李易

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

隨著《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）的出臺(tái)實(shí)施，其對(duì)飲用水的感官指標(biāo)以及原水水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防控提出了新的要求，對(duì)凈水出水水質(zhì)也制定了更高的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以“常規(guī)處理+臭氧活性炭+超濾”為核心的全流程深度處理工藝[1]，近年來(lái)在給水處理行業(yè)中已被廣泛認(rèn)可和運(yùn)用，其以臭氧活性炭為第二代以及超濾為第三代的組合處理工藝[2]，為深度凈水提供了化學(xué)安全及生物安全方面的全流程、多維度保障。

然而水廠用地緊張、工程投資受限往往是老舊水廠提標(biāo)擴(kuò)建所面臨的常見(jiàn)問(wèn)題，致使全流程深度處理工藝無(wú)法實(shí)施[3]。如何結(jié)合原水及現(xiàn)狀實(shí)際條件，因地制宜選擇合理高效的凈水工藝流程，是實(shí)現(xiàn)老舊水廠提標(biāo)擴(kuò)容的關(guān)鍵所在。

超濾技術(shù)具有占地面積小、操作壓力低、工藝簡(jiǎn)單和管理操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[4]。利用成熟的自動(dòng)化控制技術(shù)，膜運(yùn)行產(chǎn)水、反洗、化學(xué)清洗和完整性檢測(cè)等運(yùn)行過(guò)程全自動(dòng)，可減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)確保處理出水品質(zhì)[5]。本文以廣州市某地表水廠提標(biāo)擴(kuò)建項(xiàng)目為例，介紹通過(guò)采用混凝沉淀和浸沒(méi)式超濾膜結(jié)合的短流程處理工藝，結(jié)合疊合池體的構(gòu)造型式，在僅為常規(guī)深度處理用地15.7%的條件下，實(shí)現(xiàn)水廠由3 萬(wàn)m3/d～15 萬(wàn)m3/d 的提標(biāo)擴(kuò)容改造工作。

1 項(xiàng)目背景

1.1 水廠概況

該水廠位于南沙區(qū)欖核鎮(zhèn)，北臨沙灣水道，工程一期于1993 年建成通水，設(shè)計(jì)規(guī)模為3 萬(wàn)m3/d，出廠水壓約為0.42MPa?，F(xiàn)狀水廠制水工藝采用網(wǎng)格絮凝+斜管沉淀+虹吸過(guò)濾工藝。水廠用地紅線內(nèi)面積總計(jì)為15334m2，而由于水廠北鄰省管河道，考慮30m 水利防洪退讓要求，實(shí)際可使用面積僅為13224m2。根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB 50282—2016）中相關(guān)指標(biāo)要求，給水規(guī)模為15 萬(wàn)m3/d 地表水水廠用地面積應(yīng)為84375m2，而實(shí)際水廠用地僅為規(guī)范推薦指標(biāo)的15.7%，用地極其緊張。

水廠已建工藝單體均布局于水廠東側(cè)區(qū)域，現(xiàn)狀取水泵房一座，絮凝沉淀、虹吸濾池及清水池各兩座，南側(cè)為送水泵房、變配電及機(jī)修車間，加藥間位于兩座沉淀池之間。

1.2 水質(zhì)情況

本工程水源取自沙灣水道，根據(jù)水廠提供的近期五年原水及出水水質(zhì)情況可知，沙灣水道區(qū)域水質(zhì)常年穩(wěn)定地表水環(huán)境Ⅱ類，原水達(dá)標(biāo)情況下，出廠水質(zhì)可穩(wěn)定滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）中各項(xiàng)指標(biāo)要求。

1.3 存在問(wèn)題

（1）由于南沙區(qū)供水布局調(diào)整，現(xiàn)狀老舊水廠由于水源區(qū)劃的調(diào)整導(dǎo)致相繼關(guān)停遷建，本水廠近期需結(jié)合片區(qū)專項(xiàng)規(guī)劃要求進(jìn)行擴(kuò)建以滿足南沙區(qū)北部片區(qū)的供水需求。

