滨海水厂改扩建工程设计特点

于 东

(天津水务集团华淼规划勘测设计研究院有限公司, 天津 300220)

大港油田滨海水厂是大港油田区域内唯一的给水厂,主要为油区供给生产生活用水。 该水厂一期建于1983 年,规模2.0×104m3/d,二期建于1995年,规模6.0×104m3/d,两期均采用“机械加速澄清池+虹吸滤池”的常规处理工艺,设计总供水规模为8.0×104m3/d。 水厂当前存在以下问题:一是水厂设备陈旧、产能低效,当年所采用的设计参数已不符合当今城市供水水质标准的要求,低负荷运行,达不到设计规模;二是生产工艺对双水源水质适应性差、抵御风险能力低,近几年滦河水水体富营养化严重,总磷、总氮、藻类、土臭素和高锰酸盐指数均超标严重,现有工艺无法处理;三是水厂占地布局不合理,平面布局零乱不紧凑,管线存在多处不合理交叉,导致水头损失过大,能源消耗严重。

1 水源及水质分析

滨海水厂有长江水与滦河水2 种水源,交替使用,根据季节性变化进行适时切换使用,一般每年4月至11 月采用引江水源,12 月至次年3 月份采用引滦水源。 引滦水浊度呈季节性变化,冬季低温低浊,夏季浊度较高,近些年原水富营养化日趋严重,浊度和色度的变化幅度较大,2017 年7 月平均值达到24 NTU。 与滦河水相比,引江水浊度全年稳定在低值,为0.5～1.8 NTU,平均浊度为0.9 NTU;pH 全年稳定在8.00 ～8.40;CODMn为1.4 ～2.2 mg/L,年平均值为1.8 mg/L;总氮年平均值为0.8 mg/L,最高值为1.1 mg/L;藻类年平均值为312×104个/L,月平均最高值588×104个/L,出现在8 月[1]。

本工程以引滦水作为进水条件进行分析论证,对滨海水厂提供的2013 年12 月至2018 年12 月几个重点进水水质指标进行分析,见图1-6。

图1 原水浊度Fig.1 Turbidity of raw water

从图1 中可以看出,原水浊度基本在22 NTU以下,2013—2018 年间出现两次波动:一次是2015年9 月至10 月,浊度大于8 NTU,小于16 NTU,另一次是2017 年5 月至7 月,浊度大于8 NTU,最大值21.7 NTU,其他时间原水浊度均小于8 NTU。 可以看出,原水浊度不高,存在季节性变化,低温低浊,多数时间小于8 NTU,最大不超过22 NTU。

从图2 中可以看出,原水pH 值的变化没有明显的规律,pH 值基本上都在7.3 ～9.3 之间,GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》中要求出厂水pH 值要求不大于8.5,2013—2018 年间水厂原水中pH 值高于8.5 的时间占总统计时间的18.6%,pH值超标期间水厂需要考虑处理措施。

图2 原水pH 值Fig.2 pH value of raw water

从图3 中可以看出,原水的碱度呈季节性变化,碱度夏季低于冬季。 夏季原水碱度较低会对混凝效果产生负作用。

图3 原水总碱度Fig.3 Total alkalinity of raw water

常规处理对耗氧量去除率30%～40%,天津市水务集团十三五水厂出水水质目标中要求耗氧量≤2 mg/L,因此,原水耗氧量指标大于3 mg/L 时,如果仅经过常规处理,水厂出厂水耗氧量指标会超出自控目标。 从图4 中可以看出,耗氧量大于3 mg/L 的天数占61.3%,因此,必须要实施深度处理系统以达到自控要求。

图4 原水耗氧量Fig.4 Oxygen consumption of raw water

从图5 中可以看出,原水氨氮值除个别月份外均小于0.30 mg/L,因此,去除原水中氨氮可以采用折点加氯的方法。

图5 原水氨氮Fig.5 Ammonia nitrogen of raw water

从图6 可以看出,2015 年和2016 年原水藻类情况明显比2014 年和2017 年严重,且高发期是每年的6 月至9 月,2015 年藻类计数最大值达到19 351 万个/L,2016 年藻类计数最大值达到14 961万个/L。 2017 年藻类有所下降,除了其中3 天的检测值大于10 000 万个/L 外,其他基本上均在5 000万个/L 以下。 2018 年趋势良好,大部分时间在2 000 万个/L 以下。 藻类的去除仍是本次设计的主要任务之一。

