季节性低温低浊？水厂如何在用地有限的情况下扩建
建设用地不足、原水水质变化及季节性低温低浊是制约水厂改扩建的主要因素，目前常用的改扩建思路为集约化设计和竖向开发，具体措施包含选用节地高效池型、多单体组合、构筑物曡合建设以及构筑物原址改造，考虑水源水质恶化或微污染的可能性，部分水厂还需预留预沉/深度处理工艺建设用地。水平管沉淀池作为一种节能省地的高效沉淀池，其独特的“水走水道，泥走泥道”的微分化菱形单管和密闭滑泥道设计，可实现泥水快速分离，具有沉淀效率高、原水适应强、占地面积小、便于维护的特点，在水厂改扩建中发挥着重要作用，旧水厂利用水平管高效沉淀技术进行改造后，可适应原水季节性低温低浊的情况，实现“提标扩能”的效果。
本文介绍了安徽某水厂在扩建过程中，通过絮凝沉淀池的优化设计，解决了扩建用地不足及原水水量水质变化大的问题，为同类型的水厂扩建提供参考。
本文引用格式
薛石龙, 文玉坤, 周密, 等. 水平管高效沉淀池在水厂扩建中的工程应用[J]. 净水技术, 2022, 41(10):154-160.
XUE S L, WEN Y K, ZHOU M, et al. Engineering application of horizontal tube high-efficiency sedimentation tank in the expansion of WTP[J]. Water Purification Technology, 2022, 41(10):154-160.
1 改建工程概况
1.1 工程背景
安徽某水厂规划供水规模为20万m3/d，占地面积为5.159万m2，一次征地，分期建设，一期供水规模为10万m3/d，于2011年建成投入使用，随着供水区域内开发区及新区的完善，一期净水设施已超负荷生产，供水水质保证率降低，低温低浊期需降低生产水量保证出水水质。为解决供需矛盾及满足环保政策要求，水厂拟利用预留用地扩建供水规模为10万m3/d的净水构筑物及20万m3/d的排泥水处理设施，保留深度处理工艺建设用地。
一期工程净水工艺为“折板絮凝池+平流沉淀池+V型滤池”，原水为水库水，2014年—2016年水库监测资料显示，水质达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类水所占比例分别为18.2%、54.5%、27.3%，大部分情况下保持Ⅱ类~Ⅲ类标准，高锰酸盐指数（CODMn）平均质量浓度为3.8 mg/L，浑浊度平均为5.4 NTU，pH值为6~9，水质总体较好。每年11月—次年4月，原水水温为4~12 ℃，浑浊度为3~10 NTU，原水低温低浊，一期工程降负荷生产，保证出厂水水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）标准。
1.2 扩建思路
由于水厂规划时，未考虑排泥水处理设施用地，扩建工程用地不足，吨水用地指标仅为0.093 m2/(m3·d-1)，一期净水工艺低温低浊期水质水量保证率低。因此，扩建工程净水工艺应选择占地小和原水水质适应性强的工艺，尤其是能处理低温低浊原水的絮凝沉淀工艺。
厂区平面设计时考虑全厂高程系统的统一，确保一期、二期净水构筑物水量分配均匀。运行时分工艺段考核水质，保证出厂水满足《生活饮用水卫生标准》要求的同时，滤前水也须满足《城镇供水厂运行、维护及安全技术规程》（CJJ 58—2009）中有关沉淀池的出水要求，即滤前水浑浊度≤3 NTU，各工艺段充分发挥去除效能。
1.3 工艺流程
综合项目用地和原水水质情况，扩建工程净水工艺为“筛板絮凝池+水平管高效沉淀池+V型滤池”，扩建完成后，水厂总体工艺流程图如图1所示，虚线框内为扩建工程净水工艺流程。其中絮凝沉淀段承担去除原水80%~98%的悬浮固体的作用，“筛板絮凝池+水平管高效沉淀池”的高程布置如图2所示，与一期净水构筑物高程保持一致。相较于一期工程，扩建工程选择的筛板絮凝水平管高效沉淀池具有如下技术优势：（1）配置强化絮凝设备高效絮核塔，强化絮凝效果，可应对水库原水的季节性变化；（2）水平管高效沉淀池沉淀效率高，池体占地面积小，二期絮凝沉淀池占地面积为0.182万m2，是一期平流沉淀池占地面积的39%，紧凑型布置，精细化利用土地；（3）水平管高效沉淀池抗冲击负荷和超产能力强，可超设计能力20%~40%运行，且沉淀池出水浑浊度小于2 NTU；（4）水平管高效沉淀池运转设备少，仅配置自动冲洗装置和排泥阀，设备维护量少，运行管理简便。本文仅介绍絮凝沉淀工艺在改扩建工程中作用与设备选型。
