泛的深度處理工藝，運(yùn)行穩(wěn)定，管理運(yùn)行方面也積累了大量豐富的經(jīng)驗(yàn)。從現(xiàn)有原水水質(zhì)和相似水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，臭氧-生物活性炭工藝能有效應(yīng)對(duì)氨氮季節(jié)性超標(biāo)，也可較為經(jīng)濟(jì)地降低水中有機(jī)物含量，對(duì)出水水質(zhì)保障的可靠性較高。常州的原水水質(zhì)中溴酸鹽和溴離子的含量均較低，臭氧-生物活性炭?jī)羲に嚲哂泻軓?qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。另外，為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江魏村段原水可能發(fā)生的突發(fā)性污染事件，增設(shè)臭氧-生物活性炭工藝也可大大增加去除效果，增加水質(zhì)安全。因此，本次改造工程推薦采用臭氧-生物活性炭深度處理工藝，如圖2所示。

圖2 魏村水廠工藝流程Fig.2 Process Flow of Weicun WTP

3.3 水廠平面布置方案

常州魏村水廠現(xiàn)有常規(guī)處理工藝先進(jìn)、布局合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且使用年限不足12年，深度處理改造平面布置以不影響現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)、充分利用現(xiàn)有設(shè)施、兼顧節(jié)約工程投資為原則。水廠現(xiàn)狀廠區(qū)場(chǎng)地較為平整，標(biāo)高基本在3.500 m(1956年黃海高程系)左右?？捎糜诟脑旃こ探ㄔO(shè)的地塊主要為平流沉淀池以西、V型濾池南北兩側(cè)和二級(jí)泵房以東空地，也可拆除現(xiàn)有綜合樓以置換建設(shè)用地，如圖3所示，提出以下3個(gè)水廠總平面布置方案作比選，3種方案比較如表2所示。

圖3 魏村水廠總平面布置Fig.3 General Layout Scheme of Weicun WTP

表2 平面布置方案比較Tab.2 Comparison of General Layout Plans

布置一：拆除現(xiàn)有綜合樓置換建設(shè)用地。二級(jí)泵房以東空地新建后臭氧接觸池-生物活性炭濾池、綜合樓，V型濾池北側(cè)空地新建中間提升泵房和反沖洗泵房，機(jī)械絮凝池北側(cè)空地新建臭氧制備車間和液氧站。

布置二：拆除現(xiàn)有綜合樓置換建設(shè)用地。二級(jí)泵房以東空地新建活性炭濾池、反沖洗泵房和鼓風(fēng)機(jī)房、綜合樓、門衛(wèi)，V型濾池北側(cè)空地新建中間提升泵房和后臭氧接觸池，V型濾池南側(cè)空地新建臭氧制備車間和液氧站。

布置三：拆除現(xiàn)有綜合樓置換建設(shè)用地。二級(jí)泵房以東空地新建活性炭濾池、綜合樓，V型濾池北側(cè)空地新建中間提升泵房和后臭氧接觸池，V型濾池南側(cè)空地新建反沖洗泵房，機(jī)械絮凝池北側(cè)空地新建臭氧制備車間和液氧站。

本工程推薦采用平面布置二，雖然進(jìn)廠大門和門衛(wèi)需改建，但構(gòu)筑物布局緊湊、用電負(fù)荷集中，且基本按照流程布置。出廠管線無需改排，建設(shè)過程中能夠保證一期、二期生產(chǎn)運(yùn)行受到影響較小。

4 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)臭氧氧化設(shè)計(jì)

由于場(chǎng)地受限，本次新設(shè)預(yù)臭氧工藝采用管道式投加方式，接觸時(shí)間為3.00 min，最大投加量為0.5 mg/L，采用流量比例投加控制方式。水廠進(jìn)廠DN1600總管上設(shè)置2處管道混合器，采用不銹鋼材質(zhì)(標(biāo)號(hào)316 L)，上設(shè)臭氧投加管。為避免臭氧的強(qiáng)氧化性對(duì)現(xiàn)有管道的影響，經(jīng)分析，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)管線(投加點(diǎn)后至配水井)內(nèi)壁增加食品級(jí)氟碳涂料涂層，安全可靠。

