上海市政工程设计研究总院第六设计院
摘要：利辛县城地表水厂工程的设计规模为4万m3/d，考虑到微污染水源的水质情况，采用“预处理+常规处理+深度处理”工艺，以满足供水水质要求。同时，对排泥水进行回用处理和污泥处理。详细介绍了主要处理构筑物的设计参数及关键技术，并重点阐述微污染水源的预处理及深度处理。
关键词：微污染、预处理、砂滤池、深度处理
0.引言
利辛县位于安徽省北部，东界蒙城县，北邻涡阳县，西接阜阳市颍东区太和县，南至凤台县。总面积1950平方公里，其中县城现状建成区面积约32平方公里。考虑到利辛县经济的迅猛发展、人民群众对供水水质及水量的迫切需求、城镇保护的需要及保护地下水资源的要求，本工程势在必行。
1.项目概况
利辛县城地表水厂位于向阳西路与规划西淝河路交口西北角，工程总规模10万m3/d，分近远期建设，近期规模4万m3/d，按5万m3/d的规模进行校核，自用水系数为5%，总占地面积为83亩。
2.水质特点及净水工艺
2.1 水质特点
本工程位于西淝河左岸顺直段，近期水源采用西淝河水，水质达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水体标准。西淝河作为引江济淮工程的主要通道，待引江济淮工程实施时，采用长江水作为水源，水质达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅱ类水体标准。
表1 2018年西淝河部分水质指标检测结果
注：1、采样方法：瞬时采样；2、“L”表示检测结果低于方法检出限。
从表1可知，西淝河水中氟化物、总氮、铅及镉指标检测值超出国家地表水Ⅲ类水质标准，因而西淝河为微污染水源。
2.2 净水工艺
针对西淝河微污染水源的水质特点，对照《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的水质指标，净水工艺在常规处理工艺的基础上增加预处理和深度处理，以达到进一步降解氨氮和CODMn、助凝、杀藻、除臭、脱色等目的。
对于西淝河部分超标的水质指标，可采取相应的技术措施进行处理。对于氟化物，可通过向水中投加絮凝剂，以形成絮体吸附氟离子，经混凝沉淀后去除。对于铅和镉等重金属离子，可通过活性炭滤池吸附去除。
图1 净水厂工艺流程图
3.预处理
在常规处理工艺前增加预处理工艺，通过预处理工艺来减轻后续常规处理工艺的负担。预处理采用臭氧处理，臭氧的主要作用为：去除藻类；去除铁、锰等重金属；增强絮凝效果；减少三卤甲烷；减少三卤甲烷的前提物质；氧化氰化物，硫化物等。
臭氧是强氧化剂，能致死藻类从而达到去除藻类的效果。臭氧将Fe2+和Mn2+氧化成Fe（OH）3和MnO2沉淀物，通过沉淀和过滤去除铁、锰等重金属。臭氧能够降解破坏絮凝的有机物等物质，故可增强絮凝效果。臭氧可氧化降解腐殖质，使其成为对氯不活泼的低分子化合物，以破坏三卤甲烷的前提物质，进而减少三卤甲烷的形成。氰化物在臭氧的氧化作用下，首先形成氰酸化合物，再被臭氧氧化生成氮气和碳酸氢根。
预臭氧接触池2座，每座处理规模为2万m3/d。预臭氧接触池长度为7.45m，宽度为2.80m，有效水深7.10m，超高0.7m。预臭氧接触池采用竖向廊道形式。臭氧投加量0~1.0mg/L，接触时间5min。臭氧投加量根据进水流量进行定浓度变流量比调整，由于水中杂质较多，为防堵塞，故臭氧投加方式采用射流扩散器，通过增压泵提供动力。
4.常规处理
4.1 混合折板絮凝平流沉淀池
由于静态管式混合器水损较大，而机械混合具有混合效果良好、水质水量适应性强的优点，因此，混合方式采用机械混合。本工程设计在叶轮负压处投加絮凝剂，既能使药剂充分混合，又能随水流螺旋上升、翻转、下降至絮凝池。
由于折板絮凝池具有较好的絮凝效果、较小的能耗、缓冲能力强等特点[1]，本工程选择折板絮凝池。考虑到竖流式折板絮凝池积泥较少，因此采用竖流式折板絮凝池。为了达到紊流强度且不影响滑泥，折板角度设计为107°。为保证矾花的形成，絮凝池分三段，均采用相对折板，且每级折板波峰净距分别为120mm、200mm、400mm。同时，每段絮凝池设计8道流道，以防流速突变易打碎已形成的矾花。
