張薛龍，張 強，盧東昱，駱 平，張 振

(1.北京恩菲環(huán)保股份有限公司，北京 100038；2.河南省建筑設計研究院有限公司，河南鄭州 450014)

河南省某縣級城市以深層地下水為飲用水水源，原水經(jīng)過簡單的沉淀、消毒后輸送至用戶。原有供水系統(tǒng)建設較早，設計標準低，設備設施老舊，長期存在夏季高峰期供水壓力不足的問題，部分小區(qū)3、4樓就出現(xiàn)龍頭無水現(xiàn)象，加之當?shù)氐叵滤捕绕?、水垢較多、口感較差，現(xiàn)有供水系統(tǒng)已無法滿足當?shù)厝嗣癫粩嗵岣叩挠盟枨蟆?/p>

該縣位于南水北調(diào)中線工程受水區(qū)范圍內(nèi)，南水北調(diào)干渠穿越縣域北上，并在城區(qū)以東預留分水口門，距離城區(qū)較近。南水北調(diào)干渠為地上渠，運行液位較高，具有較好的自流引水條件。結合這些有利條件，當?shù)刂鞴懿块T適時啟動了南水北調(diào)水廠工程建設相關工作。

該工程原水為南水北調(diào)中線干渠水，結合相關文獻資料，丹江水庫原水水質(zhì)基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中Ⅱ類標準[1-2]，各項指標多年波動較小，但一年周期內(nèi)存在冬季低溫低濁、夏季藻含量高、pH高的問題[3]，這一現(xiàn)象與湖庫型水源和長距離明渠輸水有關，相關監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地說明了上述情況。針對這一原水水質(zhì)情況，在工程設計和運行管理中需要有針對性地采取技術、管理手段，確保處理水水質(zhì)穩(wěn)定達標。目前，針對原水水質(zhì)較好的地表水廠，普遍采用混凝、沉淀、過濾的傳統(tǒng)工藝，部分項目因原水有機物微污染，增加了預處理或深度處理系統(tǒng)。然而，工藝選擇上具有一定趨同性，工藝流程及設計參數(shù)的選擇未經(jīng)過充分研究論證，究其原因，主要是缺乏實際運行情況的統(tǒng)計以及與工藝設計之間聯(lián)系的研究分析。本文通過對本工程水量、水質(zhì)的長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計和設計參數(shù)分析，對類似水質(zhì)的水廠工程設計及運行管理提供參考借鑒，使設計方案能夠更加經(jīng)濟高效、運行質(zhì)量有所提升。

1 工藝設計

新建南水北調(diào)水廠自干渠口門管理站引水，設計通過DN800原水管道重力自流至廠區(qū)內(nèi)。根據(jù)規(guī)劃，新建南水北調(diào)水廠總規(guī)模為8萬m3/d，近期規(guī)模為3萬m3/d，用地面積為23 658.8 m2，后續(xù)結合城市發(fā)展用水量變化，申請指標另行征地擴建。綜合考慮干渠原水水質(zhì)以及縣城現(xiàn)狀用水情況，設計采用了機械混合+機械絮凝+上向流斜管沉淀+V型濾池的主體工藝，如圖1所示。受限于工程預算，僅在廠區(qū)內(nèi)預留了臭氧活性炭等深度處理系統(tǒng)用地[4]，未來隨著供水水質(zhì)標準提高，以及原水水質(zhì)可能出現(xiàn)惡化，對濾池出水進一步處理預留了改造建設用地。污泥處理采用污泥濃縮池+帶式濃縮脫水機的處理工藝，含水率降低至80%以下，泥餅外運處置。

