濱海水廠改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)

于 東

(天津水務(wù)集團(tuán)華淼規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 天津 300220)

大港油田濱海水廠是大港油田區(qū)域內(nèi)唯一的給水廠,主要為油區(qū)供給生產(chǎn)生活用水。 該水廠一期建于1983 年,規(guī)模2.0×104m3/d,二期建于1995年,規(guī)模6.0×104m3/d,兩期均采用“機(jī)械加速澄清池+虹吸濾池”的常規(guī)處理工藝,設(shè)計(jì)總供水規(guī)模為8.0×104m3/d。 水廠當(dāng)前存在以下問題:一是水廠設(shè)備陳舊、產(chǎn)能低效,當(dāng)年所采用的設(shè)計(jì)參數(shù)已不符合當(dāng)今城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求,低負(fù)荷運(yùn)行,達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)模;二是生產(chǎn)工藝對(duì)雙水源水質(zhì)適應(yīng)性差、抵御風(fēng)險(xiǎn)能力低,近幾年灤河水水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重,總磷、總氮、藻類、土臭素和高錳酸鹽指數(shù)均超標(biāo)嚴(yán)重,現(xiàn)有工藝無法處理;三是水廠占地布局不合理,平面布局零亂不緊湊,管線存在多處不合理交叉,導(dǎo)致水頭損失過大,能源消耗嚴(yán)重。

1 水源及水質(zhì)分析

濱海水廠有長(zhǎng)江水與灤河水2 種水源,交替使用,根據(jù)季節(jié)性變化進(jìn)行適時(shí)切換使用,一般每年4月至11 月采用引江水源,12 月至次年3 月份采用引灤水源。 引灤水濁度呈季節(jié)性變化,冬季低溫低濁,夏季濁度較高,近些年原水富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重,濁度和色度的變化幅度較大,2017 年7 月平均值達(dá)到24 NTU。 與灤河水相比,引江水濁度全年穩(wěn)定在低值,為0.5～1.8 NTU,平均濁度為0.9 NTU;pH 全年穩(wěn)定在8.00 ～8.40;CODMn為1.4 ～2.2 mg/L,年平均值為1.8 mg/L;總氮年平均值為0.8 mg/L,最高值為1.1 mg/L;藻類年平均值為312×104個(gè)/L,月平均最高值588×104個(gè)/L,出現(xiàn)在8 月[1]。

本工程以引灤水作為進(jìn)水條件進(jìn)行分析論證,對(duì)濱海水廠提供的2013 年12 月至2018 年12 月幾個(gè)重點(diǎn)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析,見圖1-6。

圖1 原水濁度Fig.1 Turbidity of raw water

從圖1 中可以看出,原水濁度基本在22 NTU以下,2013—2018 年間出現(xiàn)兩次波動(dòng):一次是2015年9 月至10 月,濁度大于8 NTU,小于16 NTU,另一次是2017 年5 月至7 月,濁度大于8 NTU,最大值21.7 NTU,其他時(shí)間原水濁度均小于8 NTU。 可以看出,原水濁度不高,存在季節(jié)性變化,低溫低濁,多數(shù)時(shí)間小于8 NTU,最大不超過22 NTU。

從圖2 中可以看出,原水pH 值的變化沒有明顯的規(guī)律,pH 值基本上都在7.3 ～9.3 之間,GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中要求出廠水pH 值要求不大于8.5,2013—2018 年間水廠原水中pH 值高于8.5 的時(shí)間占總統(tǒng)計(jì)時(shí)間的18.6%,pH值超標(biāo)期間水廠需要考慮處理措施。

圖2 原水pH 值Fig.2 pH value of raw water

從圖3 中可以看出,原水的堿度呈季節(jié)性變化,堿度夏季低于冬季。 夏季原水堿度較低會(huì)對(duì)混凝效果產(chǎn)生負(fù)作用。

圖3 原水總堿度Fig.3 Total alkalinity of raw water

常規(guī)處理對(duì)耗氧量去除率30%～40%,天津市水務(wù)集團(tuán)十三五水廠出水水質(zhì)目標(biāo)中要求耗氧量≤2 mg/L,因此,原水耗氧量指標(biāo)大于3 mg/L 時(shí),如果僅經(jīng)過常規(guī)處理,水廠出廠水耗氧量指標(biāo)會(huì)超出自控目標(biāo)。 從圖4 中可以看出,耗氧量大于3 mg/L 的天數(shù)占61.3%,因此,必須要實(shí)施深度處理系統(tǒng)以達(dá)到自控要求。

