现代化自来水厂的技术与建设

张君怡 徐思新

水为人类生命源泉，是地球上最常见物质之一，日常工业、农业和生活中必不可少。食品饮料行业要用到水，有工艺用水和生活用水等，包括自来水、纯净水、矿泉水、软化水、中水等，一般都是将普通市政自来水或原水经预处理或深度处理后再使用，以满足不同地方用水需求。

劲牌公司积极履行社会责任，投身公益慈善事业。近期捐建了2 座现代化自来水厂，分别位于湖北大冶市殷祖镇和阳新县沿镇，两座水厂共用一套原水管道，由阳新王英水库（仙岛湖）取水。工程总体包括管网施工、建构筑建设和工艺设备配置等。

大冶水厂设计总供水能力30 万吨/日，一期已建成20 万吨/日，2017 年1 月21 日竣工投产。阳新水厂设计总供水能力10 万吨/日，2019 年12 月26 日竣工投产。均由武汉中南市政院设计，采用成熟的工艺，先进的设备和自动化的控制技术，除了必备的工艺系统，还设置了功能齐全的水质检测中心、信息化检测中心等。大冶水厂建设规范，管理精细，集规模化、先进性、花园式、智慧型水厂于一体，被评为实施城乡供水一体化和推进农村饮水安全巩固提升示范工程，荣获了2020 年度全国100 座农村供水规范化水厂。

▲大冶殷祖水厂

▲阳新沿镇水厂

▲V 型滤池

▲机械絮凝平流沉淀池

水厂要在水质、工艺、设备、管理及环境等方面保持现代化，目标要求包括：1、出厂水质优良，生产安全可靠；2、设备先进高效，自动化程度高；3、管理科学，注重技术进步，人员少、成本低、效率高；4、环境优美，排泥水无害化处理，有效处置污泥；5、对各类突发事件有应急预案和应对能力。

好水源是基础，产好水才是重点。顶级的设备、成熟的技术是产好水的保证。公司参与水厂设计、施工及建设，总结了工艺装备方面的技术。积极应用新技术和新设备，主要有以下几方面的优势：

一、工艺流程成熟

王英水库原水水质较好，采用絮凝、平流沉淀池和V型滤池、消毒处理等常规水处理工艺，实行操作工艺自动化和在线检测，对水源水和净水的PH 值、浊度、余氯等主要水质指标进行实时监测、预警。但为长远考虑，兼顾水质变化处理，远期预留了臭氧池、活性炭滤池等深度处理的位置。水厂处理工艺应是“全天候的”，应能适应自来水厂任何进水量和水质的变化，处理工艺上要有安全度。

国内自来水厂较多使用管式混合和机械混合。考虑混合均匀度和反应时间，机械混合虽然造价及维护成本相对较高，但是可以确保混合絮凝效果。折板絮凝和水平机械絮凝池，造价较高，但是絮凝效果好，絮凝时间短，对水质净化作用较大。

国内自来水厂较多使用平流沉淀池和斜管沉淀池，斜管沉淀池占地面积小，多用在紧凑型自来水厂。平流沉淀池结构简单，占地较大，但是处理效果稳定，对流量和浊度变化具有较大适应和耐冲击能力。

▲折板絮凝沉淀池

滤池有很多种，包括普通快滤池、虹吸滤池、无阀滤池和V 型滤池等。出于水质考虑，选择先进的“V”型滤池，辅以反冲洗泵和鼓风机设备，实现滤池的正常过滤和气水反冲洗，确保出水水质和充重复利用。

大冶水厂原水是通过加压泵站加压输送到水厂内，为应对水质突然恶化造成净化处理难度，加压泵站配置了活性炭和高锰酸钾投加系统，用于在突发水污染事故和季节性污染中吸附和氧化无机物和有机污染物等。阳新水厂直接将活性炭、高锰酸钾、PAC、PAM、次氯酸钠消毒等系统集成在一间水处理间，确保水质的应急处理，配置较为齐全。

二、设备、材料先进合理

出于经久耐用考虑，原水输水及配水管线全部采用水泥内衬及环氧树脂涂层的球墨管，以及用环保材料防腐的螺旋钢管管材铺设，针对不同地段，采取地埋、顶管、架空等多种施工工艺，确保了管网施工质量及正常使用。

输水大泵选用国际一流品牌的单级双吸卧式中开离心泵，泵的汽蚀余量，泵的流量/扬程及可靠性均能确保泵工作年限。泵体材质为QT500，叶轮、密封环采用双相不锈钢1.4460，轴采用双相不锈钢1.4462 等，配套电机为西门子或ABB 品牌，确保水泵性能质量和稳定运行。均采用节能型号，不允许使用国家明令淘汰的产品，在满足使用要求的同时，尽量优化设计荷载，降低用电耗能，节约能源，降本增效。

