司徒菲，胡新立 ，黃 智，宋子明，王浩然

(1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.桂林市自來(lái)水有限公司，廣西桂林 541002)

原水水質(zhì)直接影響水廠處理工藝路線選擇、生產(chǎn)運(yùn)行效率和供水安全，特別是雙水源水廠，不同水源水質(zhì)不盡相同，水源切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)原水水質(zhì)波動(dòng)，給水廠生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)極大考驗(yàn)[1]。桂林某水廠二期工程設(shè)計(jì)總規(guī)模為40萬(wàn)m3/d，近期規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)之初，確定以漓江為供水水源，青獅潭及上游水庫(kù)作為漓江補(bǔ)充水源，以解決桂林市長(zhǎng)期以來(lái)只有漓江單一供水水源、枯水季節(jié)漓江缺水嚴(yán)重以及水污染突發(fā)事件隱患等問(wèn)題。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于環(huán)保及相關(guān)部門(mén)要求逐步關(guān)閉位于漓江市區(qū)段的取水口，全市供水系統(tǒng)布局出現(xiàn)較大調(diào)整，最終明確本項(xiàng)目采用漓江和青獅潭水庫(kù)雙水源，即兩個(gè)水源均可直供水廠。

水廠的處理工藝如何綜合應(yīng)對(duì)漓江短時(shí)間高濁以及青獅潭水庫(kù)低濁、高藻、微污染隱患等原水狀況，且要有一定的抗沖擊負(fù)荷能力，這是本項(xiàng)目需要重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題。我國(guó)目前飲用水源有可能受到的微污染影響主要體現(xiàn)在富營(yíng)養(yǎng)化引起的藻類(lèi)污染和有機(jī)物污染兩方面，經(jīng)過(guò)行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的研究和分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)氧化+強(qiáng)化混凝的處理工藝在處理效果上有顯著優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多方案比選，凈水工藝選擇“預(yù)沉池+高效沉淀池+高速濾池”的強(qiáng)化常規(guī)處理，同時(shí)，廠區(qū)預(yù)留預(yù)處理和深度處理用地，以滿(mǎn)足將來(lái)更高品質(zhì)供水的需求。

1 項(xiàng)目概況

桂林某水廠一期工程已建規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，二期工程于2018年完成設(shè)計(jì)，2020年底竣工投產(chǎn)，運(yùn)行至今效果良好。二期工程設(shè)計(jì)總規(guī)模為40萬(wàn)m3/d，近期規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，其中，取水工程及水廠內(nèi)輔助生產(chǎn)構(gòu)筑物按土建規(guī)模為40萬(wàn)m3/d一次建成。廠區(qū)位置如圖1所示。

圖1 廠區(qū)位置圖

2 原水水質(zhì)分析

2.1 漓江水質(zhì)特性

漓江水質(zhì)情況具有以下特點(diǎn)：①原水渾濁度受上游植被及山洪影響較大，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的峰值，渾濁度最高可達(dá)3 200.00 NTU，最低只有0.40 NTU，大部分在10.00 NTU以下；②pH值基本為7.34～8.15，稍偏堿性；③TP質(zhì)量濃度基本小于0.05 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為0.028～0.172 mg/L，BOD5質(zhì)量濃度基本小于2.00 mg/L，DO質(zhì)量濃度為7.20～10.08 mg/L；④平均水溫為20 ℃左右；⑤水中雜草較多，有機(jī)污染及重金屬含量較低；⑥平均含沙量為0.020～0.091 kg/m3；⑦藻類(lèi)數(shù)量為十萬(wàn)級(jí)，優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)為綠藻。

從以上水質(zhì)看，漓江水質(zhì)總體較好，屬于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ～Ⅲ類(lèi)水體，含沙量較少，總體渾濁度偏低，短時(shí)間會(huì)出現(xiàn)高濁現(xiàn)象。

2.2 青獅潭水庫(kù)水質(zhì)特性

青獅潭水庫(kù)水質(zhì)情況具有以下特點(diǎn)：①大部分渾濁度在5.00 NTU以下；②pH值基本為7.41～8.87，稍偏堿性；③TP質(zhì)量濃度基本小于0.02 mg/L，TN質(zhì)量濃度為0.43～0.92 mg/L，CODMn質(zhì)量濃度為0.90～2.17 mg/L，BOD5質(zhì)量濃度為0.81～1.21 mg/L，個(gè)別指標(biāo)質(zhì)量濃度接近3 mg/L，DO質(zhì)量濃度為8.45～10.30 mg/L；④平均水溫為5～15 ℃；⑤藻類(lèi)數(shù)量達(dá)到百萬(wàn)級(jí)，優(yōu)勢(shì)藻類(lèi)為藍(lán)藻。

