案例：高浊度原水给水厂节地设计
导 读
黄河作为我国西北和华北地区城市的重要水源，进一步对黄河高浊度原水的研究具有重要的意义。以北方某水厂改扩建工程设计为例，针对其高浊度原水特性，对取水工程的各个环节进行针对性的优化改造；同时提出“多级屏障、适度冗余、层次处理”的工艺设计原则，提高处理效率和安全性；采用高效工艺和叠合组合方式克服用地不足等不利因素。工程建设完成扩容目标的同时，取水泵房和水厂运行良好，出水水质达到标准要求。
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引言
随着我国西部大开发战略的推进和城市化发展的进一步深化，产业内迁和西进趋势不可避免。生产建设的需要和当地居民生活水平的日益提高，用水量的需求也逐渐上升。黄河作为我国西北和华北地区城市的重要水源，且其高泥沙含量、冰凌等特性给取水及水处理工程的设计带来一定的特殊性，进一步对其高浊原水的水厂设计实践进行总结具有重要的意义。以北方某水厂为例，对黄河高浊度净水厂工程设计要点进行探讨，以期提供有益的参考和借鉴。
01
水厂现状、设计条件及目标
1.1 水厂现状
本工程净水厂于1983年7月建成投产，供水能力5万m³/d，主要供应生活和工业用水，是40万人口的主要用水水源。水厂以黄河包头段中下游为水源，取水泵站距水厂约1.8km，采用岸边式圆形取水泵房形式，内径21m。现役水泵为卧式离心泵4台（3用1备），水泵扬程在36~39m，流量分别为500 m³/h，1260 m³/h、1120 m³/h、700 m³/h。泵房前池设有旋转格网、抽泥泵等。泵房的具体布置如图1所示。
图1 改造前取水泵房
在运行过程中，取水泵房主要存在以下几点问题：
取水口淤堵。由于采用岸边式取水方式，在洪峰期，上游冲刷而下的大量泥沙和水生植物容易造成取水口的淤堵，水下清淤仅能采用人工方式，较为不便；
结冰。在冬季黄河冰凌期，由于取水点位于容易受到冰凌的直接冲击从而影响正常取水；
由于原水的高含沙量，泵房旋转格网底部部件磨损严重，基本需1年更换一次；另外，实际运行中，原设计的扬程偏高（经水力负荷及现场实际运行压力调研），泵壳及叶轮易磨损，经常需停泵检修。
改造前的净水厂采用“旋流沉砂+机械加速澄清+虹吸滤池”常规处理工艺。其中，预沉池由于老化已基本停用，为确保出厂水质，在原水沙峰期间必须通过降产来保证水厂的正常运行。改造前原水厂的平面布置如图2所示。
图2 改造前水厂平面
1.2 建设规模及出水水质
根据相关规划，水厂和取水泵房本期扩容改建工程规模为8万m³/d，建设常规处理工程。在净水厂现状用地范围内，保留远期扩建至16万m³/d和深度处理工艺的可能。水厂除需满足现状区域供水增长以外，近期需向北部某加压站供水1.2万m³/d，供水距离约13km，高差约80m。本工程的新（改）建构筑物如表1所示。
出厂水水质符合国家《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的要求。
表1 本工程新（改）建构筑物
1.3 原水水质条件分析
根据2014-2016年水厂原水统计，沙峰期浊度一般在1 000~2 500 NTU左右（含沙量约为1.8~4kg/m³），自2015以后，由于黄河保护工作的深入和上游水土流失的改善，其原水含沙量有下降趋势。2020年原水的最高、平均浊度和含沙量如表2所示。从表2中可知，原水浊度和含沙量全年变化较大，其中3月份破冰凌以及7至9月份的沙峰造成典型高浊度原水。
