净水厂工艺改造设计与运行效果分析

2019-06-17 02:55:58陈欢球
供水技术 2019年6期
关键词:加氯蝶阀泵房

陈欢球

(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司,安徽 合肥230088 )

1 项目概况

淮南某水厂始建于1998 年,1999 年1 月一期工程投入运行,设计供水能力为2×104m3/d,2003 年二期工程进行扩建至4×104m3/d,工艺流程见图1。

图1 改造前工艺流程FIg.1 Process flow chart before modification

水厂水源采用存在季节性微污染的瓦埠湖下游东淝河水,除夏季高藻期化学需氧量、氨氮及高锰酸盐指数略超III 类标准外,全年Ⅱ~Ⅲ类水占比92%。

2 改造技术标准

2.1 水量标准

维持水厂现有的4 ×104m3/d 的供水能力。

2.2 水质目标

出厂水提升至满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求,其中耗氧量<3 mg/L,浊度达到0.5 NTU。排泥水上清液和干化场渗滤尾水符合《污水综合排放标准》二级标准,即SS <200 mg/L。

2.3 水压目标

水厂地形、地势总体较为平缓,供水范围主要为老城区和城南新区。老城区为古城墙范围保护区,建筑层集中在4 层以下,供水压力不低于24 mH2O;城南新区供水压力不低于28 mH2O。

改造后的工艺流程见图2。

图2 改造后的工艺流程Fig.2 Process flow chart after reconstruction

3 改造方案设计

3.1 取水泵房改造

水厂主要从位于厂区西北角2 km 外新建的潜水泵房取水,泵房土建及设备均已按照4 ×104m3/d规模一次性实施。由于潜水泵的效率较离心泵低,改造中降低新泵房取水规模至2 ×104m3/d。老泵房内现有2 台离心泵,流量分别为1 260 和1 500 m3/h,扬程分别为16 和20 m。老泵房一直处于备用状态,设备和阀门锈蚀严重,故更换2 台离心泵和管配件,更换后的水泵参数如下:Q,917 m3/h;H,16 m;功率,75 kW;效率,≥86%。

3.2 应急粉末活性炭

由于瓦埠湖接纳的地面径流范围较广,农田中农药、化肥雨季冲刷污染严重。为应对水源东淝河水突发性出现污染物质增高、异臭异味等突发状况,在取水头部老泵房附近新建1 座活性炭投加间,湿式投加,依靠水泵、管道充分混合进行接触吸附。

采用老泵房现有的管理用房隔间,进行防爆改造设计,室外设1 座6 m3密封活性炭料仓储存罐,碳钢材质,壁厚4 mm。料仓上部配吸料器、除尘器、安全阀,其中除尘器、吸料器顶部由高压气体定期冲洗上部粉炭,料仓底部设1 台螺旋喂料机,将粉炭输送至3 m3的溶解管内,配置浓度为5% (按重量计)。通过软管泵投加至新老泵房吸水管道,再通过2.1 km 长的管道充分混合,进入机械混合池内。

3.3 混合池改造

现有的新泵房至水厂的原水输水管为1 根DN800 聚乙烯管道,在进入絮凝池前总管直接分为2 根管道,分别进入一期和二期絮凝池,无任何配水设施,药剂直接加入絮凝池起端池,无混合时间。

工程在2 座折板絮凝平流池起端的中间位置新建1 座机械絮凝池,将DN800 进水总管改造进机械混合池中间格,通过可调节堰分配进入中间池两侧的机械混合池,中间水池容积为31.6 m3,调节堰宽1.6 m,堰上水头为0.20 m。机械混合搅拌设备采用竖直搅拌轴形式,搅拌轴设2 层间距为1.2 m 的桨板,垂直分布。为防止水流共同运动仅产生漩涡,池壁四周设固定水挡板,桨板与挡板的间距为0.3 m,挡板距离池底0.50 m,距离液面0.50 m,混合时间为45 s,搅拌速度梯度G =55 s-1,体积循环1.3 次,搅拌均匀度为90%,经机械混合后进入折板絮凝池。机械混合池一方面可以实现一期和二期配水作用,另外一方面可以使PAC 迅速分散,不仅更好地发挥混合阶段的凝聚作用,还可以使加入到水中的混凝剂浓度均匀保持一致,有利于混凝剂水解生成较为均匀的聚合物,提高混凝效果。

3.4 反应沉淀池改造

絮凝沉淀池共计设2 座,单座处理规模为2 ×104m3/d,均设置单通道异波折板、同波折板、直板三段式。一期折板絮凝宽1.4 m,采用混凝土折板,每段折板的间距相同,无有效的流速递减趋势,出水经穿孔配水花墙进入平流沉淀池,二期折板絮凝池宽1.3 m,采用塑料折板,板间流速符合要求。

