某南水北调中线水厂工程设计及运行效果分析
河南省某县级城市以深层地下水为饮用水水源，原水经过简单的沉淀、消毒后输送至用户。原有供水系统建设较早，设计标准低，设备设施老旧，长期存在夏季高峰期供水压力不足的问题，加之当地地下水硬度偏高、水垢较多、口感较差，现有供水系统已无法满足当地人民不断提高的用水需求。
该县位于南水北调中线工程受水区范围内，南水北调干渠穿越县域北上，并在城区以东预留分水口门，距离城区较近。南水北调干渠为地上渠，运行液位较高，具有较好的自流引水条件。结合这些有利条件，当地主管部门适时启动了南水北调水厂工程建设相关工作。
该工程原水为南水北调中线干渠水，结合相关文献资料，丹江水库原水水质基本满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ类标准，各项指标多年波动较小，但一年周期内存在冬季低温低浊、夏季藻含量高、pH高的问题，这一现象与湖库型水源和长距离明渠输水有关，相关监测数据较好地说明了上述情况。针对这一原水水质情况，在工程设计和运行管理中需要有针对性地采取技术、管理手段，确保处理水水质稳定达标。目前，针对原水水质较好的地表水厂，普遍采用混凝、沉淀、过滤的传统工艺，部分项目因原水有机物微污染，增加了预处理或深度处理系统。然而，工艺选择上具有一定趋同性，工艺流程及设计参数的选择未经过充分研究论证，究其原因，主要是缺乏实际运行情况的统计以及与工艺设计之间联系的研究分析。本文通过对本工程水量、水质的长期数据统计和设计参数分析，对类似水质的水厂工程设计及运行管理提供参考借鉴，使设计方案能够更加经济高效、运行质量有所提升。
1 工艺设计
新建南水北调水厂自干渠口门管理站引水，设计通过DN800原水管道重力自流至厂区内。根据规划，新建南水北调水厂总规模为8万m³/d，近期规模为3万m³/d，用地面积为23 658.8 m²，后续结合城市发展用水量变化，申请指标另行征地扩建。综合考虑干渠原水水质以及县城现状用水情况，设计采用了机械混合+机械絮凝+上向流斜管沉淀+V型滤池的主体工艺，如图1所示。受限于工程预算，仅在厂区内预留了臭氧活性炭等深度处理系统用地，未来随着供水水质标准提高，以及原水水质可能出现恶化，对滤池出水进一步处理预留了改造建设用地。污泥处理采用污泥浓缩池+带式浓缩脱水机的处理工艺，含水率降低至80%以下，泥饼外运处置。
图1 工艺流程
1.1 原水提升泵房
设计自用水系数为1.05，采用3台单级双吸离心泵，2用1备，单泵流量为656 m³/h，扬程为13 m。
1.2 反应沉淀池
设计采用机械混合+机械絮凝+上向流斜管沉淀工艺，混合时间为62 s，絮凝反应时间为18.7 min，沉淀池液面负荷为5.94 m³/(m²·h)。反应沉淀池设1座，分为2个系列，可独立运行。每系列设置桨叶式混合搅拌器1台、絮凝搅拌器4台，斜管采用乙丙共聚材质，孔径为35 mm，沉淀池池底采用穿孔排泥管气动阀门控制排泥。
1.3 V型滤池
V型滤池设计4组，每组2格，单格尺寸为7.0 m×3.0 m，设计滤速为7.81 m/h，强制滤速为10.42 m/h。滤料采用均质石英砂，厚度为1.2 m。受用地限制，反冲洗设备间与滤池合建，反冲洗水泵设3台，2用1备，单泵流量为453 m³/h，扬程为10.5 m，反冲洗风机设2台，1用1备，单台流量为42.8 m³/min，功率为39 kPa。
1.4 清水池
清水池设计2座，单座尺寸为30.6 m×30.6 m×3.7 m，有效池容约为3 465 m³，达到生产规模的23%，且满足消毒接触时间为30 min的要求。
1.5 送水泵房
设计时变化系数为1.4，采用4台单级双吸离心泵，3用1备，单泵流量为612.5 m³/h，扬程为56 m，自灌启动。