图1 水厂总体工艺流程
图2 絮凝沉淀工艺流程图片
2 工艺介绍与设备选型
2.1 筛板絮凝池
筛板絮凝池由高效絮核塔和筛板絮凝区组成，设置于管道混合器之后，高效絮核塔为强化絮凝设备，该设备为上大下小的空心锥台结构，水流由下向上，流速及速度梯度G值连续降低。且该装置中部装有填料，可形成多股水流，增强了絮凝物在填料层中的碰撞几率，使絮凝前期形成的絮凝晶核密度更高，强化絮凝，保证原水低温低浊时的絮凝效果。筛板絮凝区在絮凝池内设置多个水流廊道，在廊道内垂直放置筛板絮凝装置，形成多格竖井，平面布置如图3所示。筛板装置由筛板过水孔板和筛板支撑架组成，在同一廊道内，相邻的两套筛板絮凝装置过水孔板上下交错布置，水流上下蛇形流动，当水流通过筛孔时，产生强烈的缩放作用，形成漩涡，使颗粒相互碰撞和挤压，形成良好的絮凝条件。筛板絮凝池分为3段，每段采用相应规格的筛板絮凝装置，前段为小口径筛孔，中段为中口径筛孔，后段为大口径筛孔，前段设计流速为0.25~0.30 m/s，中段设计流速为0.15~0.25 m/s，后段流速为0.10~0.15 m/s。
图3 筛板絮凝池平面布置
扩建工程设置4套高效絮核塔，设置于管道混合器与筛板絮凝池之间，设备底部直径为1.5 m，上部直径为2.5 m，总高度为5.3 m，上大下小，反应时间为54.77 s，单套处理能力为2.625万m3/d（含5%自用水量）。设置筛板絮凝池4组，单组池体平面尺寸为16.9 m×9.5 m，池深为5.3 m，设置筛板装置21套，组成24格竖井。絮凝池絮凝时间为19.3 min，G值为34.23 s-1，GT值为3.9×104。
2.2 水平管高效沉淀池
水平管高效沉淀池是一种在沉淀池内装填水平管高效沉淀分离装置及配套布水系统、集水系统和排泥系统的高效沉淀池，核心设备为水平管高效沉淀分离装置，该装置水流方向为侧向流，处理能力与装置过水断面有关，过水断面负荷为25~40 m3/(m2·h)。该装置是由若干组水平放置的沉淀管和与水平面成60°的滑泥道组成，将竖直的过水断面分割成沉降距离相等的沉淀管和滑泥道，水平管单根的横断面为菱形，管底一侧设有排泥口，单根沉淀管当量直径为30~80 mm，大大缩短了颗粒物的沉降距离。封闭的滑泥道保证了颗粒物进入滑泥道后，不受水流影响，“水走水道，泥走泥道”，能实现泥水的快速分离。
同截面的水平管高效沉淀分离装置与异向流斜管相比，沉淀面积净增65%，将哈真“浅池理论”发挥至极致，沉淀效率是异向流斜管的3~5倍，是平流沉淀池的9~25倍。水平管高效沉淀分离装置配有自动冲洗装置，自动冲洗装置包含清洗系统、牵引动力系统和自控系统，沿固定导轨往复运动，现场安装如图5所示。装置利用沉淀池的出水对水平管高效沉淀分离装置进行逆向局部清洗，现场清洗过程如图6所示，清洗产生的废水经过二次沉淀又还原成合格水，既不影响沉淀池正常运行，又不产生冲洗废水，保证滤前水水质的前提下，节省运行成本，运行冲洗装置行驶速度为1.0~1.5 m/min，冲洗周期根据调试确定，一般建议为24h冲洗一次，每次冲洗持续时间为25~30min，可实现自动运行和远程控制。
图5 自动冲洗装置现场图
图6 自动冲洗装置现场运行图
扩建工程设置水平管高效沉淀池4组，单组池体平面尺寸为16.9 m×8.4 m，池深为5.0 m，设计规模为2.5万m3/d，自用水量取值5%，与筛板絮凝池合建，絮凝沉淀之间设置平面净空尺寸为16.0 m×2.5 m的过渡整流段，每组沉淀池设置布水装置、水平管沉淀分离装置、集水系统及自动冲洗装置各1套，规格参数如下。布水装置设备外形尺寸为16.0 m×2.5 m，过水流速为0.1 m/s，设置于沉淀池前部，功能是为水平管高效沉淀分离装置均匀布水。水平管高效沉淀分离装置长为16.0 m、宽为2.0 m、高为2.5 m，过水断面面积为40 m3，截面负荷为27.34 m2/(m3·d-1)。集水系统包含集水装置和出水装置，过水流速控制在0.1 m/s以下，用于水平管高效沉淀池内的均匀集水和液位调整。自动冲洗装置装机功率为7 kW，周期性往复冲洗水平管高效沉淀分离装置，确保沉淀效率。
