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        水廠擴建與深度處理改造工程設(shè)計方案

        2020-09-16 07:25:20李國洪葛本筆
        凈水技術(shù) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:清水池氣水泵房

        王 雄,黃 興,李國洪,葛本筆

        (1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.睢寧縣自來水公司,江蘇徐州 221200)

        1 項目背景

        江蘇某縣城水廠原水為水庫水,原水水質(zhì)基本能達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準,但受水庫補水影響,高錳酸鹽指數(shù)時有超標。水廠原規(guī)模為5萬m3/d,凈水工藝采用常規(guī)的混凝沉淀過濾工藝,投加粉末活性炭后,出廠水能達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)的要求。

        根據(jù)縣城區(qū)域供水規(guī)劃和江蘇省《省政府辦公廳關(guān)于切實加強城市供水安全保障工作的通知(蘇政辦發(fā)〔2014〕55號文)》的要求,該自來水廠需盡快實施二期工程,不僅需要擴建規(guī)模至15萬m3/d,還需增加深度處理設(shè)施。目前,工程已竣工并通水運行2年左右,出水水質(zhì)穩(wěn)定,運行效果良好。

        2 設(shè)計概況

        2.1 水源及原水水質(zhì)

        該水廠水源來自慶安水庫。慶安水庫興建于1958年3月,1959年9月建成蓄水,控制流域面積為280 km2,總庫容為6 030萬m3,興利庫容為4 800萬m3。慶安水庫水源來自廢黃河,廢黃河水不足時依靠古邳翻水站翻引徐洪河水。

        根據(jù)江蘇省水環(huán)境監(jiān)測中心徐州分中心的監(jiān)測結(jié)果,慶安水庫主要污染物歷年水質(zhì)特征值:pH值為7.72~8.67,溶解氧為6.2~11.8 mg/L,高錳酸鹽指數(shù)為3.4~6.9 mg/L,化學(xué)需氧量為15.5~19.8 mg/L,BOD5為1.0~2.9 mg/L,氨氮為0.03~0.96 mg/L,氟化物為0.57~0.98 mg/L,總磷為0.024~0.057 mg/L,鐵、錳均小于0.05 mg/L,溴離子為0.13~0.20 mg/L。

        慶安水庫水體水質(zhì)評價為Ⅲ~Ⅳ類水,水質(zhì)總體較好,主要超標項目為高錳酸鹽指數(shù)。

        2.2 原工藝流程及出水水質(zhì)

        水廠原規(guī)模為5萬m3/d,凈水工藝采用常規(guī)的混凝沉淀過濾工藝。由于原水有機物微污染,需在取水泵站投加粉末活性炭才能確保出廠水達標。出水主要指標:渾濁度為0.2~0.345 NTU,高錳酸鹽指數(shù)為1.72~2.63 mg/L,氨氮<0.02 mg/L,鐵、錳均小于0.05 mg/L。由于擴建提標前并未投加臭氧,故出水未檢測溴酸鹽。

        2.3 擴建及提標工藝流程

        “預(yù)臭氧+強化常規(guī)處理+臭氧生物活性炭過濾深度處理”工藝是處理受污染水源水并保證高質(zhì)量出水水質(zhì)的一種有效方法[1-2]。按照江蘇省“蘇政辦發(fā)(2014)55號文”的要求,根據(jù)原水有機物微污染和冬季低溫低濁的特點,經(jīng)過多方案比選,擴建及深度處理改造工程采用“預(yù)臭氧+強化常規(guī)處理+臭氧生物活性炭過濾深度處理”工藝。根據(jù)徐州劉灣水廠深度處理工藝研究的中試成果,雙氧水/臭氧高級氧化對徐州水中溴酸鹽的生成具有良好的抑制效果,在臭氧投加量為1~4 mg/L時,溴酸鹽的抑制率可達到70%左右,抑制效果在[H2O2]/[O3]=0.5時達到最佳。由于本工程原水溴離子較高,為抑制溴酸鹽的生成,確保供水水質(zhì)安全,預(yù)留雙氧水投加措施,采取投加“臭氧(少量)+雙氧水”控制溴酸鹽產(chǎn)生的技術(shù)措施[3-4]。整個工藝流程如圖1所示。