從以上水質(zhì)看，青獅潭水庫(kù)水質(zhì)除了TN為Ⅲ類(lèi)地表水等級(jí)范圍、CODMn為Ⅱ類(lèi)地表水等級(jí)范圍，其余指標(biāo)均屬于Ⅰ類(lèi)地表水等級(jí)范圍，整體水質(zhì)優(yōu)于漓江水質(zhì)，具有低濁、高藻的特點(diǎn)，存在TN污染、有機(jī)污染和富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

3 工藝思路

3.1 工藝路線選擇

水廠設(shè)計(jì)出廠水質(zhì)近期要求達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)和《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 206—2005)的要求，出廠水渾濁度在0.50 NTU以下；遠(yuǎn)期出廠水質(zhì)逐步達(dá)到《飲用凈水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ 94—2005)和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，滿(mǎn)足直飲要求。

本項(xiàng)目針對(duì)雙水源的水質(zhì)特性，工藝方案的選擇需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：漓江原水平時(shí)低濁、遇到洪水期時(shí)高濁，增加了青獅潭水庫(kù)作為水源后，原水不僅存在低濁，而且含藻量增加，同時(shí)存在TN和有機(jī)污染的風(fēng)險(xiǎn)；水廠工藝選擇應(yīng)具有一定前瞻性，能適應(yīng)潛在的污染影響和今后發(fā)展的趨勢(shì)。

該廠已經(jīng)運(yùn)行的一期工程僅以漓江為水源，采用常規(guī)水處理工藝(折板反應(yīng)平流沉淀池+氣水反沖洗濾池+液氯消毒)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，出廠平均渾濁度為0.27 NTU，游離氯質(zhì)量濃度控制在0.84 mg/L左右。本次二期工程有進(jìn)一步降低出廠水渾濁度的需求，推薦采用強(qiáng)化常規(guī)水處理工藝，通過(guò)增加藥劑量、提高混凝沉淀效率、增加濾層厚度、提高濾池反沖強(qiáng)度確保濾料清潔等措施，在除濁的同時(shí)增加對(duì)氨氮及有機(jī)物等污染物的去除?？紤]到漓江水質(zhì)可能出現(xiàn)波動(dòng)，甚至短時(shí)間惡化，為保證水源水質(zhì)安全，在取水泵站設(shè)置應(yīng)急加藥間，一旦漓江遭受有機(jī)物或氨氮污染、藻類(lèi)暴發(fā)、出現(xiàn)臭和味等突發(fā)情況，可及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。

微污染原水常用的預(yù)處理方法有化學(xué)預(yù)氧化、生物預(yù)處理和粉末活性炭吸附。化學(xué)預(yù)氧化分為臭氧預(yù)氧化、高錳酸鹽預(yù)氧化和預(yù)氯化等[2]。臭氧和高錳酸鹽都具有極強(qiáng)的氧化能力，在滅藻、除嗅、脫色及提高后續(xù)混凝沉淀工藝對(duì)微污染有機(jī)物、藻類(lèi)和膠體顆粒物等的去除率方面效果顯著。粉末活性炭對(duì)水中腐殖質(zhì)、異臭、色度、有機(jī)氯化物、重金屬、氰化物、農(nóng)藥等具有較好的去除作用[3-5]。本工程在取水泵站應(yīng)急加藥間內(nèi)設(shè)置高錳酸鉀和活性炭?jī)煞N應(yīng)急藥劑，同時(shí)在廠內(nèi)預(yù)留預(yù)臭氧接觸池建設(shè)用地。

考慮到漓江水質(zhì)會(huì)出現(xiàn)短期高渾濁度的情況，需在反應(yīng)沉淀工藝之前設(shè)置預(yù)沉池。當(dāng)原水渾濁度大于500.00 NTU時(shí)，通過(guò)預(yù)沉池先行處理；當(dāng)原水渾濁度低于500.00 NTU時(shí)，原水可以超越預(yù)沉池直接進(jìn)入反應(yīng)沉淀池進(jìn)行處理。針對(duì)渾濁度較低的情況，采用高效沉淀池，利用污泥回流增強(qiáng)沉淀去除效果?？紤]出廠水水質(zhì)要求提高的發(fā)展趨勢(shì)，在廠內(nèi)預(yù)留了深度處理工藝建設(shè)用地，使出廠水水質(zhì)始終滿(mǎn)足或優(yōu)于各個(gè)階段飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，且適應(yīng)今后供水水質(zhì)進(jìn)一步提高的需求。

