張?jiān)坪?，韓慶祥，奚影影，張家銘

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101)

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口數(shù)量的增加，我國(guó)各個(gè)地區(qū)呈現(xiàn)供水不足和對(duì)水質(zhì)要求更高的現(xiàn)象；隨著環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，原水水質(zhì)不斷惡化；供水設(shè)施老化，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，一些地區(qū)開(kāi)始對(duì)原來(lái)的水廠進(jìn)行擴(kuò)建改良。截至目前，全國(guó)水廠擴(kuò)建改良項(xiàng)目占水廠總量的29%。2020年，水廠建設(shè)所在地南方多于北方，以上海、浙江、廣東居多，總建設(shè)金額集中在2億～10億元。

禹城第二水廠與江蘇某縣城水廠存在相同問(wèn)題：(1)原水水質(zhì)存在不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，地下水鐵含量為0.42 mg/L、錳含量為0.11 mg/L，嚴(yán)重超標(biāo)；(2)供水不足：(3)水處理工藝有短板。本設(shè)計(jì)與江蘇某縣城水廠二期工程均采用“臭氧預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理”工藝，可使水質(zhì)達(dá)到國(guó)家規(guī)定指標(biāo)[1]。

禹城位于山東省德州市境內(nèi)，近年來(lái)用水量不斷增大。根據(jù)《禹城市城市總體規(guī)劃(2018—2035)》，到2022年城區(qū)人口為27萬(wàn)人，農(nóng)村人口為28萬(wàn)人。2020年城鄉(xiāng)居民生活用水量為5.8萬(wàn)m3/d。目前，根據(jù)第二水廠的現(xiàn)有條件，改擴(kuò)建后的供水規(guī)模可達(dá)6.0 萬(wàn)m3/d。本文介紹了第二水廠擴(kuò)建的工藝流程，并設(shè)計(jì)了凈水處理與排泥水處理相關(guān)的設(shè)備配置方案。

1 概況

禹城第二水廠的設(shè)計(jì)供水量為3.0萬(wàn)m3/d，于2012年建設(shè)完工并投入使用。隨著城鎮(zhèn)面積的擴(kuò)大和人口的增長(zhǎng)，生產(chǎn)和生活用水量與年俱增，第二水廠趨于滿負(fù)荷運(yùn)行，供水形勢(shì)嚴(yán)峻。為保障城市用水安全，預(yù)防突發(fā)事件發(fā)生，急需擴(kuò)大地表水供水規(guī)模。

目前，根據(jù)第二水廠現(xiàn)有的條件，改建后的供水規(guī)模達(dá)6.0萬(wàn)m3/d，采用“臭氧預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理”工藝[1]。在滿足禹城城鄉(xiāng)居民生活飲用水的同時(shí)，還可向高新工業(yè)區(qū)供水，供水量達(dá)3.0萬(wàn)m3/d。

2 水源水水質(zhì)分析

2.1 水庫(kù)水水質(zhì)分析

如意湖水庫(kù)主要水源為黃河水。根據(jù)引黃供水工程的現(xiàn)狀和水庫(kù)所處區(qū)域的環(huán)境條件、設(shè)計(jì)要求，對(duì)引黃工程沿線和水庫(kù)周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行了污染情況調(diào)查。因水庫(kù)為平原水庫(kù)，水庫(kù)上游以農(nóng)業(yè)種植為主，經(jīng)實(shí)地考察和向有關(guān)部門(mén)了解，引黃干渠沿線及水庫(kù)周?chē)鸁o(wú)生活污水、農(nóng)田灌溉回水和工業(yè)廢水進(jìn)入。水庫(kù)水水質(zhì)如表1所示。

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw Water Quality

2.2 地下水水質(zhì)分析

根據(jù)山東省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心德州中心對(duì)淺井的水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告及國(guó)家城市供水(排水)監(jiān)測(cè)網(wǎng)濟(jì)南監(jiān)測(cè)站對(duì)深井的水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告，分析進(jìn)水水質(zhì)基本上能滿足地下水為生活飲用水水源時(shí)GB/T 4848—2017的要求，地下水水質(zhì)如表2所示。

