高标准强化常规处理工艺在桂林市某水厂二期工程中的应用

司徒菲，胡新立 ，黄 智，宋子明，王浩然

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；2.桂林市自来水有限公司，广西桂林 541002)

原水水质直接影响水厂处理工艺路线选择、生产运行效率和供水安全，特别是双水源水厂，不同水源水质不尽相同，水源切换时会出现原水水质波动，给水厂生产运行带来极大考验[1]。桂林某水厂二期工程设计总规模为40万m3/d，近期规模为20万m3/d，设计之初，确定以漓江为供水水源，青狮潭及上游水库作为漓江补充水源，以解决桂林市长期以来只有漓江单一供水水源、枯水季节漓江缺水严重以及水污染突发事件隐患等问题。项目设计过程中，由于环保及相关部门要求逐步关闭位于漓江市区段的取水口，全市供水系统布局出现较大调整，最终明确本项目采用漓江和青狮潭水库双水源，即两个水源均可直供水厂。

水厂的处理工艺如何综合应对漓江短时间高浊以及青狮潭水库低浊、高藻、微污染隐患等原水状况，且要有一定的抗冲击负荷能力，这是本项目需要重点研究和解决的问题。我国目前饮用水源有可能受到的微污染影响主要体现在富营养化引起的藻类污染和有机物污染两方面，经过行业内长时间的研究和分析发现，预氧化+强化混凝的处理工艺在处理效果上有显著优势。本项目经过多方案比选，净水工艺选择“预沉池+高效沉淀池+高速滤池”的强化常规处理，同时，厂区预留预处理和深度处理用地，以满足将来更高品质供水的需求。

1 项目概况

桂林某水厂一期工程已建规模为10万m3/d，二期工程于2018年完成设计，2020年底竣工投产，运行至今效果良好。二期工程设计总规模为40万m3/d，近期规模为20万m3/d，其中，取水工程及水厂内辅助生产构筑物按土建规模为40万m3/d一次建成。厂区位置如图1所示。

图1 厂区位置图

2 原水水质分析

2.1 漓江水质特性

漓江水质情况具有以下特点：①原水浑浊度受上游植被及山洪影响较大，会出现短时的峰值，浑浊度最高可达3 200.00 NTU，最低只有0.40 NTU，大部分在10.00 NTU以下；②pH值基本为7.34～8.15，稍偏碱性；③TP质量浓度基本小于0.05 mg/L，氨氮质量浓度为0.028～0.172 mg/L，BOD5质量浓度基本小于2.00 mg/L，DO质量浓度为7.20～10.08 mg/L；④平均水温为20 ℃左右；⑤水中杂草较多，有机污染及重金属含量较低；⑥平均含沙量为0.020～0.091 kg/m3；⑦藻类数量为十万级，优势藻类为绿藻。

从以上水质看，漓江水质总体较好，属于地表水环境质量标准Ⅱ～Ⅲ类水体，含沙量较少，总体浑浊度偏低，短时间会出现高浊现象。

2.2 青狮潭水库水质特性

青狮潭水库水质情况具有以下特点：①大部分浑浊度在5.00 NTU以下；②pH值基本为7.41～8.87，稍偏碱性；③TP质量浓度基本小于0.02 mg/L，TN质量浓度为0.43～0.92 mg/L，CODMn质量浓度为0.90～2.17 mg/L，BOD5质量浓度为0.81～1.21 mg/L，个别指标质量浓度接近3 mg/L，DO质量浓度为8.45～10.30 mg/L；④平均水温为5～15 ℃；⑤藻类数量达到百万级，优势藻类为蓝藻。

从以上水质看，青狮潭水库水质除了TN为Ⅲ类地表水等级范围、CODMn为Ⅱ类地表水等级范围，其余指标均属于Ⅰ类地表水等级范围，整体水质优于漓江水质，具有低浊、高藻的特点，存在TN污染、有机污染和富营养化风险。