綜上所述，本項(xiàng)目的凈水工藝路線如圖2所示。

圖2 凈水工藝流程

3.2 強(qiáng)化常規(guī)處理工藝選擇

為去除原水中藻類(lèi)，近期預(yù)處理工藝考慮采用預(yù)加氯，遠(yuǎn)期深度處理設(shè)施建設(shè)后，改用預(yù)臭氧工藝。

針對(duì)本工程原水水質(zhì)低濁、含藻的情況，需提高固液分離效率，同時(shí)考慮利用一期工程的成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選擇高效反應(yīng)沉淀池與折板絮凝平流沉淀池兩種工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，如表1所示。

表1 高效反應(yīng)沉淀池與折板絮凝平流沉淀池的技術(shù)比較

由表1可知，高效沉淀池由機(jī)械攪拌器控制混合和絮凝以及污泥回流等工藝手段，雖然設(shè)備相對(duì)較多，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)連鎖運(yùn)行，整套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需操作人員過(guò)多的干預(yù)，其靈活性及適應(yīng)性上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于折板絮凝池。高效沉淀池機(jī)械攪拌抗沖擊能力強(qiáng)，更適用于水質(zhì)、水量的變化情況，出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠，可減少后續(xù)砂濾池的負(fù)荷。同時(shí)，高效反應(yīng)沉淀池負(fù)荷高、占地面積小、土建費(fèi)用低。

高速濾池采用粗砂濾料，砂粒具有較大的有效粒徑，能使礬花更深地滲入過(guò)濾介質(zhì)中從而增大滯留能力，濾層更深，使截污容量更大；應(yīng)用多進(jìn)水槽布水，減少了進(jìn)水對(duì)濾床的沖擊，使其運(yùn)行穩(wěn)定，能更好地適應(yīng)原水水量的變化，出水水質(zhì)安全、穩(wěn)定。對(duì)高速濾池和常規(guī)V型濾池的技術(shù)性能、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)型等方面進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 高速濾池與V型濾池的技術(shù)比較

高效斜管沉淀池+高速濾池工藝較為成熟穩(wěn)定，根據(jù)國(guó)內(nèi)近十幾處采用高效斜管沉淀池+高速濾池工藝組合的應(yīng)用實(shí)例運(yùn)行反饋數(shù)據(jù)(如上海臨江自來(lái)水廠、上海金海自來(lái)水廠、成都六水廠B廠、成都雙流水廠、綿陽(yáng)水廠及德陽(yáng)孝感水廠等)，其能較好地適應(yīng)進(jìn)水量、水質(zhì)不穩(wěn)定的生產(chǎn)情況，完全能滿(mǎn)足高渾濁度原水處理要求。故本項(xiàng)目采用預(yù)沉池+高效沉淀池+高速砂濾池的組合。

4 工藝流程

本項(xiàng)目工藝流程如圖3所示。

圖3 廠區(qū)工藝流程圖

凈水廠內(nèi)各工段構(gòu)(建)筑物根據(jù)工藝流程從北向南布置，如圖4所示。

圖4 廠區(qū)平面布置圖

5 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該水廠設(shè)計(jì)總規(guī)模為40萬(wàn)m3/d，取水工程及水廠內(nèi)輔助生產(chǎn)構(gòu)筑物土建按40萬(wàn)m3/d規(guī)模一次建成，主要生產(chǎn)構(gòu)筑物及設(shè)備按近期20萬(wàn)m3/d規(guī)模建設(shè)。為保證制水、供水安全，分為兩條生產(chǎn)線運(yùn)行，每條生產(chǎn)線規(guī)模為10萬(wàn)m3/d。

(1)取水頭部

取水頭部按20萬(wàn)m3/d的規(guī)模設(shè)計(jì)，采用鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，呈菱形布置。

(2)引水管

自流引水管采用2根D1420×14鋼管，單根長(zhǎng)為298 m，正常運(yùn)行管內(nèi)流速為0.80 m/s，事故或檢修時(shí)單管通過(guò)70%流量時(shí)流速為1.10 m/s。

