山地水厂深度处理改扩建工程优化设计

何文宇

(上海建工集团股份有限公司，上海 200080)

随着社会经济的发展，城市对饮用水的水质要求越来越高，长三角地区的水厂通常建造时间较早，处理构筑物逐渐老旧，出水水质难以保持稳定，制水能力也无法满足当初的设计要求。近年来，随着居民对饮用水水质要求的提高，较多常规处理水厂考虑更新改造，设置深度处理设施[1]。

然而大部分建成年代较早的水厂多处于城市核心区域，这些区域往往土地用地指标紧张，周边地形限制因素多，水厂改扩建难度较大。近年来，上海长桥等水厂通过单体叠合、分阶段拆改等方式，在严苛条件下进行水厂的改造。本文以江苏省XW水厂为例，具体介绍了对于地形高差较大、用地紧张的山地水厂，如何充分利用地形高差，在现有水厂用地范围内进行局部拆除，对新建构、建筑物组合叠加，合理排布，实现深度处理升级改造。

1 工程概况

XW水厂始建于1979年，总用地面积为41 138 m2。经多次扩建后，厂区内已形成相对独立的东、西2个制水区域，平面布置如图1所示，其中，东区面积约为17 455 m2，西区面积约为16 675 m2，北侧空地面积约为7 008 m2。西区制水流程I为“机械加速澄清池+虹吸滤池”，制水能力为9万m3/d，于1982年陆续投入使用；西区制水流程Ⅱ为“网格栅条反应斜管沉淀池+虹吸滤池”，制水能力为2.5万m3/d，于1989年投入使用；东区制水流程为“折板反应平流沉淀池+V型滤池”，沉淀池产水规模为14万m3/d，于1993年陆续投入使用。

水厂地形条件特殊，净水厂现状地形高差最大达10 m，从北至南高低起伏，厂区被森林公园环绕，通过挡土墙阻隔，高差巨大；水厂除北侧有少许空地外，无其他空地可用。

水厂东区现有沉淀池产水规模为14万m3/d，滤池设计产水量为17.5万m3/d。为明确东区实际产水能力，对水厂东区现有设施进行了产水能力测试。根据测试结果，在处理规模为15万m3/d时，滤池出水水质可以维持在1.0 NTU以下。考虑到东区处理设施建设年代相对较晚，且运行稳定，本工程对其予以保留修复，在本次改扩建工程完工后，其制水能力提高到15万m3/d。西区工艺建设年代较早，单个处理构筑物产水量小，机械设备维护较麻烦，机械澄清池对原水水量、水质、水温、混凝剂等因素的变化影响较明显，抗干扰能力较弱，出水水质难以保持稳定。同时，由于西区虹吸滤池等构筑物墙体破碎，结构隐患严重，本工程考虑将其拆除，在原址上新建15万m3/d常规处理设施、30万m3/d深度处理设施和对应的污泥处理系统。

2 工程设计

2.1 工艺流程选取

XW水厂原处理工艺存在以下问题。

(1)原处理工艺繁多，相同处理功能包含多种不同形式的处理工艺。仅反应沉淀工艺就包含：西区6座机械澄清池、1座反应池+斜管沉淀池；东区3座反应池+平流沉淀池。过滤工艺也分为2种：3座虹吸滤池、2座V型滤池。

(2)原单体构筑物处理水量小。原水厂处理规模为26.5×104m3/d，而机械澄清池处理规模仅为1.25×104m3/d和2×104m3/d，平流沉淀池处理规模也只有5×104m3/d，3座虹吸滤池的单座处理规模仅为2.5×104m3/d和3.75×104m3/d。

(3)水厂取水水源为长江，原水中溶解性有机物主要是由小分子有机物构成(多以亲水物质存在)，常规处理工艺较难去除，目前的工艺流程无法应对长江突发污染情况。

以上存在的问题，工艺繁多，单体构筑物处理水量小，必然会导致单体之间的连接管道复杂，运行管理困难。本工程拟拆除原西区处理构筑物，并进行改扩建。经过比选，推荐采用臭氧-生物活性炭深度处理工艺。该工艺的主要优势如下。

(1)针对性强。长江原水短时会发生氨氮、有机物超标，口感有待提高。臭氧-生物活性炭对氨氮和有机物都有明显的去除效果，口感改善明显。长江江苏段原水中溶解性有机物主要由小分子有机物构成，常规处理工艺和超滤膜技术都较难去除，而臭氧-活性炭工艺的优势之一是将难降解有机物氧化为可生物降解有机物，将大分子有机物分解为小分子有机物并去除[2]，具有很强的针对性。