表2 地下水原水水質(zhì)Tab.2 Raw Ground Water Quality

2.3 存在問(wèn)題

河流水污染嚴(yán)重，各河流水質(zhì)達(dá)到灌溉飲用水標(biāo)準(zhǔn)的極少，主要污染物來(lái)源于工業(yè)廢水、生活污水以及人畜糞便、垃圾、農(nóng)田噴藥施肥等。地下水普遍存在總硬度、溶解性總固體等指標(biāo)較高現(xiàn)象，且長(zhǎng)期開(kāi)采地下水會(huì)導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，尤其是地面沉降速率加快、地下水水質(zhì)惡化、地下水水位下降過(guò)快等問(wèn)題十分突出。

3 工藝思路及流程

首先，針對(duì)水源水水質(zhì)具體問(wèn)題，采用臭氧預(yù)處理后進(jìn)入沉淀池。因水源水部分來(lái)自水庫(kù)水，水源水在不同季節(jié)水質(zhì)不穩(wěn)定。高效反應(yīng)沉淀池對(duì)水源水水質(zhì)的適應(yīng)能力強(qiáng)。之后，設(shè)置后臭氧接觸池和上向流活性炭濾池，也是為了進(jìn)一步去除水中鐵、錳和有機(jī)物、農(nóng)藥、藻類(lèi)、氨氮等。由于不同時(shí)段水質(zhì)不同，設(shè)置超越管線使原水可直接進(jìn)入濾池。濾池部分綜合考慮投資，充分利用原有V型濾池的設(shè)施，增加超濾裝置，流向?yàn)V池的水量平均分配到砂濾池和超濾池。

禹城第二水廠改擴(kuò)建工程采用的工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow Chart

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 預(yù)處理

本設(shè)計(jì)采用臭氧預(yù)處理。臭氧的氧化能力較強(qiáng)，可以更好地進(jìn)行殺菌消毒；可以減小水的臭味和色度；可以降解水中的高分子有機(jī)物，對(duì)絮凝作用有一定的改善效果，提高水質(zhì)；可以將難生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子有機(jī)物；可以將酚類(lèi)、氰化物等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。因此，臭氧預(yù)處理可以降解水中的難降解有機(jī)物，改善絮凝，減小色度和臭味以及鐵、錳。臭氧投量一般為0.2～2.0 mg/L。

4.2 深度處理

目前水污染越來(lái)越嚴(yán)重，原本的處理技術(shù)往往已經(jīng)達(dá)不到國(guó)家供水標(biāo)準(zhǔn)，因此，必須在水處理工藝中增加深度處理。本設(shè)計(jì)深度處理采用臭氧+上流式活性炭吸附、外壓式超濾(部分)[2]。臭氧有很強(qiáng)的氧化性，可以降解大分子有機(jī)物，提高可生化性，減少后續(xù)的有機(jī)負(fù)荷[3]。上流式活性炭吸附可以使生物膜有效更新，從而保持較高的傳質(zhì)效率和生物活性，即使在冬季也能保證較好的運(yùn)行效果。在設(shè)計(jì)中充分利用原有V型濾池的設(shè)施，3.0萬(wàn)m3/d活性炭吸附池的出水進(jìn)入V型砂濾池進(jìn)行處理。由于場(chǎng)地的受限和新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)即將實(shí)施，剩余的3.0萬(wàn)m3/d出水采用超濾裝置處理。

4.3 水源確定

根據(jù)引黃供水工程的現(xiàn)狀和水庫(kù)所處區(qū)域環(huán)境條件、設(shè)計(jì)要求，對(duì)引黃工程沿線和水庫(kù)周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行了污染情況調(diào)查。水庫(kù)為平原水庫(kù)，水庫(kù)上游以農(nóng)業(yè)種植為主，經(jīng)實(shí)地考察和向有關(guān)部門(mén)了解，引黃干渠沿線及水庫(kù)周?chē)鸁o(wú)生活污水、農(nóng)田灌溉回水和工業(yè)廢水進(jìn)入。如意湖水庫(kù)水質(zhì)變化不大，大部分水質(zhì)能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ類(lèi)水源水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可以作為飲用水水源。

由于地下水用量有限且存在鐵錳超標(biāo)問(wèn)題，而水庫(kù)水較充足，本工程采用地下水和水庫(kù)水1∶1混合后的摻混水作為水源。地下水和地表水混合后，解決了地下水總硬度、含鐵量、溶解性總固體偏高的問(wèn)題，摻混水水質(zhì)符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 主要構(gòu)建筑物工藝設(shè)計(jì)

