处理富营养化水库水的模块化水厂设计

张 硕，马延强，邹伟国

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

某新建净水厂工程一期设计规模为1．5万m3/d，总规模为3．0万m3/d。水源为水库水，原水水质基本满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水标准，但具有低浊、含藻、有机物含量较高等特点。典型水质指标为，冬季时水温为2～3℃，pH值为8．1 ～8．2，溶解氧为13 ～14 mg/L，高锰酸盐指数为3．2 ～3．5 mg/L，BOD5为 1．9 ～2．1 mg/L，氨氮为0．1 ～0．15 mg/L，叶绿素 a 为 1．3 ～2．5 μg/L。夏季时水温为27 ～32 ℃，pH 值为8．3～8．4，溶解氧为8．5 ～8．7 mg/L，高锰酸盐指数为 3．4 ～3．6 mg/L，BOD5为 1．1 ～1．7 mg/L，氨氮为0．08 ～0．09 mg/L，叶绿素 a为8 ～9 μg/L。

1 净水工艺流程

净水工艺流程如图1所示。

图1 水处理系统工艺流程示意图Fig．1 Flow Chart of Water Treatment Processes

预加氯:可改善低浊原水下的混凝条件、减少混凝剂用量，提高沉淀效率［1］，同时去除部分色度。预加氯对藻类有一定的去除效果，并且可改善后续工艺的除藻效果［2］。

粉末活性炭:应对突发的原水水质变化，减少有机物含量，降低水中MIB等嗅味物质浓度［3］。

混凝(包括混合絮凝)沉淀和砂滤:有效去除浊度、有机物、氨氮，并改善消毒条件。

气浮:具有较高除藻效率，应对低浊下藻及其引起的藻毒素和嗅味问题［4］。

活性炭吸附池:以远期填装活性炭的方式进行预留，以满足将来进一步保障水质安全和提高供水水质的要求。

后加氯:对出厂水作最终的消毒，保证出厂水的卫生安全。

2 净水设施模块化形式

目前，水处理构筑物形式多以钢筋混凝土为主，具有占地面积大、施工周期长的缺点。随着水处理材料的快速发展、设备安全可靠性的不断提高、土地资源的日益紧缺，出现了各工艺集成为一体的模块化水处理设备。净水厂系统可划分为多个模块单元，每个单元均采用压力均衡装置，单元内部则直接采用轻质、无毒、耐腐的材料进行间隔，简化了施工难度，提高了空间利用率和土地利用率，具有占地小、工期短、分期实施方便、系统组合变换灵活、标准化生产等优势。

结合本工程规模，采用模块化的建设方式，本净水设施具有以下主要特点:

(1)模块化设备占地面积小，仅为传统模式的1/8～1/6;

(2)设备建造采用工厂化生产模式生产，标准高、质量好、工期短、投资少、见效快，其中工期可缩短1/3～1/2，成本减少30% ～50%;

(3)通过使用轻质、无毒、耐腐材料，并采用钢构混凝土内衬外喷复合技术，解决了防腐问题，保证了使用寿命;

(4)自动化控制系统技术先进，不仅实现了全自动及智能化，还具有远程遥控、监视、数据共享等功能;

(5)建设和生产具有灵活性、可调性、应急性，既可快速进行分期建设，又可根据用水量自动调整投入运行的模块数量;

(6)设备置于车间，使水处理系统从室外转到室内，避免二次污染，管理方便，安防可靠。

3 总平面布置

净水厂位于水库旁边，总规模占地为22 764 m2，现状场地标高约为3．5～6．4 m。室外设计标高根据地势地貌，基本控制在5．0 m。

土建设计规模为3．0万m3/d，一期设备规模为1．5 万 m3/d。

总平面布置如图2所示，功能上，主要分为常规处理和排泥水处理工程，相对独立布置。预反应池和一级泵房位于邻近水库的北侧。常规处理工艺位于厂区中央，自西向东采用直线型布置。在模块化设备车间南侧设水质检测间。因脱水设备噪音大、泥饼外运量较大，故排泥水处理区设于厂区西南角。浓缩池上清液排放管排至回用水池，脱水机滤出液与水厂生活污水排至城市道路的污水管道。综合楼与水库泵站合用，不属于本工程建设内容。

