栏目导语    

   

以作品为媒，让图纸说话，感受每一个工程项目背后的设计理念和思想。“设计案例”与国内各大设计院所联名合作，深入剖析我国市政给排水新改扩建工程项目设计过程中的理念和经验，相互启迪，引领发展。

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 m ² /( m ³ · 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m ² ，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 m ³ /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× 10 ⁴ 。

图5 自动冲洗装置现场图

  图6   自动冲洗装置现场运行图  

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。

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 m ³ /h ，最小为1 230 m ³ /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 m ³ /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

图10 调试期药剂平均消耗量

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/m ³ ，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。

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 m ³ /d ，占地面积仅为0.182万 m ² ，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。