5.1 配水井和預(yù)臭氧接觸池

配水井主要功能是調(diào)節(jié)水量，使出水均勻；預(yù)氧化接觸池主要功能是去除異臭、藻類(lèi)、色素、有機(jī)物污染等。結(jié)構(gòu)類(lèi)型為半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(配水井和預(yù)氧化接觸池合建)。建1座分3池，單池尺寸為9.15 m×8.95 m×7.5 m，處理能力為0.24 m3/s，總停留時(shí)間t=6 min，臭氧的投加量根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)情況確定。

5.2 高效反應(yīng)沉淀池

主要是通過(guò)投加水處理藥劑，使其與水中的污染物混合、反應(yīng)，直至水體中的污染物沉淀而被去除[4]。高效反應(yīng)沉淀池有以下工藝特點(diǎn)：反應(yīng)區(qū)到沉淀區(qū)流速變化較低、一體化反應(yīng)區(qū)設(shè)計(jì)獨(dú)特、沉淀區(qū)到反應(yīng)區(qū)的污泥循環(huán)、投加有機(jī)絮凝劑、使用斜管沉淀布置[5]。結(jié)構(gòu)類(lèi)型為半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建2座?？偝爻叽鐬?8.0 m×19.70 m，單座處理能力為875 m3/h?；旌蠒r(shí)間為2.0 min，絮凝時(shí)間為15.5 min。

5.3 臭氧接觸池

主要功能是將臭氧擴(kuò)散到水中，使其與水面完全接觸和反應(yīng)，以去除水中的有機(jī)污染物。結(jié)構(gòu)類(lèi)型為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建2座。臭氧平均投加量不大于1.0 mg/L，總接觸時(shí)間為10 min。整個(gè)后臭氧接觸池是完全封閉的。

5.4 上向流生物活性炭吸附池

活性炭吸附池設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6.30萬(wàn)m3/d，水廠的自用水量按5%計(jì)算，選用5組，單格過(guò)濾面積為51.10 m2，每組處理水量為525 m3/h[6]。5組濾池采用單排布置。設(shè)計(jì)濾速為10.30 m/h，強(qiáng)制濾速為12.87 m/h，停留時(shí)間為14.5 min，反沖洗周期為3～6 d。

活性炭吸附池反沖洗采用單獨(dú)氣反沖洗，反沖洗程序?yàn)榻档退弧獨(dú)鉀_—初濾水排放—運(yùn)行。反沖洗氣強(qiáng)度為60 m3/(m2·h)。反沖洗程序可自動(dòng)控制進(jìn)行，沖洗時(shí)間參數(shù)可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，也可手動(dòng)控制，操作步驟如下。

氣沖：關(guān)閉濾池進(jìn)水閥門(mén)，開(kāi)啟放空閥門(mén)降低至濾池反沖洗水位，然后關(guān)閉放空閥門(mén)，并開(kāi)啟反沖洗風(fēng)機(jī)和反沖洗氣閥門(mén)，沖洗5～6 min。反沖洗完成后關(guān)閉反沖洗風(fēng)機(jī)和反沖洗氣閥門(mén)。濾池放空水排入管廊放空井，然后排入廠區(qū)雨水系統(tǒng)。

初濾水排放：開(kāi)啟濾池初濾水排放閥門(mén)，然后開(kāi)啟濾池進(jìn)水閥門(mén)，濾池運(yùn)行并排放初濾水(20～30 min)。濾池初濾水直接排入廠區(qū)廢水回收系統(tǒng)[7]。

運(yùn)行：待濾池出水水質(zhì)滿足運(yùn)行要求后，關(guān)閉濾池初濾水排放閥門(mén)，濾池正常運(yùn)行。

大流量沖洗：活性炭吸附池每月進(jìn)行1次定期大流量沖洗。

5.5 外壓超濾膜車(chē)間

工藝系統(tǒng)流程為緩沖水池(中間水池)—原水泵—自清洗過(guò)濾器—超濾裝置—清水，系統(tǒng)描述如下。

自清洗過(guò)濾器：作用是截留過(guò)濾水帶來(lái)的粒徑大于100 μm的懸浮物和部分細(xì)微懸浮物，防止膜組件受到破壞而堵塞，保證之后處理設(shè)備的正常運(yùn)行。