(3)取水泵房

取水泵房采用半地下式泵房，下圓上方，內(nèi)徑為24.80 m，外徑為26.00 m，筒體深為14.50 m，上部建筑面積為530.66 m2。按最高日取水量及99%保證率枯水位為控制條件設(shè)計(jì)。共設(shè)4臺(tái)泵位，雙排布置。

(4)配電間

配電間設(shè)在取水泵房西側(cè)，與取水泵房連為一體，包括控制室、高/低壓配電間、儀表間及變頻器間等，其建筑面積為246.06 m2。

(5)應(yīng)急加藥間

在取水泵站設(shè)置應(yīng)急加藥間，兼顧一、二期工程投藥需求，建筑面積為314.80 m2。一旦漓江遭受有機(jī)物或氨氮污染、藻類(lèi)暴發(fā)、出現(xiàn)臭和味等突發(fā)情況，可及時(shí)投加高錳酸鉀及粉末活性炭進(jìn)行應(yīng)急處理。

高錳酸鉀一般投加量為0.1～0.5 mg/L，最大投加量為2.5 mg/L，投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。每日調(diào)制2次藥劑，采用數(shù)字計(jì)量泵投加，投加點(diǎn)設(shè)在泵房吸水井內(nèi)。

活性炭投加量為15～25 mg/L，比重約為0.4 g/cm3，采用濕式投加，炭漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%，投加點(diǎn)設(shè)在泵房吸水井內(nèi)。

(6)配水井

按遠(yuǎn)期規(guī)模建1座總配水井，用于切換兩路原水進(jìn)廠。按近期規(guī)模建1座分配水井，用于切換來(lái)水進(jìn)入預(yù)沉池或高效反應(yīng)沉淀池。在總配水井和分配水井之間預(yù)留預(yù)臭氧接觸池建設(shè)用地，并設(shè)有超越管路。

(7)預(yù)沉池

按近期規(guī)模建2座周進(jìn)周出預(yù)沉池，單座內(nèi)徑為26.00 m，池邊水深為4.80 m，水力停留時(shí)間為35 min，上升流速為8.24 m/h。

(8)高效反應(yīng)沉淀池

按近期規(guī)模建1座高效反應(yīng)沉淀池，分為可獨(dú)立運(yùn)行的4組。前混凝池停留時(shí)間為1.9 min，后混凝池停留時(shí)間為0.6 min，絮凝池停留時(shí)間為20.2 min，沉淀池斜管區(qū)上升流速為12.85 m/h，斜管斜長(zhǎng)為1.4 m，直徑為50 mm。

混凝劑選用液體PAC，前混凝投加點(diǎn)在前混合池進(jìn)水口，最大投加量為14.00 mg/L(以純Al2O3計(jì)，下同)，平均投加量為2.50 mg/L；后混凝投加點(diǎn)在后混合池進(jìn)水口，最大投加量為0.50 mg/L，平均投加量為0.20 mg/L。助凝劑選用PAM，投加點(diǎn)在絮凝區(qū)中部，最大投加量為0.30 mg/L，平均投加量為0.08 mg/L。近期預(yù)氧化采用前加氯，投加點(diǎn)在分配水井內(nèi)，最大投氯量為1.50 mg/L。遠(yuǎn)期實(shí)施預(yù)臭氧氧化時(shí)，取消前加氯。

(9)高速濾池、反沖泵房及鼓風(fēng)機(jī)房

為節(jié)省占地和投資，反沖洗泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、電氣間和高速濾池按近期規(guī)模合建1座。高速濾池分為8格，單格有效過(guò)濾面積為93.42 m2，濾料有效粒徑為1.35 mm，濾床厚度為2.0 m，承托層厚度為0.1 m，承托層粒徑為5.00～7.00 mm。過(guò)濾時(shí)濾床上部水深為1.2 m，平均濾速為11.70 m/h，1格濾池反沖洗時(shí)強(qiáng)制濾速為13.40 m/h。反沖洗周期為24 h，氣反沖洗強(qiáng)度為60 m3/(m2·h)，時(shí)間為1 min；氣水聯(lián)合反沖洗水強(qiáng)度為20 m3/(m2·h)，時(shí)間為8 min；單獨(dú)水沖洗強(qiáng)度為60 m3/(m2·h)，時(shí)間為7 min。采用液氯消毒，濾后加氯點(diǎn)在濾池出水總管上，最大投氯量為3.00 mg/L。