平流沉淀池具有缓冲能力强、施工简单、造价低等优点，因此本工程采用平流沉淀池。根据规范[2]，为保证出水水质，平流沉淀池沉淀时间宜为1~3h，出水溢流率不宜超过300m3/（m·d）。但根据国内净水厂运行效果可知[3]，为保证出水浊度达到要求，沉淀时间宜为2h；为避免矾花被出水夹带，出水溢流率应不大于200m3/（m·d）。
考虑到絮凝后的矾花进入沉淀池时不易破碎及厂区内集约化设计，将混合池、絮凝池及沉淀池合建。混合折板絮凝平流沉淀池2座，单座处理规模为2万m3/d，单座构筑物总平面尺寸为90.16m×9.00m。机械混合池的平面尺寸为2.30m×2.30m，混合时间50s；折板絮凝池的平面尺寸为13.96m×9.00m，池高4.85m，有效水深为4.03m，絮凝时间24min；平流沉淀池的平面尺寸为76.20m×9.00m，池高3.95m，有效水深为3.53m，沉淀时间112min，水平流速10.5mm/s。
混凝剂采用碱式氯化铝（PAC），助凝剂采用聚丙烯酰胺（PAM）。其中，混凝剂投加量为45~75mg/L，按10%碱式氯化铝计；助凝剂投加量为0.15mg/L，按0.1%聚丙稀铣胺计。
4.2 砂滤池
由于V型滤池采用气水反冲洗及表面扫洗，既能够达到良好的冲洗效果，又能节约反冲洗用水，同时，出水效果稳定、耐冲击负荷强[4]，因此，砂滤池采用V型滤池。
滤池设计1座，处理规模为10万m3/d，2组对称设计。近期建设一组滤池，分6格。单格过滤面积41.84m2，尺寸为12.38m×3.38m，有效水深为3.55m。设计滤池为7.04m/h，强制滤速为8.45m/h。采用气、水三阶段反冲洗，先气冲，气冲强度55m3/m2/h，再气、水联合冲洗，气冲强度55m3/m2/h，水冲强度10m3/m2/h；最后单独水冲，水冲强度为17m3/m2/h；表面扫洗强度8.7m3/m2/h。气反冲洗时间为2min，气水同时反冲洗时间为5min，水反冲洗时间为8min，冲洗周期为24h。
4.3 清水池
清水池调节容积按15%设计，设计为2座，单座有效容积为3000m3。单座清水池平面尺寸为32m×24m，有效水深为4.0m。
消毒剂采用次氯酸钠，外购次氯酸钠原液，稀释至1%浓度的消毒液，通过隔膜泵投加。其中，主加氯投加量为2.5mg/L，投加位置为清水池进水总管，补加氯投加量为0.5mg/L，投加位置为吸水井进水管。
4.4 二级泵房
县城用水量较城市变化较大，因此，时变化系数选择1.50。由于250kW为高低压变压器的临界值，从电气专业设计角度出发，本工程水泵功率宜统一为低压。为了满足不同时段的供水需求及节省能源，水泵宜设置变频调速装置。
二级泵房采用卧式离心泵，泵房内共设5台泵，单排布置，近期设置4台，3大1小。大泵流量1260m3/h，扬程42m，效率70%，功率220kW，2用1备，其中，2台泵为变频泵；小泵流量833m3/h，扬程42m，效率70%，功率160kW，1全用。
5.深度处理
深度处理工艺主要采用臭氧—活性炭处理工艺，该处理技术集合了臭氧氧化、活性炭吸附、砂石过滤及生物降解等作用。
5.1 中间提升泵房
考虑到砂滤池的水损较大，同时为避免深度处理的构筑物埋深过深，减小造价，需设计一座中间提升泵房，进行二次提升。
中间提升泵房设计为1座，分2格，近期互为备用。平面尺寸为23.15m×10.40m，有效水深3.50m。每格配2台潜水轴流泵，其中，近期安装3台，2用1备。泵参数：流量1094m3/h，扬程7.2m，效率74%，功率37kW。
5.2 后臭氧接触
后臭氧的主要作用为：杀灭细菌、病毒及寄生虫等；氧化酚类等有机物；脱色、除嗅；将COD转换为BOD；节约管网中氯气等余氯投加剂；结合生物滤池去除DOC等。
臭氧具有改变细胞膜通透性、细胞酶失活、降解遗传物质等作用，从而杀菌消毒。水中的色度主要是发色基团中的不饱和键可吸收一些可见光引起的，臭氧打开发色基团中的不饱和键，生成小分子物质，从而达到脱色的目的。臭氧也可破坏致嗅味物质的分子结构，去除水中嗅味。臭氧可将水中难降解的长链、大分子有机物转化成可生物降解的小分子有机物，提高水的可生化性。
