微污染原水水厂扩建工程——以禹城第二水厂为例

张云海，韩庆祥，奚影影，张家銘

(山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101)

随着社会的发展和人口数量的增加，我国各个地区呈现供水不足和对水质要求更高的现象；随着环境污染越来越严重，原水水质不断恶化；供水设施老化，水资源浪费严重。因此，一些地区开始对原来的水厂进行扩建改良。截至目前，全国水厂扩建改良项目占水厂总量的29%。2020年，水厂建设所在地南方多于北方，以上海、浙江、广东居多，总建设金额集中在2亿～10亿元。

禹城第二水厂与江苏某县城水厂存在相同问题：(1)原水水质存在不达标问题，地下水铁含量为0.42 mg/L、锰含量为0.11 mg/L，严重超标；(2)供水不足：(3)水处理工艺有短板。本设计与江苏某县城水厂二期工程均采用“臭氧预处理+常规处理+深度处理”工艺，可使水质达到国家规定指标[1]。

禹城位于山东省德州市境内，近年来用水量不断增大。根据《禹城市城市总体规划(2018—2035)》，到2022年城区人口为27万人，农村人口为28万人。2020年城乡居民生活用水量为5.8万m3/d。目前，根据第二水厂的现有条件，改扩建后的供水规模可达6.0 万m3/d。本文介绍了第二水厂扩建的工艺流程，并设计了净水处理与排泥水处理相关的设备配置方案。

1 概况

禹城第二水厂的设计供水量为3.0万m3/d，于2012年建设完工并投入使用。随着城镇面积的扩大和人口的增长，生产和生活用水量与年俱增，第二水厂趋于满负荷运行，供水形势严峻。为保障城市用水安全，预防突发事件发生，急需扩大地表水供水规模。

目前，根据第二水厂现有的条件，改建后的供水规模达6.0万m3/d，采用“臭氧预处理+常规处理+深度处理”工艺[1]。在满足禹城城乡居民生活饮用水的同时，还可向高新工业区供水，供水量达3.0万m3/d。

2 水源水水质分析

2.1 水库水水质分析

如意湖水库主要水源为黄河水。根据引黄供水工程的现状和水库所处区域的环境条件、设计要求，对引黄工程沿线和水库周围区域进行了污染情况调查。因水库为平原水库，水库上游以农业种植为主，经实地考察和向有关部门了解，引黄干渠沿线及水库周围无生活污水、农田灌溉回水和工业废水进入。水库水水质如表1所示。

表1 原水水质Tab.1 Raw Water Quality

2.2 地下水水质分析

根据山东省水环境监测中心德州中心对浅井的水质检测报告及国家城市供水(排水)监测网济南监测站对深井的水质检测报告，分析进水水质基本上能满足地下水为生活饮用水水源时GB/T 4848—2017的要求，地下水水质如表2所示。

表2 地下水原水水质Tab.2 Raw Ground Water Quality

2.3 存在问题

河流水污染严重，各河流水质达到灌溉饮用水标准的极少，主要污染物来源于工业废水、生活污水以及人畜粪便、垃圾、农田喷药施肥等。地下水普遍存在总硬度、溶解性总固体等指标较高现象，且长期开采地下水会导致一系列生态环境问题，尤其是地面沉降速率加快、地下水水质恶化、地下水水位下降过快等问题十分突出。

3 工艺思路及流程

首先，针对水源水水质具体问题，采用臭氧预处理后进入沉淀池。因水源水部分来自水库水，水源水在不同季节水质不稳定。高效反应沉淀池对水源水水质的适应能力强。之后，设置后臭氧接触池和上向流活性炭滤池，也是为了进一步去除水中铁、锰和有机物、农药、藻类、氨氮等。由于不同时段水质不同，设置超越管线使原水可直接进入滤池。滤池部分综合考虑投资，充分利用原有V型滤池的设施，增加超滤装置，流向滤池的水量平均分配到砂滤池和超滤池。

禹城第二水厂改扩建工程采用的工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程Fig.1 Process Flow Chart

4 设计要点

4.1 预处理

本设计采用臭氧预处理。臭氧的氧化能力较强，可以更好地进行杀菌消毒；可以减小水的臭味和色度；可以降解水中的高分子有机物，对絮凝作用有一定的改善效果，提高水质；可以将难生物降解的有机物转化为易生物降解的小分子有机物；可以将酚类、氰化物等有害物质转化为无害物质。因此，臭氧预处理可以降解水中的难降解有机物，改善絮凝，减小色度和臭味以及铁、锰。臭氧投量一般为0.2～2.0 mg/L。

4.2 深度处理

目前水污染越来越严重，原本的处理技术往往已经达不到国家供水标准，因此，必须在水处理工艺中增加深度处理。本设计深度处理采用臭氧+上流式活性炭吸附、外压式超滤(部分)[2]。臭氧有很强的氧化性，可以降解大分子有机物，提高可生化性，减少后续的有机负荷[3]。上流式活性炭吸附可以使生物膜有效更新，从而保持较高的传质效率和生物活性，即使在冬季也能保证较好的运行效果。在设计中充分利用原有V型滤池的设施，3.0万m3/d活性炭吸附池的出水进入V型砂滤池进行处理。由于场地的受限和新的水质标准即将实施，剩余的3.0万m3/d出水采用超滤装置处理。