本次改造均保留一期和二期絮凝池的土建尺寸,更换一期和二期折板为SUS340 不锈钢折板,折板夹角为90°。一期折板絮凝池第一段单通道异波折板波峰流速为0.27 m/s,波谷流速为0.12 m/s,G=89 s-1,T =6.12 min;第二段采用单通道异波折板,通道间波峰流速为0.25 m/s,波谷流速为0.10 m/s,G=45 s-1,T =7.39 min;第三段采用直板,通道间流速为0.10 m/s,G =16.3 s-1,T =6.34 min。二期折板絮凝池的设计参数与一期一致。

一期折板絮凝池配水花墙前增设一道竖直缝隙式配水墙,目的是均匀配水进配水花墙后的反应沉淀池。缝隙式配水孔洞共21 个,引水面段孔眼尺寸为50 mm,出水面孔眼尺寸为100 mm,进出水孔眼高2.2 m,过孔流速0.10 mm/s。在池底底板侧壁开凿孔洞,增设ABS 排泥管。

将沉淀池段出水槽由锯齿堰排水槽改造为淹没圆孔出水集水槽,防止沉淀池表面浮渣直接进入沉淀池后端,增强沉淀池末端出水均匀性,提高沉淀池沉淀效率。同时,更换2 座平流沉淀池内的吸泥机。

3.5 四阀滤池改造

改造前,水厂一期和二期滤池均采用大阻力“丰”字管单独水冲配水方式,设计滤速为6.5 m/h,强制滤速为7.2 m/h,反冲洗采用水厂内已建高位水箱进行冲洗,反冲洗强度为15 L/(m2·s),一期滤池设计8 格,双边对称布置。二期滤池格数与一期一致,单格土建尺寸均为4.2 m ×4.2 m。一期滤料厚0.70 m,二期滤料厚0.90 m,反冲洗排水槽均为钢筋混凝土结构,四阀均为手动阀门。

拟将工程一期和二期四阀滤池改造成翻板滤池配水配气形式,滤料采用均质滤料,反冲洗采用气水反冲洗。

3.5.1 进出水管路与阀门改造

一期滤池进水管道紧贴管廊间顶板下沿铺设,原有的进水长杆蝶阀穿越管廊间楼板进入二层空间。拆除长杆蝶阀并封堵预留孔,更换为DN300 电动蝶阀,将其余清水阀、反冲洗进水阀均更换为电动蝶阀。管廊间内原有DN400 反冲洗水管改造为DN250 反冲洗管道,并在一期滤池两侧池壁距离池底位置开DN150 孔,增加气管和电动蝶阀。

将二期滤池进水长杆蝶阀更换为电动蝶阀,清水阀手动阀门、反冲洗进水阀、废水排水阀全部更换为手动蝶阀,并在滤池两侧增加气管和电动蝶阀。2座滤池均增加就地控制PLC 控制柜。

3.5.2 配水配气改造

一期、二期滤池底部原配水干管、配水支管均拆除,一期滤池原有800 mm ×400 mm 配水干管布置浅渠,二期滤池池底原有950 mm ×450 mm 浅渠2座滤池渠顶两侧用素混凝土找平加高200 mm,铺设配水配气立管定位板。定位板之间采取密封,并在其上安装垂直布水布气立管,在一期和二期原有池底布置双向双层钢筋并浇筑200 mm 混凝土,重新找平池底,使定位板和原有渠道形成新的密闭空间配水配气渠道。

水冲采用现有的高位水箱,保留出水管至滤池管廊间之间的DN400 管道,并在该管道上设1 根DN250 旁通管道,2 根并联管道上均设手动和电动蝶阀2 个。手动阀门调节反冲洗强度,单独水冲时开启DN400 电动蝶阀,气水联合冲洗时开启旁通管道DN250 阀门,主管阀门关闭。

气冲洗风机采用2 台罗茨风机,1 用1 备,风机参数:Q,16.87 m3/min;H,0.05 MPa;P,22 kW;r,1 650 r/min,附带隔音罩。

气水反冲洗参数如下:反冲洗开始前停止进水,过滤滤格内水进行降水6 min;气冲时间为1.5 min,冲洗强度为54 m3/(h·m2);气水联合冲洗时间为5 min,气冲强度和水冲洗强度分别为54 和10. 8 m3/(h·m2);单独水冲时间为5 min,水冲洗强度为21.6 m3/(h·m2)。

3.5.3 滤料与排水槽改造

移除原一期和二期滤池全部承托层、砂滤滤料,更换为厚400 mm 的新承托层,均质滤料厚度为1 250 mm。拆除原钢筋混凝土排水槽,改造为不锈钢排水槽,一期和二期排水槽槽顶标高分别抬高300和350 mm。