1.6 污泥系统
污泥采用重力浓缩池+带式浓缩脱水机处理，设计绝干污泥产率为1 590 kg DS/d。污泥浓缩池设1座，直径为10 m，浓缩池上清液回流至排水池，浓缩污泥排入污泥平衡池。污泥脱水机房设计2台带宽为1.5 m的带式浓缩脱水机，1用1备。
1.7 加氯加药间
考虑到氯消毒安全性以及消毒副产物问题，该工程不采用氯消毒，而采用成品NaClO商品溶液储存时间较长，长期存放易失效。综合考虑后，该工程采用现场制备ClO2的方式，加药点包括反应池前和滤池后，设计前加氯量为1.0～2.0 mg/L，后加氯量为0.5～1.0 mg/L，采用3 kg/h的ClO2发生器4台，2用2备。
混凝剂设计最大投加量为20 mg/L，采用商品PAC溶液，有效质量分数为10%，助凝剂采用阴离子PAM，平均投加量为0.5 mg/L。污泥脱水调理剂采用阳离子PAM，设计投加量为5 kg/(t DS)。
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2 运行情况
该工程自2017年12月建成通水调试，已连续运行4年，期间运行较为稳定，产水水质良好，操作管理方便，取得了较好的社会、经济效益。
2.1 水量水质
1)水量及变化系数
统计2018年—2021年运行数据，该工程各月日均供水量情况如图2所示，近3年供水量稳步增长，与城市发展、管网覆盖范围增加有一定关系。
图2 2018年—2021年各月日均供水量
统计2018年—2021年每日供水量数据，计算日变化系数，结果如表1所示。
表1 2018年—2021年日变化系数
2018年项目投产初期，计算全年周期内日变化系数为1.31。2019年—2021年，工艺运行管理较为稳定，日变化系数稳定在1.20～1.25，符合《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)推荐采用的1.1～1.5。此外，时变化系数如表2所示，平均为1.37，符合标准推荐采用的1.2～1.6，且与送水泵设计时变化系数1.4较为接近。
表2 2018年—2021年时变化系数
2)水质
近3年监测数据表明，南水北调原水全年浑浊度较低，普遍低于5.0 NTU，12月—次年2月原水浑浊度最低，甚至低于1.0 NTU，如图3所示。但结合现场实际运行情况，冬季低温并未造成混凝剂消耗的明显增加。夏季由于源头水库周边降雨径流、藻类滋生等，浑浊度有所升高，特别是2021年夏季河南地区持续性强降雨，南水北调干渠水质受到较大影响，7月原水浑浊度远超往年同期水平，最高时一天甚至达到98.0 NTU，原水较为浑浊。通过及时开展小试试验、提高药剂投加量，出厂水浑浊度仍能够稳定在0.3 NTU左右。
图3 2018年—2021年各月原水、产水浑浊度
微生物指标中的菌落总数、总大肠菌群情况如图4所示。夏季原水菌落总数、总大肠菌群较高，冬季较低，这可能与夏季降雨地面径流带入污染物、水温升高利于微生物繁殖有关。产水菌落总数、总大肠菌群都能稳定达标，表明ClO2消毒杀菌效果较好。由于夏季南水北调原水微生物指标水平较高，设计及运行中需要适当增加前、后加氯消毒剂投加量。
图4 2018年—2021年各月菌落总数、总大肠菌群
南水北调中线原水水温季节性特点明显，冬季低至10～11 ℃，夏季高至28 ℃，近4年水温变化规律较为相似，如图5所示。由于2021年夏季南水北调中线工程起点及沿线地区降雨频繁，原水月平均水温略有降低，但微生物指标相比同期反而增加明显(图4)，推测降雨径流带来的外部细菌、污染物的影响是主要因素。另一方面，以2020年为例，水温与菌落总数、总大肠菌群数呈现较好的正相关性，一定程度上说明水温升高利于微生物繁殖，此外，伴随微生物指标的季节性变化，消毒剂也需要相应调整，如图6所示。