3 工艺思路

3.1 工艺路线选择

水厂设计出厂水质近期要求达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《城市供水水质标准》(CJ/T 206—2005)的要求，出厂水浑浊度在0.50 NTU以下；远期出厂水质逐步达到《饮用净水水质标准》(CJ 94—2005)和欧美等发达国家的水平，满足直饮要求。

本项目针对双水源的水质特性，工艺方案的选择需要关注以下几点：漓江原水平时低浊、遇到洪水期时高浊，增加了青狮潭水库作为水源后，原水不仅存在低浊，而且含藻量增加，同时存在TN和有机污染的风险；水厂工艺选择应具有一定前瞻性，能适应潜在的污染影响和今后发展的趋势。

该厂已经运行的一期工程仅以漓江为水源，采用常规水处理工艺(折板反应平流沉淀池+气水反冲洗滤池+液氯消毒)，各项指标均满足国家标准，出厂平均浑浊度为0.27 NTU，游离氯质量浓度控制在0.84 mg/L左右。本次二期工程有进一步降低出厂水浑浊度的需求，推荐采用强化常规水处理工艺，通过增加药剂量、提高混凝沉淀效率、增加滤层厚度、提高滤池反冲强度确保滤料清洁等措施，在除浊的同时增加对氨氮及有机物等污染物的去除。考虑到漓江水质可能出现波动，甚至短时间恶化，为保证水源水质安全，在取水泵站设置应急加药间，一旦漓江遭受有机物或氨氮污染、藻类暴发、出现臭和味等突发情况，可及时进行应急处理。

微污染原水常用的预处理方法有化学预氧化、生物预处理和粉末活性炭吸附。化学预氧化分为臭氧预氧化、高锰酸盐预氧化和预氯化等[2]。臭氧和高锰酸盐都具有极强的氧化能力，在灭藻、除嗅、脱色及提高后续混凝沉淀工艺对微污染有机物、藻类和胶体颗粒物等的去除率方面效果显著。粉末活性炭对水中腐殖质、异臭、色度、有机氯化物、重金属、氰化物、农药等具有较好的去除作用[3-5]。本工程在取水泵站应急加药间内设置高锰酸钾和活性炭两种应急药剂，同时在厂内预留预臭氧接触池建设用地。

考虑到漓江水质会出现短期高浑浊度的情况，需在反应沉淀工艺之前设置预沉池。当原水浑浊度大于500.00 NTU时，通过预沉池先行处理；当原水浑浊度低于500.00 NTU时，原水可以超越预沉池直接进入反应沉淀池进行处理。针对浑浊度较低的情况，采用高效沉淀池，利用污泥回流增强沉淀去除效果。考虑出厂水水质要求提高的发展趋势，在厂内预留了深度处理工艺建设用地，使出厂水水质始终满足或优于各个阶段饮用水卫生标准的要求，且适应今后供水水质进一步提高的需求。

综上所述，本项目的净水工艺路线如图2所示。

图2 净水工艺流程

3.2 强化常规处理工艺选择

为去除原水中藻类，近期预处理工艺考虑采用预加氯，远期深度处理设施建设后，改用预臭氧工艺。

针对本工程原水水质低浊、含藻的情况，需提高固液分离效率，同时考虑利用一期工程的成熟运行经验，选择高效反应沉淀池与折板絮凝平流沉淀池两种工艺进行技术经济比较，如表1所示。

表1 高效反应沉淀池与折板絮凝平流沉淀池的技术比较

由表1可知，高效沉淀池由机械搅拌器控制混合和絮凝以及污泥回流等工艺手段，虽然设备相对较多，但实际运行时设备之间可实现连锁运行，整套系统可以实现完全的自动运行，无需操作人员过多的干预，其灵活性及适应性上要远远优于折板絮凝池。高效沉淀池机械搅拌抗冲击能力强，更适用于水质、水量的变化情况，出水水质稳定可靠，可减少后续砂滤池的负荷。同时，高效反应沉淀池负荷高、占地面积小、土建费用低。

