贯泾港优质水厂在兼顾不同水源条件下的工艺设计

嘉兴千岛湖引水工程，取水口为位于杭州闲林水库旁的配水井，是从杭州的仁和节点起始，通过大约172 km隧洞和管道将千岛湖原水输水至嘉兴市，本工程的贯泾港水厂是千岛湖引水工程中第一座用上千岛湖优质原水的受水水厂。

本次优质水厂规模为20 万m3/d，建设在现状贯泾港水厂一、二期北侧的预留用地上，正常工况下采用千岛湖引水作为水源，当引水系统因故障或检修等原因停用时，水源需切换为本地河网的长水塘。根据嘉兴水司的要求，贯泾港水厂属于“浙江省城市供水现代化水厂”，出厂水质必须要能够确保达到《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》(2018版）中现代化水厂出厂水优质标准。

1.1 水源水质

贯泾港优质水厂水源为千岛湖引水，同时以经湿地净化的就地河网长水塘作为千岛湖引水系统停用时的备用水源。近3年这两个水源的主要水质指标的对比情况见表1。

表1 千岛湖原水与就地河网水水质的比较

注：括号内为均值。

从表1可以看出，千岛湖原水水质优良，是非常理想的饮用水水源地，其水质主要有以下特点：

（1）低浊。近3年最高浊度3.98 NTU，平均浊度0.70 NTU。

（2）低有机物。近3年高锰酸盐指数最高值为1.47 mg/L，平均值为1. 08 mg/L，低于地表水I类水体2 mg/L的限值。

（3）低氨氮、铁、锰。原水的氨氮、铁、锰指标均在水质仪表检测限之下，远低于地表水环境质量标准的要求。

（4）碱度偏低。原水碱度在40 mg/L左右，偏低，在水源切换时容易造成管网水质化学失稳，有产生“黄水”的风险。

而就地河网的长水塘原水虽然经过湿地净化，但有机物、铁、锰等指标由于受水体污染影响，仍超过地表Ⅲ类水标准的限值，呈现微污染特征，具体表现如下：

（1）有机物含量较高。近3年高锰酸盐指数最高6.16 mg/L，平均4.83 mg/L。

（2）氨氮含量较高。近3年氨氮最高值1.52 mg/L，平均0.4 mg/L，虽然比未经湿地净化前有显著降低，但仍然存在超地表Ⅲ类水的情况。

（3）铁、锰含量较高。近3年铁最高值2.51 mg/L，平均1.10 mg/L，锰最高值0.46 mg/L，平均0.21 mg/L，超标情况都比较严重

1.2 出厂水水质

对比以千岛湖为水源的淳安水厂和以就地长水塘为水源的贯泾港水厂的出厂水质，结果见表2。其中淳安水厂采用是“混凝沉淀-过滤消毒”的常规处理工艺；贯泾港水厂现状一、二期采用的是“预臭氧-强化常规处理-臭氧活性炭-消毒”工艺。

表2 淳安水厂与贯泾港水厂出厂水水质比较

注：括号内为均值。

可以看出，虽然淳安水厂和贯泾港水厂出厂水质均达到并优于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2022)的要求，但是由于淳安水厂原水水质优良，采用常规处理工艺，出厂水在有机物等指标上仍优于采用臭氧活性炭深度处理的贯泾港水厂。

1.3 水质处理对策

水质处理对策应充分考虑现有原水状况，地形和地质条件，现有工艺流程，生产习惯和管理经验，考虑运行安全、可靠、便捷和低成本等生产管理要素，采用先进可靠水处理技术，建设国内一流水厂，使供水水质达到新的规范和标准。

对于千岛湖原水，其属于低浊、低有机物、低氨氮的优质原水，像淳安水厂只采用常规处理工艺的出厂水各项指标的限值优于《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》（2018版）中现代化水厂出水厂优质标准。但由于千岛湖与就地河网水在碱度、硬度、硫酸根、氯离子等指标的差异有可能打破现状管网的化学平衡，破坏管道内壁原本已稳定的管垢，引发铁的过量释放和浊度、色度超标等问题。为保障水源切换过程中供水管网水质稳定，拟采取如下措施：

（1）水源调配逐步切换。合理制定水源调配计划，在切换过渡期，应加强管网水质监测，逐步增加千岛湖原水比例，直至管网管垢适应水中新的化学组分。

（2）加药调节水质。在沉淀前加注石灰，使出厂水碱度、硬度维持在80mg/L（以CaCO3计）左右的，提高水的缓冲能力。此外，高氧化还原电位能够有效控制配水管网铁不稳定问题，考虑在水源切换的过渡期增加水厂加氯量，维持管网余氯不低于0.5mg/L，以保障管网水质铁稳定性。