4.3 水源确定

根据引黄供水工程的现状和水库所处区域环境条件、设计要求，对引黄工程沿线和水库周围区域进行了污染情况调查。水库为平原水库，水库上游以农业种植为主，经实地考察和向有关部门了解，引黄干渠沿线及水库周围无生活污水、农田灌溉回水和工业废水进入。如意湖水库水质变化不大，大部分水质能达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅲ类水源水水质标准，可以作为饮用水水源。

由于地下水用量有限且存在铁锰超标问题，而水库水较充足，本工程采用地下水和水库水1∶1混合后的掺混水作为水源。地下水和地表水混合后，解决了地下水总硬度、含铁量、溶解性总固体偏高的问题，掺混水水质符合饮用水卫生标准的要求。

5 主要构建筑物工艺设计

5.1 配水井和预臭氧接触池

配水井主要功能是调节水量，使出水均匀；预氧化接触池主要功能是去除异臭、藻类、色素、有机物污染等。结构类型为半地下钢筋混凝土结构(配水井和预氧化接触池合建)。建1座分3池，单池尺寸为9.15 m×8.95 m×7.5 m，处理能力为0.24 m3/s，总停留时间t=6 min，臭氧的投加量根据进水水质情况确定。

5.2 高效反应沉淀池

主要是通过投加水处理药剂，使其与水中的污染物混合、反应，直至水体中的污染物沉淀而被去除[4]。高效反应沉淀池有以下工艺特点：反应区到沉淀区流速变化较低、一体化反应区设计独特、沉淀区到反应区的污泥循环、投加有机絮凝剂、使用斜管沉淀布置[5]。结构类型为半地下钢筋混凝土结构，建2座。总池尺寸为38.0 m×19.70 m，单座处理能力为875 m3/h。混合时间为2.0 min，絮凝时间为15.5 min。

5.3 臭氧接触池

主要功能是将臭氧扩散到水中，使其与水面完全接触和反应，以去除水中的有机污染物。结构类型为钢筋混凝土结构，建2座。臭氧平均投加量不大于1.0 mg/L，总接触时间为10 min。整个后臭氧接触池是完全封闭的。

5.4 上向流生物活性炭吸附池

活性炭吸附池设计处理规模为6.30万m3/d，水厂的自用水量按5%计算，选用5组，单格过滤面积为51.10 m2，每组处理水量为525 m3/h[6]。5组滤池采用单排布置。设计滤速为10.30 m/h，强制滤速为12.87 m/h，停留时间为14.5 min，反冲洗周期为3～6 d。

活性炭吸附池反冲洗采用单独气反冲洗，反冲洗程序为降低水位—气冲—初滤水排放—运行。反冲洗气强度为60 m3/(m2·h)。反冲洗程序可自动控制进行，冲洗时间参数可现场调整，也可手动控制，操作步骤如下。

气冲：关闭滤池进水阀门，开启放空阀门降低至滤池反冲洗水位，然后关闭放空阀门，并开启反冲洗风机和反冲洗气阀门，冲洗5～6 min。反冲洗完成后关闭反冲洗风机和反冲洗气阀门。滤池放空水排入管廊放空井，然后排入厂区雨水系统。

初滤水排放：开启滤池初滤水排放阀门，然后开启滤池进水阀门，滤池运行并排放初滤水(20～30 min)。滤池初滤水直接排入厂区废水回收系统[7]。

运行：待滤池出水水质满足运行要求后，关闭滤池初滤水排放阀门，滤池正常运行。

大流量冲洗：活性炭吸附池每月进行1次定期大流量冲洗。

5.5 外压超滤膜车间

工艺系统流程为缓冲水池(中间水池)—原水泵—自清洗过滤器—超滤装置—清水，系统描述如下。

自清洗过滤器：作用是截留过滤水带来的粒径大于100 μm的悬浮物和部分细微悬浮物，防止膜组件受到破坏而堵塞，保证之后处理设备的正常运行。

超滤装置：本工程使用超滤过滤技术，依靠此装置绝对过滤的能力可保证不受进水水质变化的影响以及出水稳定。

超滤反洗系统：采用超滤产水进行冲洗，由清水池经超滤反洗泵抽出，进行冲洗。

本工程采用外置式外压超滤膜，数量为8套，每套处理量为3 750 m3/d。原水泵流量Q=460 m3/h，扬程H=25 m，功率N=45 kW，数量为3台。自清洗过滤器流量Q=170 m3/h，过滤精度为100 μm，数量为8台。超滤装置处理量Q=156 m3/h，回收率为95%，设计通量为40 L/(m2·h)，设计温度为6～10 ℃，数量为8台。反洗水泵流量Q=440 m3/h，扬程H=25 m，功率N=45 kW，数量为2台。清洗水箱体积V=10 m3，数量为1台。清洗水泵流量Q=170 m3/h，扬程H=25 m，功率N=18.5 kW，数量为1台。