圖4 原水耗氧量Fig.4 Oxygen consumption of raw water

從圖5 中可以看出,原水氨氮值除個(gè)別月份外均小于0.30 mg/L,因此,去除原水中氨氮可以采用折點(diǎn)加氯的方法。

圖5 原水氨氮Fig.5 Ammonia nitrogen of raw water

從圖6 可以看出,2015 年和2016 年原水藻類情況明顯比2014 年和2017 年嚴(yán)重,且高發(fā)期是每年的6 月至9 月,2015 年藻類計(jì)數(shù)最大值達(dá)到19 351 萬個(gè)/L,2016 年藻類計(jì)數(shù)最大值達(dá)到14 961萬個(gè)/L。 2017 年藻類有所下降,除了其中3 天的檢測(cè)值大于10 000 萬個(gè)/L 外,其他基本上均在5 000萬個(gè)/L 以下。 2018 年趨勢(shì)良好,大部分時(shí)間在2 000 萬個(gè)/L 以下。 藻類的去除仍是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。

圖6 原水藻類計(jì)數(shù)Fig.6 Algae count of raw water

圖7 濱海水廠工程鳥瞰圖Fig.7 Aerial view of Binhai Water Supply Plant project

從上述分析可以看出原水水質(zhì)基本滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn),并具有如下特點(diǎn):一是藻類是原水主要去除目標(biāo)之一,而且不同季節(jié)均存在藻類問題,在藻類高發(fā)期,堿度隨著降低;二是原水濁度主要隨水源變化,單獨(dú)使用灤河水時(shí)濁度升高,單獨(dú)使用引江水時(shí)濁度有所降低;三是原水為微污染水源,尤其在使用引灤原水時(shí),耗氧量指標(biāo)明顯升高,主要污染物質(zhì)以有機(jī)物為主。

3 工程概述

3.1 工程概述

本次改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)規(guī)模8.0×104m3/d,利用原有水廠的4 座原水池,改造部分管道,繼續(xù)發(fā)揮調(diào)蓄作用。 對(duì)現(xiàn)有粉炭投加設(shè)施、進(jìn)水泵房設(shè)備及進(jìn)出水管道進(jìn)行改造,滿足供水規(guī)模的要求。 同時(shí)新建預(yù)臭氧接觸池、混合反應(yīng)沉淀氣浮池、砂濾池、后臭氧接觸池、活性炭濾池、清水池、吸水井、送水泵房及變配電間、加藥消毒間、臭氧發(fā)生器間、排水及回流調(diào)節(jié)池、排泥池、污泥濃縮脫水車間等。 水廠總用地面積為51 999.30 m2,以提高供水水質(zhì)和供水安全可靠性為目標(biāo),以降低能耗、漏耗和藥耗為重點(diǎn),對(duì)新建工程采用優(yōu)質(zhì)管材、先進(jìn)可靠的工藝、技術(shù)和設(shè)備,運(yùn)用自動(dòng)監(jiān)控和管理的手段,使本工程達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。 該工程于2019 年12 月完成設(shè)計(jì)工作,2022 年6 月18 日進(jìn)水調(diào)試運(yùn)行,已運(yùn)行一年有余,原有處理系統(tǒng)停止使用。

3.2 工程處理流程

在處理流程的選擇上,水處理采用“預(yù)處理+強(qiáng)化常規(guī)處理+深度處理工藝”,污泥處理采用“排水池+排泥池+污泥濃縮+機(jī)械脫水”。 其中常規(guī)處理工藝為“機(jī)械混合+旋流反應(yīng)+平流沉淀+氣浮池+Ⅴ型濾池過濾”的工藝,深度處理采用“臭氧-活性炭濾池工藝”。 工藝流程圖見圖8。

圖8 工藝流程Fig.8 Process flow chart

3.2.1 水處理流程

① 來水由原水管道進(jìn)入原水儲(chǔ)池,現(xiàn)有3 座儲(chǔ)池,單座儲(chǔ)水能力2×104m3,總儲(chǔ)水規(guī)模6×104m3,利用現(xiàn)有設(shè)備投加粉末活性炭達(dá)到應(yīng)急處理的目的。

② 原水由改造后的進(jìn)水泵房輸送至預(yù)臭氧接觸池,預(yù)臭氧接觸池設(shè)計(jì)1 座,臭氧投加量按0.5 ～1.0 mg/L 計(jì),有效接觸時(shí)間4 min。