4.2 中間提升泵房和后臭氧接觸池

由于現(xiàn)有流程，本次增設(shè)深度處理流程需進(jìn)行一次提升。結(jié)合用地條件限制，中間提升泵房和后臭氧接觸池進(jìn)行合建，總體設(shè)計(jì)規(guī)模為70萬m3/d。中間提升泵采用潛水泵型式，設(shè)有8臺(tái)(6用2備)，單泵流量為5 104 m3/h，揚(yáng)程為10 m，均設(shè)置變頻調(diào)速裝置，可靈活應(yīng)對(duì)生產(chǎn)能力的變化。后臭氧接觸池可分為獨(dú)立運(yùn)行的2組，每組2格，為提高臭氧的溶解和氧化效率，設(shè)置為三段接觸室串聯(lián)多點(diǎn)投加的方式。后臭氧的接觸時(shí)間共計(jì)7.89 min，設(shè)計(jì)投加量為0.5～1.0 mg/L。

提升泵房吸水井溢流接至清水池，利用溢流完成超越，實(shí)現(xiàn)深度處理和超越運(yùn)行的自分配，這一巧妙設(shè)計(jì)使水廠運(yùn)行工況多樣化，有利于降低水耗和生產(chǎn)成本。

4.3 活性炭濾池

活性炭濾池的池型選擇直接影響著處理效果、穩(wěn)定性。其中，翻板濾池在反沖洗系統(tǒng)、排水系統(tǒng)與濾料選擇方面雖然有新的技術(shù)性突破，但存在著工程投資較大、沖洗水耗大、污染物排放不徹底的問題。反之，普通快濾池具有出水水質(zhì)好、運(yùn)行周期長(zhǎng)、沖洗效果好且水量低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)絕大部分新建水廠中得以采用。且生產(chǎn)實(shí)踐表明，普通快濾池適用于常州地區(qū)的地表水水廠。綜合多方面的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因素，本工程推薦選用普通快濾池。

本工程設(shè)活性炭濾池1座，共16格，雙排布置，設(shè)計(jì)規(guī)模為70萬m3/d。單格濾池過濾面積為140 m2，設(shè)計(jì)濾速為13.7 m/h，炭床吸附停留時(shí)間為10.10 min?；钚蕴繉雍穸葹?.30 m，濾料選用15柱狀炭，下層采用粗砂承托層，厚度為0.30 m，顆粒粒徑為2～4 mm。反沖洗單氣沖強(qiáng)度為55 m3/(m2·h)，單水沖強(qiáng)度為25 m3/(m2·h)。參數(shù)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)范的要求。

由于單座活性炭濾池規(guī)模大、格數(shù)多，單側(cè)進(jìn)水總渠超過80.0 m。受場(chǎng)地條件限制，活性炭濾池進(jìn)水總渠寬度僅能做到1.8 m。若從進(jìn)水渠道一端進(jìn)水，渠道起始端流速將達(dá)到0.85 m/s，難以保證多格濾池均勻進(jìn)水，這使靠近進(jìn)水端的濾格負(fù)荷增大，而尾端的濾格負(fù)荷低于設(shè)計(jì)值?；谏鲜鰡栴}，本工程設(shè)計(jì)了單側(cè)總渠4點(diǎn)進(jìn)水，使整條總渠內(nèi)流速降低至0.50 m/s以下，確保多格濾池進(jìn)水的均勻性，同時(shí)也減少了總渠內(nèi)水力比降。經(jīng)過實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方法有效改善了大尺寸濾池進(jìn)水不均勻的問題。

4.4 反沖洗泵房和鼓風(fēng)機(jī)房

反沖洗泵房和鼓風(fēng)機(jī)房是炭濾池反沖洗中水沖和氣沖的重要設(shè)施，本次工程將兩者合建，并下疊反沖洗吸水井。反沖洗水泵采用潛水泵型式，設(shè)4臺(tái)(3用1備)，單泵流量為1 167 m3/h，揚(yáng)程為12.0 m，均設(shè)置變頻調(diào)速裝置。鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備設(shè)3套(2用1備)，單機(jī)流量為3 850 m3/h，揚(yáng)程為4.5 m。上述設(shè)備參數(shù)均符合炭濾池反沖洗強(qiáng)度的要求。

