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全流程水廠設計思考

2020-10-15信息來源 : CSMDI研究院 作者:陳燕波,潘名賓等

當前,我國城市供水行業面臨著兩個方面的問題。一方面,飲用水水源污染問題仍然比較突出,存在飲用水水質不達標的風險。盡管推進了全國飲用水水源地集中整治工作并取得極大成效,但2020年3月28日發生的伊春鹿鳴礦業有限公司鉬礦尾礦庫4號溢流井傾斜事故造成鐵力市第一水源地關閉的事件,提醒我們城市飲用水水源污染風險從未離去。而2020年初的新冠肺炎疫情,也曾一度引起人們對飲用水水質安全的擔憂,疫情嚴重地區水廠采取了控制出水濁度和強化消毒等預防性措施。另一方面,我國進入小康社會,廣大人民群眾對高品質生活飲用水的需求不斷增長,供水系統存在設施建設不完善、不充分與廣大人民群眾對優質飲用水水質新期待之間的矛盾。近年來,上海市、深圳市、雄安新區、海口市江東新區、武漢市、浙江省、江蘇省等地已(擬)發布地方性生活飲用水水質標準,提出了比現行國標更為嚴格的生活飲用水水質標準,期望通過標準的提升,進一步推動凈水工藝改進和管理水平提高,使廣大人民群眾因水質改善而提高獲得感。

針對第一個問題,應貫徹底線思維,提升供水系統應對水源水質污染風險的能力。飲用水水質安全是國家公共衛生安全體系的重要組成部分,與人民身體健康和社會穩定息息相關,提供合格水、放心水是供水系統的最基本要求。針對第二個問題,應貫徹以人民為中心的發展理念,提高供水系統建設標準,提供更優質、更健康、更好喝的飲用水,實現城市供水系統的高質量發展。

在上述背景下,基于飲用水安全保障的多級屏障工藝——全流程工藝在國內水廠建設中開始得到較多應用,建成了一批全流程水廠。

1、供水系統多級屏障理念及全流程工藝概念的提出

“十一五”和“十二五”期間,“國家水體污染控制與治理科技重大專項”(簡稱“水專項”)設立了“飲用水安全保障”主題,構建了我國“從源頭到龍頭多級屏障工程技術體系”和“從源頭到龍頭全過程管理技術體系”。這是水專項十多年研發的重大成果,而貫穿其中的“多級屏障”理念,直接引領了近十多年我國城市供水系統的建設發展方向,促進了以臭氧-活性炭、膜分離、紫外消毒等為核心的飲用水安全保障多級屏障工藝在供水廠日益廣泛的應用。

筆者認為,飲用水“多級屏障”理念的內涵,至少包含以下兩個層次:第一個層次,從整個供水系統來說,涵蓋了水源、水廠和輸配管網三道安全屏障;第二個層次,從水廠凈化處理環節來說,涵蓋了預處理、常規處理、深度處理、消毒等若干道安全屏障。

基于第二層次,在2015年之后,供水行業提出了“全流程工藝”這一新概念。所謂全流程工藝,其基本含義是,水廠凈水工藝包含了預處理工藝、常規處理工藝和深度處理工藝,并且其中的深度處理應包含臭氧-活性炭濾池和膜處理。采用全流程工藝的水廠,稱為“全流程工藝水廠”或“全流程水廠”。

預處理工藝包括化學預處理(如臭氧氧化、氯氧化、高錳酸鉀氧化等)、生物預處理、粉炭吸附預處理等多種形式。全流程工藝中的預處理工藝,一般多為預臭氧工藝。

常規處理為混凝-沉淀-砂濾-消毒處理,是最基本的凈水工藝,也是我國目前大多數水廠采用的工藝形式,是全流程工藝必備的環節。

深度處理工藝包括臭氧-活性炭工藝、膜處理工藝和高級氧化工藝。其中臭氧-活性炭工藝應用最為普遍,截止2019年全國總規模約為3500萬m3/d;膜處理工藝包括超濾和納濾,以超濾膜為代表,近年也得到更多應用,截止2019年全國總規模約為500萬m3/d,可進一步提高飲用水的生物安全性,彌補臭氧-活性炭工藝的不足。全流程工藝中的深度處理工藝應包括臭氧-活性炭工藝和膜處理工藝,可稱之為“雙深度處理”。

另外,全流程工藝還常常包括紫外線消毒工藝。國內有四十多座大中型水廠采用了紫外線消毒工藝,總規模近650萬m3/d,如天津泰達經濟技術開發區給水廠三期工程采用紫外線+氯聯合消毒工藝,北京第十水廠采用紫外線+氯胺聯合消毒工藝。

