濱海水廠改擴建工程設計特點

于 東

(天津水務集團華淼規劃勘測設計研究院有限公司, 天津 300220)

大港油田濱海水廠是大港油田區域內唯一的給水廠,主要為油區供給生產生活用水。 該水廠一期建于1983 年,規模2.0×104m3/d,二期建于1995年,規模6.0×104m3/d,兩期均采用“機械加速澄清池+虹吸濾池”的常規處理工藝,設計總供水規模為8.0×104m3/d。 水廠當前存在以下問題:一是水廠設備陳舊、產能低效,當年所采用的設計參數已不符合當今城市供水水質標準的要求,低負荷運行,達不到設計規模;二是生產工藝對雙水源水質適應性差、抵御風險能力低,近幾年灤河水水體富營養化嚴重,總磷、總氮、藻類、土臭素和高錳酸鹽指數均超標嚴重,現有工藝無法處理;三是水廠占地布局不合理,平面布局零亂不緊湊,管線存在多處不合理交叉,導致水頭損失過大,能源消耗嚴重。

1 水源及水質分析

濱海水廠有長江水與灤河水2 種水源,交替使用,根據季節性變化進行適時切換使用,一般每年4月至11 月采用引江水源,12 月至次年3 月份采用引灤水源。 引灤水濁度呈季節性變化,冬季低溫低濁,夏季濁度較高,近些年原水富營養化日趨嚴重,濁度和色度的變化幅度較大,2017 年7 月平均值達到24 NTU。 與灤河水相比,引江水濁度全年穩定在低值,為0.5～1.8 NTU,平均濁度為0.9 NTU;pH 全年穩定在8.00 ～8.40;CODMn為1.4 ～2.2 mg/L,年平均值為1.8 mg/L;總氮年平均值為0.8 mg/L,最高值為1.1 mg/L;藻類年平均值為312×104個/L,月平均最高值588×104個/L,出現在8 月[1]。

本工程以引灤水作為進水條件進行分析論證,對濱海水廠提供的2013 年12 月至2018 年12 月幾個重點進水水質指標進行分析,見圖1-6。

圖1 原水濁度Fig.1 Turbidity of raw water

從圖1 中可以看出,原水濁度基本在22 NTU以下,2013—2018 年間出現兩次波動:一次是2015年9 月至10 月,濁度大于8 NTU,小于16 NTU,另一次是2017 年5 月至7 月,濁度大于8 NTU,最大值21.7 NTU,其他時間原水濁度均小于8 NTU。 可以看出,原水濁度不高,存在季節性變化,低溫低濁,多數時間小于8 NTU,最大不超過22 NTU。

從圖2 中可以看出,原水pH 值的變化沒有明顯的規律,pH 值基本上都在7.3 ～9.3 之間,GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》中要求出廠水pH 值要求不大于8.5,2013—2018 年間水廠原水中pH 值高于8.5 的時間占總統計時間的18.6%,pH值超標期間水廠需要考慮處理措施。

圖2 原水pH 值Fig.2 pH value of raw water

從圖3 中可以看出,原水的堿度呈季節性變化,堿度夏季低于冬季。 夏季原水堿度較低會對混凝效果產生負作用。

圖3 原水總堿度Fig.3 Total alkalinity of raw water

常規處理對耗氧量去除率30%～40%,天津市水務集團十三五水廠出水水質目標中要求耗氧量≤2 mg/L,因此,原水耗氧量指標大于3 mg/L 時,如果僅經過常規處理,水廠出廠水耗氧量指標會超出自控目標。 從圖4 中可以看出,耗氧量大于3 mg/L 的天數占61.3%,因此,必須要實施深度處理系統以達到自控要求。

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

從圖5 中可以看出,原水氨氮值除個別月份外均小于0.30 mg/L,因此,去除原水中氨氮可以采用折點加氯的方法。

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

從圖6 可以看出,2015 年和2016 年原水藻類情況明顯比2014 年和2017 年嚴重,且高發期是每年的6 月至9 月,2015 年藻類計數最大值達到19 351 萬個/L,2016 年藻類計數最大值達到14 961萬個/L。 2017 年藻類有所下降,除了其中3 天的檢測值大于10 000 萬個/L 外,其他基本上均在5 000萬個/L 以下。 2018 年趨勢良好,大部分時間在2 000 萬個/L 以下。 藻類的去除仍是本次設計的主要任務之一。