        圖1 主要工藝流程框圖Fig.1 Schematic Diagram of Water Treatment Process

        2.4 平面布置及分組總體方案

        常規(guī)處理為2條生產(chǎn)線:第一條生產(chǎn)線為現(xiàn)狀5萬m3/d常規(guī)處理;第二條生產(chǎn)線為新增10萬m3/d常規(guī)處理。為減少新建構(gòu)建筑的數(shù)量,利于平面流程布置,方便凈水廠運行維護,深度處理采用1條15萬m3/d的生產(chǎn)線。臭氧接觸池分為2組,活性炭翻板濾池采用6格,均可獨立運行。平面布置如圖2所示。

        圖2 平面布置簡圖Fig.2 Schematic Layout

        2.5 主要凈水處理構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

        (1)預(yù)臭氧接觸池及配水井(15萬m3/d):接觸時間為5.0 min,臭氧投加量為0.5~1.5 mg/L,分2條渠道運行,預(yù)留前加氯投加點,并通過配水堰使原水均勻分配到后續(xù)處理構(gòu)筑物。

        (2)機械混合、折板絮凝及平流沉淀池(10萬m3/d):按低溫低濁水設(shè)計,機械混合池停留時間為30 s;折板絮凝池停留時間為25.6 min;平流沉淀池停留時間為2.77 h。機械混合池共4格,單格設(shè)置1臺立式機械攪拌器,攪拌功率為7.5 kW。豎向折板絮凝池分3段,第1段為相對折板,υ峰=0.29 m/s,υ谷=0.10 m/s;第2段為平行折板,υ峰=0.234 m/s,υ谷=0.175 m/s;第3段為直板,υ=0.099 m/s。平流沉淀池一共4格,單格有效尺寸為9.225 m×95 m,水平流速為9.4 mm/s,有效水深為3.4 m,池深為4.00 m。

        (3)氣水反沖洗濾池(10萬m3/d):分6格運行,單格有效尺寸為8.7 m×14.55 m,過濾面積為101.5 m2,設(shè)計濾速為7.18 m/h,強制濾速為8.62 m/h。濾池濾料為石英砂均質(zhì)濾料,粒徑為0.9~1.25 mm,K80<1.40,濾層厚度為1.40 m。下部礫石承托層粒徑為2~4 mm,厚度為0.05 m。濾層上最大水深為1.25 m,設(shè)計最大過濾水頭為2.5 m,每格濾池配水配氣系統(tǒng)采用長柄濾頭,在濾板上均勻布置,濾板下部空間凈高為0.90 m。沖洗采用氣水反沖洗,沖洗歷時:氣沖1.5 min,氣水同時沖洗4 min,單獨水沖6.5 min,總歷時12 min。氣沖強度為15 L/(s·m2),氣水同時沖洗時水沖強度為3 L/(s·m2),單獨水沖洗強度為6 L/(s·m2),表面掃洗強度為2.2 L/(s·m2)。

        (4)提升泵房(15萬m3/d):安裝軸流泵4臺,3用1備,設(shè)備參數(shù)Q=2 099~2 510 m3/h,H=7~3.9 m,全變頻。

        (5)后臭氧接觸池(15萬m3/d):設(shè)1座后臭氧接觸池,分2格,總平面尺寸為25.5 m×15.2 m,池深為7.15 m。有效接觸時間為10 min,分為三級串聯(lián),每級分為接觸及反應(yīng)2段。三級接觸反應(yīng)時間分別為2.5、3.5、4.0 min(不計連通渠)。三段臭氧投加量依次為50%、30%、20%。臭氧投加量為1~2 mg/L,預(yù)留雙氧水投加點。

