超短流程工藝如何“拯救”老舊水廠

將高密度沉淀和超濾工藝結(jié)合的超短流程工藝運用在老舊水廠現(xiàn)狀構(gòu)筑物的升級改造中，可以實現(xiàn)水質(zhì)水量的雙重提升。河北某地表水凈水廠一期改造工程中，針對微污染水源，將傳統(tǒng)網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池改造為氣動絮凝體外污泥回流高度沉淀池，將傳統(tǒng)雙閥濾池改造為重力產(chǎn)水超濾膜池，并采取增設(shè)粉炭，降低鋁鹽投加量，高密度沉淀池體外濃縮，超濾膜虹吸出水等優(yōu)化措施。水廠改造后穩(wěn)定運行2年，產(chǎn)水規(guī)模穩(wěn)定提升25%以上，出水濁度降至0.1 NTU以下，運行成本增加約0.08~0.15元/m3水。

“常規(guī)處理+臭氧活性炭+超濾”的全流程工藝在給水處理中逐漸受到關(guān)注和應(yīng)用，其中臭氧活性炭為第二代凈水工藝，可視為化學(xué)安全性方面的深度處理；超濾為第三代凈水工藝，可視為生物安全性方面的深度處理，兩者結(jié)合起來形成的“城市飲用水全面深度凈化工藝”可以有效提高產(chǎn)水水質(zhì)。老舊水廠往往存在供水保障要求高、用地受限、投資控制等問題，難以采用全流程工藝。如何因地制宜，選擇合適的凈水流程，是老廠實現(xiàn)升級改造的關(guān)鍵。

本文以河北某地表凈水廠一期改造項目為例，介紹了采用高密度沉淀池和超濾結(jié)合的超短型流程，在傳統(tǒng)斜管沉淀池和雙閥濾池內(nèi)改造，在無新增用地和不影響其他生產(chǎn)線的條件下，實現(xiàn)老水廠的提標(biāo)增量。

1 改造前概況

1.1 工藝概況

該水廠一期工程建成于1989年，設(shè)計規(guī)模為10萬m3/d。凈水工藝采用管道混合-網(wǎng)格絮凝池-斜管沉淀池-雙閥濾池，沉淀池排泥水進入污泥系統(tǒng)，污泥處理采用斜板重力濃縮-帶式壓濾機，濾池的沖洗廢水進入回收池進行回收利用，見圖1。

1.2 原水及產(chǎn)水水質(zhì)

本工程水源為引灤水，設(shè)計時（2015年）收集了3年的原水和清水水質(zhì)數(shù)據(jù)，其中濁度、耗氧量數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

由圖可知，原水濁度總體較低，一般為2~10 NTU。出水濁度基本能達到國標(biāo)要求，可控制在1 NTU以下。而原水耗氧量較高，正常在3.5~6.5 mg/L內(nèi)。產(chǎn)水耗氧量存在短時超標(biāo)的問題，正常運行一般在2~3mg/L內(nèi)波動。此外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，原水存在季節(jié)性藻類爆發(fā)問題，高藻期主要是在夏秋季，藻類含量在4 000~8 000萬個/L之間。

1.3 存在問題

現(xiàn)狀一期工藝主要存在以下問題：

（1）運行參數(shù)無法實現(xiàn)水量、水質(zhì)需求。一期現(xiàn)狀斜管沉淀池設(shè)計液位負荷為9m3/（m2·h）。而《室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013-2019）規(guī)定“斜管沉淀池清水區(qū)液面負荷可采用5.0~9.0 m3/（m2·h），低溫低濁水處理液面負荷可采用3.6~7.2 m3/（m2·h）”，而本項目冬季水源為典型的北方低溫低濁水，無法實現(xiàn)水量水質(zhì)需求。

（2）規(guī)模無法達產(chǎn)。一期生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)模10萬m3/d，受工藝落后影響，實際生產(chǎn)最大能力僅為7萬~8萬m3/d，平均生產(chǎn)能力約為5萬m3/d。

（3）設(shè)備老化嚴(yán)重?，F(xiàn)狀生產(chǎn)線已將近30年，凈水相關(guān)設(shè)備老化嚴(yán)重，已影響到產(chǎn)水水量和水質(zhì)。

2 改造方案

2.1 改造目標(biāo)

（1）通過改造將產(chǎn)水規(guī)模提升至規(guī)劃要求的12.5萬m3/d。

（2）通過改造提高產(chǎn)水水質(zhì)和安全保障能力。水廠在正常運行、科學(xué)管理的前提下，出廠水水質(zhì)全面達到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006），且產(chǎn)水濁度小于0.1NTU。

