超短流程工艺如何“拯救”老旧水厂

“常规处理+臭氧活性炭+超滤”的全流程工艺在给水处理中逐渐受到关注和应用，其中臭氧活性炭为第二代净水工艺，可视为化学安全性方面的深度处理；超滤为第三代净水工艺，可视为生物安全性方面的深度处理，两者结合起来形成的“城市饮用水全面深度净化工艺”可以有效提高产水水质。老旧水厂往往存在供水保障要求高、用地受限、投资控制等问题，难以采用全流程工艺。如何因地制宜，选择合适的净水流程，是老厂实现升级改造的关键。

本文以河北某地表净水厂一期改造项目为例，介绍了采用高密度沉淀池和超滤结合的超短型流程，在传统斜管沉淀池和双阀滤池内改造，在无新增用地和不影响其他生产线的条件下，实现老水厂的提标增量。

1.1 工艺概况

该水厂一期工程建成于1989年，设计规模为10万m3/d。净水工艺采用管道混合-网格絮凝池-斜管沉淀池-双阀滤池，沉淀池排泥水进入污泥系统，污泥处理采用斜板重力浓缩-带式压滤机，滤池的冲洗废水进入回收池进行回收利用，见图1。

图1 现状一期平面布置

1.2 原水及产水水质

本工程水源为引滦水，设计时（2015年）收集了3年的原水和清水水质数据，其中浊度、耗氧量数据如图2、图3所示。

图2 水厂平均进水浊度和产水浊度

图3 水厂进、出厂平均耗氧量对照

由图可知，原水浊度总体较低，一般为2~10 NTU。出水浊度基本能达到国标要求，可控制在1 NTU以下。而原水耗氧量较高，正常在3.5~6.5 mg/L内。产水耗氧量存在短时超标的问题，正常运行一般在2~3mg/L内波动。此外，根据现场调研，原水存在季节性藻类爆发问题，高藻期主要是在夏秋季，藻类含量在4 000~8 000万个/L之间。

1.3 存在问题

现状一期工艺主要存在以下问题：

（1）运行参数无法实现水量、水质需求。一期现状斜管沉淀池设计液位负荷为9m3/（m2·h）。而《室外给水设计标准》（GB 50013-2019）规定“斜管沉淀池清水区液面负荷可采用5.0~9.0 m3/（m2·h），低温低浊水处理液面负荷可采用3.6~7.2 m3/（m2·h）”，而本项目冬季水源为典型的北方低温低浊水，无法实现水量水质需求。

（2）规模无法达产。一期生产线设计规模10万m3/d，受工艺落后影响，实际生产最大能力仅为7万~8万m3/d，平均生产能力约为5万m3/d。

（3）设备老化严重。现状生产线已将近30年，净水相关设备老化严重，已影响到产水水量和水质。

2.1 改造目标

（1）通过改造将产水规模提升至规划要求的12.5万m3/d。

（2）通过改造提高产水水质和安全保障能力。水厂在正常运行、科学管理的前提下，出厂水水质全面达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006），且产水浊度小于0.1NTU。

2.2 总体思路

（1）将网格絮凝改造为气动絮凝，将斜管沉淀池改造为污泥体外循环回流高密度沉淀池，提高混凝沉淀效果，并通过粉炭活性污泥的回流，提高有机物的去除效果。

（2）将双阀滤池改造为超滤膜池，大大提高对颗粒物的截留能力，保障产水品质。

2.3 改造方案选择

2.3.1 高密度沉淀池改造方案

为改善絮凝，提高沉淀池出水水质和水量，拟对现状一期斜管沉淀池进行改造，对拆除新建和原池体改造两个方案进行比选，见表1。

表1 沉淀池改造方案对比

方案一：拆除新建方案。拆除沉淀池，新建1座12.5万m3/d中置式高密度沉淀池，尺寸为49.6m×25.6m，分2格。单格高密度沉淀池内设1台污泥浓缩机，两侧各布置1座机械混合池和1座机械絮凝池，斜管分离区位于水池南北两侧，对称布置。

方案二：原池改造方案。将现状斜管沉淀池改造为高密度混凝沉淀池，拆除进水管上管道混合器和两格沉淀池中央进水井，新建机械混合池；在现状栅条絮凝区内布置穿孔管，用于曝气絮凝；拆除现状斜管、吸泥机及相应支架，并原位安装新的设备。现状沉淀池外新建污泥体外循环回流系统，将沉淀池污泥浓缩、气提并曝气培养后回流。沉淀池布置PAM加注系统、粉炭加注系统、曝气絮凝鼓风机、储泥池曝气鼓风机。

由表1可知，原池改造方案通过增加曝气絮凝、体外浓缩、污泥回流、PAM加注、粉炭加注及回流等措施后，从净水效果及各项指标看，与拆除、新建1座中置式高密度沉淀池相当，而方案二具有工期短，投资省的优势，故推荐采用原池改造方案。原池改造方案平面如图4所示。