5.6 臭氧制备车间

臭氧制备车间设计规模为6.0万m3/d。设置3套臭氧发生器，2用1备。每台臭氧发生器的供气量为3.0 kg/h。进入臭氧发生器的氧气应与氮气混合，因此设置空压系统以提供空气。

5.7 氧气站

在户外设置氧气站1座，由水厂提供设备场地，由厂商提供供氧设备并负责设备的日常维护和检修[8]。

5.8 排泥水浓缩池

主要功能是对来自高效沉淀池的污泥进行储存和均化，设置搅拌器使污泥浓度均匀，保证脱水机正常运行。设中心传动悬挂式污泥浓缩机1台，直径D=9 m，功率N=0.55 kW。

5.9 污泥脱水车间

污泥脱水机应根据水厂的供水规模、水厂的占地面积、进水的水质、污泥的性质、经济条件、建设投资及运行成本等因素和实际情况进行合理选型。综合考虑，本工程采用2台叠螺式污泥脱水机，1用1备，处理后污泥的含固率约为80%，流量Q=15 m3/h，功率N=4.3 kW。

5.10 废水池

主要收集上向流活性炭滤池、V型砂滤池和超滤装置的反洗水，上清液可以回到配水井再利用。建1座，尺寸为13.80 m×19.60 m×4.0 m。采用2台单级端吸卧式离心泵，1用1备。流量Q=10.0 m3/h，功率N=11 kW，扬程H=20.0 m。

5.11 中和水池

主要功能是收集超滤膜化学清洗后的废液。建1座，尺寸为10.2 m×4.4 m×4.0 m。采用2台中和池提升泵(耐腐蚀泵)，1用1备。流量Q=25.0 m3/h，扬程H=11 m，功率N=2.2 kW。

6 改建构筑物

6.1 加氯间改造

加氯间改造主要是更换原有的二氧化氯发生器设备，将原有的供水规模为3.0万m3/d的二氧化氯发生器改为供水规模为6.0万m3/d的。设置二氧化氯发生器2台，1用1备，产氯量Q=5 000 g/h。

6.2 二级泵房改造

二级泵房改造主要是将原二级泵房3台反冲洗泵改为加压泵。主要设备为单级双吸立式离心泵，流量Q=660 m3/h，扬程H=44.0 m，功率N=110 kW，数量为3台(2用1备)。

7 经济性分析

7.1 建设投资

禹城第二水厂改扩建及深度处理工程项目概算总投资约6 435.41万元：工程费用为5 586.15万元、其他费用为257.10万元、工程预备费用为292.16万元、铺底流动资金为60万元、建设期利息为240万元。

7.2 运营成本

本工程完成后供水量为6万m3/d，建设期为1.5年，生产期为20年，整个计算期为21.5年。外购原材料费，主要包括所需的药剂费用。根据计算，全年所需药剂费共计343.05万元。燃料及动力费包括电费及生活用水，年耗电量约为597万kW·h，按0.80元/(kW·h)计算，每年的电费共计447.60万元。可变成本为上述费用之和，共计820.65万元/年。固定成本平均为752.66万元/年。根据计算，年平均总成本为1 507.55万元，运营期内年均单位总成本为1.72元/m3。

7.3 工程效益

7.3.1 经济效益

项目的财务分析结果表明：本项目实施后，每年可实现销售收入为2 628万元，年平均净利润为631.47万元，财务内部收益率(全部投资)为17.69%，大于本行业基准收益率，投资回收期为7.83年(包括建设期)。各项经济指标符合行业标准，该项目能产生较好的经济效益。

7.3.2 环境效益

本工程的的环境效益主要包括改善水质和环境、提高居民用水质量、生态效益等。本项目的建设，提高了供水的可靠性和水质的安全性，改善了城镇的水生态和卫生条件，城市环境得到明显的优化。

7.3.3 社会效益

城市环境的改善，有利于提高城市的可持续发展空间和产业结构的调整，提高工业化水平，增加该地区劳动就业，促进经济发展，社会效益显著。

8 结语

供水不足的问题不仅影响农村，也会影响城镇；既影响工业，又影响农业，最终将严重制约城镇和农村的发展。

(1)本次扩建利用地下水和水库水掺混的方式解决了地下水铁锰含量超标的问题。

(2)利用设置超越管线调节了不同时段原水水质变化的问题。

(3)设计中充分利用原有V型滤池的设施处理3.0万m3/d出水，剩余3.0万m3/d出水采用超滤装置处理，节约了建设成本。

(4)不仅在水量上达到供需要求，更在水质和水压方面得到提高。生活饮用水水质要求达到《生活饮用水卫生规范》(GB 5749—2006) 106项标准。根据禹城城区现状与发展规划，结合《室外给水设计标准》(GB 50013—2018)，确定管网最不利点水压为0.28 MPa。