图6 原水藻类计数Fig.6 Algae count of raw water

图7 滨海水厂工程鸟瞰图Fig.7 Aerial view of Binhai Water Supply Plant project

从上述分析可以看出原水水质基本满足地表水环境质量标准Ⅲ类水体标准,并具有如下特点:一是藻类是原水主要去除目标之一,而且不同季节均存在藻类问题,在藻类高发期,碱度随着降低;二是原水浊度主要随水源变化,单独使用滦河水时浊度升高,单独使用引江水时浊度有所降低;三是原水为微污染水源,尤其在使用引滦原水时,耗氧量指标明显升高,主要污染物质以有机物为主。

3 工程概述

3.1 工程概述

本次改扩建工程设计规模8.0×104m3/d,利用原有水厂的4 座原水池,改造部分管道,继续发挥调蓄作用。 对现有粉炭投加设施、进水泵房设备及进出水管道进行改造,满足供水规模的要求。 同时新建预臭氧接触池、混合反应沉淀气浮池、砂滤池、后臭氧接触池、活性炭滤池、清水池、吸水井、送水泵房及变配电间、加药消毒间、臭氧发生器间、排水及回流调节池、排泥池、污泥浓缩脱水车间等。 水厂总用地面积为51 999.30 m2,以提高供水水质和供水安全可靠性为目标,以降低能耗、漏耗和药耗为重点,对新建工程采用优质管材、先进可靠的工艺、技术和设备,运用自动监控和管理的手段,使本工程达到国内领先水平。 该工程于2019 年12 月完成设计工作,2022 年6 月18 日进水调试运行,已运行一年有余,原有处理系统停止使用。

3.2 工程处理流程

在处理流程的选择上,水处理采用“预处理+强化常规处理+深度处理工艺”,污泥处理采用“排水池+排泥池+污泥浓缩+机械脱水”。 其中常规处理工艺为“机械混合+旋流反应+平流沉淀+气浮池+Ⅴ型滤池过滤”的工艺,深度处理采用“臭氧-活性炭滤池工艺”。 工艺流程图见图8。

图8 工艺流程Fig.8 Process flow chart

3.2.1 水处理流程

① 来水由原水管道进入原水储池,现有3 座储池,单座储水能力2×104m3,总储水规模6×104m3,利用现有设备投加粉末活性炭达到应急处理的目的。

② 原水由改造后的进水泵房输送至预臭氧接触池,预臭氧接触池设计1 座,臭氧投加量按0.5 ～1.0 mg/L 计,有效接触时间4 min。

③ 出水进入混合反应沉淀车间,主要建构筑包括机械混合池、旋流絮凝池、平流沉淀池、气浮池。其中混合采用两级串联混合,单级混合时间60 s,每级设置搅拌器1 台,分别投加混凝剂。 在混合池第一级投加三氯化铁,第二级投加聚合氯化铝,有助于提高混凝效果,加药设备采用数字计量泵,提高精度,节省药剂。 絮凝采用旋流絮凝池,充分利用水力条件,无设备,减少投资,总絮凝时间22 min。 沉淀采用平流沉淀池,抗冲击负荷能力强,运行简便,池长92 m,用于去除重浊质,排泥采用泵吸桁架式排泥车。 沉淀池出水进入后续气浮池,气浮接触室接触时间1.7 min,用于去除轻浊质,气浮池出水进入后混凝池,混合时间30 s。

④ 出水进入砂滤池进行过滤,滤池采用单层石英砂均质滤料,反冲洗系统采用滤板加长柄滤头配水系统[2],设置反冲洗等设备设施。

⑤ 砂滤池出水经过提升泵房提升后进入后臭氧接触池进行氧化,后臭氧投加的最大设计量按1.5 mg/L,分三段投加,投加比例为2 ∶1 ∶1,接触时间共为10 min,接触时间比例为2 ∶4 ∶4[3]。

⑥ 经过氧化后的出水进入活性炭滤池,在其出水中投加次氯酸钠,进入清水池满足消毒时间后由送水泵房输送至配水管网。

3.2.2 污泥处理流程

水厂最大污泥固体量为2.53 t/d,污泥处理中沉淀池排泥水进入排泥池,滤池反冲洗水及初滤水进入排水池,经过静沉后,底泥输送至排泥池,上清液回流至配水井。 排泥池中底泥用污泥螺杆泵输送至浓缩池,采用斜管浓缩池,连续运行,固体通量为1.0 kg/(m2·h),设置2 座,单座直径8 m,配套半桥式周边传动刮泥机1 台,浓缩污泥通过污泥螺杆泵输送至均衡池,上清液回流至排水池。 设置2 座均衡池,配备2 台叠螺脱水机,单机处理量为120 ～200 kg/h,功率1.87 kW,同时运行时处理8 h。 在浓缩池及脱水机进泥处,分别投加助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)。

