山地水廠深度處理改擴建工程優化設計

何文宇

(上海建工集團股份有限公司，上海 200080)

隨著社會經濟的發展，城市對飲用水的水質要求越來越高，長三角地區的水廠通常建造時間較早，處理構筑物逐漸老舊，出水水質難以保持穩定，制水能力也無法滿足當初的設計要求。近年來，隨著居民對飲用水水質要求的提高，較多常規處理水廠考慮更新改造，設置深度處理設施[1]。

然而大部分建成年代較早的水廠多處于城市核心區域，這些區域往往土地用地指標緊張，周邊地形限制因素多，水廠改擴建難度較大。近年來，上海長橋等水廠通過單體疊合、分階段拆改等方式，在嚴苛條件下進行水廠的改造。本文以江蘇省XW水廠為例，具體介紹了對于地形高差較大、用地緊張的山地水廠，如何充分利用地形高差，在現有水廠用地范圍內進行局部拆除，對新建構、建筑物組合疊加，合理排布，實現深度處理升級改造。

1 工程概況

XW水廠始建于1979年，總用地面積為41 138 m2。經多次擴建后，廠區內已形成相對獨立的東、西2個制水區域，平面布置如圖1所示，其中，東區面積約為17 455 m2，西區面積約為16 675 m2，北側空地面積約為7 008 m2。西區制水流程I為“機械加速澄清池+虹吸濾池”，制水能力為9萬m3/d，于1982年陸續投入使用；西區制水流程Ⅱ為“網格柵條反應斜管沉淀池+虹吸濾池”，制水能力為2.5萬m3/d，于1989年投入使用；東區制水流程為“折板反應平流沉淀池+V型濾池”，沉淀池產水規模為14萬m3/d，于1993年陸續投入使用。

水廠地形條件特殊，凈水廠現狀地形高差最大達10 m，從北至南高低起伏，廠區被森林公園環繞，通過擋土墻阻隔，高差巨大；水廠除北側有少許空地外，無其他空地可用。

水廠東區現有沉淀池產水規模為14萬m3/d，濾池設計產水量為17.5萬m3/d。為明確東區實際產水能力，對水廠東區現有設施進行了產水能力測試。根據測試結果，在處理規模為15萬m3/d時，濾池出水水質可以維持在1.0 NTU以下。考慮到東區處理設施建設年代相對較晚，且運行穩定，本工程對其予以保留修復，在本次改擴建工程完工后，其制水能力提高到15萬m3/d。西區工藝建設年代較早，單個處理構筑物產水量小，機械設備維護較麻煩，機械澄清池對原水水量、水質、水溫、混凝劑等因素的變化影響較明顯，抗干擾能力較弱，出水水質難以保持穩定。同時，由于西區虹吸濾池等構筑物墻體破碎，結構隱患嚴重，本工程考慮將其拆除，在原址上新建15萬m3/d常規處理設施、30萬m3/d深度處理設施和對應的污泥處理系統。

2 工程設計

2.1 工藝流程選取

XW水廠原處理工藝存在以下問題。

(1)原處理工藝繁多，相同處理功能包含多種不同形式的處理工藝。僅反應沉淀工藝就包含：西區6座機械澄清池、1座反應池+斜管沉淀池；東區3座反應池+平流沉淀池。過濾工藝也分為2種：3座虹吸濾池、2座V型濾池。

(2)原單體構筑物處理水量小。原水廠處理規模為26.5×104m3/d，而機械澄清池處理規模僅為1.25×104m3/d和2×104m3/d，平流沉淀池處理規模也只有5×104m3/d，3座虹吸濾池的單座處理規模僅為2.5×104m3/d和3.75×104m3/d。

(3)水廠取水水源為長江，原水中溶解性有機物主要是由小分子有機物構成(多以親水物質存在)，常規處理工藝較難去除，目前的工藝流程無法應對長江突發污染情況。

以上存在的問題，工藝繁多，單體構筑物處理水量小，必然會導致單體之間的連接管道復雜，運行管理困難。本工程擬拆除原西區處理構筑物，并進行改擴建。經過比選，推薦采用臭氧-生物活性炭深度處理工藝。該工藝的主要優勢如下。

(1)針對性強。長江原水短時會發生氨氮、有機物超標，口感有待提高。臭氧-生物活性炭對氨氮和有機物都有明顯的去除效果，口感改善明顯。長江江蘇段原水中溶解性有機物主要由小分子有機物構成，常規處理工藝和超濾膜技術都較難去除，而臭氧-活性炭工藝的優勢之一是將難降解有機物氧化為可生物降解有機物，將大分子有機物分解為小分子有機物并去除[2]，具有很強的針對性。