圖1 工藝流程

1.1 原水提升泵房

設計自用水系數(shù)為1.05，采用3臺單級雙吸離心泵，2用1備，單泵流量為656 m3/h，揚程為13 m。

1.2 反應沉淀池

設計采用機械混合+機械絮凝+上向流斜管沉淀工藝，混合時間為62 s，絮凝反應時間為18.7 min，沉淀池液面負荷為5.94 m3/(m2·h)。反應沉淀池設1座，分為2個系列，可獨立運行。每系列設置槳葉式混合攪拌器1臺、絮凝攪拌器4臺，斜管采用乙丙共聚材質(zhì)，孔徑為35 mm，沉淀池池底采用穿孔排泥管氣動閥門控制排泥。

1.3 V型濾池

V型濾池設計4組，每組2格，單格尺寸為7.0 m×3.0 m，設計濾速為7.81 m/h，強制濾速為10.42 m/h。濾料采用均質(zhì)石英砂，厚度為1.2 m。受用地限制，反沖洗設備間與濾池合建，反沖洗水泵設3臺，2用1備，單泵流量為453 m3/h，揚程為10.5 m，反沖洗風機設2臺，1用1備，單臺流量為42.8 m3/min，功率為39 kPa。

1.4 清水池

清水池設計2座，單座尺寸為30.6 m×30.6 m×3.7 m，有效池容約為3 465 m3，達到生產(chǎn)規(guī)模的23%，且滿足消毒接觸時間為30 min的要求。

1.5 送水泵房

設計時變化系數(shù)為1.4，采用4臺單級雙吸離心泵，3用1備，單泵流量為612.5 m3/h，揚程為56 m，自灌啟動。

1.6 污泥系統(tǒng)

污泥采用重力濃縮池+帶式濃縮脫水機處理，設計絕干污泥產(chǎn)率為1 590 kg DS/d。污泥濃縮池設1座，直徑為10 m，濃縮池上清液回流至排水池，濃縮污泥排入污泥平衡池。污泥脫水機房設計2臺帶寬為1.5 m的帶式濃縮脫水機，1用1備。

1.7 加氯加藥間

考慮到氯消毒安全性以及消毒副產(chǎn)物問題，該工程不采用氯消毒，而采用成品NaClO商品溶液儲存時間較長，長期存放易失效。綜合考慮后，該工程采用現(xiàn)場制備ClO2的方式，加藥點包括反應池前和濾池后，設計前加氯量為1.0～2.0 mg/L，后加氯量為0.5～1.0 mg/L，采用3 kg/h的ClO2發(fā)生器4臺，2用2備。

混凝劑設計最大投加量為20 mg/L，采用商品PAC溶液，有效質(zhì)量分數(shù)為10%，助凝劑采用陰離子PAM，平均投加量為0.5 mg/L。污泥脫水調(diào)理劑采用陽離子PAM，設計投加量為5 kg/(t DS)。

2 運行情況

該工程自2017年12月建成通水調(diào)試，已連續(xù)運行4年，期間運行較為穩(wěn)定，產(chǎn)水水質(zhì)良好，操作管理方便，取得了較好的社會、經(jīng)濟效益。

2.1 水量水質(zhì)

1)水量及變化系數(shù)

統(tǒng)計2018年—2021年運行數(shù)據(jù)，該工程各月日均供水量情況如圖2所示，近3年供水量穩(wěn)步增長，與城市發(fā)展、管網(wǎng)覆蓋范圍增加有一定關系。

圖2 2018年—2021年各月日均供水量

統(tǒng)計2018年—2021年每日供水量數(shù)據(jù)，計算日變化系數(shù)，結果如表1所示。

表1 2018年—2021年日變化系數(shù)

2018年項目投產(chǎn)初期，計算全年周期內(nèi)日變化系數(shù)為1.31。2019年—2021年，工藝運行管理較為穩(wěn)定，日變化系數(shù)穩(wěn)定在1.20～1.25，符合《室外給水設計標準》(GB 50013—2018)推薦采用的1.1～1.5。此外，時變化系數(shù)如表2所示，平均為1.37，符合標準推薦采用的1.2～1.6，且與送水泵設計時變化系數(shù)1.4較為接近。

表2 2018年—2021年時變化系數(shù)