表2 2020年原水浑浊度及含沙量逐月平均值统计
黄河原水中的悬浮物组分差别较大，根据资料，其相对组分具有明显的地带分部规律：从北向南高岭土组分增加，蒙脱土不断减少。两者在亲水性、沉降性等方面差别较大。根据新一版《高浊度水给水设计规范》（CJJ 40-2011，以下简称“高浊水规范”）的建议，由于黄河高浊度水在沉降过程中具有清晰的浑液面，属于“高浊水规范”中所指的“界面沉降高浊度水”。值得一提的是，黄河高浊度水的含沙量10kg/m³ 时产生的浊度与长江高浊度水的浊度（3 000~5 000 NTU）基本相当。因此，在高含沙量的黄河原水中，浊度指标并不能很好的反应水质情况。在该水厂建设完成后，本工程要求对原水的浊度和含沙量应分别进行统计。
1.4 工程重点、难点及应对措施
本项目的设计主要存在以下重点和难点：
（1）黄河高浊度原水处理本身存在一定特殊性。本项目原水具有黄河包头段的高浊度原水的特点，沙峰期原水含沙量大，冬季又需防冰凌。大量实践证明，对于高浊度原水采用预沉调蓄池不仅能提高供水安全保障，也有利于降低下游水处理设施负担，保护处理设备。但由于本次改造项目无征地条件，对于取水、水处理的安全保障设计带来一定的挑战。
（2）改造扩容工程仅利用原厂址，用地紧张。本次改造近期规模8万m³/d，远期规模为16万m³/d，且需预留深度处理工艺。根据住建部发布的《城市生活垃圾处理和给水与污水处理工程项目建设用地指标》，16万m³/d的地表水厂，采用预处理+常规处理+深度处理工艺下，其用地控制指标为8.57 hm²，而本工程水厂用地仅有3.84 hm²，且高浊度原水、改造工程更使得用地更为紧张。
（3）工程建设期间停水期极短。由于该水厂目前仍承担供水任务，在水厂改扩建期间要尽可能确保正常供水。在平面布置中，新建构筑物必须利用现状空余场地，且其于现状仍旧运行中的构筑物必须保证一定距离，确保安全。
（4）工艺陈旧、设备老化，利旧和挖潜具有一定难度。由于原水厂建设年代久远，采用的工艺陈旧、自动化程度低，设备老化严重。且水厂建设时并未考虑远期扩建因素，土建和管道接口均未做预留。
针对上述工程难点和特点，提出以下针对性措施：
（1）根据高浊度原水的处理经验，设计中充分考虑其负荷大、易磨损设备部件的特性，通过创新改造，挖掘原沉沙池潜力，形成两级沉淀的工艺流程，降低后续构筑物的负荷；在设备选型和配置方面，注重其耐磨特点，并提高备用率，确保供水安全。
（2）针对用地紧张问题，工艺选择上采用成熟且高效的工艺池型，在减少用地面积的同时，也可降低北方寒冷地区的采暖面积。构筑物布置上，结合水力流程，采用叠合组合布置方式，节省用地，且方便人员巡检。
（3）新建构筑物的布置充分考虑现状构筑物的运行安全，在构筑物的布置上合理安排建设时序，尽可能减少管道碰接期间对生产的影响。
（4）对水厂现状构筑物做充分评估，通过局部改造和优化，保留和充分利用原有水力沉沙池和清水池的潜能，降低投资。
02
工程设计要点探讨
2.1 取水工程改扩建设计要点
2.1.1 防冰凌和截草设计
如前所述，本工程现状取水泵房为岸边式，取水口直对黄河主流，极易受冰凌和杂草及水生植物的直接冲击，造成取水困难。本次设计一种可防止冰凌冲击及截留杂草的浮筒装置，如图3所示。综合考虑受力分析和冰凌厚度，采用DN500钢浮筒，通过绳索、手动葫芦和泵房连接。钢浮筒分段制作，拆卸后可方便吊装维护。浮筒下部设有长度为0.9m的挡草钢板，可有效阻挡较大的水生植物进入取水口。
图3 防冰凌及截草浮筒