綜上所述,全流程工藝是一種長流程工藝,其組成單元如下:預處理單元(預臭氧、生物預處理等)、常規處理單元(混凝、沉淀、砂濾、消毒)、臭氧-活性炭吸附單元和膜處理單元(超濾或超濾+納濾),有些水廠還有紫外線消毒單元,流程框圖見圖1。這些工藝單元各具作用,相互補充,組成保障飲用水安全、優質的多級屏障。因此也可以說,全流程工藝是飲用水多級屏障理念在水廠設計中的具體應用,促進了全流程水廠的建設與實踐。

圖1 全流程工藝框圖

我院結合承擔的國家“十三五”水專項課題成果,在珠海市拱北水廠專門建立了一座“預處理+常規處理+深度處理(BAC+超濾膜)”的水處理全流程中試基地,旨在通過對多水源采用不同組合工藝流程的試驗研究[7],為全流程水廠設計提供依據。

2 全流程水廠建設現狀

國內全流程水廠建設與實踐始于2010年之后,盡管當時并沒有全流程水廠這一提法。國內目前已建成的全流程水廠情況如下表1所示。從公開報道資料看,北京市門頭溝城子水廠是國內最早建成投運的全流程水廠。

表1  國內已建成全流程水廠情況表

序號

水廠名稱

水廠規模(萬m3/d)

水源及特點

建設情況

1

北京市門頭溝城子水廠

8.64

南水北調水-團城水庫水,低溫低濁水;長距離輸水可能存在污染

2014年9月建成通水

2

北京市郭公莊水廠(一期)

50

南水北調水-團城水庫,低溫低濁水;長距離輸水可能存在污染

2014年12月建成通水

3

鄭州航空港第二水廠(一期)

20

南水北調水或黃河水,低溫低濁水;黃河水一般為III類,存在突發水污染情況

2017年8月正式供水

4

鄭州市龍湖水廠

20

花園口黃河水,低溫低濁水;一般為III類,存在突發水污染情況,

2018年11月開工建設

5

廣州市北部水廠(一期)

60

西江水,II類水

2019年1月年月試運行


國內已建成投運的全流程水廠尚不多,主要位于經濟較為發達的大城市。這些項目的基本特點是:項目規模較大,服務人口多,安全性要求高;原水存在突發水質污染的可能,為保證水質安全,或者盡管原水水質較好,為提供高品質飲用水,采用了包括預處理、常規處理和雙深度處理的全流程工藝。目前正在建設的全流程水廠包含雄安新區起步區1#水廠、珠海市梅溪水廠、海口市江東新區水廠、濟寧市長江水廠等。

3 全流程水廠設計案例

3.1 雄安新區起步區1#水廠

(1)項目概況

水廠規劃遠期總規模20萬m3/d,一期規模15萬m3/d。水源為南水北調水,原水水質總體達到地表水Ⅲ類標準,但存在水質污染情況:總氮超標,石油類、糞大腸菌群偶有超標,整體呈現低濁、低有機物的水質特征,冬季低溫;pH 相對較高;檢出多種典型致嗅物質;藻類總數150-300萬個/L。

水廠供水水質要求滿足“雄安新區生活飲用水水質標準”,為服務區提供高品質生活飲用水。

(2)凈水工藝流程

原水——預臭氧接觸池——高效澄清池——V型砂濾池——提升泵房——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜車間——紫外線+次鈉聯合消毒——清水池——送水泵房——配水管網。

(3)主要工藝設計參數

預臭氧接觸時間5min;高效澄清池混合時間2min,絮凝時間20min,沉淀區液面負荷12m3/(m2.h);V型砂濾池濾速 7.2m/h;后臭氧接觸時間12mim;活性炭濾池空床濾速10m/h;超濾膜通量不大于60L/(m2.h),紫外消毒采用2臺DN800管式消毒設備。

圖2 雄安新區起步區1#水廠鳥瞰圖

3.2珠海市梅溪水廠

(1)項目概況

水廠規劃總規模45萬m3/d,一期工程土建按30萬m3/d規模一次建成,設備按15萬m3/d規模進行安裝。水源取自西江磨刀門水道,咸期可利用平崗泵站或竹銀水庫;應急備用水源為梅溪水庫和大境山水庫。原水水質基本符合地表水Ⅱ類標準,但藻類明顯超標,TN超標不多且以無機污染為主。

水廠供水水質要求同時滿足《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)和《飲用凈水水質標準》(CJ94-2005)。

(2)凈水工藝流程

原水——預臭氧接觸池——高效澄清池——氣水反沖洗砂濾池——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜池——紫外線+次鈉聯合消毒——清水池——送水泵房——配水管網。