2.2 總體思路

（1）將網(wǎng)格絮凝改造為氣動絮凝，將斜管沉淀池改造為污泥體外循環(huán)回流高密度沉淀池，提高混凝沉淀效果，并通過粉炭活性污泥的回流，提高有機物的去除效果。

（2）將雙閥濾池改造為超濾膜池，大大提高對顆粒物的截留能力，保障產(chǎn)水品質(zhì)。

2.3 改造方案選擇

2.3.1 高密度沉淀池改造方案

為改善絮凝，提高沉淀池出水水質(zhì)和水量，擬對現(xiàn)狀一期斜管沉淀池進行改造，對拆除新建和原池體改造兩個方案進行比選，見表1。

表1 沉淀池改造方案對比

方案一：拆除新建方案。拆除沉淀池，新建1座12.5萬m3/d中置式高密度沉淀池，尺寸為49.6m×25.6m，分2格。單格高密度沉淀池內(nèi)設(shè)1臺污泥濃縮機，兩側(cè)各布置1座機械混合池和1座機械絮凝池，斜管分離區(qū)位于水池南北兩側(cè)，對稱布置。

方案二：原池改造方案。將現(xiàn)狀斜管沉淀池改造為高密度混凝沉淀池，拆除進水管上管道混合器和兩格沉淀池中央進水井，新建機械混合池；在現(xiàn)狀柵條絮凝區(qū)內(nèi)布置穿孔管，用于曝氣絮凝；拆除現(xiàn)狀斜管、吸泥機及相應(yīng)支架，并原位安裝新的設(shè)備?，F(xiàn)狀沉淀池外新建污泥體外循環(huán)回流系統(tǒng)，將沉淀池污泥濃縮、氣提并曝氣培養(yǎng)后回流。沉淀池布置PAM加注系統(tǒng)、粉炭加注系統(tǒng)、曝氣絮凝鼓風(fēng)機、儲泥池曝氣鼓風(fēng)機。

由表1可知，原池改造方案通過增加曝氣絮凝、體外濃縮、污泥回流、PAM加注、粉炭加注及回流等措施后，從凈水效果及各項指標(biāo)看，與拆除、新建1座中置式高密度沉淀池相當(dāng)，而方案二具有工期短，投資省的優(yōu)勢，故推薦采用原池改造方案。原池改造方案平面如圖4所示。

改造后主要參數(shù)為：混合時間50s；設(shè)計污泥回流濃度：2%~3%，回流百分比3%；斜管區(qū)上升流速：11.25mm/s；

2.3.2 超濾膜池改造方案

對拆建和原池改造兩個方案進行比選，見表2。

方案一：拆建方案，拆除砂濾池新建膜濾池。將雙閥濾池完全拆除，原址新建浸沒式超濾膜車間，包括浸沒式膜池、管廊及膜輔助系統(tǒng)車間等。

方案二：原池改造方案，將現(xiàn)狀砂濾池改造為膜濾池。保留現(xiàn)狀雙閥濾池池體結(jié)構(gòu)，拆除進出管路、濾磚、濾料等內(nèi)部設(shè)施，并進行池體加固，安裝浸沒式超濾膜及配套系統(tǒng)。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，改造方案比拆建方案在經(jīng)濟性、建設(shè)時間、建設(shè)影響等方面較優(yōu)，推薦采用改造方案。濾池原池改造方案平面如圖5所示。

改造后主要參數(shù)為：膜池共12格，單格面積68.4m2；單格布置9個模組，總共108個模組；超濾設(shè)計平均通量23.6 L/m2·h，瞬時最大通量約25.6L/m2·h；膜池采用重力虹吸出水，恒水位等速過濾，采用氣動調(diào)節(jié)碟閥，恒液位控制調(diào)節(jié)閥的開啟度；超濾系統(tǒng)設(shè)計回收率：95%；反洗設(shè)置：反沖洗采用水泵沖洗和鼓風(fēng)曝氣輔助沖洗。反沖洗周期一般為1～3h，反沖洗強度：水80L/m2·h，曝氣強度75L/m2·min。在原濾池反沖洗補充泵房設(shè)3臺反沖洗水泵，2用1備，1臺應(yīng)對一側(cè)膜池。在原輔助用房設(shè)3臺羅茨鼓風(fēng)機，2用1備，1臺應(yīng)對一側(cè)膜池。單臺沖洗水泵流量1620 m3/h，揚程15m；單臺鼓風(fēng)機風(fēng)量2 700m3/min，風(fēng)壓50 kPa。