（2）現(xiàn)狀水廠已建成約30 余年，常規(guī)凈水處理設(shè)施老舊，且自控系統(tǒng)不甚完善。此外水廠為片區(qū)重要供水設(shè)施工程須保證水廠不停水?dāng)U建。

2 工程方案

2.1 工程目標(biāo)

（1）結(jié)合片區(qū)供水專項(xiàng)規(guī)劃，通過(guò)本工程改造擴(kuò)建實(shí)現(xiàn)水廠設(shè)計(jì)制水規(guī)模從3 萬(wàn)m3/d 提升至15 萬(wàn)m3/d，以滿足南沙區(qū)北部片區(qū)供水需求。

（2）通過(guò)完善深度處理工藝提升水廠出水水質(zhì)，在原水達(dá)標(biāo)條件下，出水滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）且出水濁度降至0.1NTU 以下，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)供水建設(shè)目標(biāo)。

（3）總平面布置及后續(xù)推進(jìn)建設(shè)需考慮水廠不停水施工，即保障現(xiàn)狀3 萬(wàn)m3/d 正常運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)水廠擴(kuò)建至15 萬(wàn)m3/d。

2.2 改造思路

（1）由于場(chǎng)地受限，工藝流程方面在保證凈水處理達(dá)標(biāo)的情況下，結(jié)合原水水質(zhì)條件選擇一種短流程處理工藝，以進(jìn)行對(duì)水廠的提標(biāo)擴(kuò)建。

（2）凈水處理及排泥水處理根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件應(yīng)盡量采用疊合池體的構(gòu)造型式，從單體本身進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)地的設(shè)計(jì)思路。

（3）為實(shí)現(xiàn)水廠不停產(chǎn)擴(kuò)容，應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地條件分區(qū)分階段考慮工藝單體的方案建設(shè)，考慮施工場(chǎng)地空間，以總分結(jié)合的布置型式進(jìn)行水廠擴(kuò)建平面排布。

2.3 各環(huán)節(jié)方案

2.3.1 絮凝沉淀工藝方案

考慮現(xiàn)狀3 萬(wàn)m3/d 水廠工程實(shí)施階段需要保障運(yùn)行，結(jié)合用地建設(shè)條件，考慮分階段于水廠東側(cè)預(yù)留用地區(qū)域新建一階段10 萬(wàn)m3/d 絮凝沉淀池，一階段建成通水后，進(jìn)行二階段現(xiàn)狀工藝擴(kuò)建工作，最終實(shí)現(xiàn)15 萬(wàn)m3/d 運(yùn)行規(guī)模匹配。

2.3.2 超濾膜工藝方案

工程設(shè)計(jì)階段結(jié)合水廠用地條件及出水要求對(duì)臭氧活性炭及超濾膜工藝進(jìn)行了技術(shù)比選，超濾膜處理工藝在運(yùn)行期間安全性、新建構(gòu)筑物數(shù)量、建設(shè)難度等方面更有優(yōu)勢(shì)。且考慮到本工程預(yù)留用地面積較為緊湊的工程特征，經(jīng)過(guò)多次的平面布局考慮，臭氧+活性炭濾池在可新建區(qū)域難以排布，過(guò)于的緊湊布置勢(shì)必將影響水廠本身常規(guī)凈水工藝的正常運(yùn)行。綜合考慮本工程實(shí)際特點(diǎn)、維護(hù)管理以及對(duì)深度處理的要求等因素，本方案推薦選用膜處理工藝，采用超濾膜系統(tǒng)。深度處理工藝比選如表1 所示。