3 低温低浊调试运行
筛板絮凝池水平管高效沉淀池于2018年12月7日—12月12日进行了冬季低温低浊运行调试，于2019年4月8日—4月10日完成春季低浊运行。絮凝药剂采用聚合氯化铝（PAC）液体药剂（三氧化二铝Al2O3有效含量为10%），药剂:水按体积比为1:15稀释，投加质量分数为6.25%（以原液为100%），间隔2 h记录原水流量、原水浑浊度、沉淀池出水浑浊度和絮凝药剂投加量。
水厂运行策略是依据清水池液位调整取水泵的开关数量，控制净水构筑物的处理量，取水泵采用大小泵配合，共设置4组取水泵，3用1备。清水池有效水深大于3.5 m时（清水池池深为5.0 m，设计有效水深为4.2 m），提升泵单组或双组运行；清水池有效水深低于1.0 m时，提升泵3组运行。项目于原水低浊期对扩建工程生产能力进行测试时，尽量降低一期净水构筑物的生产能力，优先采用扩建工程净水构筑物生产，根据实际生产情况，12月连续满负荷运行5 d，4月连续满负荷运行3 d。运行时，通过阀门调节使4座筛板絮凝池水平管高效沉淀池的流量尽量保证一致，调整加药量保证沉淀池出水浑浊度符合《城镇供水厂运行、维护及安全技术规程》（CJJ 58—2009）中沉淀池出水要求，滤池出水满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的要求。
3.1 运行水量分析池
基于水厂运行策略，扩建工程净水构筑物冬季5 d运行分时净水流量如图7所示。由图可知，水厂高负荷生产时段为9:00—21:00；间断有部分低负荷生产时段，低负荷生产时段为23:00—次日7:00。净水分时流量最大为5 258 m3/h，最小为1 230 m3/h，高峰和低峰比值达到4.27，分时处理水量24 h内变化较大，扩建工程设计处理量为4 375 m3/h，表明扩建工程净水构筑生产能力满足供水需求，且超产能力强，峰值运行时净水能力可超产20%。水厂运行时可根据供水实际情况在低负荷生产时段进行排泥、冲洗、维修等辅助性工作。
图7 扩建工程分时流量
3.2 浑浊度去除效能与药剂投加量分析
冬季低温低浊期调试期（2018年12月）运行时，原水浑浊度为6~12 NTU，水温为8~10 ℃。春季（2019年4月）调试时原水处于低浊期，原水浑浊度为6~7 NTU，水温为13~15 ℃，冬季经过5 d连续运行，原水、滤前水、滤后水浑浊度如图8所示。结果表明，扩建工程滤前水浑浊度为0.78~2.63 NTU，稳定保持在3.00 NTU以下，滤后水浑浊度为0.05~0.80 NTU，稳定保持在1.00 NTU以下，出水指标满足规范要求。各工艺段浑浊度去除率如图9所示，其中絮凝沉淀工艺段浑浊度去除率为70%~86%，滤池工艺段浑浊度去除率为11%~27%，表明絮凝沉淀池去除了大部分的颗粒物，原水浑浊度越高，絮凝沉淀池承担的去除率越大。春季低浊运行情况与冬季运行情况一致。
低温低浊对混凝效果的影响主要体现在：1）低温下，金属絮凝剂水解慢，水的黏滞系数增大，絮凝困难；2）胶体数目少，颗粒物碰撞几率低，形成的矾花细小且轻。有效的处理措施包含混凝剂助凝剂的优选、强化混凝、改进沉淀工艺等，扩建工程采用的筛板絮凝池水平管高效沉淀池属于强化絮凝和改进沉淀工艺的组合，絮凝剂与原水在管道混合器内混合后，60 s内进入高效絮核塔进行强化絮凝，絮核塔内的填料将混入絮凝剂的原水细分成多股水流，增加颗粒物的碰撞几率，形成密实的絮体晶核，为絮体的增大提供载体，筛板絮凝池的竖直设置及筛孔的缩放为絮凝提供了良好的水力条件，水平管高效沉淀分离装置微分化的沉淀单管和密闭的滑泥道使颗粒物快速从水中分离，保证沉淀池出水水质。
图8 调试期各工艺段浑浊度
图9 调试期各工艺段浑浊度去除率