工程建成投产后，实践证明冬季大量杂草被浮筒阻挡后，随主流至下游，大大降低了取水间堵塞及缠绕水泵泵轴的可能性。冬季冰凌冻结至浮筒外侧，避免直接冲击泵房及取水口，供水安全性得到保障。
2.1.2 进水间优化设计
由于原水含沙量大，进入吸水池以后，流速降低部分会迅速沉降并淤积在进水间内，因此本次设计扩容后其过孔设计流速将有所提高，适当提高流速有利用改善其淤积情况，因此本次不对其进行改动。在此基础上，进水间底部泵房增设空气管、冲洗高压水管。一旦发生淤积现象，将泥沙气冲、高压水冲将淤泥松散后通过排泥泵或供水泵排出，大大降低了人工清淤的工作量。关于取水泵房前端的回转式格网水面以下的轴承磨损问题，本次改造将其改造成钢丝牵引式，尽可能避免高浊水下的设备部件摩擦可能性。
2.1.3 水泵设计
本次设计需将水泵供水能力扩建至8万m³/d，且现有水泵服役年限较长，考虑将其全部进行更换。相关研究表明，水泵机械的磨损和扬程转速有较明显的正相关。
因此，将原水泵替换为较低转速的水泵（原水泵定频转速1 480 r/min更新为980 r/min），且4台泵均增加变频调速装置，在低峰供水时可变频运行，进一步降低转速。另外，水泵的扬程较高也增加水泵的磨蚀。本次设计过程中，通过水力计算和对运行数据的统计分析，将原水泵扬程36~39m降至25~28m，结合内部增加耐磨涂层，叶轮和泵壳的磨损情况大大改善。
对于常规取水卧式离心泵的设计而言，一般为考虑供水安全性采用自灌式启动方式。但对于黄河高浊水，停运水泵泵壳中的原水泥沙会快速沉降甚至板结，对于水泵的再次启动造成严重影响。因此，本次同步将真空引水设备进行更新。
通过上述改造更新措施，从2018年投产至今，取水泵站运行良好，维护工作量较小。
2.2 净水工艺流程和厂区平面布置
2.2.1 总体设计原则和工艺流程
从水质和水量保障角度来看，为应对黄河高浊度水的特性，本次工艺处理设计提出“多级屏障、适度冗余、层次处理”三大原则。
高浊度原水沙峰来势力迅猛，黄河上有些工程对汛期的高浊度水不能有效地处理，必须增建预沉池或调蓄水池。在条件允许的情况下，应采取避砂措施或二级或三级沉淀处理。本次设计由于场地受限，无条件新建预沉设施，可考虑对现状的水力沉砂池进行改造，利用水力旋流效应，在沙峰期间启用降低原水含沙量，尽可能降低对后续工艺的冲击。
黄河高浊度原水具有易淤积、易磨损设备等特点，设备维护和停运的概率较高，为保证水厂的不间断允许，各处理和水力输送单元应适当提高备用率，关键环节采用70%~100%的保证率。
黄河高浊水的特点，对其处理重点单元应为加药和沉淀排泥单元，对高浊度水进出分层次处理。许多设计和运行管理人员存在认识误区，通过加大滤池的运行负荷，作为大量泥沙截留的工艺环节。但实践证明，增大滤池的运行负荷会大幅度降低反冲洗周期，耗水耗滤料的同时，处理效果也较差。
结合场地限制因素，本次水厂的常规处理工艺采用“水力沉砂+高效沉淀池+V型滤池”的常规处理工艺，并根据规划要求预留“臭氧+活性炭吸附”深度处理工艺。
最终采用的工艺流程如图4所示。
图4 水厂工艺流程
2.2.2 厂平面和构筑物总体布置
在场地条件紧张的情况下，除采用高效池型以外，构筑物的组合、叠合往往成为重要的布置手段。根据竖向布置，将高效沉淀池和V型滤池进行组合布置，节省用地的同时也能较少构筑物之间的连接管路。对于寒冷地区水厂，该组合方式方便建筑整体设计并利于厂区巡检，避免频繁出入室内外。