表1 深度處理工藝比選

而目目前超濾膜按膜系統(tǒng)型式不同可分為壓力膜與浸沒(méi)式膜兩類。

（1）壓力膜。將大量的中空纖維膜絲裝入一圓柱形壓力容器中，纖維束的開口端用環(huán)氧樹脂澆筑成管板，配備相應(yīng)的連接件（包括進(jìn)水端、透過(guò)液端和濃縮水端）即形成標(biāo)準(zhǔn)膜組件，通過(guò)不同數(shù)量的壓力式膜組件并聯(lián)或串聯(lián)即組成膜系統(tǒng)。壓力式膜系統(tǒng)根據(jù)壓力方向的不同又分為外壓式和內(nèi)壓式兩大類。

（2）浸沒(méi)式膜。浸沒(méi)式膜組件包括固定在垂直或水平框架上的中空纖維膜、設(shè)在框架頂部和底部的透過(guò)液集水管。幾個(gè)或幾十個(gè)膜組件通過(guò)兩個(gè)硬直角管將其集水管相連接，同時(shí)將它們位置固定，形成一個(gè)膜箱。與傳統(tǒng)的壓力式膜相反，浸沒(méi)式膜是在較低的負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行使用，利用虹吸或泵抽吸方式將水由外向內(nèi)進(jìn)行負(fù)壓抽濾，實(shí)現(xiàn)低膜壓差。

兩種超濾膜型式其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)，過(guò)濾動(dòng)力方式安裝方式，完成后實(shí)際感官效果等方面不盡相同，但本工程實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中浸沒(méi)式膜主要采用虹吸式產(chǎn)水，能耗低，后期運(yùn)行費(fèi)用低于壓力式膜，且更低的設(shè)計(jì)膜通量能夠有效延長(zhǎng)超濾膜的使用壽命，減少清洗次數(shù)，進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本。因此本次工程在超濾膜類型方面采用浸沒(méi)式膜工藝。

2.3.3 清水池工藝方案

由于用地預(yù)留用地及其有限，考慮絮凝沉淀清水疊合池在目前給水廠中已得到廣泛應(yīng)用，本次水廠擴(kuò)建進(jìn)一步將清水池疊合與超濾膜車間下部，以進(jìn)一步補(bǔ)充清水池的調(diào)蓄容積?，F(xiàn)狀水廠清水池為地上式，與新建清水池高程無(wú)法銜接，暫時(shí)閑置，后續(xù)有水廠進(jìn)行其他用途改造。

2.3.4 總平面布局

為了滿足不停水施工，考慮分兩階段實(shí)施，一階段在新增用地東側(cè)上新建10 萬(wàn)t/d 的絮凝沉淀清水疊合池、膜處理車間及清水疊合池、送水泵房及配電間，在新增用地靠西側(cè)新建污泥調(diào)節(jié)池、回收水池及濃縮池、污泥平衡池、污泥脫水機(jī)房。

待一階段凈水處理構(gòu)筑物通水后，將現(xiàn)狀一座清水池改造為2 萬(wàn)m3/d 網(wǎng)格絮凝斜管沉淀生產(chǎn)線，與原3m3/d 生產(chǎn)線一并由原虹吸濾池改造的中途提升泵房提升至膜處理車間進(jìn)水總渠處，由超濾膜統(tǒng)一進(jìn)行后續(xù)相關(guān)處理流程，以在節(jié)省用地，控制投資的條件下實(shí)現(xiàn)水廠擴(kuò)建需求。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程設(shè)計(jì)

本工程采用短流程凈水工藝，核心即為網(wǎng)格絮凝+斜管沉淀+浸沒(méi)式超濾膜工藝，具體流程如圖1 所示。

圖1 水廠擴(kuò)建工藝流程

3.2 絮凝沉淀池設(shè)計(jì)