③ 出水進(jìn)入混合反應(yīng)沉淀車間,主要建構(gòu)筑包括機(jī)械混合池、旋流絮凝池、平流沉淀池、氣浮池。其中混合采用兩級(jí)串聯(lián)混合,單級(jí)混合時(shí)間60 s,每級(jí)設(shè)置攪拌器1 臺(tái),分別投加混凝劑。 在混合池第一級(jí)投加三氯化鐵,第二級(jí)投加聚合氯化鋁,有助于提高混凝效果,加藥設(shè)備采用數(shù)字計(jì)量泵,提高精度,節(jié)省藥劑。 絮凝采用旋流絮凝池,充分利用水力條件,無設(shè)備,減少投資,總絮凝時(shí)間22 min。 沉淀采用平流沉淀池,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),運(yùn)行簡(jiǎn)便,池長(zhǎng)92 m,用于去除重濁質(zhì),排泥采用泵吸桁架式排泥車。 沉淀池出水進(jìn)入后續(xù)氣浮池,氣浮接觸室接觸時(shí)間1.7 min,用于去除輕濁質(zhì),氣浮池出水進(jìn)入后混凝池,混合時(shí)間30 s。

④ 出水進(jìn)入砂濾池進(jìn)行過濾,濾池采用單層石英砂均質(zhì)濾料,反沖洗系統(tǒng)采用濾板加長(zhǎng)柄濾頭配水系統(tǒng)[2],設(shè)置反沖洗等設(shè)備設(shè)施。

⑤ 砂濾池出水經(jīng)過提升泵房提升后進(jìn)入后臭氧接觸池進(jìn)行氧化,后臭氧投加的最大設(shè)計(jì)量按1.5 mg/L,分三段投加,投加比例為2 ∶1 ∶1,接觸時(shí)間共為10 min,接觸時(shí)間比例為2 ∶4 ∶4[3]。

⑥ 經(jīng)過氧化后的出水進(jìn)入活性炭濾池,在其出水中投加次氯酸鈉,進(jìn)入清水池滿足消毒時(shí)間后由送水泵房輸送至配水管網(wǎng)。

3.2.2 污泥處理流程

水廠最大污泥固體量為2.53 t/d,污泥處理中沉淀池排泥水進(jìn)入排泥池,濾池反沖洗水及初濾水進(jìn)入排水池,經(jīng)過靜沉后,底泥輸送至排泥池,上清液回流至配水井。 排泥池中底泥用污泥螺桿泵輸送至濃縮池,采用斜管濃縮池,連續(xù)運(yùn)行,固體通量為1.0 kg/(m2·h),設(shè)置2 座,單座直徑8 m,配套半橋式周邊傳動(dòng)刮泥機(jī)1 臺(tái),濃縮污泥通過污泥螺桿泵輸送至均衡池,上清液回流至排水池。 設(shè)置2 座均衡池,配備2 臺(tái)疊螺脫水機(jī),單機(jī)處理量為120 ～200 kg/h,功率1.87 kW,同時(shí)運(yùn)行時(shí)處理8 h。 在濃縮池及脫水機(jī)進(jìn)泥處,分別投加助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)。

3.3 運(yùn)行效果及討論

水廠于2019 年底完成工程設(shè)計(jì),2022 年6 月建成,已運(yùn)行一年有余,完全滿足設(shè)計(jì)要求并符合GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。 在當(dāng)年12月至轉(zhuǎn)年3 月采用引灤水源時(shí),藻類計(jì)數(shù)最高為899 萬個(gè)/L,在當(dāng)年4 月至11 月采用引江水源時(shí),藻類計(jì)數(shù)最高為404 萬個(gè)/L,氣浮工藝對(duì)藻類的去除率達(dá)到80%以上。 臭氧氧化及活性炭過濾更是有效地去除了有機(jī)物,保證了出廠水水質(zhì)。 該水廠通過粉炭投加設(shè)備、混凝沉淀和臭氧氧活性炭濾池過濾,大大提高了土臭素和2-甲基異莰醇去除率。通過全流程的處理,出廠水濁度為0.07 ～0.17 NTU,見圖9。 同時(shí),出廠水水質(zhì)達(dá)到了天津水務(wù)集團(tuán)的自控要求,主要項(xiàng)目水質(zhì)目標(biāo)值見表1。