图5 2018年—2021年各月原水温度
图6 2020年原水月平均水温、消毒剂量与微生物指标
该工程原水及产水pH如图7所示，与相关文献资料描述的情况类似，南水北调中线原水pH较高，主要原因是明渠长距离输送，阳光照射利于藻类生长，消耗水中CO2，水中化学平衡发生移动，导致pH升高。该工程受水点距离丹江水库源头超过300 km，虽对原水造成一定影响，但相比南水北调中线在北京、河北等地的受水点影响相对较小。此外，全年各月pH并未表现出明显的变化规律，受季节和温度影响较小，与部分研究结论并不一致。通过在反应沉淀池投加混凝剂PAC，可起到一定中和作用，产水pH值略有降低，相比原水降低了0.20～0.50，平均降低0.27，能够稳定达到饮用水卫生标准(6.5～8.5)，无需额外设置曝气或CO2投加系统等中和设施。
图7 2018年—2021年各月原水、产水pH值
此外，该工程原水CODMn、氨氮质量浓度常年分别低于1.00、0.30 mg/L，水质良好，与相关研究情况较为相似，但是全年变化规律不明显，如图8所示。同样，2021年7月，原水氨氮质量浓度大幅升高，最高日达到13.6 mg/L，与原水浑浊度最高日为同一天，说明这种变化与地表径流污染有一定关系。另外，产水CODMn质量浓度相比原水平均降低约0.04 mg/L，工艺对水中有机物去除能力有限。虽然经过干渠长距离输送，该工程原水水质仍较为良好，但对于干渠中下游水质降低的风险，应在设计和运营中予以考虑，包括藻类及微生物滋生、冬季水温进一步降低、pH超标等。
图8 2018年—2021年各月原水CODMn、氨氮
2.2 电耗
该工程主要用电设备是原水泵和送水泵。运营初期各项工艺参数尚处于摸索优化阶段，且初期出厂水压力控制较高，导致吨水电耗较高，达到0.39 kW·h/m³，随着工艺运行参数不断优化，同时在满足用户端水压需求的前提下，出厂水压力降低至0.37～0.38 MPa，吨水电耗降低至0.27 kW·h/m³，如图9所示。
图9 2018年各月吨水电耗、出厂水压力变化
经过持续不断优化运行、强化管理，该厂吨水电耗稳定控制在0.25～0.26 kW·h/m³，当夏季供水量增加时，吨水电耗可降低至0.24 kW·h/m³。预计该厂达到满负荷水量时，吨水电耗还能进一步降低。
2.3 药耗
该工程日常运行主要消耗的药剂包括PAC、PAM、浓HCl和NaClO3，其中，助凝剂和污泥调理剂分别采用阴离子和阳离子PAM。如表3所示，混凝剂PAC投加量从初期60～80 mg/L不断优化降低至30～40 mg/L，产水水质并未受到影响，相比原设计参数降幅较大，可取得一定经济效益。助凝剂PAM目前平均用量为0.25 mg/L，仍有优化降低空间。
表3 年均药剂消耗统计
该工程ClO2消毒原料浓HCl、NaClO3消耗量折合有效氯质量浓度为3～4 mg/L，高于设计前加氯、后加氯的总和，推测是由于原水微生物指标较高，为保证出水ClO2浓度达标，需要适当增大消毒剂投加量。另外，由于浓HCl易挥发，储存过程中有效浓度不断降低，导致表观上药剂消耗量增加，该问题在运营管理中应予以考虑，不宜一次性存储过多药剂。
2.4 污泥
该工程设计污泥产量为1 590 kg DS/d，折合万吨水产量为0.53 t DS，而实际平均万吨水产量约为0.38 t DS。调理剂PAM(阳离子)消耗量为3～4 kg/(t DS)，也低于原设计的5 kg/(t DS)。
2.5 投资及成本