2)水質(zhì)

近3年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，南水北調(diào)原水全年渾濁度較低，普遍低于5.0 NTU，12月—次年2月原水渾濁度最低，甚至低于1.0 NTU，如圖3所示。但結合現(xiàn)場實際運行情況，冬季低溫并未造成混凝劑消耗的明顯增加。夏季由于源頭水庫周邊降雨徑流、藻類滋生等，渾濁度有所升高[5-6]，特別是2021年夏季河南地區(qū)持續(xù)性強降雨，南水北調(diào)干渠水質(zhì)受到較大影響，7月原水渾濁度遠超往年同期水平，最高時一天甚至達到98.0 NTU，原水較為渾濁。通過及時開展小試試驗、提高藥劑投加量，出廠水渾濁度仍能夠穩(wěn)定在0.3 NTU左右。

圖3 2018年—2021年各月原水、產(chǎn)水渾濁度

微生物指標中的菌落總數(shù)、總大腸菌群情況如圖4所示。夏季原水菌落總數(shù)、總大腸菌群較高，冬季較低，這可能與夏季降雨地面徑流帶入污染物、水溫升高利于微生物繁殖有關[7]。產(chǎn)水菌落總數(shù)、總大腸菌群都能穩(wěn)定達標，表明ClO2消毒殺菌效果較好。由于夏季南水北調(diào)原水微生物指標水平較高，設計及運行中需要適當增加前、后加氯消毒劑投加量。

圖4 2018年—2021年各月菌落總數(shù)、總大腸菌群

南水北調(diào)中線原水水溫季節(jié)性特點明顯，冬季低至10～11 ℃，夏季高至28 ℃，近4年水溫變化規(guī)律較為相似，如圖5所示。由于2021年夏季南水北調(diào)中線工程起點及沿線地區(qū)降雨頻繁，原水月平均水溫略有降低，但微生物指標相比同期反而增加明顯(圖4)，推測降雨徑流帶來的外部細菌、污染物的影響是主要因素。另一方面，以2020年為例，水溫與菌落總數(shù)、總大腸菌群數(shù)呈現(xiàn)較好的正相關性，一定程度上說明水溫升高利于微生物繁殖，此外，伴隨微生物指標的季節(jié)性變化，消毒劑也需要相應調(diào)整，如圖6所示。

圖5 2018年—2021年各月原水溫度

該工程原水及產(chǎn)水pH如圖7所示，與相關文獻資料描述的情況類似[8]，南水北調(diào)中線原水pH較高，主要原因是明渠長距離輸送，陽光照射利于藻類生長，消耗水中CO2，水中化學平衡發(fā)生移動，導致pH升高。該工程受水點距離丹江水庫源頭超過300 km，雖對原水造成一定影響，但相比南水北調(diào)中線在北京、河北等地的受水點影響相對較小。此外，全年各月pH并未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，受季節(jié)和溫度影響較小，與部分研究結論并不一致。通過在反應沉淀池投加混凝劑PAC，可起到一定中和作用，產(chǎn)水pH值略有降低，相比原水降低了0.20～0.50，平均降低0.27，能夠穩(wěn)定達到飲用水衛(wèi)生標準(6.5～8.5)，無需額外設置曝氣或CO2投加系統(tǒng)等中和設施[9]。

圖7 2018年—2021年各月原水、產(chǎn)水pH值

此外，該工程原水CODMn、氨氮質(zhì)量濃度常年分別低于1.00、0.30 mg/L，水質(zhì)良好，與相關研究情況較為相似[10]，但是全年變化規(guī)律不明顯，如圖8所示。同樣，2021年7月，原水氨氮質(zhì)量濃度大幅升高，最高日達到13.6 mg/L，與原水渾濁度最高日為同一天，說明這種變化與地表徑流污染有一定關系。另外，產(chǎn)水CODMn質(zhì)量濃度相比原水平均降低約0.04 mg/L，工藝對水中有機物去除能力有限。雖然經(jīng)過干渠長距離輸送，該工程原水水質(zhì)仍較為良好，但對于干渠中下游水質(zhì)降低的風險，應在設計和運營中予以考慮，包括藻類及微生物滋生、冬季水溫進一步降低、pH超標等。