2.4 凈水工藝優(yōu)化措施

2.4.1 粉炭加注

為提高對小分子有機物的去除效果，擬在改造后的斜管沉淀池增加粉炭投加和回流措施。一般粉炭采用螺桿泵連續(xù)性投加，設(shè)備較復(fù)雜，磨損也相當(dāng)嚴(yán)重。本工程擬在現(xiàn)狀沉淀池設(shè)1套粉炭加注系統(tǒng)，采用水射器一次性間歇投加，加注系統(tǒng)簡單，日常維護也比較方便。

2.4.2 降低鋁鹽使用量

長期飲用鋁含量超標(biāo)的水對人體有害。我國的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 5749-2006）規(guī)定，鋁的限值為0.2mg/L。提高混凝沉淀效果可以降低鋁鹽的投加量，從而減少飲用水中的鋁含量。

本工程采用高濃度生物活性污泥和生物粉末活性炭回流工藝，可以起到強化混凝和提高有機物去除能力的作用，在相同混凝效果的情況下，可降低鋁鹽混凝劑的加注量。

2.4.3 高密度沉淀池體外濃縮優(yōu)化

本工程擬將一期斜管沉淀池改造為高密度混凝沉淀池。因受原構(gòu)筑物條件限制，無法再池內(nèi)設(shè)污泥濃縮系統(tǒng)。本次在沉淀池體外新建污泥濃縮、回流系統(tǒng)，并新增粉炭投加及曝氣培養(yǎng)設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度粉末活性炭污泥回流。

傳統(tǒng)濃縮池采用重力濃縮，需新建水池且體積較大，本工程擬將調(diào)節(jié)池與濃縮池相結(jié)合，在其上部疊合儲泥池，盡量做到集約化布置，以節(jié)約用地。在調(diào)節(jié)池內(nèi)布置往復(fù)式底部濃縮刮泥機和污泥氣提裝置，利用底部刮泥機高效的濃縮效果，使排泥水含固率達到3％以上，提升至儲泥池，儲存、回用。濃縮、氣提、曝氣綜合池布置見圖6。

為避免可能的污染物富集造成的負面影響，污泥濃縮回流設(shè)置排放系統(tǒng)，定期排除污泥至廠內(nèi)污泥處理系統(tǒng)，更新活性污泥的同時也降低富集影響。

2.4.4 浸沒式超濾膜出水方式優(yōu)化

一般浸沒式超濾膜采用水泵抽吸方式產(chǎn)水，抽吸泵采用容積泵或離心泵。本工程擬將現(xiàn)狀雙閥濾池改造為浸沒式膜濾池，現(xiàn)狀濾池過濾水位與清水池最高水位差為3.2m，如采用傳統(tǒng)泵抽吸產(chǎn)水方式，無法有效利用現(xiàn)狀水頭差，造成能量浪費。本工程采用無抽吸重力式產(chǎn)水方式。

2.5 總體凈水工藝流程

本項目改造總體凈水工藝流程如圖7所示。

3 運行效果

本工程于2019年建成，至今已連續(xù)穩(wěn)定運行2年，主要運行指標(biāo)為：

• 產(chǎn)水規(guī)模：可穩(wěn)定達到12.5萬m3/d的設(shè)計規(guī)模，高峰期超產(chǎn)可達14萬m3/d，且應(yīng)對不同水量需求可靈活調(diào)節(jié)。項目實施改造過程中二期工藝正常生產(chǎn)。

• 產(chǎn)水水質(zhì)：產(chǎn)水濁度＜0.1 NTU，耗氧量＜3 mg/L。

• 制水成本：改造后，斜管沉淀池增加了曝氣和污泥回流的成本；超濾膜系統(tǒng)采用重力式產(chǎn)水，相比于原虹吸濾池?zé)o顯著成本增加。實際運行后產(chǎn)水成本較改造前增加約0.08~0.15元/m3水。

4 結(jié)論及建議

• 在城市老舊水廠的升級改造中，應(yīng)用高密度和超濾結(jié)合的超短型流程可以有效實現(xiàn)老廠的提標(biāo)增量。

• 在池體結(jié)構(gòu)允許的條件下，原池改造的方式具有投資省、工期短、對現(xiàn)狀生產(chǎn)影響小的優(yōu)點，適合于在老廠改造中實施

• 超濾的改造應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有水力高程，實現(xiàn)虹吸產(chǎn)水，減少建設(shè)投資和運行成本，相應(yīng)運行管理的難度也會大大降低。

• 新版國標(biāo)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)將嗅味物質(zhì)列入強制性指標(biāo)，超短型流程的應(yīng)用需充分關(guān)注原水的嗅味問題。