4.5 臭氧制備車間和氧氣站

臭氧制備車間布置3套管式臭氧發(fā)生系統(tǒng)，單套臭氧發(fā)生能力為15.3 kg O3/h(臭氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)。氧氣站距離臭氧制備車間為12 m，滿足消防距離要求。采用氧氣供貨商租賃設(shè)備的形式，儲(chǔ)罐體積為30 m3，周邊不允許采用瀝青路面。

4.6 機(jī)械絮凝改造

為配合預(yù)臭氧投加，配水和機(jī)械絮凝區(qū)池體接高為0.6 m(圖4)。配水渠內(nèi)增設(shè)跌水堰，頂部設(shè)人孔、安全閥、尾氣吸收管吸收預(yù)臭氧殘留的尾氣；絮凝區(qū)拆除現(xiàn)有內(nèi)部隔墻，重筑隔墻和配水花墻，新增折板、排泥管，由機(jī)械絮凝改造為折板絮凝，分3段，第一絮凝區(qū)停留時(shí)間為6.20 min，第二絮凝區(qū)停留時(shí)間為5.71 min，第三絮凝區(qū)停留時(shí)間為7.75 min，絮凝區(qū)總停留時(shí)間為19.66 min。

注：標(biāo)高單位為m；尺寸單位為mm圖4 配水和機(jī)械絮凝區(qū)改造示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Reconstruction of Water Distribution and Mechanical Flocculation Zone

5 改造后處理效果

目前，魏村水廠深度處理系統(tǒng)已正式投產(chǎn)，并網(wǎng)運(yùn)行以來出水水質(zhì)穩(wěn)定，統(tǒng)計(jì)2019年1月—2021年12月的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，出廠水甲醛質(zhì)量濃度<0.05 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度<0.02 mg/L。且過程水的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明(圖5)，砂濾后高錳酸鹽指數(shù)最高質(zhì)量濃度為2.00 mg/L、最低質(zhì)量濃度為0.83 mg/L、平均質(zhì)量濃度為1.25 mg/L；炭濾后高錳酸鹽指數(shù)最高質(zhì)量濃度為1.60 mg/L、最低質(zhì)量濃度為0.59 mg/L、平均質(zhì)量濃度為1.04 mg/L；出廠水高錳酸鹽指數(shù)最高質(zhì)量濃度為1.40 mg/L、最低質(zhì)量濃度為0.64 mg/L、平均質(zhì)量濃度為1.03 mg/L?？梢姡疃忍幚砀脑旌笥袡C(jī)物去除效果明顯提高，達(dá)到預(yù)期的工程目標(biāo)。

圖5 高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.5 Monitoring Data of Permanganate Index

魏村水廠深度處理改造工程費(fèi)用約為2.7億元，噸水投資為386元，低于同地區(qū)同類型水廠改造噸水投資的平均水平(約為500元)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

在水廠提質(zhì)改造實(shí)施過程中，由于很多水廠無新征用地條件，只能利用現(xiàn)有場(chǎng)地進(jìn)行深度處理改造工程建設(shè)，且為了減少對(duì)周邊供水的影響，保產(chǎn)能的同時(shí)增加了改造難度。本次深度處理改造工程實(shí)例中，選擇管道式投加預(yù)臭氧以節(jié)省預(yù)處理工藝用地、通過遷建管理用房釋放建設(shè)場(chǎng)地并納入新建深度處理設(shè)施重新規(guī)劃布局廠區(qū)、針對(duì)微污染長(zhǎng)江原水合理選擇臭氧-生物活性炭工藝方案、對(duì)單座大規(guī)模濾池均勻進(jìn)水給出設(shè)計(jì)建議等，實(shí)現(xiàn)了水廠深度處理改造的同時(shí)不征地、不降產(chǎn)，可為類似的水廠升級(jí)改造工程提供設(shè)計(jì)參考。