图4 沉淀池原池改造平面

改造后主要参数为：混合时间50s；设计污泥回流浓度：2%~3%，回流百分比3%；斜管区上升流速：11.25mm/s；

2.3.2 超滤膜池改造方案

对拆建和原池改造两个方案进行比选，见表2。

表2 滤池改造方案对比

方案一：拆建方案，拆除砂滤池新建膜滤池。将双阀滤池完全拆除，原址新建浸没式超滤膜车间，包括浸没式膜池、管廊及膜辅助系统车间等。

方案二：原池改造方案，将现状砂滤池改造为膜滤池。保留现状双阀滤池池体结构，拆除进出管路、滤砖、滤料等内部设施，并进行池体加固，安装浸没式超滤膜及配套系统。

从表2可以发现，改造方案比拆建方案在经济性、建设时间、建设影响等方面较优，推荐采用改造方案。滤池原池改造方案平面如图5所示。

图5 滤池原池改造平面

改造后主要参数为：膜池共12格，单格面积68.4m2；单格布置9个模组，总共108个模组；超滤设计平均通量23.6 L/m2·h，瞬时最大通量约25.6L/m2·h；膜池采用重力虹吸出水，恒水位等速过滤，采用气动调节碟阀，恒液位控制调节阀的开启度；超滤系统设计回收率：95%；反洗设置：反冲洗采用水泵冲洗和鼓风曝气辅助冲洗。反冲洗周期一般为1～3h，反冲洗强度：水80L/m2·h，曝气强度75L/m2·min。在原滤池反冲洗补充泵房设3台反冲洗水泵，2用1备，1台应对一侧膜池。在原辅助用房设3台罗茨鼓风机，2用1备，1台应对一侧膜池。单台冲洗水泵流量1620 m3/h，扬程15m；单台鼓风机风量2 700m3/min，风压50 kPa。

2.4 净水工艺优化措施

2.4.1 粉炭加注

为提高对小分子有机物的去除效果，拟在改造后的斜管沉淀池增加粉炭投加和回流措施。一般粉炭采用螺杆泵连续性投加，设备较复杂，磨损也相当严重。本工程拟在现状沉淀池设1套粉炭加注系统，采用水射器一次性间歇投加，加注系统简单，日常维护也比较方便。

2.4.2 降低铝盐使用量

长期饮用铝含量超标的水对人体有害。我国的《生活饮用水卫生标准》（GB/T 5749-2006）规定，铝的限值为0.2mg/L。提高混凝沉淀效果可以降低铝盐的投加量，从而减少饮用水中的铝含量。

本工程采用高浓度生物活性污泥和生物粉末活性炭回流工艺，可以起到强化混凝和提高有机物去除能力的作用，在相同混凝效果的情况下，可降低铝盐混凝剂的加注量。

2.4.3 高密度沉淀池体外浓缩优化

本工程拟将一期斜管沉淀池改造为高密度混凝沉淀池。因受原构筑物条件限制，无法再池内设污泥浓缩系统。本次在沉淀池体外新建污泥浓缩、回流系统，并新增粉炭投加及曝气培养设施，能够实现高浓度粉末活性炭污泥回流。

传统浓缩池采用重力浓缩，需新建水池且体积较大，本工程拟将调节池与浓缩池相结合，在其上部叠合储泥池，尽量做到集约化布置，以节约用地。在调节池内布置往复式底部浓缩刮泥机和污泥气提装置，利用底部刮泥机高效的浓缩效果，使排泥水含固率达到3％以上，提升至储泥池，储存、回用。浓缩、气提、曝气综合池布置见图6。

图6 浓缩、气提、曝气综合池

为避免可能的污染物富集造成的负面影响，污泥浓缩回流设置排放系统，定期排除污泥至厂内污泥处理系统，更新活性污泥的同时也降低富集影响。

2.4.4 浸没式超滤膜出水方式优化

一般浸没式超滤膜采用水泵抽吸方式产水，抽吸泵采用容积泵或离心泵。本工程拟将现状双阀滤池改造为浸没式膜滤池，现状滤池过滤水位与清水池最高水位差为3.2m，如采用传统泵抽吸产水方式，无法有效利用现状水头差，造成能量浪费。本工程采用无抽吸重力式产水方式。

2.5 总体净水工艺流程

本项目改造总体净水工艺流程如图7所示。

图7 净水工艺系统

本工程于2019年建成，至今已连续稳定运行2年，主要运行指标为：

• 产水规模：可稳定达到12.5万m3/d的设计规模，高峰期超产可达14万m3/d，且应对不同水量需求可灵活调节。项目实施改造过程中二期工艺正常生产。

• 产水水质：产水浊度＜0.1 NTU，耗氧量＜3 mg/L。

• 制水成本：改造后，斜管沉淀池增加了曝气和污泥回流的成本；超滤膜系统采用重力式产水，相比于原虹吸滤池无显著成本增加。实际运行后产水成本较改造前增加约0.08~0.15元/m3水。

• 在城市老旧水厂的升级改造中，应用高密度和超滤结合的超短型流程可以有效实现老厂的提标增量。

• 在池体结构允许的条件下，原池改造的方式具有投资省、工期短、对现状生产影响小的优点，适合于在老厂改造中实施

• 超滤的改造应尽可能利用现有水力高程，实现虹吸产水，减少建设投资和运行成本，相应运行管理的难度也会大大降低。

• 新版国标水质标准将嗅味物质列入强制性指标，超短型流程的应用需充分关注原水的嗅味问题。