        (6)翻板活性炭濾池(15萬m3/d):1座,分6格,單格過濾面積為112.5 m2,單排布置。設(shè)計濾速為9.26 m/h,空床接觸時間為12.9 min。濾料采用壓塊破碎活性炭,濾料為8×30目,碘吸附值>950 mg/g,亞甲蘭吸附值>180 mg/g,濾層厚度為2.0 m。為減少微生物穿透的可能,減少截留的微生物及有機物進入清水池的幾率,活性炭濾料下增設(shè)500 mm厚砂濾層。采用氣水反沖洗,沖洗過程:單獨氣沖→氣水聯(lián)合沖→單獨水沖,重復(fù)2次,氣沖2 min,氣水同時沖洗3~4 min,單獨水沖1~2 min。氣沖強度為15~16 L/(s·m2),氣水同時沖洗時水沖強度為3~4 L/(s·m2),單獨水沖洗強度為15~16 L/(s·m2)。

        (7)清水池:設(shè)2座,有效水深為3.4 m,總有效調(diào)節(jié)容積為16 000 m3,與現(xiàn)狀6 400 m3清水池一起,總調(diào)節(jié)比例約15%。

        (8)送水泵房(15萬m3/d):新建送水泵房安裝4臺水泵,水泵特性參數(shù):Q=2 350 m3/h,H=52 m;現(xiàn)狀送水泵房拆除現(xiàn)狀水泵后重新安裝2臺水泵,水泵特性參數(shù):Q=1 650 m3/h,H=52 m。

        3 設(shè)計總結(jié)

        3.1 新老系統(tǒng)銜接

        (1)由于該自來水廠為縣城唯一的水廠,若二期工程的實施造成縣城長時間停水,則會帶來極大的社會穩(wěn)定風(fēng)險。因此,設(shè)計時應(yīng)盡量保留一期生產(chǎn)設(shè)施,并考慮合適的施工時序和措施,建設(shè)時盡量不影響現(xiàn)狀水廠的生產(chǎn),并盡可能在最短時間內(nèi)實現(xiàn)管道的連接和系統(tǒng)的切換,主要措施如下。

        ①二期新建中控及化驗中心用地原是一期現(xiàn)狀加氯加藥間,故二期新建加氯間、綜合加藥間均先行建設(shè),先于廠區(qū)其他構(gòu)建筑物進行設(shè)備安裝及調(diào)試,具備運行條件后再對一期現(xiàn)狀加氯加藥間進行拆除,并實施二期中控及化驗中心建設(shè)。

        ②在二期工程實施的過程中,需對現(xiàn)狀強弱電纜等先行改遷,并對現(xiàn)狀生產(chǎn)管線進行保護。

        ③只有待二期工程具備通水運行條件后,才能實施現(xiàn)狀一期常規(guī)處理設(shè)施進水總管改造,并對現(xiàn)狀一期常規(guī)處理設(shè)施和送水泵房的設(shè)備進行更換。

        (2)由于兩期工程常規(guī)處理部分規(guī)模不同,故二期工程與一期現(xiàn)狀工程在構(gòu)筑物分組上需合理銜接,并維持運行的相對獨立,主要措施如下。

        ①二期新建預(yù)臭氧接觸池1座,規(guī)模為15萬m3/d,一期工程現(xiàn)狀DN800原水管和二期工程新建DN1200原水管均進入預(yù)臭氧接觸池進水井。預(yù)臭氧接觸池的出水需根據(jù)常規(guī)處理2條生產(chǎn)線的不同規(guī)模(分別為5萬m3/d和10萬m3/d),設(shè)置不同長度的配水堰進行合理的配水。

        ②深度處理為1條生產(chǎn)線,處理規(guī)模為15萬m3/d,包括提升泵房、后臭氧接觸池和活性炭濾池。一期氣水反沖洗濾池DN1000的出水管和二期氣水反沖洗濾池DN1400的出水管均進入提升泵房進水井,通過提升后再進入深度處理設(shè)施?;钚蕴繛V池DN1600出水總管通過3根支管接入后面3座容積不同的清水池,進入清水池的支管均設(shè)置閥門。

        ③3座清水池的出水管通過總管連通,分別進入新建送水泵房(10萬m3/d)與現(xiàn)狀送水泵房(5萬m3/d)前的吸水井,將2座吸水井連通。2座送水泵房后的出水壓力管連通,通過現(xiàn)狀DN800清水管和新建DN1200清水管接入市政給水管網(wǎng)。