为防止配水配气冲刷均匀粗砂滤料,同时增加布水布气均匀性并防止滤料流失,滤料底部设置400 mm 承托层,由下至上依次为:厚100 mm,粒径为6 ~25mm;厚100 mm,粒径为8 ~16 mm;厚100 mm,粒径为4 ~8 mm;厚100 mm,粒径为2 ~4 mm。

滤料参数如下:有效粒径d10=0.9 ~1.2,不均匀系数K80=1.35,厚度为1 250 mm;均匀系数:Cu<1.6;真实直接密度:2.4 <dr<2.7;抗药性:Rc <2%;抗磨损度:在1 500 冲程试验下,重量损失F <10%;硅含量大于或等于96%。

改造后,一期和二期布局和单格土建尺寸类似。

3.6 二级泵房改造

二级泵房及配电间土建完好,结构稳定,空间足够改造需要。改造中土建维持原貌,仅同步更换泵房内水泵和水泵基础。

泵房内现有5 台水泵,运行2 台350S44 水泵:Q,1 260 m3/h;H,44 m;P,220 kW。实际运行发现,出厂水压力偏高,水泵效率偏低。其余3 台250S -39II 水泵Q =500 m3/h,H =45 m,N =90 kW,运行扬程偏高。

现有的二级泵房配电间为低压室,变压器原为室外杆式变压器,后经改造成为室外箱式变压器,在水厂内紧邻二级泵房布置,供电安全性差。因此,将二级泵房南侧的原有加氯间改造作为高压配电间。

对二级泵房5 台水泵和管配件均进行改造,改造后Kh=1.4,更换后水泵参数如下:大泵2 台,Q=1 300 m3/h,H=35 m,P≤220 kW,1 用1 备;小泵3台,Q=700 m3/h,H=35 m,功率P≤110 kW。

3.7 加氯加药间改造

水厂原有加氯间及加药间分建,改造后加氯间采用液氯消毒,加药间采用固体PAC 投加方式。由于设备老旧,将原有加氯间改程高配间,加药间改成机修仓库间,新建1 座加氯加药间。

改造后采用液体PAC 投加,将30%液体PAC药液调配至10%浓度后直接投加,最大投加量为20 mg/L。设投加点1 个,考虑当地的药液运输条件,设计最大储存原液量按30 d 计。储液池和溶液池均为2 个,1 用1 备,其中储液池为地下式,2 格独立运行,总有效容积为80 m3,单格土建净尺寸为4 m×4 m,有效深度为2.65 m,超高0.35 m。

维持现有的液氯消毒,加氯间内设吨级氯瓶4个,5 台6 kg/h 加氯机互为备用。投加点5 处,最大投加量均为1 mg/L,其中预氧化前加氯1 处、滤前加氯和清水池前加氯各2 处。

附属设施主要包括1 台单梁悬挂起重机,最大起重量为2 t,跨度为5 m。地下式事故水池1 座,顶板与室内地坪齐平,土建净尺寸为2.2 m ×1.5 m,有效深度为1.0 m,超高0.4 m。在氯瓶储存间四周设漏滤吸收沟至余氯吸收间,余氯吸收装置通风量为5 000 m3/h,配套吸收塔的直径为2.8 m,高3.2 m,再生箱尺寸为2.4 m×2.2m,高1.6 m。

3.8 排泥水处理

3.8.1 排泥水处理现状

由于水厂建设年代较远,现有的反应沉淀池排入厂区圆形沉淀池内,经简单静沉后直接外排至厂区外沟渠,无回收利用。滤池反冲洗废水通过厂区管道直接外排至厂区北侧沟渠内,造成厂区北侧沟渠淤积严重,影响过水能力。改造中,拟征用厂区北侧围墙线三角型空地建设排泥水处理设施,空地面积约为9 333 m2。

3.8.2 排泥水处理改造

采用排水池和排泥池分建模式。由于厂区北侧空地本身为闲置水塘和荒地,改造中紧邻反应沉淀池和滤池分别建设排泥池和排水池及备用池。正常运行工况下,反冲洗废水和反应沉淀池分别排至排泥塘和排水塘,池底设5%坡度收集排水池和排泥池底部沉泥,底泥通过泵提入自然干化场处理,上清液经DN300 钢管重力流至回收水泵房水池。

① 干污泥量计算

原水浊度一般为1 ~40 NTU。根据《室外给水设计规范》(GB50013—2018)[1],综合考虑水厂原水近3 年平均浊度(15 NTU),排泥水处理保证率取90%,原水浊度设计值拟定为41.55 NTU。絮凝剂采用聚合氯化铝(PAC),K2取值为1.53,絮凝剂投加量按最大投药量20 mg/L,最终计算得到水厂干泥量为3.17 t/d。

