王建西

(中國市政工程華北設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、有機硅等產品為主，具明顯的海洋工業(yè)特征，是當地政府“以港興市”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)內的生產生活用水依靠分散在區(qū)內的8眼水井。供水方式為分散直供，無處理設施，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，含細沙，硬度高，易結垢，且受到不同程度污染，不能滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求。凈水廠以水庫水為水源，設計規(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，預留了二期用地。

考慮水廠自用水量，一期工程構筑物處理能力按2.2×104m3/d設計，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)，當城市需水量在2017年末、2018年初增長至1.5×104m3/d左右，構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，且作為當地唯一水源，水廠難以停產改造。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 一期工程設計參數

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，構筑物位于主凈水間內。深度處理構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)，變頻調速。

2.1.2 反應池

絮凝反應區(qū)設計停留時間為17.5 min，分為2個反應區(qū)，一級、二級和三級反應均采用2套LJF-2875立軸式機械反應攪拌機，單層全高槳板，變頻調速，其中：一級反應，0.55 kW/套，邊緣線速度為0.5 m/s；二級反應，0.37 kW/套，邊緣線速度為0.35 m/s；三級反應，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)設計表面負荷為6.74 m3/(m2·h)。斜管安裝角度為60°，材質為乙丙共聚，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)布水布氣系統(tǒng)。

2.3 臭氧接觸池和活性炭濾池

臭氧接觸池設計2套系統(tǒng)并聯(lián)運行，每套系統(tǒng)設計三級投加，并設置接觸填料層。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?；钚蕴刻盍舷路笫⑸?，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較好，基本達到Ⅱ類水質標準，濁度最大值為9 NTU。夏季原水為微污染水質，最高COD為9 mg/L。水廠出水水質符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(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，其缺點是對水質水量變化的適應能力較差，對配水、出水條件要求較為苛刻，表面負荷率、配水、出水條件是設計時應重點把握的因素。

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

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

3.1.1 表面負荷率

表面負荷率是上向流斜管沉淀池的重要設計參數之一，應按相似條件下的運行經驗確定?！妒彝饨o水設計規(guī)范》中此參數為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計表面負荷為6.74 m3/(m2·h)。斜管下方設計有縱橫2道共4道、寬度為300 mm的托架梁，用螺紋鋼筋網搭在托架梁以支撐斜管。除托架量所占面積外，實際表面負荷率為7.8 m3/(m2·h)。經了解，當地有水廠也采用上向流斜管沉淀池，表面負荷率為7.6 m3/(m2·h)，運行十余年的出水效果始終很好。兩者的實際表面負荷率相近，因此可以認為斜管形式適宜應用于當地原水水質。

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。

參考凈水廠設計[3]，按集水槽間距1.5 m計算，清水區(qū)高度應不小于1.3 m?！妒彝饨o水設計規(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)只占總容積的三分之一左右，因此進水口配水是否均勻和穩(wěn)定對其的影響要遠遠大于對平流沉淀池[4]。

根據相關規(guī)范和設計指南：沉淀池“配水區(qū)的高度一般應保持進口斷面處(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)定不超過反應池末端的反應流速，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)，配水花墻開孔率標準為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，單側開孔3層共57個，計算滿負荷時過孔流速為0.28 m/s，一半負荷時過孔流速為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形成的較大的礬花打碎，成為難以沉降的細小絮體，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堵塞造成。堵塞頻發(fā)，雖經多次清池維修，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，用于反沖洗的布氣和布水。

與其它濾池不同，翻板濾池的承托層一般采用“粗-細-粗”的礫石分層方式。上層粗礫石防止中層細礫石在反沖洗過程中向上移動，中層細礫石防止濾料流失，下層粗礫石則支撐中層細礫石。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計。

也有采用兩層設計的，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，水質優(yōu)良。

深圳市寶安區(qū)福永鳳凰水廠使用翻板濾池[9]，設計采用雙層濾料，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，自上而下采用由細到粗的分層布置方式，細礫石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計厚度分別為0.40和0.35 m。濾料采用石英砂均質濾料，標準有效粒徑為0.6～1.2 mm，K80≤1.3。

因此，分析認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，運行中使大量顆粒物進入面包管內，在過濾過程中堵塞出水，反沖洗時又反向堵塞。活性炭濾池的設計與砂濾池相似，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荷運行，當水量在60%以上負荷(約1.2×104m3/d)時就會從池頂雙向呼吸閥處冒水。臭氧接觸池設計接觸時間為16.3 min，池內裝填有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，在線顯示儀表設計不全；濃縮池設計無排空管；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 關于絮凝沉淀池

① 針對北方水庫水冬季低溫低濁的特點，應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計，改善沉淀池維護條件。

4.2 關于翻板濾池

針對翻板濾池，建議承托層采用“粗-細-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菌、病毒，氧化微量有機物質(例如苯酚、洗滌劑、農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5×104m3/d水廠項目中的臭氧接觸池都未使用填料。

5 結語

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