（3）管道冲洗。在水源切换初期，应加强管网运行监测，对重点管段提前采用压力水冲洗排放，减少管道内壁附着的管垢。冲洗流速要大于管道正常流速的3倍以上，有条件的地方建议采用气水混合冲洗，以达到更好的除垢效果。

对于经湿地净化的就地河网水，由于受环境、季节等因素影响，部分时段存在有机物、氨氮、铁、锰等指标不能稳定达到地表水Ⅲ类标准的情况，其处理对策的核心为确保出厂水化学安全性，参考目前贯泾港水厂一期、二期工艺的运行情况，初步考虑针对性的采用以下措施：

（1）对有机物的去除。提高有机物去除的方法主要有：强化常规处理、化学氧化、活性炭吸附及生物降解。结合贯泾港水厂目前的运行情况，采用预氧化-强化常规处理-臭氧生物活性炭工艺，出厂水高锰酸盐指数达标是有保障的。

（2）对氨氮的去除。自来水厂对氨氮的去除主要依靠硝化细菌的作用。近年来随着水源地保护措施落实到位和贯泾港湿地生物群落日趋成熟，湿地进水和出水氨氮呈逐年下降趋势。近3年长水塘湿地的进出水氨氮指标见表3。

表3 长水塘湿地进出水氨氮情况

贯泾港水厂一、二期目前采用两级砂滤及活性炭的生物作用去除氨氮效果显著，出厂水氨氮总体达标可控。经湿地净化的河网水作为本工程的备用水源，在千岛湖引水系统故障时启用，通过降低运行负荷，延长作为生物载体的活性炭、石英砂的水力停留时间，满足对氨氮的去除要求。

（3）对铁、锰的去除。一、二期目前采用预氧化-砂滤截留的方式去除铁、锰，出厂水这两项指标均达到水质标准的要求。在启用备用水源时采用相同工艺。

2.1 净水工艺方案

如前所述，贯泾港优质水厂有两个水源，其一为千岛湖引水，当引水系统故障时，启用就地河网备用水源。千岛湖原水属低浊、低有机物、低氨氮的优质原水，净水工艺立足保障出厂水生物安全，提升饮用水品质。就地河网水，虽经湿地净化，但有机物、氨氮、铁、锰等指标部分时段仍超过地表Ⅲ类水限值，呈现微污染特征，其净水工艺核心为去除水中超标污染物，使出厂水水质达标。

因此，采用的净水工艺需兼顾千岛湖原水和就地河网水，根据贯泾港水厂目前的运行情况，采用“预氧化—常规处理工艺—臭氧生物活性炭”工艺处理微污染河网水，针对性强，处理效果稳定、可靠，出厂水水质达标。该工艺对于千岛湖原水同样适用，化学药剂预处理对于低浊原水有助凝作用，并且可以提高出水碱度，维持管网水质稳定；活性炭吸附进一步去除水中有机物，提高净水工艺对TOC的去除效果；紫外线和次氯酸钠协同，形成高效、多级屏障的消毒体系。

根据原水水质和处理侧重点不同，有以下两种工艺方案可供选择：

（1）方案一：预氧化-混凝沉淀-臭氧接触-活性炭吸附-超滤膜。

将目前最常用的臭氧活性炭和超滤膜两大深度处理工艺结合，省去了中间的砂滤环节，沉后水直接经过臭氧和活性炭以去除有机物，超滤膜作为最后一道处理环节来对浊度和生物安全性进行把关。这种“精简型”全流程工艺近年来国内的典型应用案例包括：南京桥林水厂、上海青浦三水厂、南通狼山水厂、济宁运河水厂等。

桥林水厂位于南京市浦口区，一期规模为20 万m3/d，已于2021年底通水，原水取自长江。采用预臭氧-平流沉淀-后臭氧-上向流活性炭-超滤膜工艺；其中预氧加注量0.5~1 mg/L，接触时间5 min，后臭氧加注量1~2 mg/L，接触时间15 min；上向流活性炭吸附池的炭层厚度为2.5 m，接触时间12 min；超滤膜采用浸没式，设计通量23 L/（m2·h），运行跨膜压差不大于0.06 MPa。桥林水厂自通水运行以来，出水水质达到《江苏省城市自来水厂关键水质指标控制标准》（DB32/T 3701-2019）。

（2）方案二：预氧化-混凝沉淀-臭氧接触-活性炭吸附-砂滤-紫外线消毒。

采用臭氧活性炭深度处理前置工艺，预氧化起到助凝作用，臭氧接触氧化有机物，充氧与活性炭滤池组成臭氧活性炭工艺去除有机物，最后通过砂滤除浊，紫外线消毒用来保证出水生物安全性。