        (3)二期工程與一期現(xiàn)狀工程在水力流程上需合理銜接,主要措施如下。

        ①二期工程常規(guī)處理氣水反沖洗濾池出水堰標高、新建清水池標高和調(diào)節(jié)水深等應(yīng)與一期現(xiàn)狀工程保持一致。

        ②在常規(guī)處理水質(zhì)達標的條件下,常規(guī)處理構(gòu)筑物在流程上應(yīng)可全部超越深度處理,直接進入清水池,也可部分超越深度處理,出水混合后進入清水池。

        3.2 溢流安全措施

        水廠深度處理改造工程應(yīng)根據(jù)常規(guī)處理出水水質(zhì)和深度處理建設(shè)條件甄別分析,選用適當?shù)南到y(tǒng)設(shè)計和安全溢流模式[5]。

        本工程深度處理前設(shè)置了調(diào)節(jié)水池及提升泵房,提升泵房設(shè)置了4臺潛水軸流泵,調(diào)節(jié)水池的最大調(diào)蓄容積不小于單臺水泵5 min的出水量,最大調(diào)蓄水深為2.7 m。為盡量減少水位變化幅度,維持高水位運行,4臺軸流泵全部配置變頻器。在提升泵房突然斷電的異常情況下,氣水反沖洗濾池的出水仍然將通過重力作用自流進入提升泵房,導(dǎo)致提升泵房漫水甚至濾池管廊發(fā)生外溢,對廠區(qū)生產(chǎn)帶來很大的影響。因此,本工程考慮在提升泵房調(diào)節(jié)水池內(nèi)設(shè)置溢流堰,溢流堰堰頂高于調(diào)節(jié)水池最高運行水位30 cm,溢流水通過廠區(qū)排水管道,接入排水池回用。

        4 施工情況及運行效果

        4.1 施工情況

        該項目于2016年8月正式開始施工,2017年12月項目的二期擴建及深度處理部分開始通水試運行,于2018年10月完成一期現(xiàn)狀工程改造,整個項目最終于2018年10月29日竣工驗收。鑒于設(shè)計階段的精細化設(shè)計和合理的施工組織,在整個項目的施工過程中,現(xiàn)狀一期工程維持正常生產(chǎn),未對縣城供水造成影響。

        4.2 進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析及運行效果

        從2017年12月二期擴建及深度處理部分開始通水試運行至今,產(chǎn)水量已接近滿負荷,凈水各項指標全面達標,出水渾濁度穩(wěn)定在0.3 NTU以下。2019年1月—2019年6月進出水渾濁度數(shù)據(jù)如圖3所示,為0.081~0.257 NTU,相較于提標前的0.2~0.345 NTU,有較大幅度的提升。

        圖3 2019年1月—2019年6月進出水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析Fig.3 Analysis of Influent and Effluent Water Quality during January to June in 2019

        根據(jù)2019年的出水在線監(jiān)測結(jié)果,其他主要指標:高錳酸鹽指數(shù)為1.5~2 mg/L,氨氮<0.02 mg/L,鐵、錳均小于0.05 mg/L,溴酸鹽<0.002 mg/L。在取水泵站未投加粉末活性炭的情況下,高錳酸鹽指數(shù)相較于提標前的1.72~2.63 mg/L,有較大的提高;在實際未投加H2O2的情況下,出水溴酸鹽<0.002 mg/L。

        5 結(jié)語

        (1)針對原水有機物微污染和冬季低溫低濁的特點,為確保出水渾濁度達到0.3 NTU以下,“預(yù)臭氧+強化常規(guī)處理+臭氧生物活性炭過濾深度處理”工藝是處理受污染水源水并保證高質(zhì)量出水水質(zhì)的一種有效方法。

        (2)針對現(xiàn)有凈水廠的擴建和深度處理提標改造,設(shè)計時需特別注意對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施的保留和保護,并考慮合適的施工時序和措施,建設(shè)時盡量不影響現(xiàn)狀水廠的生產(chǎn),并盡可能在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)管道的連接和系統(tǒng)的切換。

        (3)改擴建工程和現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施在工程分組和水力流程上均需合理銜接,并維持運行的相對獨立,需重視深度處理提升的溢流安全措施。

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