▲滤池出水井

▲加压泵房

散装炭压力上料湿式系统耐磨螺杆泵定量投加活性炭。计量泵湿式投加高锰酸钾。PAM 和PAC 通过米顿罗、普罗名特等品牌机械隔膜泵投加，次氯酸钠采用JESCO数字隔膜计量泵投加，过程更平滑，精度更准确，因数字泵具有宽泛的调节范围，若波动较大，泵投加精度不受影响，以达到精确投加、节省原料的目的。同时数字泵驱动技术和微处理控制能确保在低脉动状态下准确投加，也可以投加高粘度或挥发性的液体。

淘汰含泥量大的湖砂，选用海砂以保证过滤效果和水质的稳定性，并且指定在国内供货口碑好的单位从原产地供货。滤砂滤料有效粒径为d0.9-1.25， 厚1200mm， 不 均 匀 系 数K80 ≤1.4，严格按照住建部公布的标准执行产品质量验收，保证了供水质量。

调流站选用进口VAG 品牌的调流调压阀门控制送水的流量和压力，控制信号传至水厂中控室，随时自动调整调流阀开度。

水厂机电设备按先进、高效、安全可靠，设备完好率高，配水电耗较低的标准选型。交付后，减少了日常维保的难度，使用单位非常满意。

三、管网在线监测系统

管网漏损是供水行业普遍存在的问题，不仅浪费了宝贵的水资源，还给供水企业造成了很大经济损失。据供水协会统计数据表明，近年国内供水管网漏损率平均达到15%，部分城市超过25%，虽然近些年不少城市经过管网改造及技术升级后漏损率有所下降，但仍有很大改善空间。对策有很多，如选用好的管材、注重施工质量、加强管网巡视等，但建立现代化的管网漏水监测体系，查漏防漏，形成主动漏损控制解决方案，能很大程度降低管网漏损。

水库取水口至两个水厂整体输水管网较长，跨越山、河、沟渠等，地质较为复杂，管网施工难度及质量要求很高。除了确保施工质量外，输水管网加装了在线监测系统以确保长期稳定运行及故障及时处理。系统主要是应用物联网技术，通过监测、检测、控制等，进行智能化识别、定位、跟踪和监管，从而实现科学、及时地进行管网管理、定量控制漏损，达到降低产销差，提高经济效益，以保障安全运营实施。细分包括供水管网DMA 分区定量漏损监控系统（多功能漏损监测仪，主要测噪音、流量和压力，做出判断）、渗漏预警系统（监测噪声做出判断）、爆管预警系统（监测压力及水锤，分析爆管）等。通过数据监测，利用分析软件，监控进度、趋势、报警、派单、漏损评估分析、及出具监测报告等。通过采取一系列的措施，能够确保管网正常运行及故障及时反馈处理，减少水资源的损耗，节约用水，保护水资源。

▲水库取水口

四、厂区智能控制系统

水厂配置有可靠的、监控全厂生产运转的自动化设施，能够自动完成生产参数的巡检和显示。分布在全厂范围内的现场PLC 控制子站、PLC控制分站、中央控制室内的中央计算机，构成三级厂区监测与控制系统，PC+PLC 系统模式，控制分散、信息集中，抗干扰能力较强，经济性好。

现场控制站系统根据工艺流程的区域分布及控制要求，设置取水泵房、加药间、冲洗泵房、脱水车间4 套现场控制分站PLC。中控室、现场分站、滤池子站采用冗余以太环网，速率为100M/1000M 自适应，其余主站与子站之间通讯采用树形结构的工业光电收发器。取水泵站与水厂通讯采用VPN，通过VPN 网络将取水泵房的数据上传至水厂中控室。为保证系统通讯接口的统一性、通讯协议的一致性，各PLC 控制分站与高、低压智能配电及分析仪表采用MODBUS 通讯协议，第三方工艺成套控制设备间的现场总线通讯在中标后沟通采用相应的通讯协议，特殊情况采用MODBUS 通讯协议，各PLC 控制分站与范围内的PLC 控制子站以及中央监控计算机系统间采用工业以太网通讯。

中央计算机监控系统采用工业以太网与现场PLC 控制站连接，实现远程自动监控。网络中各计算机互通、资源共享。操作员站安装运行版监控软件，通过工业以太网与各现场PLC 控制站通讯。操作人员可在操作员站上完成综合监视过程控制级的所有信息，进行显示、记录、数据处理、报表输出,并且可以按一定权限进行控制回路的组态和参数修改等操作。

工艺控制显示主要是人机界面功能，在水厂中控室的监控计算机显示器上动态显示全厂各工艺流程、各工艺设备运行工况，各工艺和电量等生产数据的显示，使生产管理人员实时掌握全厂的生产运行情况，能从总图到详图多层次监视。中控室大尺寸DLP 拼接显示系统显示，清晰美观。

水厂按照自动化、信息化和无人值守等理念设计，通过各工序的自动化和信息化，确保工作可靠，减少了人员配置，节约了能源，进而降低了生产成本，提高了经济效益。

五、安全的消毒系统

消毒环节必不可少，也是保证水质的最后一关。目前主要技术有臭氧、紫外线、氯（液氯消毒、二氧化氯消毒、次氯酸钠消毒）及组合消毒工艺。臭氧和紫外线消毒因为费用较高、无持续消毒功能，较少在水厂单独作为消毒剂使用，目前广泛使用的是氯消毒。