目前，该工艺的典型应用案例就是贯泾港水厂，水厂一期、二期原水为经湿地净化的河网水，属Ⅲ～Ⅳ类地表水，主要超标污染物为有机物、氨氮、铁、锰。采用臭氧活性炭前置工艺，通过臭氧氧化、生物活性炭吸附降解、助滤剂投加、石英砂过滤，出水浊度≤0.1 NTU，CODMn≤2 mg/L，氨氮≤0.5 mg/L，达到《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》出水要求。

2.2 工艺方案优选

无对于论是千岛湖还是就地河网原水，方案一和方案二均能保证出厂水达到达标，差异对比主要如下：

(1)工程投资。两个方案的工程投资差异主要在超滤膜和砂滤+紫外，前者的超滤膜车间造价大约为8 000万元，而后者的V型滤池造价约为2 800万元，紫外加注室的造价约1 300万元。由此可见，方案一投资明显高于方案二。

（2）建设占地。浸没式超滤膜池表观通量大，占地面积一般比砂滤池小30%左右，再加上紫外加注室的面积，方案一的占地大约比方案二少1200 m2。

（3）运行成本。浸没式超滤膜寿命期按7年，期间平均跨膜压差按3.5m计，维护性和恢复性化学洗分别按两周和一年一次考虑，则现行电价下的运行费用为0.082 元/m3；砂滤池的水头损失为2.5m，运行费用一般为0.05 元/m3，紫外加注量为40mJ/cm2，运行费用为0.014 元/m3。综合下来，方案一的运行费用比方案二增加约0.023元/m3，折合全年约140万元。

（4）与现有工艺流程的关系。本次优质水厂建设在现状贯泾港水厂一、二期北侧的预留用地上，中间不设围墙，但除了共用就地河网水的取水泵房以及加药、臭氧等辅助设施外，工艺流程是相对独立，因此两种方案都不会对现有工艺流程产生较大影响。

综上分析，虽然方案一节省占地面积，但工程投资和运行费用均显著高于方案二，并且考虑到嘉兴水司和贯泾港水厂管理人员对现有工艺的运行经验更为丰富。因此，在总平面布置可以满足的前提下，推荐采用方案二的“预氧化-混凝沉淀-臭氧接触-活性炭吸附-砂滤-紫外消毒”工艺。

2.3 多级屏障消毒优化

在给水工程中消毒是必不可少的环节，传统单一氯消毒经济性强，但副产物多、容易产生致癌物质，采用多屏障联合消毒技术，具有针对性强、消毒效率高，氯耗低等特点，满足优质饮用水对生物安全性的要求。本次优质水厂工程采用紫外线+氯消毒的多屏障联合消毒技术。

（1）紫外消毒。紫外线消毒机理是利用波长为254 nm及其附近波长范围内的紫外线，通过对微生物（细菌、病毒、芽孢等病原体）的辐射损伤和破坏核酸的功能使微生物致死，从而达到消毒的目的。紫外线对核酸的作用可导致键和链的断裂、股间交联和形成光化产物等，从而改变DNA的生物活性，使微生物自身不能复制。紫外线的消毒具有广谱性，对于如贾第虫、隐孢子虫等耐氯微生物有很好的杀灭作用。有研究统计了紫外线对两虫及病毒的灭活剂量，见表4。

表4 紫外线消毒指导手册对两虫及病毒灭活剂量的要求

紫外线消毒技术应用于供水行业是伴随着净水工艺的发展，并随着紫外线消毒设备的逐步完善而得以推广。在国外，已有较多大型给水厂采用紫外线消毒工艺，例如华盛顿西雅图市Cedar水厂供水规模68 万m3/d；维多利亚Japan Gulch水厂，规模50 万m3/d；荷兰鹿特丹水厂，规模47.04 万m3/d。国内已建成的运用紫外线消毒的水厂有：上海临江水厂，规模60 万m3/d；北京第十水厂，规模50 万m3/d；北京郭公庄水厂，规模50 万m3/d；天津开发区水厂三期，规模15 万m3/d等。

紫外线照射微生物，能穿透细胞壁并与细胞质发生反应，迅速杀死细菌等微生物，将紫外线作为第一道消毒屏障，位于砂滤池后，用于灭活在活性炭滤池中生长，未经砂滤池截留去除的微生物。

（2）氯消毒。次氯酸钠作为最后一道消毒屏障，加注点位于清水池接触区进口，经不少于30 min接触消毒，保障出厂水不小于0.3 mg/L的自由氯，维持管网水灭菌效果。