(2)水質保障能力強。XW水廠設深度處理單元，需應對水源突發性污染，增加安全保障性。根據調查，突發性污染物主要為化學品、農藥等，這些溶解性的有機物是臭氧-生物活性炭的去除對象。在預投加粉炭及高錳酸鉀等應急措施之后，增加臭氧-生物活性炭工藝，是保證水廠供水安全性的最有效方法。

(3)技術成熟。該工藝是目前使用最為廣泛、技術最為成熟的深度處理工藝，在江蘇長江沿岸的水廠運行穩定，管理經驗豐富。

考慮XW水廠常規處理工藝出水渾濁度可以做到較低，且原水藻類情況并不嚴重，也未檢測出“二蟲”，因此，本工程深度處理技術路線確定為臭氧活性炭吸附工藝。臭氧活性炭工藝各處理單元之間必須進行合理的設計，關注細節，這也是決定工程成功的關鍵。

2.2 水廠平面及高程設計

XW原廠區內布置了26.5萬m3/d常規處理設施，分析水廠現有的處理工藝，本工程將西區推倒重建，在最西側新建15萬m3/常規處理，從北往南依次為折板絮凝反應斜板沉淀池、V型濾池；中間布置30萬m3/d深度處理，從南往北依次為臭氧接觸池、炭吸附池；東北側集中布置排泥處理設施，從東往西疊壓布置斜管濃縮池、平衡池、脫水機房。XW水廠平面布置如圖2所示，高程布置如圖3所示。

圖2 XW水廠深度處理改造工程平面布置圖Fig.2 Layout of XW Advanced Treatment Expansion Project

2.2.1 水廠布局分區

整個廠區分為生產制水區、送水區及污泥處理區。

(1)生產制水區，主要由絮凝沉淀池、砂濾池、臭氧接觸池、炭吸附池等核心單體組成。通過優化池型，進行集約化布置，方便巡視。輔助生產單體主要包括綜合加藥間、臭氧發生器間及鼓風機房、回收池，其中，回收池主要收集濾池和炭吸附池反沖洗廢水，回收池出水回流至配水井。回收池就近布置于濾池附近，減少埋深，流程合理。各輔助生產建、構筑物布置在一個區域，有利于集成化管理。

(2)送水區為現狀二級泵房，位于廠區地勢較低處，與生產區銜接順暢。

(3)污泥處理系統包括斜管濃縮池下疊平衡池和離心脫水機房，流程順暢，布置緊湊，對廠區干擾少，便于外運。污泥處理系統主要處理沉淀池排泥水，將污泥處理設施集中布置在水廠東北角，方便集中管理，污泥管道流程較短，減少了管道的繞行。

2.2.2 核心處理單元組合設計

現有用地條件特殊，最大高差達10 m，在無任何預留用地情況下挖潛改造，必須選取單位面積處理能力高效的單體，必要時還需通過合理的疊合解決無擴建用地的難題。

沉淀池：本工程擬新建1座配送井，建成后將原水分配至東區3座平流沉淀池(單座為5萬m3/d)和西區新建的2座沉淀池(單座為7.5萬m3/d)，由于水廠南北長度限制，為節約用地，新建沉淀池采取折板絮凝斜板沉淀池，總長度約為38.5 m，有效水深為4.80～4.30 m。

V型濾池下疊提升泵房：為匹配東區濾池水位，新建西區V型濾池底標高為21.20 m，高于該處地面標高，為使構筑物的基礎能落在原狀土上，靠結構自重滿足空池工況下的抗浮要求，并充分利用了山區土體天然地基的承載力，需在V型濾池下疊加構筑物。而現狀清水池水位過高，無法疊于濾池下，因此，考慮將提升泵房前的調節池疊于V型濾池下，并在濾池管廊一側設置提升泵房。

活性炭吸附池：由于廠區南側地勢較低，活性炭吸附池同樣面臨一半池體懸空的問題，結合平面布置，將處理后的清水池疊于炭池下，有效解決了池體結構問題，同時節省了占地。

本工程合計10個單體構筑物采用了上下組合的布置方式，除上文所述的V型濾池和提升泵房上下組合、炭吸附池和清水池上下組合外，還將鼓風機和反沖泵房上下組合、臭氧發生器和臭氧接觸池上下組合、斜管濃縮池和平衡池上下組合，有效利用現有場地，高度利用了狹小的用地范圍，解決了新老系統銜接時構筑物懸空的問題，同時利用水廠地形高差，大大減少了構筑物的埋深。