清水池是净水厂中占地面积较大的调蓄构筑物，因此，本次设计考虑利用原有清水池的同时，将远期预留的臭氧活性炭深度处理工艺和清水池进行叠合处理。本期仅建设下部清水池，上部深度处理进行土建预留。另外，为进一步加大调蓄能力，确保加氯消毒的接触时间，在V型滤池底部叠合消毒接触池。由于高效沉淀池深度较滤池大，该叠合方式也有利于水厂的水力流程和基坑处理。通过上述设计，水厂近期的调蓄容积达14 300m³，占总处理能力的17.8%，满足要求。
由于水厂将额外承担北部某区域的供水任务，该供水方向和现有供水区域的供水压力差别较大，水泵无法共备。势必造成水泵台数和电气设备的大量增加，原二级泵房无扩容改造的可能性。设计中利用原锅炉房（由于环保问题，需更新）位置新建二级泵房，待处理流程改造完成后进行新老泵房的切换。新建锅炉房设于厂区西南角。改造扩容后的厂区平面如图5所示，远期8万m³/d规模的构筑物可通过原构筑物拆除后布置。由于本次工程建设过程中需维持水厂的正常运行，故在布置和建设时序方面，从以下几方面予以确保：
（1）新建构筑物尽可能在原有空地上新建。如本次新建的沉淀、滤池、清水池、加氯间和加药间等，并和原有构筑物保持一定的安全实施距离；
（2）对于改建部分，尽可能在低峰期间实施，将影响降低到最小。如取水泵房的改造势必造成短时间停水，设备改造一般考虑在冬季用水低峰期间，且采用逐步实施方式；沉砂池改造则避开沙峰期；
（3）为确保水厂的不间断供水，新建处理构筑物调试完毕后，首先进行新旧清水池管道的衔接，通过原有二级泵房正常供水；新建二级泵房待单体调试完毕，和清水池及外管网衔接后，停用原有泵房后启动，实现新老系统的过渡。
图5 改造后水厂平面
2.3 水力旋流沉砂池改造设计
现状有2座水力旋流沉砂池，单座直径25m，池深7.95m，设计总规模为5万m³/d，用于高浊期间的预沉处理。该池型通过喷嘴（见图6a）设计使得水在池体内高速旋转，使泥砂汇集于中心沉降除去。由于受场地限制，本次水厂扩容工程无条件进一步扩大沉砂池的直径，但可以通过改善水力旋流的效果，强化沉砂过程。因此，对水力旋流的形成进行优化并针对高浊度水的特点进行设备更新。
如图6b所示，将原有喷嘴改造成矩形配水管和环形布置喷嘴，有效保障了水力旋流的形成，其中配水系统借鉴“大阻力配水系统”原理，保证了各喷嘴的配水均匀性。喷嘴呈沿圆形环形多点布置，形成水力旋流的“接力效应”，保障后续絮凝速度梯度的形成。
图6 改造前后水力旋流沉砂池
另外，在混凝反应区内，由于导流筒和池壁的存在，旋转的水流速度由快变慢，理论上呈线性变化，形成较好的速度梯度变化。该水流形式也保证水中絮凝颗粒具有较大的接触强度、和更好的反应条件，特别针对了高浊度水在投加絮凝剂后泥量大、快速分离的特点；反应区中导流筒设置成可调节型，通过其安装高度的变化，保障其在一定的浊度范围内具有较强的适应性。
原设计中采用周边传动刮泥机，在实际运行中易发生不平衡现象，本次改造则采用中心传动式刮泥机，具有故障率低，安全节能，维护简便等特点。另外，刮泥机上的刮板设有自动提升装置，根据刮泥过程的阻力变化，提升或降低刮板的高度，实现较强的自适应功能。针对高浊度原水排泥水量大、浓度高、易板结情况下，刮板可先刮除上层浓度较低污泥，再降低高度，缓慢有效的刮出下层浓度较高的污泥。该方式可有效防止刮泥机的“过载”运行，起到保护设备的作用。
通过上述改造，近2年高浊期沉砂池运行正常，对后续构筑物的减负起到重要作用。
2.4 沉淀设计要点及参数