贯泾港优质水厂用地位于现状贯泾港水厂控制用地范围，面积约58.8亩。在水厂二期沉清叠合池西侧布置1座调蓄池－提升泵房，北侧，布置2座沉清叠合池。在二期生物滤池北面，布置1座炭砂组合滤池；组合滤池东侧布置1座提升泵房和臭氧接触池，西侧布置1座UV加注室，北侧布置二级泵房和配电间。在二期二级冲洗泵房东侧布置1座鼓风机房－冲洗泵房，为本期组合滤池服务。在二期浓缩池北面新建1座浓缩池，浓缩池南面布置1座排泥排水池。

图1 贯泾港优质水厂工艺流程

3.1 原水调蓄池-提升泵房

新建千岛湖原水调蓄池及提升泵房1座，调蓄池容积约16200 m3，出口布置提升泵房，设6台潜水混流泵，全变频，3用3备，采用井筒敞口+小隔舱设计，单泵额定流量2920 m3/h，水泵扬程10.3 m，功率132 kW。

3.2 沉清叠合池

新建沉清叠合池2 座，上部为机械混合折板絮凝平流沉淀池，下部叠建清水池。混合时间30 s，絮凝折板采用120°相对折板，单池平面尺寸16.34m×24.8m，平均水深约4.15m，反应时间约20min，沉淀池停留时间约108 min，中间设1道导流墙，水平流速13.95 mm/s，出水采用不锈钢指型槽，出水负荷不大于240 m3/m/d。

下叠清水池清水池水深4.65 m，总容积约13150 m3，含30 min的消毒接触区。

3.3 中间提升泵房

中间提升泵房1座，设置6台潜水混流泵，3用3备，均变频，单泵流量2920 m3/h，扬程8.0 m，电机功率110 kW。提升泵房每格前池的有效容积为730 m3。

3.4 臭氧接触池

臭氧接触池1座，分独立2格，总平面尺寸26.4m×17.6m，水深约8m。投加采用三段式，千岛湖水原水时，接触时间18min，每段6 min，臭氧加注量1.5~2 mg/L，其中第一段0.6~0.8 mg/L，第二、三段各为0.4~0.6 mg/L。采用就地河网水原水时，接触时间24 min，每段8 min，臭氧加注量2~3 mg/L，其中第一段1~1.5 mg/L，第二、三段各为0.5~0.75 mg/L。

3.5 炭砂组合滤池

设1 座炭砂组合滤池，平面尺寸110.99m×49.72m，双排布置。北侧为上向流活性炭滤池，南侧为砂滤池，均为12 格，共用中间管廊。

活性炭滤池单格面积71.38 m2，千岛湖原水时滤速10.2 m/h，炭层停留时间14.7 min；就地河网水时，滤速7.65 m/h，炭层停留时间19.6 min，活性炭层粒径为30目×50目，厚度2.5m。活性炭滤池采用单气冲，并采用单水辅助冲洗，气冲强度60 m3/(m2·h)，冲洗历时5 min；单水冲强度15 m3/(m2·h），冲洗历时6 min。

砂滤池采用V型滤池形式，单格过滤面积115.5 m2，千岛湖原水时滤速为6.3 m/h，就地河网水时，滤速为4.73 m/s。滤料石英砂有效粒径0.85mm，不均匀系数1.4，厚度1.2m；支承层粒径2.0~4.0mm，厚度0.10m。反冲洗方式为气水反冲加表面扫洗，气冲强度55 m3/m2/h，持续2 min；气水同冲，气冲强度55 m3/m2/h，水冲强度10 m3/m2/h，持续4 min；单水冲，水冲强度17 m3/m2/h，持续6 min。

3.6 紫外加注室

紫外线加注间布置3套管式紫外线加注设备，千岛湖原水时，设计紫外加注剂量为40 mJ/cm2；就地河网水时，设计紫外加注剂量为53.3 mJ/cm2；共用1 根DN1 600超越管。

3.7 吸水井及二级泵

新建二级泵房1 座，里面设置2组泵，分别对应至石臼漾水库泵站的输水泵和至贯泾港水厂服务范围的供水泵。其中3 台用于向石臼漾水库泵站转速清水，1大2小，全变频，大泵流量4200 m3/h，扬程24 m，功率400 kW，小泵流量2100 m3/h，扬程24 m，功率200 kW。另外3 台用于贯泾港水厂服务范围的供水，2大1小，全变频，大泵流量5960 m3/h，扬程42 m，功率900 kW，小泵流量2960 m3/h，扬程42 m，功率450 kW。

贯泾港优质水厂于2021 年6 月建成投运，运行一年多以来，出厂水水质稳定达标，并于2022 年11 月以优异成绩顺利通过“浙江省城市供水现代化水厂”评审，出厂水水质情况如表5所示。

表5 贯泾港优质水厂出厂水水质情况

注：①A为《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2022);②B为《浙江省城市供水现代化水厂评价标准》;③括号内为均值。