图2 水厂总平面示意图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网，重现期设计标准为3年一遇。雨水管管径大于等于500 mm采用钢筋混凝土管，小于500 mm采用UPVC管。污水经收集后，从厂区南侧排入市政污水管网。

水厂自用水管线采用球墨铸铁管，呈环状和树状布置，管径为DN100。室外消火栓设8套，用于消防和冲洗水池。加混凝剂和加氯采用UPVC管，均设于加药管沟。

厂区主干道路宽为6 m，次干道宽为6 m和4 m，形成环行道路，转弯半径为6～10 m。构筑物的人行便道宽为1．2～2 m。

4 净水单体工艺设计

4．1 预反应池

预反应池可按需投加粉末活性炭，接触时间为45 min，可有效应对原水水质较差时所引起的嗅味和有机物问题［5］。当预反应池停用或者检修时，原水经过管路超越，进入模块化设备车间。

4．2 一级泵房

泵房内共设4个泵位，采取大小泵组合，一期安装2 台卧式离心泵 (Q=420 m3/hr，H=10．5 m)，1用1备，远期增加1台;1台卧式离心泵(Q=210 m3/hr，H=10．5 m)，远期不变。

4．3 模块化设备

依据多介质截留吸附系统工艺中双层滤床的正常运行所需高度和材料规格的要求，单元净水模块的总体高度为5．41 m，有效水深取4．9 m。为了运输时道路的可通过性，净水模块宽度取4．0 m。车间共设3个模块，单个模块设计水量为218．75 m3/h。

(1)混合工艺

当地水厂均采用管道静态混合器，效果良好，运行经验较丰富。因此，采用该形式作为混合工艺，可发挥有效利用富余水头、维护工作量小、不产生运行费用的优势［6］。

(2)絮凝工艺

絮凝池采用穿孔旋流絮凝池，在该模块化净水设备中取8格，各格之间的隔墙上沿池壁开孔，孔口上下交错布置。水流沿池壁切线方向进入后形成旋流。第一格孔口尺寸最小，流速最大，水流在池内旋流转速也最大，而后孔口尺寸逐渐增大，流速逐格减小。起点孔口流速取0．8 m/s，末端孔口流速取0．2～0．3 m/s。沉淀和气浮工况下，通过分格运行，絮凝时间分别为21 min和16．5 min。

(3)沉淀/气浮工艺

通过优化单元净水模块的进水和出水系统，在同一构筑物内实现气浮或沉淀模式。

沉淀工艺采用异向流斜管沉淀池，有效尺寸长度为7．82 m，宽度为3．68 m，有效水深为4．8 m。沉淀负荷为7．6 m3/(m2·h)。配水区高度为1．5 m，清水区高度为1．2 m，斜管管径为30 mm，斜长为1．0 m，倾角为60°。池底设集泥区，集泥区高度为0．98 m，采用DN300穿孔管排泥。

气浮采用成熟可靠的部分回流压力溶气法，对不同藻类的去除有着广泛的适应性，气浮浮渣的含固率可达到3%以上，满足浮渣后续处理的要求［7］。接触区有效尺寸长度为1．5 m，宽度为3．68 m，高度为5．41 m，接触区上升流速为11 mm/s。分离区有效尺寸长度为8．32 m，宽度为3．68 m，有效水深为4．8 m，分离区水力负荷为 7．1 m3/(m2·h)。池顶设刮渣机一台，刮渣机可变频调速。溶气压力为0．5 MPa，回流比取10%。每台设备配套溶气罐三台，单台尺寸φ250×3 000 mm。回流水泵设一台，流量为22 m3/h，扬程为50 m，功率为5．5 kW。空压机两台，一用一备，气量为 0．45 m3/min，压力为0．7 MPa。

(4)多介质截留吸附工艺

过滤采用单层石英砂均质滤料，有效粒径d10=0．9 mm，k80=1．4，L/d为 1333 在较好的 1 200 ～1 400范围之内［8］。设计滤速为 9．5 m/h，滤层厚为1．2 m，承托层厚为50 mm，粒径为2～4 mm，清水区高度为 1．5 m。

单元内预留活性炭池，叠合于砂滤池下方。当水质恶化时，填加活性炭滤料进行吸附过滤。活性炭层设计填装高度为500 mm，颗粒粒径为2～4 mm，下设50 mm承托层，承托层粒径为4～8 mm。吸附池面积为22．08 m2，反冲强度取13 L/(m2·s)，冲洗时间为10 min，冲洗周期为6 d。