PAC药剂采用计量泵投加，满负荷运行时，计量泵流量为90~115 L/h，低负荷生产时段，计量泵流量调整至55~75 L/h，冬春季（2018年12月和2019年4月）调试期药剂平均投加量如图10所示。冬季低温低浊调试期PAC平均投加量为6.88 mg/L，春季低浊调试期PAC平均投加量为4.64 mg/L，同比一期絮凝沉淀池可节约药剂12%~18%，春季调试期水温高于冬季调试期，药剂投加量较冬季少约30%，这与夏天明的统计一致，当水温升高时，絮凝剂的投加量需适当减少。需要注意的是，基于水厂的运行策略，净水构筑物低水量运行时，未及时调整药剂投加计量泵导致的过量投加，会引起滤前水浑浊度的升高，苏航等的研究也证实絮凝剂的过量投加会出现返浊现象。
图10 调试期药剂平均消耗量
3.3 运行及经济效益分析
2018年11月竣工验收后经过调试，确认絮凝沉淀池运行策略如下：筛板絮凝池排泥周期为5~7 d，水平管高效沉淀池布水区与沉淀区排泥周期为24 h，集水区排泥周期为48 h，每次排泥时间约为1~2 min，排出排泥水清澈时停止；自动冲洗装置冲洗周期为24 h，滤池冲洗周期为48 h；遇高浊期调整筛板絮凝池的排泥周期为3~4 d，水平管高效沉淀池各区排泥周期为12 h或8 h，根据现场运行情况适当调整，自动冲洗装置冲洗周期调整为12 h或16 h。藻类暴发期，除采用高浊时的运行策略，还需在前段管道混合器进行前加氯，次氯酸钠投加量为2~5 mg/L。
筛板絮凝池水平管高效沉淀池吨水直接运行成本为0.029元/m3，作为周期性变水量负荷的水厂，原水瞬时流量、滤前水浑浊度、水温等都是滤池出水浑浊度变化的影响因素。用水高峰期，尤其是原水瞬时流量增大后的短暂时间内，滤池出水浑浊度升高的概率加大，低温低浊期，微小颗粒穿透滤层，风险进一步加大，确保滤前水浑浊度的稳定，能有效地降低滤池出水浑浊度超标的风险。扩建工程沉淀池出水浑浊度长期稳定＜3 NTU，滤池冲洗周期稳定为48 h，相较于一期滤池冲洗，每年可节省约25万t反冲洗水，反冲洗用电量节省约2.8万kW·h。一期平流池采用行车式吸泥机，排泥水与滤池反冲洗水可占到产水总量的5%左右，扩建工程采用斗式重力排泥，通过排泥周期的控制，充分利用泥斗区域的污泥挤压作用，提升排泥水的浓度，结合滤池反冲洗周期的延长，排泥水与滤池反冲洗水为产水总量的2%~3%，相比较一期可少排出约72万t的排泥水。
4 结论与建议
扩建工程絮凝沉淀工艺选用“高效絮核塔+筛板絮凝池+水平管高效沉淀池”，占地面积小，处理规模为10万m3/d，占地面积仅为0.182万m2，是一期平流沉淀池占地的39%。絮凝沉淀工艺段原水适应性强，低温低浊期时，水平管高效沉淀池出水浑浊度可保证在3.00 NTU以下，通常在1.00~2.00 NTU，滤前水出水稳定，出厂水水质达标。絮凝沉淀工艺超产能力强，可适应原水水量波动，供水能力可达设计能力的120%，对比一期沉淀池可节约絮凝剂10%~20%。该工艺在扩建工程的应用中达到了预期效果，为用地面积有限和原水水质水量波动较大的水厂新建和扩建工程提供参考。
即将实施的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）取消了水源与净水条件限制时部分指标的放宽（硝酸盐、浑浊度），提高部分指标限值（出厂水余氯、聚乙烯、三氯乙烯、乐果、硼），缩小了城乡饮用水水质标准差距，对小型集中供水和分散供水的水质要求提高。且对水质指标重新分类调整，更加关注水质感官指标及消毒副产物，增加了影响水体感官的2-甲基异莰醇、土臭素作为扩展指标，将检出率较高的一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷、三卤甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸6项消毒副产物指标从非常规指标调整到常规指标，对水厂的运行维护和精准加药提出了更高的要求。建议水厂在实际运行过程中，加强对原水水质的检测，尤其是季节性高浊、低温低浊以及藻类暴发期，及时调整运行策略，确保水质的稳定达标，必要时进行深度处理工艺段改扩建。