(2)水质保障能力强。XW水厂设深度处理单元，需应对水源突发性污染，增加安全保障性。根据调查，突发性污染物主要为化学品、农药等，这些溶解性的有机物是臭氧-生物活性炭的去除对象。在预投加粉炭及高锰酸钾等应急措施之后，增加臭氧-生物活性炭工艺，是保证水厂供水安全性的最有效方法。

(3)技术成熟。该工艺是目前使用最为广泛、技术最为成熟的深度处理工艺，在江苏长江沿岸的水厂运行稳定，管理经验丰富。

考虑XW水厂常规处理工艺出水浑浊度可以做到较低，且原水藻类情况并不严重，也未检测出“二虫”，因此，本工程深度处理技术路线确定为臭氧活性炭吸附工艺。臭氧活性炭工艺各处理单元之间必须进行合理的设计，关注细节，这也是决定工程成功的关键。

2.2 水厂平面及高程设计

XW原厂区内布置了26.5万m3/d常规处理设施，分析水厂现有的处理工艺，本工程将西区推倒重建，在最西侧新建15万m3/常规处理，从北往南依次为折板絮凝反应斜板沉淀池、V型滤池；中间布置30万m3/d深度处理，从南往北依次为臭氧接触池、炭吸附池；东北侧集中布置排泥处理设施，从东往西叠压布置斜管浓缩池、平衡池、脱水机房。XW水厂平面布置如图2所示，高程布置如图3所示。

图2 XW水厂深度处理改造工程平面布置图Fig.2 Layout of XW Advanced Treatment Expansion Project

2.2.1 水厂布局分区

整个厂区分为生产制水区、送水区及污泥处理区。

(1)生产制水区，主要由絮凝沉淀池、砂滤池、臭氧接触池、炭吸附池等核心单体组成。通过优化池型，进行集约化布置，方便巡视。辅助生产单体主要包括综合加药间、臭氧发生器间及鼓风机房、回收池，其中，回收池主要收集滤池和炭吸附池反冲洗废水，回收池出水回流至配水井。回收池就近布置于滤池附近，减少埋深，流程合理。各辅助生产建、构筑物布置在一个区域，有利于集成化管理。

(2)送水区为现状二级泵房，位于厂区地势较低处，与生产区衔接顺畅。

(3)污泥处理系统包括斜管浓缩池下叠平衡池和离心脱水机房，流程顺畅，布置紧凑，对厂区干扰少，便于外运。污泥处理系统主要处理沉淀池排泥水，将污泥处理设施集中布置在水厂东北角，方便集中管理，污泥管道流程较短，减少了管道的绕行。

2.2.2 核心处理单元组合设计

现有用地条件特殊，最大高差达10 m，在无任何预留用地情况下挖潜改造，必须选取单位面积处理能力高效的单体，必要时还需通过合理的叠合解决无扩建用地的难题。

沉淀池：本工程拟新建1座配送井，建成后将原水分配至东区3座平流沉淀池(单座为5万m3/d)和西区新建的2座沉淀池(单座为7.5万m3/d)，由于水厂南北长度限制，为节约用地，新建沉淀池采取折板絮凝斜板沉淀池，总长度约为38.5 m，有效水深为4.80～4.30 m。

V型滤池下叠提升泵房：为匹配东区滤池水位，新建西区V型滤池底标高为21.20 m，高于该处地面标高，为使构筑物的基础能落在原状土上，靠结构自重满足空池工况下的抗浮要求，并充分利用了山区土体天然地基的承载力，需在V型滤池下叠加构筑物。而现状清水池水位过高，无法叠于滤池下，因此，考虑将提升泵房前的调节池叠于V型滤池下，并在滤池管廊一侧设置提升泵房。

活性炭吸附池：由于厂区南侧地势较低，活性炭吸附池同样面临一半池体悬空的问题，结合平面布置，将处理后的清水池叠于炭池下，有效解决了池体结构问题，同时节省了占地。

本工程合计10个单体构筑物采用了上下组合的布置方式，除上文所述的V型滤池和提升泵房上下组合、炭吸附池和清水池上下组合外，还将鼓风机和反冲泵房上下组合、臭氧发生器和臭氧接触池上下组合、斜管浓缩池和平衡池上下组合，有效利用现有场地，高度利用了狭小的用地范围，解决了新老系统衔接时构筑物悬空的问题，同时利用水厂地形高差，大大减少了构筑物的埋深。