如前所述，对于高浊度原水的处理，沉淀及其排泥设计是重中之中。本次采用占地较小的中置式高效沉淀池，总设计规模为8万m³/d。该池和分为独立运行的2格，组合了混合、絮凝、沉淀、污泥浓缩于一体，池体中间上部设置单元机械混和器和机械絮凝器；下部为各类管线走廊；池体两侧为絮凝过渡区、斜管分离区、集水区、污泥浓缩区；污泥回流和污泥排放泵，设在单体中间。
图7 中置式高密度沉淀池布置
具体设计参数总结如表3所示。
表3 中置式高密度沉淀池主要设计参数
大量实践证明，可通过混凝剂、助凝剂投加量控制、排泥周期调整等运行手段，本池型对原水的浊度大幅度变化呈现很好适应性，全年沉淀出水浊度均控制在5 NTU以下，最终出厂水的浊度均控制在1 NTU以下。
排泥方面，由于高浊度水沉淀池底部的排泥水属于非均质浆体，较容易产生“异重流”现象，从而造成沉降泥沙迅速板结。在本次设计中，充分借鉴现有项目设计经验和运行反馈，采用底部刮泥+单斗气力松动（气力输送排泥）方式，实现可靠排泥。
另外，相似水源水厂的管理人员反映，往复式刮泥机的滑鞋由于细小泥沙颗粒的涌入，反复摩擦造成磨损。本次设计考虑将往复式刮泥机的滑鞋部件从普通聚氯乙烯改成高密度聚氯乙烯，大大提高了部件的寿命。
2.5 加药点及加药量设计
高浊度水的混凝过程主要表现为使得具有一定沉速的泥沙以更快的速度下沉。因此，采用单纯无机盐混凝剂来压缩双电子层的效果较不理想。而高分子助凝剂的吸附架桥作用，可保证水中泥沙具有一定的分子链长度，效果更好。大量的试验和实践证明，采用铝（铁）盐混凝剂的效果+聚丙烯酰胺助凝剂的效果最佳。本工程采用聚合氯化铝（PAC）混凝剂和聚丙烯酰胺助凝剂的组合。
关于混凝剂和助凝剂的投加顺序，应根据具体情况分析。有文献指出，聚丙烯酰胺在无机盐混凝剂之后投加可保证出水浊度。因此在本工程的设计过程中，将混凝剂投加于混合区，而将助凝剂投加于后续絮凝提升区，投加于机械絮凝区，取得良好的实践效果。
药剂的投加量应根据试验确定。根据现场反应，加药量过低沉淀池出水浊度难以保证；而加药量过高，沉淀池内泥沙沉降过快，对刮泥系统的负荷过大，容易造成刮泥设备故障。因此，在沉淀池设计中仅关注泥沙沉降效率是不合适的，应力求在保证水质和顺利排泥之间达到平衡。本工程设计的投加点和投加量确定如表4所示。
表4 加药点及加药量设计
03
结论和展望
以北方某水厂实际工程设计为例，对黄河高浊度水处理改扩建工程的设计进行了详细分析。设计论证中，应通过试验或相似水厂运行经验，对原水的沉降性能进行仔细分析，克服改扩建工程中，由于场地限制、无停水条件等因素，合理确定工艺流程和平面布置方案，同时充分考虑输水管道、设备磨损等方面的问题。
另外，关于黄河高浊度水处理，可以从以下几方面开展研究工作以提高水处理的科研和设计水平：
（1）原水水质调研：黄河原水虽然具有一定的共性，但随着地域和地理位置的变化，各取水段具有不同的处理特点，建议对黄河上、中、下游各段原水进行充分调研，进一步了解黄河高浊水处理特点和空间分布的关系。
（2）研发新型投加药剂：目前采用较多的药剂为无机盐混凝剂和阴离子聚丙烯酰胺助凝剂。对于新型加药剂的研发，应在保证安全无毒性和高效沉泥的前提下，保证板结的有效改善和排泥阻力的降低。
（3）刮泥和排泥设备创新：高浊度水沉淀排泥问题是设计和生产管理的重点，如何对刮泥和排泥设备及其运行进行创新是提高水厂运行效率和高浊水净水厂现代化建设的重要方面。
（4）排泥出路问题：黄河水排泥量大，且根据黄河水利委员会和环保部门的要求，禁止泥沙直接排入水源。而过去对泥沙烧结制砖也因人们日益关注的空气污染问题予以禁止。因此，如何妥善处理和综合利用也是一个重要的课题。