圖8 2018年—2021年各月原水CODMn、氨氮

2.2 電耗

該工程主要用電設備是原水泵和送水泵。運營初期各項工藝參數(shù)尚處于摸索優(yōu)化階段，且初期出廠水壓力控制較高，導致噸水電耗較高，達到0.39 kW·h/m3，隨著工藝運行參數(shù)不斷優(yōu)化，同時在滿足用戶端水壓需求的前提下，出廠水壓力降低至0.37～0.38 MPa，噸水電耗降低至0.27 kW·h/m3，如圖9所示。

圖9 2018年各月噸水電耗、出廠水壓力變化

經(jīng)過持續(xù)不斷優(yōu)化運行、強化管理，該廠噸水電耗穩(wěn)定控制在0.25～0.26 kW·h/m3，當夏季供水量增加時，噸水電耗可降低至0.24 kW·h/m3。預計該廠達到滿負荷水量時，噸水電耗還能進一步降低。

2.3 藥耗

該工程日常運行主要消耗的藥劑包括PAC、PAM、濃HCl和NaClO3，其中，助凝劑和污泥調(diào)理劑分別采用陰離子和陽離子PAM。如表3所示，混凝劑PAC投加量從初期60～80 mg/L不斷優(yōu)化降低至30～40 mg/L，產(chǎn)水水質(zhì)并未受到影響，相比原設計參數(shù)降幅較大，可取得一定經(jīng)濟效益。助凝劑PAM目前平均用量為0.25 mg/L，仍有優(yōu)化降低空間。

表3 年均藥劑消耗統(tǒng)計

該工程ClO2消毒原料濃HCl、NaClO3消耗量折合有效氯質(zhì)量濃度為3～4 mg/L，高于設計前加氯、后加氯的總和，推測是由于原水微生物指標較高，為保證出水ClO2濃度達標，需要適當增大消毒劑投加量。另外，由于濃HCl易揮發(fā)，儲存過程中有效濃度不斷降低，導致表觀上藥劑消耗量增加，該問題在運營管理中應予以考慮，不宜一次性存儲過多藥劑。

2.4 污泥

該工程設計污泥產(chǎn)量為1 590 kg DS/d，折合萬噸水產(chǎn)量為0.53 t DS，而實際平均萬噸水產(chǎn)量約為0.38 t DS。調(diào)理劑PAM(陽離子)消耗量為3～4 kg/(t DS)，也低于原設計的5 kg/(t DS)。

2.5 投資及成本

該工程投資一類費用為3 542.27萬元，折合噸水投資為1 180.67元/m3。主要制水成本包括電費、藥劑費、人工費、維修費、管理費等，按照現(xiàn)狀平均供水量為2萬m3/d計算，平均成本為0.52元/m3，主要成本構成如表4所示。

表4 制水成本構成

3 問題與經(jīng)驗總結

該工程自建成以來整體上運行穩(wěn)定可靠，但在運行中也暴露出了一些缺陷，反映出工藝設計未能對實際運行中可能出現(xiàn)的問題考慮周全，設計與運行存在一定的偏差，相關問題應在類似工程實踐中予以關注。

3.1 問題與缺陷

1)未設計機械格柵

該工程2018年曾經(jīng)出現(xiàn)過原水中含有較多漂浮水草，掛在閥門閥板上影響啟閉和密封性的現(xiàn)象，嚴重時出現(xiàn)過水草纏繞原水提升泵葉輪，造成運行電流異常升高的現(xiàn)象，需要人工頻繁清理。建議類似項目設計時預處理增加機械格柵，提高運行穩(wěn)定性、可靠性。