2.3 臭氧接触和提升泵房流程优化

由于将提升泵房叠于V型滤池下，V型滤池出水水位约为21.90 m，现状清水池水位为22.40 m，如先提升进入臭氧接触池，将导致臭氧接触池进入水位过高，臭氧接触池悬空近9 m。同时，根据V型滤池底板反推，如下叠提升泵房，则提升水泵调节池最高水位约为20.00 m。因此，综合考虑，为充分利用其中的水位差，本工程将臭氧接触池前置，并布置于水厂最南侧地势较低位置，使V型滤池出水无需提升，直接进入臭氧接触池。臭氧接触池出水进入V型滤池下叠调节池。

研究表明，当中间提升泵房的前调蓄水池容积不足、流态不好，水泵选型不恰当时，常规处理来水量一旦发生波动，中间提升泵房难以适应，会发生溢流或抽干的现象，给运营单位带来很多管理风险[3]。因此，在提升水泵前设置调节容积较大的调节池，有利于系统的稳定运行。

同时，由于臭氧接触池出水经过了较长时间的停留后，自滤池管廊一侧进入，另一侧进行提升，臭氧残留浓度低，克服了因提升泵后置于臭氧池带来的水泵腐蚀问题。提升水泵导流肋和叶轮采用可全抽式，并要求设备厂家采用耐臭氧腐蚀材料定制。V型滤池下叠提升泵房布置剖面如图4所示。

图4 XW V型滤池下叠提升泵房布置剖面图Fig.4 Section of V-Type Filter and Intermediate Pumping House of XW Water Treatment Plant

2.4 新老处理流程衔接

本工程新老处理流程衔接主要体现如下。

(1)优化配水系统：拆除东侧现有配水井，新建1座配水井，将新老系统的进水统一由新建配水井配水，确保配水均匀，保证处理效果。同时，重新梳理原水管线，将现状5根原水进水管线梳理改造为2根，使流程简洁，管理方便。

(2)高程的衔接：新老处理构筑物共同进入深度处理构筑物，因此，需协调臭氧接触池进水水位和清水池水位。由于现状东区V型滤池及东区清水池水位固定，因此，新建V型滤池、清水池水位需与其匹配。由于用地十分紧张，水厂构筑物必须采用叠压式布置，且新老系统流程必须匹配。但由于炭池出水水位较高，可采取炭吸附池出水跌水方案或东区现状清水池单独配置二泵房方案，经过经济性和安全性综合比较，最终确定炭吸附池出水适当跌落至下叠清水池。

(3)回收水池衔接：本工程新建回收水池，回收东西两侧砂滤池反冲洗水、新建的炭池反冲洗水及初滤水，容量约为1 250 m3，分为2格。因此，回收池水位标高需保证新老滤池生产废水能够流入。

3 结语

(1)本工程保留XW水厂东侧15万m3/d常规处理设施、拆除并新建西侧15万m3/d常规处理设施，同时增设30万m3/d臭氧-生物活性炭深度处理流程和对应的排泥处理设施。水厂用地指标为0.137 m2/(m3·d-1)。

(2)本工程克服用地紧张、地形高差大、现状构筑物水位固定等限制条件，采用有效组合合理布置总平面，V型滤池和提升泵房上下组合、鼓风机和反冲泵房上下组合、炭池和清水池上下组合、臭氧发生器和臭氧接触池上下组合、斜管浓缩池和平衡池上下组合，有效利用现有场地，既满足生产功能要求、美化环境，又节省土地施工费用。

(3)由于新建净水处理系统与现状净水处理系统需完全匹配，且需满足现状特殊地形条件，利用提升泵房后置于臭氧接触池的方式，解决了臭氧接触池悬空的问题。同时，泵前调节池叠于V型滤池下降低臭氧残留浓度，并采用抗腐蚀水泵材料，克服因臭氧池前置带来的水泵腐蚀问题。

(4)新建常规处理系统和现有常规处理系统共用配水系统和清水供水系统(二级泵房)，新老系统的衔接考虑进、出水标高统一，中间通过不同构筑物叠合方式使水处理系统流程顺畅。