该工程投资一类费用为3 542.27万元，折合吨水投资为1 180.67元/m³。主要制水成本包括电费、药剂费、人工费、维修费、管理费等，按照现状平均供水量为2万m³/d计算，平均成本为0.52元/m³，主要成本构成如表4所示。
表4 制水成本构成
3 问题与经验总结
该工程自建成以来整体上运行稳定可靠，但在运行中也暴露出了一些缺陷，反映出工艺设计未能对实际运行中可能出现的问题考虑周全，设计与运行存在一定的偏差，相关问题应在类似工程实践中予以关注。
3.1 问题与缺陷
1)未设计机械格栅
该工程2018年曾经出现过原水中含有较多漂浮水草，挂在阀门阀板上影响启闭和密封性的现象，严重时出现过水草缠绕原水提升泵叶轮，造成运行电流异常升高的现象，需要人工频繁清理。建议类似项目设计时预处理增加机械格栅，提高运行稳定性、可靠性。
2)未设计沉淀池遮阳棚
由于采用斜管沉淀池，且未设计遮阳棚，夏季阳光照射斜管表面极易滋生藻类，造成斜管堵塞，影响感官和出水水质，严重时需每周停产进行人工高压水枪冲洗斜管，对运行管理造成较大不便。适当增加前加氯量虽略有改善，但无法从根本上解决问题，且前加氯过量容易产生消毒副产物。采用斜管沉淀池工艺时应考虑沉淀池上方采取遮阳措施。
3)设计指标偏保守
药剂投加设备设计参数偏保守，按照最大投加量设计的加药泵，实际运行中难以在较小流量稳定运行，出现“大马拉小车”的情况，对运行操作造成一定麻烦，也不利于节能降耗，该情况在同类项目中也有发生。设计时针对最不利条件和常态化运行条件，应统筹考虑加药泵设计流量和数量，在小概率最不利条件下，启用备用设备满足工艺要求；而在长期稳定的常态化运行条件下，所需工况流量控制在设备额定流量的60%～80%，以此原则进行设备选型。此外，也可以考虑采用变频控制，或者设计PAC、PAM等商品原液稀释装置，以保证工艺参数调控的灵活性。
3.2 经验总结
1)充分利用水头
以原水集水井设计优化为例，原设计方案如图10所示，原水集水井为地下钢筋砼结构，池顶稍高于地面，集水井前原水管道上设置电动调节蝶阀，通过监测原水集水井内液位、原水提升泵运行台数和频率，以及电动调节蝶阀联动控制，实现来水量和水泵提水量平衡，确保原水集水井不发生外溢。实际运行中水量变化大，需要频繁调节蝶阀开度，操作人员需时刻关注液位，增加工作量，同时，阀门频繁调节导致故障率升高，存在一定运行风险。优化方案将集水井加高至109 m，稍高于南水北调干渠加大液位(108.655 m)，通过集水井池容和液位自动调节来水量和水泵提水量差值，无原水外溢之虞，并充分利用干渠水头，减小了实际运行中液位提升高度，降低了能耗。项目建成后，操作人员仅需根据用水量远程控制原水泵运行数量及频率，运行管理较为方便。
图10 原水集水井工艺流程
2)工艺设计
考虑到小城市的时用水量变化大，同时厂区用地形状不规则，反应沉淀池由可研阶段的管道混合+网格絮凝+平流沉淀，优化为水量及水质变化适应能力强、混凝效果好、停留时间短的机械混合+机械絮凝+斜管沉淀工艺，电耗略有增加，但较好的运行效果弥补了成本上的小幅增加。
实际运行情况表明设计参数取值较为合理。反应沉淀池机械搅拌混合效果好，相比管道混合器适应水量变化能力更强，絮凝池停留时间小于《室外给水设计标准》推荐的低温低浊水絮凝时间(20～30 min)，但在较低的PAM投加量条件下，仍取得了良好的出水水质。上向流斜管沉淀池液面负荷为5.94 m³/(m²·h)，处于设计标准推荐范围，运行中上清液清澈透亮，无跑絮现象发生，在受原水水质冲击时，仍能保证出水浑浊度低于1.0 NTU，且未出现冬季絮凝困难、药剂消耗增加或出水浑浊度升高的现象。斜管直径为35 mm较为合适，对絮体具有较好截留效果，同时不易堵塞。