2.3 臭氧接觸和提升泵房流程優化

由于將提升泵房疊于V型濾池下，V型濾池出水水位約為21.90 m，現狀清水池水位為22.40 m，如先提升進入臭氧接觸池，將導致臭氧接觸池進入水位過高，臭氧接觸池懸空近9 m。同時，根據V型濾池底板反推，如下疊提升泵房，則提升水泵調節池最高水位約為20.00 m。因此，綜合考慮，為充分利用其中的水位差，本工程將臭氧接觸池前置，并布置于水廠最南側地勢較低位置，使V型濾池出水無需提升，直接進入臭氧接觸池。臭氧接觸池出水進入V型濾池下疊調節池。

研究表明，當中間提升泵房的前調蓄水池容積不足、流態不好，水泵選型不恰當時，常規處理來水量一旦發生波動，中間提升泵房難以適應，會發生溢流或抽干的現象，給運營單位帶來很多管理風險[3]。因此，在提升水泵前設置調節容積較大的調節池，有利于系統的穩定運行。

同時，由于臭氧接觸池出水經過了較長時間的停留后，自濾池管廊一側進入，另一側進行提升，臭氧殘留濃度低，克服了因提升泵后置于臭氧池帶來的水泵腐蝕問題。提升水泵導流肋和葉輪采用可全抽式，并要求設備廠家采用耐臭氧腐蝕材料定制。V型濾池下疊提升泵房布置剖面如圖4所示。

圖4 XW V型濾池下疊提升泵房布置剖面圖Fig.4 Section of V-Type Filter and Intermediate Pumping House of XW Water Treatment Plant

2.4 新老處理流程銜接

本工程新老處理流程銜接主要體現如下。

(1)優化配水系統：拆除東側現有配水井，新建1座配水井，將新老系統的進水統一由新建配水井配水，確保配水均勻，保證處理效果。同時，重新梳理原水管線，將現狀5根原水進水管線梳理改造為2根，使流程簡潔，管理方便。

(2)高程的銜接：新老處理構筑物共同進入深度處理構筑物，因此，需協調臭氧接觸池進水水位和清水池水位。由于現狀東區V型濾池及東區清水池水位固定，因此，新建V型濾池、清水池水位需與其匹配。由于用地十分緊張，水廠構筑物必須采用疊壓式布置，且新老系統流程必須匹配。但由于炭池出水水位較高，可采取炭吸附池出水跌水方案或東區現狀清水池單獨配置二泵房方案，經過經濟性和安全性綜合比較，最終確定炭吸附池出水適當跌落至下疊清水池。

(3)回收水池銜接：本工程新建回收水池，回收東西兩側砂濾池反沖洗水、新建的炭池反沖洗水及初濾水，容量約為1 250 m3，分為2格。因此，回收池水位標高需保證新老濾池生產廢水能夠流入。

3 結語

(1)本工程保留XW水廠東側15萬m3/d常規處理設施、拆除并新建西側15萬m3/d常規處理設施，同時增設30萬m3/d臭氧-生物活性炭深度處理流程和對應的排泥處理設施。水廠用地指標為0.137 m2/(m3·d-1)。

(2)本工程克服用地緊張、地形高差大、現狀構筑物水位固定等限制條件，采用有效組合合理布置總平面，V型濾池和提升泵房上下組合、鼓風機和反沖泵房上下組合、炭池和清水池上下組合、臭氧發生器和臭氧接觸池上下組合、斜管濃縮池和平衡池上下組合，有效利用現有場地，既滿足生產功能要求、美化環境，又節省土地施工費用。

(3)由于新建凈水處理系統與現狀凈水處理系統需完全匹配，且需滿足現狀特殊地形條件，利用提升泵房后置于臭氧接觸池的方式，解決了臭氧接觸池懸空的問題。同時，泵前調節池疊于V型濾池下降低臭氧殘留濃度，并采用抗腐蝕水泵材料，克服因臭氧池前置帶來的水泵腐蝕問題。

(4)新建常規處理系統和現有常規處理系統共用配水系統和清水供水系統(二級泵房)，新老系統的銜接考慮進、出水標高統一，中間通過不同構筑物疊合方式使水處理系統流程順暢。