2)未設計沉淀池遮陽棚

由于采用斜管沉淀池，且未設計遮陽棚，夏季陽光照射斜管表面極易滋生藻類，造成斜管堵塞，影響感官和出水水質(zhì)，嚴重時需每周停產(chǎn)進行人工高壓水槍沖洗斜管，對運行管理造成較大不便。適當增加前加氯量雖略有改善，但無法從根本上解決問題，且前加氯過量容易產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物。采用斜管沉淀池工藝時應考慮沉淀池上方采取遮陽措施。

3)設計指標偏保守

藥劑投加設備設計參數(shù)偏保守，按照最大投加量設計的加藥泵，實際運行中難以在較小流量穩(wěn)定運行，出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，對運行操作造成一定麻煩，也不利于節(jié)能降耗，該情況在同類項目中也有發(fā)生[11]。設計時針對最不利條件和常態(tài)化運行條件，應統(tǒng)籌考慮加藥泵設計流量和數(shù)量，在小概率最不利條件下，啟用備用設備滿足工藝要求；而在長期穩(wěn)定的常態(tài)化運行條件下，所需工況流量控制在設備額定流量的60%～80%，以此原則進行設備選型。此外，也可以考慮采用變頻控制，或者設計PAC、PAM等商品原液稀釋裝置，以保證工藝參數(shù)調(diào)控的靈活性。

3.2 經(jīng)驗總結

1)充分利用水頭

以原水集水井設計優(yōu)化為例，原設計方案如圖10所示，原水集水井為地下鋼筋砼結構，池頂稍高于地面，集水井前原水管道上設置電動調(diào)節(jié)蝶閥，通過監(jiān)測原水集水井內(nèi)液位、原水提升泵運行臺數(shù)和頻率，以及電動調(diào)節(jié)蝶閥聯(lián)動控制，實現(xiàn)來水量和水泵提水量平衡，確保原水集水井不發(fā)生外溢。實際運行中水量變化大，需要頻繁調(diào)節(jié)蝶閥開度，操作人員需時刻關注液位，增加工作量，同時，閥門頻繁調(diào)節(jié)導致故障率升高，存在一定運行風險。優(yōu)化方案將集水井加高至109 m，稍高于南水北調(diào)干渠加大液位(108.655 m)，通過集水井池容和液位自動調(diào)節(jié)來水量和水泵提水量差值，無原水外溢之虞，并充分利用干渠水頭，減小了實際運行中液位提升高度，降低了能耗。項目建成后，操作人員僅需根據(jù)用水量遠程控制原水泵運行數(shù)量及頻率，運行管理較為方便。

注：標高單位為m

2)工藝設計

考慮到小城市的時用水量變化大，同時廠區(qū)用地形狀不規(guī)則，反應沉淀池由可研階段的管道混合+網(wǎng)格絮凝+平流沉淀，優(yōu)化為水量及水質(zhì)變化適應能力強、混凝效果好、停留時間短的機械混合+機械絮凝+斜管沉淀工藝，電耗略有增加，但較好的運行效果彌補了成本上的小幅增加。

實際運行情況表明設計參數(shù)取值較為合理。反應沉淀池機械攪拌混合效果好，相比管道混合器適應水量變化能力更強，絮凝池停留時間小于《室外給水設計標準》推薦的低溫低濁水絮凝時間(20～30 min)，但在較低的PAM投加量條件下，仍取得了良好的出水水質(zhì)。上向流斜管沉淀池液面負荷為5.94 m3/(m2·h)，處于設計標準推薦范圍，運行中上清液清澈透亮，無跑絮現(xiàn)象發(fā)生，在受原水水質(zhì)沖擊時，仍能保證出水渾濁度低于1.0 NTU，且未出現(xiàn)冬季絮凝困難、藥劑消耗增加或出水渾濁度升高的現(xiàn)象。斜管直徑為35 mm較為合適，對絮體具有較好截留效果，同時不易堵塞。