反沖洗泵房按一次最多可沖洗1格濾池運(yùn)行。

(10)清水池

清水池按遠(yuǎn)期規(guī)模一次建成，共4座，近、遠(yuǎn)期調(diào)節(jié)比例為40.6%、20.3%。

(11)吸水井及送水泵房

吸水井及送水泵房土建按遠(yuǎn)期規(guī)模一次建成，泵房按水泵自灌啟動(dòng)設(shè)計(jì)，共設(shè)6臺(tái)泵位，近期安裝4臺(tái)水泵(1大2中1小)，預(yù)留2臺(tái)泵位，所有泵均采用變頻調(diào)速。在吸水井設(shè)有補(bǔ)氯點(diǎn)，設(shè)計(jì)補(bǔ)氯量為0.50 mg/L。

(12)回收水池

按遠(yuǎn)期規(guī)模建1座廢水回收水池和1座上清液回收水池，分別收集濾池反沖洗廢水、初濾水和濃縮池上清液，反沖廢水儲(chǔ)存容積按最多連續(xù)沖洗4格考慮。池內(nèi)設(shè)回收水泵，將廢水回流至總配水井內(nèi)。

(13)污泥濃縮池

污泥濃縮池按近期規(guī)模建成2座，單座直徑為22.00 m，池邊水深為4.20 m。固體通量為0.54 kg干固體/(m2·h)，液面負(fù)荷為0.03 m3/(m2·h)。

(14)污泥脫水車(chē)間

污泥脫水車(chē)間土建按遠(yuǎn)期規(guī)模一次建成1座，出泥含水率為80%。共設(shè)置4臺(tái)機(jī)位，近期采用3臺(tái)離心機(jī)，預(yù)留1臺(tái)機(jī)位。近期原水渾濁度正常時(shí)，運(yùn)行1臺(tái)；原水渾濁度較高時(shí)，運(yùn)行2臺(tái)；一期工程污泥運(yùn)行1臺(tái)。

6 運(yùn)行情況

水廠正式投產(chǎn)一年以來(lái)(2020年11月—2021年10月)，出廠水平均渾濁度維持在0.15 NTU以下，低于一期工程出廠水渾濁度。菌落總數(shù)、耐熱大腸菌群、總大腸菌群合格率均為100%，整體水質(zhì)優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)標(biāo)準(zhǔn)。

由于進(jìn)廠水渾濁度尚未遇到高于500.00 NTU的情況，預(yù)沉池在調(diào)試后未持續(xù)運(yùn)行。為避免高效沉淀池內(nèi)斜管長(zhǎng)藻，預(yù)氧化系統(tǒng)一直投入使用。

一、二期工程的主要能耗對(duì)比如表3所示。

表3 兩期工程能耗對(duì)比

青獅潭水庫(kù)原水管尚在建設(shè)中，二期工程投產(chǎn)一年期間處理的原水與一期工程一樣，均為漓江水，平均藥耗有所增加，平均電耗相當(dāng)。

7 結(jié)論

(1)該工程為漓江和青獅潭水庫(kù)雙水源，采用“預(yù)沉池+高效沉淀池+高速濾池”的強(qiáng)化常規(guī)處理工藝，能夠適應(yīng)低濁、高濁、高藻多種原水水質(zhì)特性，并且具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力和抗微污染風(fēng)險(xiǎn)能力。運(yùn)行一年以來(lái)，出廠渾濁度控制在0.15 NTU以下，各項(xiàng)衛(wèi)生指標(biāo)合格率為100%。

(2)廠區(qū)平面布置中預(yù)留預(yù)處理、深度處理用地和管道接駁口控制閥門(mén)，將來(lái)對(duì)供水水質(zhì)提出更高要求時(shí)，可在不影響正常生產(chǎn)的情況下，增加預(yù)處理和深度處理流程。

(3)考慮到桂林市內(nèi)其他現(xiàn)有水廠內(nèi)清水池調(diào)節(jié)容量偏小，且均無(wú)擴(kuò)建可能，為提高整個(gè)市區(qū)供水安全性，清水池調(diào)節(jié)容積設(shè)計(jì)相應(yīng)增大，并一次建成，近、遠(yuǎn)期調(diào)節(jié)比例分別為40.6%、20.3%。