(3)主要工藝設計參數

預臭氧接觸時間7.4min;高效澄清池混合時間1.25min,總絮凝時間15.1min(含推流區),沉淀區液面負荷14.4m3/(m2.h);砂濾池濾速 7.5m/h;后臭氧接觸時間13.1mim;活性炭濾池空床濾速11.1m/h;采用浸沒式超濾膜,平均膜通量23.3L/(m2.h);紫外消毒采用4臺DN800管式消毒設備。

圖3 珠海市梅溪水廠鳥瞰圖

3.3 海口市江東新區水廠

(1)項目概況

水廠土建按40萬m3/d規模一次建成,設備按20萬m3/d規模安裝。采用地下式水廠+地上開發的建設模式。水源取自南渡江龍塘壩,原水總體達到地表水III類標準,但鐵、錳超標情況比較突出,總磷偶有超標,存在微污染情況。

水廠供水水質要求優于《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006),滿足“江東新區高品質飲用水水質標準”的要求。

(2)凈水工藝流程

原水——進水配水井——預臭氧接觸池——折板絮凝斜管沉淀池——V型砂濾池——中間提升泵房——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜車間——紫外線+次鈉聯合消毒——清水池——送水泵房——配水管網。

(3)主要工藝設計參數

預臭氧接觸時間5min;折板絮凝斜管沉淀池混合時間55s,絮凝時間16min,沉淀池斜管區液面負荷6.5m3/(m2.h);V型砂濾池濾速 7.41m/h;后臭氧接觸時間8.2mim;活性炭濾池空床濾速9.5m/h;超濾膜通量60L/(m2.h) ;紫外消毒采用4臺DN800管式消毒設備。

圖4 海口市江東新區水廠鳥瞰圖

3.4濟寧市長江水廠

(1)項目概況

水廠遠期總規模20萬m3/d,一期工程建設規模10萬m3/d。水源取自南陽湖石橋泵站,原水水質基本符合地表水Ⅲ類標準,但總氮、硫酸鹽、化學需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、氟化物、氨氮、溴化物等項目超標,且有機微污染、硫酸鹽等問題突出。

水廠供水水質要求滿足《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)。

(2)凈水工藝流程

原水——預處理(粉炭、高錳酸鉀)——豎向折板絮凝平流沉淀氣浮池——臭氧接觸池——UV/H2O2高級氧化(預留)——上向流活性炭濾池——超濾膜池——納濾(預留)——清水池——送水泵房——配水管網。

(3)主要工藝設計參數

折扳絮凝池絮凝時間取20min,平流沉淀池停留時間2.2h,水平流速15.0mm/s,氣浮池設置于沉淀池之后,氣浮池接觸室上升流速51mm/s,分離區流速7.4mm/s,最大溶氣壓力0.60MPa,設計最大回流比10%;臭氧接觸時間14.6mim;活性炭濾池空床濾速10.1m/h,接觸時間14min;浸沒式超濾膜池平均膜通量30L/(m2.h) 。

圖5 濟寧市長江水廠鳥瞰圖

4 全流程水廠總體設計思考

(1)充分利用國家“水專項”系列成果,促進水廠建設技術進步

全流程水廠是國家“水專項”成果的具體應用,代表了現階段我國飲用水處理工藝先進水平。其根本宗旨是以人為本,體現了以人民為中心的思想,有利于增強人民群眾的獲得感;其核心理念是多級屏障理念,強化凈化環節的風險管控能力,提升水質安全裕度;其核心工藝是綠色工藝,有利于減小水處理藥劑的投加量,水質更加健康、好喝。全流程水廠設計應充分利用“水專項”系列成果,促進我國城市水廠建設技術進步。

(2)充分分析原水水質,強化風險識別

全流程水廠的基本目標是原水水質差時保證出水達標,提供合格水;原水水質好時保證出水優質,提供高品質水。全流程水廠設計應對原水水質進行客觀、準確分析,對風險進行精準識別,必要時可進行專門試驗研究,在此基礎上進行工藝選擇,以提高工藝針對性,不能為追求全流程而進行全流程設計。