日變化系數(shù)、時變化系數(shù)較好地符合設計標準。結合運行數(shù)據(jù)來看，對于同等規(guī)模城市，日變化系數(shù)取1.2～1.25、時變化系數(shù)取1.4較為合適。在送水泵流量設計時，應避免系數(shù)取值過大，造成水泵選型保守，實際工況偏離高效點，效率下降。

該工程各類藥劑投加量、污泥產(chǎn)率普遍低于設計值，根據(jù)規(guī)范、標準設計選型后的設備，應根據(jù)實際運行參數(shù)校核設備運行工況。根據(jù)該工程運行數(shù)據(jù)，相關參數(shù)如下：PAC(10%原液)投加量為30～40 mg/L，PAM(陰)投加量為0～0.25 mg/L，PAM(陽)投加量為3～4 kg/(t DS)，消毒有效氯投加量為3～4 mg/L，污泥產(chǎn)率為0.3～0.4 t DS/(104m3)。其中，PAC投加量在冬季為20～30 mg/L，夏季為30～50 mg/L，出水渾濁度均能控制在0.3 NTU左右。消毒有效氯投加量較高，采用ClO2消毒工藝需要考慮原料濃HCl濃度衰減，以及日趨嚴格的易制毒易制爆化學品管控，可以考慮替換為NaClO發(fā)生器。

通過該工程原水pH的監(jiān)測數(shù)據(jù)，正常運行投加的混凝劑可以使產(chǎn)水pH值降低0.20～0.50，平均降低0.27，南水北調(diào)中線在該工程上游區(qū)域的水廠，基本不需考慮額外設計pH調(diào)節(jié)措施，但對于下游區(qū)域應進行充分的水質(zhì)調(diào)研分析，確定是否設計pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

該工程原水水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，夏季高達28 ℃，冬季降低至10～11 ℃，對于采用南水北調(diào)中線水源的鄰近地區(qū)類似工程，若采用超濾作為深度處理工藝，可參考以上數(shù)據(jù)選擇膜通量。

4 結語

(1)該縣級城市南水北調(diào)中線水廠工程，本著技術可靠、經(jīng)濟高效的原則，采用了占地較小、適應水質(zhì)水量變化能力強、運行穩(wěn)定良好的機械混合+機械絮凝+斜管沉淀池+V型濾池的處理工藝。該工程投資較少，運行良好，對于規(guī)模相近的水廠的設計優(yōu)化及運行管理具有一定借鑒意義。

(2)該工程連續(xù)運行已超過3年，實際日變化系數(shù)穩(wěn)定在1.20～1.25，時變化系數(shù)在1.24～1.50，平均為1.37，與設計時變化系數(shù)(1.40)較為接近。

(3)該工程原水水質(zhì)較好，CODMn質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于1 mg/L，全年渾濁度一般低于5 NTU，冬季降低至1 NTU以下。夏季菌落總數(shù)、總大腸菌群指標明顯高于其他時間。7月、8月平均水溫達到28 ℃，最冷月水溫低至10～11 ℃。全年原水pH較為穩(wěn)定，未表現(xiàn)出與季節(jié)、溫度變化的相關性。

(4)優(yōu)化工藝運行參數(shù)，確定了PAC(10%有效成分)投加量為30～40 mg/L，助凝劑陰離子投加量為0.25 mg/L，污泥調(diào)理用陽離子PAM，投加量為3～4 kg/(t DS)，ClO2折合有效氯投加量為3～4 mg/L。絕干污泥產(chǎn)率為0.3～0.4 t DS/(104m3)。

(5)該工程產(chǎn)水渾濁度長期穩(wěn)定在0.3 NTU以下，工藝路線對于原水水質(zhì)、縣城用水量變化特點均有較好的適應性。未來隨著飲用水水質(zhì)標準進一步提高，可在預留地增加臭氧活性炭等深度處理工藝，改善產(chǎn)水水質(zhì)。