高速滤池采用粗砂滤料，砂粒具有较大的有效粒径，能使矾花更深地渗入过滤介质中从而增大滞留能力，滤层更深，使截污容量更大；应用多进水槽布水，减少了进水对滤床的冲击，使其运行稳定，能更好地适应原水水量的变化，出水水质安全、稳定。对高速滤池和常规V型滤池的技术性能、安全可靠性和经济型等方面进行比较，如表2所示。

表2 高速滤池与V型滤池的技术比较

高效斜管沉淀池+高速滤池工艺较为成熟稳定，根据国内近十几处采用高效斜管沉淀池+高速滤池工艺组合的应用实例运行反馈数据(如上海临江自来水厂、上海金海自来水厂、成都六水厂B厂、成都双流水厂、绵阳水厂及德阳孝感水厂等)，其能较好地适应进水量、水质不稳定的生产情况，完全能满足高浑浊度原水处理要求。故本项目采用预沉池+高效沉淀池+高速砂滤池的组合。

4 工艺流程

本项目工艺流程如图3所示。

图3 厂区工艺流程图

净水厂内各工段构(建)筑物根据工艺流程从北向南布置，如图4所示。

图4 厂区平面布置图

5 主要设计参数

该水厂设计总规模为40万m3/d，取水工程及水厂内辅助生产构筑物土建按40万m3/d规模一次建成，主要生产构筑物及设备按近期20万m3/d规模建设。为保证制水、供水安全，分为两条生产线运行，每条生产线规模为10万m3/d。

(1)取水头部

取水头部按20万m3/d的规模设计，采用钢筋混凝土箱形结构，呈菱形布置。

(2)引水管

自流引水管采用2根D1420×14钢管，单根长为298 m，正常运行管内流速为0.80 m/s，事故或检修时单管通过70%流量时流速为1.10 m/s。

(3)取水泵房

取水泵房采用半地下式泵房，下圆上方，内径为24.80 m，外径为26.00 m，筒体深为14.50 m，上部建筑面积为530.66 m2。按最高日取水量及99%保证率枯水位为控制条件设计。共设4台泵位，双排布置。

(4)配电间

配电间设在取水泵房西侧，与取水泵房连为一体，包括控制室、高/低压配电间、仪表间及变频器间等，其建筑面积为246.06 m2。

(5)应急加药间

在取水泵站设置应急加药间，兼顾一、二期工程投药需求，建筑面积为314.80 m2。一旦漓江遭受有机物或氨氮污染、藻类暴发、出现臭和味等突发情况，可及时投加高锰酸钾及粉末活性炭进行应急处理。

高锰酸钾一般投加量为0.1～0.5 mg/L，最大投加量为2.5 mg/L，投加质量分数为4%。每日调制2次药剂，采用数字计量泵投加，投加点设在泵房吸水井内。

活性炭投加量为15～25 mg/L，比重约为0.4 g/cm3，采用湿式投加，炭浆质量分数为5%～10%，投加点设在泵房吸水井内。

(6)配水井

按远期规模建1座总配水井，用于切换两路原水进厂。按近期规模建1座分配水井，用于切换来水进入预沉池或高效反应沉淀池。在总配水井和分配水井之间预留预臭氧接触池建设用地，并设有超越管路。

(7)预沉池

按近期规模建2座周进周出预沉池，单座内径为26.00 m，池边水深为4.80 m，水力停留时间为35 min，上升流速为8.24 m/h。

(8)高效反应沉淀池

按近期规模建1座高效反应沉淀池，分为可独立运行的4组。前混凝池停留时间为1.9 min，后混凝池停留时间为0.6 min，絮凝池停留时间为20.2 min，沉淀池斜管区上升流速为12.85 m/h，斜管斜长为1.4 m，直径为50 mm。

混凝剂选用液体PAC，前混凝投加点在前混合池进水口，最大投加量为14.00 mg/L(以纯Al2O3计，下同)，平均投加量为2.50 mg/L；后混凝投加点在后混合池进水口，最大投加量为0.50 mg/L，平均投加量为0.20 mg/L。助凝剂选用PAM，投加点在絮凝区中部，最大投加量为0.30 mg/L，平均投加量为0.08 mg/L。近期预氧化采用前加氯，投加点在分配水井内，最大投氯量为1.50 mg/L。远期实施预臭氧氧化时，取消前加氯。