表1 主要項(xiàng)目水質(zhì)目標(biāo)值Tab.1 Water quality targets for major projects

圖9 出廠水濁度Fig.9 The outlet water turbidity

本項(xiàng)目總投資16 276.76 萬元,其中工程費(fèi)用14 741.45 萬元,噸水造價(jià)為2 000 元。 單位水量動(dòng)力費(fèi)用為0.292 元/m3,單位水量藥劑費(fèi)用0.112 元/m3。單位成本3.46 元/m3,單位經(jīng)營(yíng)成本3.12 元/m3。

4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

4.1 將多項(xiàng)實(shí)用新型專利進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化

在該項(xiàng)目中采用了兩項(xiàng)我院的實(shí)用新型專利,分別是旋流反應(yīng)池和氣浮釋放頭。 旋流反應(yīng)池(見圖10)無需增加反應(yīng)設(shè)備,它利用水中顆粒在旋轉(zhuǎn)水流的徑向移動(dòng)原理,形成的礬花密實(shí)度大、數(shù)量多,充分反應(yīng)后易于在沉淀池內(nèi)沉淀。 正是由于此優(yōu)點(diǎn),也不需要設(shè)置排泥裝置,節(jié)省了排泥閥門的設(shè)置和運(yùn)行管理上的繁瑣,其進(jìn)、出水口的位置流態(tài)使得礬花不易沉淀,僅設(shè)置手動(dòng)閥門用于池體放空,這解決了運(yùn)行時(shí)反應(yīng)池積泥的問題[4]。

圖10 旋流反應(yīng)池剖面展開圖Fig.10 Profile expansion of hydrocyclone reactor tank

氣浮釋放頭具有體積小、不易堵塞的優(yōu)點(diǎn),該釋放頭包括本體以及連接段,釋放頭本體與連接段同軸一體制成,連接段外徑小于釋放頭本體的外徑,連接段中部設(shè)置有進(jìn)水孔,在釋放頭本體中下部徑向?qū)ΨQ設(shè)置有兩個(gè)出水孔,兩個(gè)出水孔與進(jìn)水孔連通設(shè)置且三孔之間的孔道呈“T”字形,見圖11。 進(jìn)水孔的面積為出水孔面積的2 倍,可有效調(diào)節(jié)氣泡的平衡輸出,只需要在0.5 MPa 的溶氣壓力下運(yùn)行即可,這樣會(huì)節(jié)約大量的電能,提高水廠運(yùn)行效率。

圖11 釋放器大樣圖Fig.11 Large drawing of the release

4.2 根據(jù)外部市電電源的情況搭配高低壓電機(jī)

在電氣設(shè)計(jì)上,送水泵房采用兩種電壓規(guī)格(6 kV 和0.4 kV)的水泵電機(jī)進(jìn)行搭配,這種方式可確保在外部市電電源發(fā)生“晃電”時(shí)(指電網(wǎng)出現(xiàn)電壓大幅度下跌或短時(shí)中斷數(shù)秒,致使用電設(shè)備不能正常工作的現(xiàn)象),6 kV 水泵電機(jī)保證持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)不停泵,從而保證產(chǎn)水的連續(xù)性。 高壓電動(dòng)機(jī)均設(shè)置低電壓保護(hù),當(dāng)電壓降至額定電壓的60%以下時(shí),低電壓跳閘命令通過得電延時(shí)型時(shí)間繼電器的常開觸點(diǎn)接通分閘線圈。 當(dāng)電壓正常時(shí),該時(shí)間繼電器不得電;電壓降到設(shè)置的低電壓值時(shí),該時(shí)間繼電器得電。 如果在時(shí)間繼電器設(shè)置的時(shí)間范圍內(nèi)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常,可不接通跳閘回路;否則,由時(shí)間繼電器常開觸點(diǎn)接通跳閘回路,斷路器跳閘,從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)晃電后電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)[5],提升了供水的安全性和可靠性。

4.3 采用屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu),下一步開展光伏項(xiàng)目

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,氣浮車間、砂濾站等采用屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu),網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種三向受力的結(jié)構(gòu)體,其空間交匯的桿件互為支撐,將受力桿件與支撐系統(tǒng)

5 結(jié)論

該項(xiàng)目工藝流程完全適應(yīng)于引江水和引灤水的季節(jié)性切換,尤其是對(duì)于高溫高藻和低溫低濁水質(zhì)具有良好的處理效果,同時(shí)將旋流反應(yīng)技術(shù)和氣浮釋放頭技術(shù)進(jìn)行了成果轉(zhuǎn)化,運(yùn)行以來效果良好、出水穩(wěn)定。