超濾裝置：本工程使用超濾過(guò)濾技術(shù)，依靠此裝置絕對(duì)過(guò)濾的能力可保證不受進(jìn)水水質(zhì)變化的影響以及出水穩(wěn)定。

超濾反洗系統(tǒng)：采用超濾產(chǎn)水進(jìn)行沖洗，由清水池經(jīng)超濾反洗泵抽出，進(jìn)行沖洗。

本工程采用外置式外壓超濾膜，數(shù)量為8套，每套處理量為3 750 m3/d。原水泵流量Q=460 m3/h，揚(yáng)程H=25 m，功率N=45 kW，數(shù)量為3臺(tái)。自清洗過(guò)濾器流量Q=170 m3/h，過(guò)濾精度為100 μm，數(shù)量為8臺(tái)。超濾裝置處理量Q=156 m3/h，回收率為95%，設(shè)計(jì)通量為40 L/(m2·h)，設(shè)計(jì)溫度為6～10 ℃，數(shù)量為8臺(tái)。反洗水泵流量Q=440 m3/h，揚(yáng)程H=25 m，功率N=45 kW，數(shù)量為2臺(tái)。清洗水箱體積V=10 m3，數(shù)量為1臺(tái)。清洗水泵流量Q=170 m3/h，揚(yáng)程H=25 m，功率N=18.5 kW，數(shù)量為1臺(tái)。

5.6 臭氧制備車(chē)間

臭氧制備車(chē)間設(shè)計(jì)規(guī)模為6.0萬(wàn)m3/d。設(shè)置3套臭氧發(fā)生器，2用1備。每臺(tái)臭氧發(fā)生器的供氣量為3.0 kg/h。進(jìn)入臭氧發(fā)生器的氧氣應(yīng)與氮?dú)饣旌希虼嗽O(shè)置空壓系統(tǒng)以提供空氣。

5.7 氧氣站

在戶外設(shè)置氧氣站1座，由水廠提供設(shè)備場(chǎng)地，由廠商提供供氧設(shè)備并負(fù)責(zé)設(shè)備的日常維護(hù)和檢修[8]。

5.8 排泥水濃縮池

主要功能是對(duì)來(lái)自高效沉淀池的污泥進(jìn)行儲(chǔ)存和均化，設(shè)置攪拌器使污泥濃度均勻，保證脫水機(jī)正常運(yùn)行。設(shè)中心傳動(dòng)懸掛式污泥濃縮機(jī)1臺(tái)，直徑D=9 m，功率N=0.55 kW。

5.9 污泥脫水車(chē)間

污泥脫水機(jī)應(yīng)根據(jù)水廠的供水規(guī)模、水廠的占地面積、進(jìn)水的水質(zhì)、污泥的性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)條件、建設(shè)投資及運(yùn)行成本等因素和實(shí)際情況進(jìn)行合理選型。綜合考慮，本工程采用2臺(tái)疊螺式污泥脫水機(jī)，1用1備，處理后污泥的含固率約為80%，流量Q=15 m3/h，功率N=4.3 kW。

5.10 廢水池

主要收集上向流活性炭濾池、V型砂濾池和超濾裝置的反洗水，上清液可以回到配水井再利用。建1座，尺寸為13.80 m×19.60 m×4.0 m。采用2臺(tái)單級(jí)端吸臥式離心泵，1用1備。流量Q=10.0 m3/h，功率N=11 kW，揚(yáng)程H=20.0 m。

5.11 中和水池

主要功能是收集超濾膜化學(xué)清洗后的廢液。建1座，尺寸為10.2 m×4.4 m×4.0 m。采用2臺(tái)中和池提升泵(耐腐蝕泵)，1用1備。流量Q=25.0 m3/h，揚(yáng)程H=11 m，功率N=2.2 kW。

6 改建構(gòu)筑物

6.1 加氯間改造

加氯間改造主要是更換原有的二氧化氯發(fā)生器設(shè)備，將原有的供水規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d的二氧化氯發(fā)生器改為供水規(guī)模為6.0萬(wàn)m3/d的。設(shè)置二氧化氯發(fā)生器2臺(tái)，1用1備，產(chǎn)氯量Q=5 000 g/h。