一階段絮凝沉淀池規(guī)模為10 萬(wàn)m3/d，采用網(wǎng)格絮凝池及斜管沉淀池合建形式，各設(shè)置兩組。一階段絮凝池共計(jì)設(shè)置一座兩組，絮凝時(shí)間t=18min。豎井內(nèi)流速：前段和中段0.12～0.14m/s，末段0.1～0.14m/s。絮凝池泥斗高度0.8m，超高0.4m，有效水深4.8m，則池總高度為6m。一階段沉淀池表面負(fù)荷取4.42m3/（m2·h）顆粒沉降速度u0=0.25mm/s，采用圓形塑料斜管，壁厚0.5mm，斜管內(nèi)切圓直徑d=30mm，斜管傾角θ=60°，沉淀池的有效系數(shù)0.95，沉淀池超高取H1=0.40m，清水區(qū)高度H2=1.50m，斜管高度H3=0.87m，布水區(qū)高度H4=2.83m，有效水深5.2m，總高5.6m。

二階段即保留現(xiàn)狀3 萬(wàn)m3/d 絮凝沉淀池工藝，將現(xiàn)狀其中一座清水池改造為2 萬(wàn)m3/d 絮凝沉淀池，形成現(xiàn)狀水廠區(qū)域5 萬(wàn)m3/d 運(yùn)行規(guī)模，后將虹吸濾池改造為提升泵房，將沉后水提升至超濾膜進(jìn)水總渠。

3.3 超濾膜處理車間設(shè)計(jì)

超濾膜凈水系統(tǒng)設(shè)計(jì)凈產(chǎn)水量15 萬(wàn)t/d，膜材質(zhì)采用PVDF，平均膜孔徑為0.02μm，跨膜壓力范圍0kPa～60kPa，采用氣水聯(lián)合反沖洗。

本項(xiàng)目平均膜通量設(shè)計(jì)為24.8L/（m2·h），膜池?cái)?shù)量共14 個(gè)，總膜堆數(shù)98 個(gè)，每個(gè)膜堆膜面積2800m2，膜池平面尺寸6.3m×5.7m，每個(gè)膜池總有效膜面積274400m2，運(yùn)行周期為1.5h。進(jìn)入反沖洗時(shí)，氣沖持續(xù)時(shí)間60s，氣水聯(lián)合沖洗持續(xù)時(shí)間90s，日過(guò)濾時(shí)間為22.45h。

超濾膜長(zhǎng)期運(yùn)行后，膜表面和膜內(nèi)部積累的污染物通過(guò)正常的氣水反洗不能很好的去除，此時(shí)，就需要進(jìn)行化學(xué)清洗。

（1）維護(hù)性清洗。維護(hù)性清洗的周期為7～14d，為保證超濾膜系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，通常周期性的采用低濃度次氯酸鈉溶液對(duì)超濾膜進(jìn)行短時(shí)間的浸泡。

（2）恢復(fù)性化學(xué)清洗?；謴?fù)性化學(xué)清洗的周期為6～12 個(gè)月，也就是一年1～2 次化學(xué)清洗。通常用次氯酸鈉和酸液對(duì)超濾膜進(jìn)行循環(huán)浸泡。

3.4 清水池設(shè)計(jì)

清水池共設(shè)計(jì)兩座，分別與一階段絮凝沉淀池以及膜處理車間疊合池設(shè)計(jì)，絮凝沉淀疊合池部分清水池池長(zhǎng)45.2m，池寬27m，膜處理車間疊合池部分清水池池長(zhǎng)46.5m，池寬30.9m，有效水深均為4.6m。清水池總?cè)莘e為12223.35m3，調(diào)節(jié)系數(shù)為7.76%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)用地有限的老舊水廠提標(biāo)擴(kuò)建需求，通過(guò)采用浸沒(méi)式超濾膜工藝替代原有砂濾池，形成絮凝沉淀+超濾的短流程凈水工藝，流程簡(jiǎn)單，處理后可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，出水濁度可實(shí)現(xiàn)0.1NTU 以下。

（2）超濾膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中膜通量為核心參數(shù)，采用較低的膜通量可以有效降低清洗頻次，進(jìn)一步延長(zhǎng)膜組件運(yùn)行壽命及產(chǎn)水效果。