液氯作为传统消毒剂，消毒效果较好，但氯气具有毒性，泄漏后果严重，存在运输、储存和使用的安全隐患和风险。同时液氯消毒会产生消毒副产物（三卤甲烷等）对健康产生危害。国内每年都有氯气安全事故发生，巨大的安全隐患促使自来水行业正在逐步淘汰液氯消毒。次氯酸钠作为一种高效、安全、经济的消毒药剂，不仅亲水性很好，可以与水以任意比例互溶，还不存在液氯、二氧化氯等药剂的安全隐患，且消毒效果与氯气相当，加之其投加准确、使用方便、易于储存以及对环境无毒害等优势，故成为液氯很好的替代品，目前较多水厂改造为次氯酸钠消毒。虽然其原料成本是液氯的约4 倍，但维护和建造成本大大低于液氯，再算上管理成本和风险成本，对于使用消毒剂不多的中小型水厂，综合计算下来还是比较经济的。

▲大冶水厂中控室

▲阳新水厂中控室

▲次氯酸钠消毒系统

大冶水厂原设计为传统的氯气消毒且已安装，后考虑到使用的安全性，又新增了一套次氯酸钠投加系统。为确保后期安全稳定使用，阳新水厂从一开始就将原设计的氯气消毒否定了，调整为次氯酸钠消毒系统，与大冶水厂不同的是新增了现场制备次氯酸钠的发生器，可以直接将工业用盐转换成为可消毒的溶液，该系统目前运行稳定，疫情期间也为阳新县提供了一定数量的消毒液，群众和水司反应较好。

六、废水环保处理系统

原水经过工艺连续处理后变成自来水，必然会产生废水。按污水排放标准要求，废水不能直接排放，需要进行有效处理。两个水厂均采用滤池工艺，废水和沉淀池排泥水经污泥浓水及脱水后，变成含水率≤75%泥饼后外运，满足环保要求。污泥脱水配置安德里茨D3LL 型离心脱水机，离心脱水机通过回转体-转鼓和卸料螺旋的高速旋转，固液混合物随高速旋转形成液环并产生较高的离心力，离心力加速固液的沉降分离。离心机转鼓转速是通过主电机的变频器来调整的、双变频控制器可通过离心机内泥层的厚度自动调节差速，达到自动调节扭矩，以保证泥饼干度和污泥固相回收率。出于环保考虑，脱水滤后液按设计要求也加装了两套纤维球过滤器进行处理，符合要求再排放。

▲阳新一体化污水处理设备

▲污泥脱水机车间

▲大冶纤维球过滤器

生活污水处理方面，大冶水厂通过设置隔油池、污水收集及化粪池等进行收集处理，阳新沿镇水厂提高标准采取MBR 一体化生活污水处理系统，采用A²/0+MBR 膜处理工艺，处理后出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918——2002）中的一级A 标准排放。

七、严格的水质检测

水质指标是水厂的核心要求，原水和出水水质均需要保持可控。大冶水厂和阳新水厂共用取水口，在取水口配置有原水水质在线监测系统，包括氨氮分析仪、COD/有机物分析仪、溶解氧分析仪、pH 分析仪等，对原水进行实时动态监测。一方面可以用于数据记录，也可以及时发现日常人工检测无法及时发现的突发性和偶然性事故，在线监测数据实时反馈中央控制室，如遇水质异常或恶化，提前及时响应，通过启动高锰酸钾和活性炭投加系统，对水质进行紧急预处理，确保水质可控。出水不仅在厂内清水池设置有在线取样检测系统，在末端用水点还配置有清水在线监测系统，主要包括余（总）氯分析仪、浊度分析仪、pH 分析仪等，实时监控末端水质情况。目前厂内出水经检测平均浊度在0.1 度左右，优于《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）的规定1 度以内，水质情况很好。

水厂还设有水质检测中心，按检测指标要求，配置有气相室、液相室、无机/有机前处理、理化室、微生物室、仪器室等，配置了原子吸收分光光度计、原子荧光分光光度计、气相色谱仪、紫外分光光度计等高精密检测设备，通过对原水、出厂水4 次/日的自检，2 次/月的管网水巡检及分析，并定期将水样送国家城市供水水质监测网武汉水质检测中心进行“国检”，保障供水水质安全、合格。

▲化验室

自来水厂的建设是个系统工程，工艺的先进性、设备的可靠性、管理的合理性才能确保水厂的正常运行。现今自来水厂建设在前期设计阶段都是瞄准自动化、智能化，相关技术的发展日新月异，助力了现代化自来水厂的建设。总之，现代化自来水厂的高标准决定了创建过程的不易，无论是在软硬件实力、管理水平、生产技术、水质安全保障方面，还是在抗风险能力方面，都有着巨大的提升作用。

现代化自来水厂要以“现代化”为切入点，不断动态更新供水企业应当追求的高标准，使整个供水行业不断自发地进取和发展，主动思索如何为广大居民用户提供更优质、更安全、更可靠的饮用水。