(3)合理選擇工藝單元及其形式

全流程水廠采用長流程,工藝單元多,各單元具備不同功能,要結合項目特點和具體情況合理選擇工藝單元及其形式,如預處理的形式,絮凝沉淀池池型,砂濾池池型,活性炭濾池池型,超濾膜形式(壓力式或浸沒式);是否設置砂濾,砂濾池在前還是活性炭濾池在前,是否有必要設置納濾,納濾處理水量的比例;活性炭濾池前是否設置提升泵房等。例如在雄安新區起步區1#水廠和珠海梅溪水廠設計中,綜合考慮原水水質、廠區用地及景觀要求,絮凝沉淀采用高效沉淀池池型;在濟寧長江水廠設計中,針對原水水質特點,采用平流沉淀+氣浮的雙沉淀組合工藝,炭濾池采用上向流形式,不設砂濾池,預留高級氧化(UV/H2O2)單元和納濾單元;在珠海梅溪水廠設計中,針對廠區地形高差較大的特點,在砂濾和炭濾之間不設提升泵房。

(4)合理確定工藝參數

全流程水廠各工藝單元處理重點不同,其基本原則是前序單元為后續單元減負荷,后續單元為前序單元加保險。因此,對于全流程水廠,要更加注意強化常規處理單元的效果,其設計參數取值在一般情況下也相對保守,以便后續深度處理單元的功能發揮。這與全流程水廠注重安全的理念是一脈相承的,同時相對保守的常規處理設計參數還可以減小藥劑投加量,更加綠色安全。例如雄安新區起步區1#水廠、珠海梅溪水廠高效澄清池斜管沉淀區液面負荷取值都靠近《室外給水設計標準》(GB50013-2018)的下限值,有利于保證沉淀水水質,可降低PAM投加量,保護砂濾和后續超濾膜;雄安新區起步區1#水廠、珠海梅溪水廠和海口江東新區水廠砂濾池設計濾速均低于7.5m/h,屬于中間偏下的濾速。

(5)廠區平面宜采用集約化布置方式,節約用地,提高與環境的融合度

全流程水廠工藝單元多,占地面積大,運行管理相對復雜,應按照集約化原則(如平面組合,豎向疊合等)進行水廠總平面布置,減小廠區占地,縮短連接管路,方便巡視管理,提高土地利用效率,結合海綿設施打造廠區優美景觀環境。應重視廠區建筑,有條件時,采用去工業化設計理念,將凈水構筑物建筑化,并且要求廠區工業建筑像民用建筑那樣擁有建筑藝術性,創造宜人、優美、時尚、有文化的建筑空間環境,達到水廠與周邊環境的高度融合。例如,在雄安新區起步區1#水廠設計中,根據規劃要求對廠區地形進行重構,借鑒北京四合院布局特點,采用組合式構(建)筑物,集約化布置,并將構筑物建筑化,以達到廠區設施與周邊環境的高度融合;珠海梅溪水廠廠區利用采石場廢坑建設,變廢為寶,充分利用山地地形,因山就勢,處理設施采用組合設計、集約化布置,消隱于山谷,與環境高度融合,占地極省;海口江東新區水廠是國內首座全地下式水廠(綜合樓及臭氧發生器間布置在地面上),地上面積進行復合式開發利用,極大地提高土地利用率,并提高了水廠臺風期抗災能力。

(6)優化凈水構筑物水力高程布置,靈活設置多種運行模式

全流程水廠工藝安全性高,設計應充分注意優化凈水構筑物水力高程布置,使水廠具備采用多種運行模式的條件,以適應不同條件下的運行工況,包括:正常運行工況,全部單元運行的長流程運行模式;超越運行工況一,超越炭濾池的中流程運行模式;超越工況二,超越全部膜處理單元的中流程運行模式;超越工況三,超越部分膜處理單元的中流程運行模式;超越工況四,特殊情況下超越炭濾池和膜處理單元的常規處理短流程模式等。例如前文介紹的四座全流程水廠均設置了多種運行模式。

(7)充分應用智慧水務技術,提升運行管理水平

全流程水廠作為工藝安全性高的水廠,還應該在高效、智能運營方面做出表率和示范。應配置完善的自動檢測系統、自動控制系統、資產管理系統、生產信息管理系統等,以實現對水廠的全流程在線監測,對關鍵工藝單元的智能化管控,對生產過程的預測模擬分析,對水廠運行的整體優化和輔助決策,從而保證水廠運行安全高效、水質穩定可靠。

5   總結

全流程水廠系“水專項”成果的具體應用,代表了現階段我國飲用水處理工藝先進水平。全流程水廠設計應充分利用“水專項”成果;充分分析原水水質,強化風險識別,在此基礎上進行工藝選擇,提高工藝針對性,不能為全流程而全流程;合理選擇工藝單元及其形式、工藝設計參數;在平面布置方面應注意集約化布置,高效利用土地;在豎向水力高程布置方面應靈活設置多種運行模式;充分應用智慧水務技術,配置完善的智慧管控系統,實現水廠安全高效運行,保障安全優質供水。

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