圖6 原水藻類計數Fig.6 Algae count of raw water

圖7 濱海水廠工程鳥瞰圖Fig.7 Aerial view of Binhai Water Supply Plant project

從上述分析可以看出原水水質基本滿足地表水環境質量標準Ⅲ類水體標準,并具有如下特點:一是藻類是原水主要去除目標之一,而且不同季節均存在藻類問題,在藻類高發期,堿度隨著降低;二是原水濁度主要隨水源變化,單獨使用灤河水時濁度升高,單獨使用引江水時濁度有所降低;三是原水為微污染水源,尤其在使用引灤原水時,耗氧量指標明顯升高,主要污染物質以有機物為主。

3 工程概述

3.1 工程概述

本次改擴建工程設計規模8.0×104m3/d,利用原有水廠的4 座原水池,改造部分管道,繼續發揮調蓄作用。 對現有粉炭投加設施、進水泵房設備及進出水管道進行改造,滿足供水規模的要求。 同時新建預臭氧接觸池、混合反應沉淀氣浮池、砂濾池、后臭氧接觸池、活性炭濾池、清水池、吸水井、送水泵房及變配電間、加藥消毒間、臭氧發生器間、排水及回流調節池、排泥池、污泥濃縮脫水車間等。 水廠總用地面積為51 999.30 m2,以提高供水水質和供水安全可靠性為目標,以降低能耗、漏耗和藥耗為重點,對新建工程采用優質管材、先進可靠的工藝、技術和設備,運用自動監控和管理的手段,使本工程達到國內領先水平。 該工程于2019 年12 月完成設計工作,2022 年6 月18 日進水調試運行,已運行一年有余,原有處理系統停止使用。

3.2 工程處理流程

在處理流程的選擇上,水處理采用“預處理+強化常規處理+深度處理工藝”,污泥處理采用“排水池+排泥池+污泥濃縮+機械脫水”。 其中常規處理工藝為“機械混合+旋流反應+平流沉淀+氣浮池+Ⅴ型濾池過濾”的工藝,深度處理采用“臭氧-活性炭濾池工藝”。 工藝流程圖見圖8。

圖8 工藝流程Fig.8 Process flow chart

3.2.1 水處理流程

① 來水由原水管道進入原水儲池,現有3 座儲池,單座儲水能力2×104m3,總儲水規模6×104m3,利用現有設備投加粉末活性炭達到應急處理的目的。

② 原水由改造后的進水泵房輸送至預臭氧接觸池,預臭氧接觸池設計1 座,臭氧投加量按0.5 ～1.0 mg/L 計,有效接觸時間4 min。

③ 出水進入混合反應沉淀車間,主要建構筑包括機械混合池、旋流絮凝池、平流沉淀池、氣浮池。其中混合采用兩級串聯混合,單級混合時間60 s,每級設置攪拌器1 臺,分別投加混凝劑。 在混合池第一級投加三氯化鐵,第二級投加聚合氯化鋁,有助于提高混凝效果,加藥設備采用數字計量泵,提高精度,節省藥劑。 絮凝采用旋流絮凝池,充分利用水力條件,無設備,減少投資,總絮凝時間22 min。 沉淀采用平流沉淀池,抗沖擊負荷能力強,運行簡便,池長92 m,用于去除重濁質,排泥采用泵吸桁架式排泥車。 沉淀池出水進入后續氣浮池,氣浮接觸室接觸時間1.7 min,用于去除輕濁質,氣浮池出水進入后混凝池,混合時間30 s。

④ 出水進入砂濾池進行過濾,濾池采用單層石英砂均質濾料,反沖洗系統采用濾板加長柄濾頭配水系統[2],設置反沖洗等設備設施。

⑤ 砂濾池出水經過提升泵房提升后進入后臭氧接觸池進行氧化,后臭氧投加的最大設計量按1.5 mg/L,分三段投加,投加比例為2 ∶1 ∶1,接觸時間共為10 min,接觸時間比例為2 ∶4 ∶4[3]。

⑥ 經過氧化后的出水進入活性炭濾池,在其出水中投加次氯酸鈉,進入清水池滿足消毒時間后由送水泵房輸送至配水管網。

3.2.2 污泥處理流程

水廠最大污泥固體量為2.53 t/d,污泥處理中沉淀池排泥水進入排泥池,濾池反沖洗水及初濾水進入排水池,經過靜沉后,底泥輸送至排泥池,上清液回流至配水井。 排泥池中底泥用污泥螺桿泵輸送至濃縮池,采用斜管濃縮池,連續運行,固體通量為1.0 kg/(m2·h),設置2 座,單座直徑8 m,配套半橋式周邊傳動刮泥機1 臺,濃縮污泥通過污泥螺桿泵輸送至均衡池,上清液回流至排水池。 設置2 座均衡池,配備2 臺疊螺脫水機,單機處理量為120 ～200 kg/h,功率1.87 kW,同時運行時處理8 h。 在濃縮池及脫水機進泥處,分別投加助凝劑聚丙烯酰胺(PAM)。