6.2 二級(jí)泵房改造

二級(jí)泵房改造主要是將原二級(jí)泵房3臺(tái)反沖洗泵改為加壓泵。主要設(shè)備為單級(jí)雙吸立式離心泵，流量Q=660 m3/h，揚(yáng)程H=44.0 m，功率N=110 kW，數(shù)量為3臺(tái)(2用1備)。

7 經(jīng)濟(jì)性分析

7.1 建設(shè)投資

禹城第二水廠改擴(kuò)建及深度處理工程項(xiàng)目概算總投資約6 435.41萬(wàn)元：工程費(fèi)用為5 586.15萬(wàn)元、其他費(fèi)用為257.10萬(wàn)元、工程預(yù)備費(fèi)用為292.16萬(wàn)元、鋪底流動(dòng)資金為60萬(wàn)元、建設(shè)期利息為240萬(wàn)元。

7.2 運(yùn)營(yíng)成本

本工程完成后供水量為6萬(wàn)m3/d，建設(shè)期為1.5年，生產(chǎn)期為20年，整個(gè)計(jì)算期為21.5年。外購(gòu)原材料費(fèi)，主要包括所需的藥劑費(fèi)用。根據(jù)計(jì)算，全年所需藥劑費(fèi)共計(jì)343.05萬(wàn)元。燃料及動(dòng)力費(fèi)包括電費(fèi)及生活用水，年耗電量約為597萬(wàn)kW·h，按0.80元/(kW·h)計(jì)算，每年的電費(fèi)共計(jì)447.60萬(wàn)元?？勺兂杀緸樯鲜鲑M(fèi)用之和，共計(jì)820.65萬(wàn)元/年。固定成本平均為752.66萬(wàn)元/年。根據(jù)計(jì)算，年平均總成本為1 507.55萬(wàn)元，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)年均單位總成本為1.72元/m3。

7.3 工程效益

7.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

項(xiàng)目的財(cái)務(wù)分析結(jié)果表明：本項(xiàng)目實(shí)施后，每年可實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入為2 628萬(wàn)元，年平均凈利潤(rùn)為631.47萬(wàn)元，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(全部投資)為17.69%，大于本行業(yè)基準(zhǔn)收益率，投資回收期為7.83年(包括建設(shè)期)。各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

7.3.2 環(huán)境效益

本工程的的環(huán)境效益主要包括改善水質(zhì)和環(huán)境、提高居民用水質(zhì)量、生態(tài)效益等。本項(xiàng)目的建設(shè)，提高了供水的可靠性和水質(zhì)的安全性，改善了城鎮(zhèn)的水生態(tài)和衛(wèi)生條件，城市環(huán)境得到明顯的優(yōu)化。

7.3.3 社會(huì)效益

城市環(huán)境的改善，有利于提高城市的可持續(xù)發(fā)展空間和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，提高工業(yè)化水平，增加該地區(qū)勞動(dòng)就業(yè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)效益顯著。

8 結(jié)語(yǔ)

供水不足的問(wèn)題不僅影響農(nóng)村，也會(huì)影響城鎮(zhèn)；既影響工業(yè)，又影響農(nóng)業(yè)，最終將嚴(yán)重制約城鎮(zhèn)和農(nóng)村的發(fā)展。

(1)本次擴(kuò)建利用地下水和水庫(kù)水摻混的方式解決了地下水鐵錳含量超標(biāo)的問(wèn)題。

(2)利用設(shè)置超越管線調(diào)節(jié)了不同時(shí)段原水水質(zhì)變化的問(wèn)題。

(3)設(shè)計(jì)中充分利用原有V型濾池的設(shè)施處理3.0萬(wàn)m3/d出水，剩余3.0萬(wàn)m3/d出水采用超濾裝置處理，節(jié)約了建設(shè)成本。

(4)不僅在水量上達(dá)到供需要求，更在水質(zhì)和水壓方面得到提高。生活飲用水水質(zhì)要求達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》(GB 5749—2006) 106項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)禹城城區(qū)現(xiàn)狀與發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)，確定管網(wǎng)最不利點(diǎn)水壓為0.28 MPa。