日变化系数、时变化系数较好地符合设计标准。结合运行数据来看，对于同等规模城市，日变化系数取1.2～1.25、时变化系数取1.4较为合适。在送水泵流量设计时，应避免系数取值过大，造成水泵选型保守，实际工况偏离高效点，效率下降。
该工程各类药剂投加量、污泥产率普遍低于设计值，根据规范、标准设计选型后的设备，应根据实际运行参数校核设备运行工况。根据该工程运行数据，相关参数如下：PAC(10%原液)投加量为30～40 mg/L，PAM(阴)投加量为0～0.25 mg/L，PAM(阳)投加量为3～4 kg/(t DS)，消毒有效氯投加量为3～4 mg/L，污泥产率为0.3～0.4 t DS/(104 m³)。其中，PAC投加量在冬季为20～30 mg/L，夏季为30～50 mg/L，出水浑浊度均能控制在0.3 NTU左右。消毒有效氯投加量较高，采用ClO2消毒工艺需要考虑原料浓HCl浓度衰减，以及日趋严格的易制毒易制爆化学品管控，可以考虑替换为NaClO发生器。
通过该工程原水pH的监测数据，正常运行投加的混凝剂可以使产水pH值降低0.20～0.50，平均降低0.27，南水北调中线在该工程上游区域的水厂，基本不需考虑额外设计pH调节措施，但对于下游区域应进行充分的水质调研分析，确定是否设计pH调节系统。
该工程原水水温监测数据显示，夏季高达28 ℃，冬季降低至10～11 ℃，对于采用南水北调中线水源的邻近地区类似工程，若采用超滤作为深度处理工艺，可参考以上数据选择膜通量。
4 结语
(1)该县级城市南水北调中线水厂工程，本着技术可靠、经济高效的原则，采用了占地较小、适应水质水量变化能力强、运行稳定良好的机械混合+机械絮凝+斜管沉淀池+V型滤池的处理工艺。该工程投资较少，运行良好，对于规模相近的水厂的设计优化及运行管理具有一定借鉴意义。
(2)该工程连续运行已超过3年，实际日变化系数稳定在1.20～1.25，时变化系数在1.24～1.50，平均为1.37，与设计时变化系数(1.40)较为接近。
(3)该工程原水水质较好，CODMn质量浓度稳定低于1 mg/L，全年浑浊度一般低于5 NTU，冬季降低至1 NTU以下。夏季菌落总数、总大肠菌群指标明显高于其他时间。7月、8月平均水温达到28 ℃，最冷月水温低至10～11 ℃。全年原水pH较为稳定，未表现出与季节、温度变化的相关性。
(4)优化工艺运行参数，确定了PAC(10%有效成分)投加量为30～40 mg/L，助凝剂阴离子投加量为0.25 mg/L，污泥调理用阳离子PAM，投加量为3～4 kg/(t DS)，ClO2折合有效氯投加量为3～4 mg/L。绝干污泥产率为0.3～0.4 t DS/(104 m³)。
(5)该工程产水浑浊度长期稳定在0.3 NTU以下，工艺路线对于原水水质、县城用水量变化特点均有较好的适应性。未来随着饮用水水质标准进一步提高，可在预留地增加臭氧活性炭等深度处理工艺，改善产水水质。
推荐参考
本文原标题为《某南水北调中线水厂工程设计及运行效果分析》，发表在《净水技术》2022年第10期“城镇给排水工程设计案例专栏”，有删减，欢迎水业学者、科研与技术人员参考引用，文献引用格式如下：
张薛龙，张强，卢东昱，等. 某南水北调中线水厂工程设计及运行效果分析[J]. 净水技术，2022,41(10):139-147. ZHANG X L, ZHANC 0, LU D Y, et al, Effect analysis of design and operation on a WIP of the middle route of the South-to-NorthWater Diversion Project[J]. Water Purification Technology , 2022, 41(10) : 139-147.