(5)清水池

清水池容量按23%，共设2座，每座约3 500 m3清水池，并排布置，总容积约7 000 m3，池深约4．0 m。为了防止水质污染，设溢流井。

(6)吸水井及二级泵房

吸水井分两格，互相连通。

当地用水量变化较大，并且建成初期供水量较小。二级泵房采用大小泵组合与变频调速的集成节能方法，实现0．5～3．0万m3/d工况要求。二级泵房时变化系数为1．5，共设8个泵位，其中2台为反冲洗泵。反冲洗泵为卧式离心泵(Q=1 260 m3/h，H=16．2 m)2台，1用1备。输送出厂水的卧式离心泵(Q=625 m3/h，H=55 m)近期 2 台，变频，1 用1备，远期增加2台;卧式离心泵(Q=160 m3/h，H=55 m)近期2台，变频，近期为2用，远期1用1备。泵房出水总管设置计量设备阀门井。

泵房为半地下式泵房。地下深度约为3 m，地上高度为6．75 m。泵房一侧设变电所及其配电设施。

(7)排泥水调节池及回用水池

排泥水调节池和回用水池以叠合式形式合建。排泥水调节池位于上层，按二组沉淀池同时排泥计算，容积约350 m3，分二格，一期设2台潜水泵，平时1用1备，应急时2用。为防止泥沉积，设潜水搅拌机1台。

回用池位于下层，收集砂滤池以及活性炭滤池反冲洗水。按二格滤池同时冲洗并且二格同时排放初滤水计算，容积约350 m3，一期设2台潜水泵，平时1用1备，应急时2用。废水经提升送至预反应池前回用。为防止泥沉积，设潜水搅拌机1台。

(8)加氯加药间

当地水厂大多采用二氧化氯消毒工艺，其消毒效果及制备设备运行情况均较好。因此，选用二氧化氯作为水厂的消毒剂。预加氯最大加注量为1．5 mg/L(以有效氯计)，加注点位于预反应池出水管道，加注点1个。后加氯最大加注量为1．0 mg/L(以有效氯计)，加注点位于清水池进水总管道，加注点1个。

加矾采用液体聚合氯化铝(原液含Al2O3的有效浓度为10%)。最大加注量为10～15 mg/L，加注点位于管式混合器前，加注点3个。

(9)加粉炭间

粉末活性炭加注量为5～20 mg/L，加注浓度为5%，仅作为应急使用。加注点位于预反应池进水管道，加注点1个。

5 工程投资

工程投资中未包括征地费用。工程总投资近6 000万元，其中第一部分工程费用4 800多万元，第二部分其他费用700多万元，工程预备费270多万元，建设期贷款利息130多万元，铺底流动资金30万元。

6 设计特点

(1)针对水库水，采用预氯化+粉末活性炭应急+双模式常规处理的现代多屏障组合工艺，并且以季节性气浮替换沉淀的双模式切换工艺，适当放低砂滤池的滤速和远期生物活性炭滤池的滤速等设计参数，充分发挥生物作用，有效应对藻类和嗅味问题。

(2)气浮和沉淀集约化布置于同一单体，通过优化进水和出水系统，实现气浮或沉淀的双模式运行，且无空间浪费。

(3)以叠合式形式布置过滤池及吸附池、排泥水调节池及回用水池，充分利用了空间，发挥了土地效率。

(4)常规工艺和深度处理工艺采取模块化设备方式，占地面积仅为传统建设模式的1/8～1/6，工期可缩短1/3～1/2，成本减少了30% ～50%，并且将水处理过程从室外转到室内，避免了污染、红虫等问题，方便管理和安防。

7 结语

(1)针对有机物含量较高、季节性含藻的水库水，采用化学预处理+吸附应急+双模式常规处理的组合工艺，投产后出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)。

(2)解决水库水的藻类和嗅味问题的优化方法包括以气浮季节性替换沉淀的双模式切换工艺，将砂滤滤速和活性炭滤速等工艺设计参数均取较低值，充分发挥生物作用。

(3)水厂可采用模块化设备形式，简化施工难度，提高净水设施内部的空间利用率和土地利用率，并具有工期短、分期实施方便、系统组合变换灵活、标准化生产等优点。

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