3.3 運行效果及討論

水廠于2019 年底完成工程設計,2022 年6 月建成,已運行一年有余,完全滿足設計要求并符合GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》。 在當年12月至轉年3 月采用引灤水源時,藻類計數最高為899 萬個/L,在當年4 月至11 月采用引江水源時,藻類計數最高為404 萬個/L,氣浮工藝對藻類的去除率達到80%以上。 臭氧氧化及活性炭過濾更是有效地去除了有機物,保證了出廠水水質。 該水廠通過粉炭投加設備、混凝沉淀和臭氧氧活性炭濾池過濾,大大提高了土臭素和2-甲基異莰醇去除率。通過全流程的處理,出廠水濁度為0.07 ～0.17 NTU,見圖9。 同時,出廠水水質達到了天津水務集團的自控要求,主要項目水質目標值見表1。

表1 主要項目水質目標值Tab.1 Water quality targets for major projects

圖9 出廠水濁度Fig.9 The outlet water turbidity

本項目總投資16 276.76 萬元,其中工程費用14 741.45 萬元,噸水造價為2 000 元。 單位水量動力費用為0.292 元/m3,單位水量藥劑費用0.112 元/m3。單位成本3.46 元/m3,單位經營成本3.12 元/m3。

4 設計特點

4.1 將多項實用新型專利進行成果轉化

在該項目中采用了兩項我院的實用新型專利,分別是旋流反應池和氣浮釋放頭。 旋流反應池(見圖10)無需增加反應設備,它利用水中顆粒在旋轉水流的徑向移動原理,形成的礬花密實度大、數量多,充分反應后易于在沉淀池內沉淀。 正是由于此優點,也不需要設置排泥裝置,節省了排泥閥門的設置和運行管理上的繁瑣,其進、出水口的位置流態使得礬花不易沉淀,僅設置手動閥門用于池體放空,這解決了運行時反應池積泥的問題[4]。

圖10 旋流反應池剖面展開圖Fig.10 Profile expansion of hydrocyclone reactor tank

氣浮釋放頭具有體積小、不易堵塞的優點,該釋放頭包括本體以及連接段,釋放頭本體與連接段同軸一體制成,連接段外徑小于釋放頭本體的外徑,連接段中部設置有進水孔,在釋放頭本體中下部徑向對稱設置有兩個出水孔,兩個出水孔與進水孔連通設置且三孔之間的孔道呈“T”字形,見圖11。 進水孔的面積為出水孔面積的2 倍,可有效調節氣泡的平衡輸出,只需要在0.5 MPa 的溶氣壓力下運行即可,這樣會節約大量的電能,提高水廠運行效率。

圖11 釋放器大樣圖Fig.11 Large drawing of the release

4.2 根據外部市電電源的情況搭配高低壓電機

在電氣設計上,送水泵房采用兩種電壓規格(6 kV 和0.4 kV)的水泵電機進行搭配,這種方式可確保在外部市電電源發生“晃電”時(指電網出現電壓大幅度下跌或短時中斷數秒,致使用電設備不能正常工作的現象),6 kV 水泵電機保證持續運轉不停泵,從而保證產水的連續性。 高壓電動機均設置低電壓保護,當電壓降至額定電壓的60%以下時,低電壓跳閘命令通過得電延時型時間繼電器的常開觸點接通分閘線圈。 當電壓正常時,該時間繼電器不得電;電壓降到設置的低電壓值時,該時間繼電器得電。 如果在時間繼電器設置的時間范圍內電網電壓恢復正常,可不接通跳閘回路;否則,由時間繼電器常開觸點接通跳閘回路,斷路器跳閘,從而實現短時晃電后電動機的自啟動[5],提升了供水的安全性和可靠性。

4.3 采用屋頂網架結構,下一步開展光伏項目

在建筑結構設計上,氣浮車間、砂濾站等采用屋頂網架結構,網架結構是一種三向受力的結構體,其空間交匯的桿件互為支撐,將受力桿件與支撐系統

5 結論

該項目工藝流程完全適應于引江水和引灤水的季節性切換,尤其是對于高溫高藻和低溫低濁水質具有良好的處理效果,同時將旋流反應技術和氣浮釋放頭技術進行了成果轉化,運行以來效果良好、出水穩定。