② 排水池

一期和二期反冲洗废水经DN500 钢管重力流至北侧八字口排水池,排水池总容积为1 500 m3,其中储泥容积252 m3,污泥清掏周期为79 d,设计水力停留时间为33.7 h,液面负荷为0.160 m3/(m2·h),沉淀污泥后含水率为96%,净尺寸为23.0 m ×25.0 m。污泥泵设2 台,1 用1 备,Q =8.75 L/s,H=10 m。排水池池壁设1 ∶7 斜坡车道,排水池中间设1 条宽3.0 m 的清淤硬化车道,其余池壁设计液面以下均为1 ∶1.5 桨砌块石护坡,液面以上为草皮生态护坡。

③ 排泥池

排泥池容积为2 000 m3,有效水深为2.5 m,其中储泥容积为1 281 m3,污泥清掏周期为21 d,底泥污泥含水率为96%。一期和二期反应沉淀池排泥水DN300 管道重力流至池内。在池子直角两边中间各设1 座污泥泵,底泥通过泵提进干化场。4 台同型号污泥泵Q =40.28 L/s,H =10 m,P =7.5 kW,2 用2备。设1 根DN300 上清液回收水利用管道。

④ 备用池

当排水池或排泥池检修停运时,临时应急接纳反应沉淀池或滤池排放废水。上清液回用管DN300与排水池、排泥池上清液回收管道联重力流至回收水泵房。备用池池壁四周均为1 ∶2 斜坡,有效容积为1 500 m3,储泥容积、清掏周期和污泥含水率与排泥池一致。污泥泵Q=40.28 L/s,扬程H=10 m,功率P=7.5 kW,1 用1 备。

⑤ 自然干化场

自然干化场面积为1 830 m2,根据当地气温、降雨资料,设计干化时间为21 d。设5 格,单格宽5 m,长7.83 ~49.20 m。进泥钢管管径为DN200,采用均匀分布多点进泥,间距为5 m。滤床铺设2 层滤料,下层选择厚200 mm、粒径为15 ~20 mm 的粗卵石或砾石。考虑当地实际情况,上层选择厚250 mm、粒径为6 ~15 mm 的细矿渣(煤渣),滤床底部设i=0.02 的聚乙烯管,穿孔收集干化场滤液,与干化场上清液一道排至市政污水管道。

⑥ 回收水泵房

利用原有的一期、二期反应沉淀池前段圆形排泥池,将其改造为排水池、排泥池、备用池上清液回收水泵房,直径D =10 m,进水总管直径为DN600。设2 台潜水泵,1 用1 备,考虑进水和时空分布均匀性且不对水厂净水工艺产生冲击负荷,所设潜水泵Q=145 m3/h,H=11 m,直接回用至机械混合池内。当回收水水质较差时,利用原有的DN300 管道直接外排至厂区外河道。

4 改造后的运行效果分析

① 2018 年改造调试运行后,水厂滤前水、二级泵房供水均较改造前大幅度降低。近3 个月的检测数据表明,与改造前相比,沉淀池出水浊度从5 ~8 NTU 下降至3.8 NTU,出厂水浊度从1. 5 ~2. 8 NTU 稳定降低到0.5 NTU 以下,原水浊度较低时出厂水能达到0.03 ~0.35 NTU。2018 年7 月藻类繁殖旺季,通过投加粉末活性炭,出厂水耗氧量平均值为1.2 mg/L,完全达到标准要求。

② 通过近半年的运行发现,设计自然干化场由于滤料上层较易堵塞,实际运行效果与设计期望值相差较大。干化场上清液聚集后大部分外排至污水管道,处理效果欠佳。建议设计时尽量考虑机械脱水。

③ 保留高位水塔冲洗方式,通过采取加厚滤料、更换为均质滤料等措施后,出厂水浊度显著降低,过滤周期由18 ~20 h 延长至24 ~36 h。高位水塔单独水冲和气水联合冲洗经反复调试闸门开启动,滤料冲洗较为干净。

5 结语

① 设置应急粉末活性炭投加间,投加应急粉末活性炭至一期和二期原水管道部分,经4 km 距离混合后进水厂的方式可行,保证了高藻期的出水耗氧量达标。

② 通过机械混合和平流沉淀池处理后,滤前水浊度较改造前下降24%~52.5%,出厂水浊度稳定在1 NTU 以下。

③ 改造后的四阀滤池全部由现场PLC 控制阀门的开启,自动化程序大大提高。配水系统倒置“U”型穿孔塑料配水系统方式兼顾翻板滤池配水、配气形式特点,且滤料采用均质滤料,具有V 型滤池等水头恒速运行的特点,在新建水厂[2]和此次水厂改造中均取得了较好的运行效果。

④ 选择在用水量较低的冬季进行水厂改造施工,对城市供水的影响大大降低。厂区改造过程中,一期和二期净水构筑物互为切换运行。

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