(9)高速滤池、反冲泵房及鼓风机房

为节省占地和投资，反冲洗泵房、鼓风机房、电气间和高速滤池按近期规模合建1座。高速滤池分为8格，单格有效过滤面积为93.42 m2，滤料有效粒径为1.35 mm，滤床厚度为2.0 m，承托层厚度为0.1 m，承托层粒径为5.00～7.00 mm。过滤时滤床上部水深为1.2 m，平均滤速为11.70 m/h，1格滤池反冲洗时强制滤速为13.40 m/h。反冲洗周期为24 h，气反冲洗强度为60 m3/(m2·h)，时间为1 min；气水联合反冲洗水强度为20 m3/(m2·h)，时间为8 min；单独水冲洗强度为60 m3/(m2·h)，时间为7 min。采用液氯消毒，滤后加氯点在滤池出水总管上，最大投氯量为3.00 mg/L。

反冲洗泵房按一次最多可冲洗1格滤池运行。

(10)清水池

清水池按远期规模一次建成，共4座，近、远期调节比例为40.6%、20.3%。

(11)吸水井及送水泵房

吸水井及送水泵房土建按远期规模一次建成，泵房按水泵自灌启动设计，共设6台泵位，近期安装4台水泵(1大2中1小)，预留2台泵位，所有泵均采用变频调速。在吸水井设有补氯点，设计补氯量为0.50 mg/L。

(12)回收水池

按远期规模建1座废水回收水池和1座上清液回收水池，分别收集滤池反冲洗废水、初滤水和浓缩池上清液，反冲废水储存容积按最多连续冲洗4格考虑。池内设回收水泵，将废水回流至总配水井内。

(13)污泥浓缩池

污泥浓缩池按近期规模建成2座，单座直径为22.00 m，池边水深为4.20 m。固体通量为0.54 kg干固体/(m2·h)，液面负荷为0.03 m3/(m2·h)。

(14)污泥脱水车间

污泥脱水车间土建按远期规模一次建成1座，出泥含水率为80%。共设置4台机位，近期采用3台离心机，预留1台机位。近期原水浑浊度正常时，运行1台；原水浑浊度较高时，运行2台；一期工程污泥运行1台。

6 运行情况

水厂正式投产一年以来(2020年11月—2021年10月)，出厂水平均浑浊度维持在0.15 NTU以下，低于一期工程出厂水浑浊度。菌落总数、耐热大肠菌群、总大肠菌群合格率均为100%，整体水质优于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)标准。

由于进厂水浑浊度尚未遇到高于500.00 NTU的情况，预沉池在调试后未持续运行。为避免高效沉淀池内斜管长藻，预氧化系统一直投入使用。

一、二期工程的主要能耗对比如表3所示。

表3 两期工程能耗对比

青狮潭水库原水管尚在建设中，二期工程投产一年期间处理的原水与一期工程一样，均为漓江水，平均药耗有所增加，平均电耗相当。

7 结论

(1)该工程为漓江和青狮潭水库双水源，采用“预沉池+高效沉淀池+高速滤池”的强化常规处理工艺，能够适应低浊、高浊、高藻多种原水水质特性，并且具有一定的抗冲击负荷能力和抗微污染风险能力。运行一年以来，出厂浑浊度控制在0.15 NTU以下，各项卫生指标合格率为100%。

(2)厂区平面布置中预留预处理、深度处理用地和管道接驳口控制阀门，将来对供水水质提出更高要求时，可在不影响正常生产的情况下，增加预处理和深度处理流程。

(3)考虑到桂林市内其他现有水厂内清水池调节容量偏小，且均无扩建可能，为提高整个市区供水安全性，清水池调节容积设计相应增大，并一次建成，近、远期调节比例分别为40.6%、20.3%。