3.3 运行效果及讨论

水厂于2019 年底完成工程设计,2022 年6 月建成,已运行一年有余,完全满足设计要求并符合GB 5749—2022《生活饮用水卫生标准》。 在当年12月至转年3 月采用引滦水源时,藻类计数最高为899 万个/L,在当年4 月至11 月采用引江水源时,藻类计数最高为404 万个/L,气浮工艺对藻类的去除率达到80%以上。 臭氧氧化及活性炭过滤更是有效地去除了有机物,保证了出厂水水质。 该水厂通过粉炭投加设备、混凝沉淀和臭氧氧活性炭滤池过滤,大大提高了土臭素和2-甲基异莰醇去除率。通过全流程的处理,出厂水浊度为0.07 ～0.17 NTU,见图9。 同时,出厂水水质达到了天津水务集团的自控要求,主要项目水质目标值见表1。

表1 主要项目水质目标值Tab.1 Water quality targets for major projects

图9 出厂水浊度Fig.9 The outlet water turbidity

本项目总投资16 276.76 万元,其中工程费用14 741.45 万元,吨水造价为2 000 元。 单位水量动力费用为0.292 元/m3,单位水量药剂费用0.112 元/m3。单位成本3.46 元/m3,单位经营成本3.12 元/m3。

4 设计特点

4.1 将多项实用新型专利进行成果转化

在该项目中采用了两项我院的实用新型专利,分别是旋流反应池和气浮释放头。 旋流反应池(见图10)无需增加反应设备,它利用水中颗粒在旋转水流的径向移动原理,形成的矾花密实度大、数量多,充分反应后易于在沉淀池内沉淀。 正是由于此优点,也不需要设置排泥装置,节省了排泥阀门的设置和运行管理上的繁琐,其进、出水口的位置流态使得矾花不易沉淀,仅设置手动阀门用于池体放空,这解决了运行时反应池积泥的问题[4]。

图10 旋流反应池剖面展开图Fig.10 Profile expansion of hydrocyclone reactor tank

气浮释放头具有体积小、不易堵塞的优点,该释放头包括本体以及连接段,释放头本体与连接段同轴一体制成,连接段外径小于释放头本体的外径,连接段中部设置有进水孔,在释放头本体中下部径向对称设置有两个出水孔,两个出水孔与进水孔连通设置且三孔之间的孔道呈“T”字形,见图11。 进水孔的面积为出水孔面积的2 倍,可有效调节气泡的平衡输出,只需要在0.5 MPa 的溶气压力下运行即可,这样会节约大量的电能,提高水厂运行效率。

图11 释放器大样图Fig.11 Large drawing of the release

4.2 根据外部市电电源的情况搭配高低压电机

在电气设计上,送水泵房采用两种电压规格(6 kV 和0.4 kV)的水泵电机进行搭配,这种方式可确保在外部市电电源发生“晃电”时(指电网出现电压大幅度下跌或短时中断数秒,致使用电设备不能正常工作的现象),6 kV 水泵电机保证持续运转不停泵,从而保证产水的连续性。 高压电动机均设置低电压保护,当电压降至额定电压的60%以下时,低电压跳闸命令通过得电延时型时间继电器的常开触点接通分闸线圈。 当电压正常时,该时间继电器不得电;电压降到设置的低电压值时,该时间继电器得电。 如果在时间继电器设置的时间范围内电网电压恢复正常,可不接通跳闸回路;否则,由时间继电器常开触点接通跳闸回路,断路器跳闸,从而实现短时晃电后电动机的自启动[5],提升了供水的安全性和可靠性。

4.3 采用屋顶网架结构,下一步开展光伏项目

在建筑结构设计上,气浮车间、砂滤站等采用屋顶网架结构,网架结构是一种三向受力的结构体,其空间交汇的杆件互为支撑,将受力杆件与支撑系统

5 结论

该项目工艺流程完全适应于引江水和引滦水的季节性切换,尤其是对于高温高藻和低温低浊水质具有良好的处理效果,同时将旋流反应技术和气浮释放头技术进行了成果转化,运行以来效果良好、出水稳定。