后臭氧接触池2座，每座处理规模为2万m3/d。预臭氧接触池采用竖向廊道形式。预臭氧接触池长度为7.45m，宽度为2.80m，有效水深7.10m，超高0.7m。
单座池设计为三段式，臭氧投加量2.0mg/L，曝气量顺水流方向依次减小，其比例为60%、20%、20%；接触时间20min，接触时间顺水流方向依次增大，其比例为25%、35%、40%。臭氧投加量根据进水流量进行定浓度变流量比调整，由于水中杂质较少，故臭氧投加方式可采用微孔曝气盘。
5.3 活性炭滤池
臭氧将水中大分子有机物降解成小分子有机物，利于活性炭的吸附。活性炭具有孔隙多、比表面积大的特点，将水中的有机物吸附在表面。活性炭可作为生物的载体，富集水中的微生物。活性炭上的微生物利用这些有机物可作为营养源，通过微生物的生物降解作用分解有机物，从而使得活性炭表面的生物膜具有生物吸附和生物降解的双重作用。待活性炭上的有机物降解完，活性炭恢复吸附能力，从而达到活性炭的再生效果。臭氧分解还原成氧气，增加水中的溶解氧。当活性炭再次吸附水中的有机物和氧时，可提供微生物生长繁殖所需的养料和氧气，以进行生物降解作用。通过不断地“吸附—降解—繁殖—吸附”，达到有机物降解和微生物繁殖的动态平衡，从而形成生物活性炭。此外，“臭氧—活性炭”工艺可去除以贾第鞭毛虫、隐孢子虫为代表的“两虫”等微生物，确保生物安全性[5]。
考虑到普通快滤池运行成熟可靠、运行管理简单等[6]，因此，活性炭滤池采用普通快滤池。为了克服普通快滤池滤料清洗不彻底、出水水质差等缺点，采用“普通快滤池+气水联合反冲洗”型式，其滤板采用“整浇滤板+长柄滤头”。
活性炭滤池设计1座，处理规模为10万m3/d，2组对称设计。近期建设一组滤池，分6格。单格过滤面积41.84m2，尺寸为12.38m×3.38m，有效水深为5.55m。设计滤池为7.00m/h，强制滤速为8.45m/h。采用气、水三阶段反冲洗，先气冲，气冲强度55m3/m2/h，再水冲，水冲强度27m3/m2/h；定期大水冲，水冲强度为45m3/m2/h。气反冲洗时间为5min，水反冲洗时间为10min。
5.4 臭氧发生系统
臭氧发生间近期设2台，1用1备，并预留远期1台设备的位置。本工程近期最大臭氧投加量为3mg/L，考虑一定的安全系数，则单台臭氧发生器发生能力为6.5kgO3/h，臭氧质量分数为10%。气源为液氧，臭氧尾气破坏方式采用催化分解。
6.污泥处理
6.1 污泥浓缩
采用圆形重力浓缩池，设计2座，单座直径为12m，有效深度为5.10m，固体通量为0.805 kgDS/（m2·h）。
每座污泥浓缩池排泥管安装1台污泥浓度计，定期排泥。当排泥浓度小于3%时，停止排泥。
考虑到对污泥浓缩池的冲洗，在池顶设外露消火栓，其DN65冲洗水管接厂区给水管。
6.2 污泥脱水
采用离心脱水方式，近期设计2台，1用1备，单机处理能力为5m3/h。离心脱水机进泥浓度为2%~3%，脱水后泥饼含固率大于25%。
PAM设计加注量约5kg/tDS，成套设备调配到0.3%后再稀释至0.1%后进行投加。
考虑到污泥装卸方便及厂区环境卫生，在污泥脱水间旁设计一座料仓。将离心脱水机布置在2.7m高平台上，通过水平及倾斜螺旋输送机将污泥送至料仓。
7.总结
若采用微污染水源，采用“预处理+常规处理+深度处理”。待水源水质良好时，砂滤池出水直接经超越管进入清水池，以节省制水成本。根据水质情况，预臭氧和后臭氧接触池分别采用射流扩散器和微孔曝气盘进行投加。考虑到砂滤池及活性炭滤池的反冲洗，两个滤池合用一个反冲洗泵房，并与砂滤池合建。常规处理工艺采用机械混合、竖流折板絮凝池及平流沉淀池和V型滤池，深度处理采用臭氧-生物活性炭工艺，污泥浓缩池采用重力浓缩的方式，污泥脱水方式采用离心脱水。
8.结论
（1）若采用微污染水源，设计的预处理/常规处理/深度处理工艺，可保证出水水质达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）中的水质标准。
（2）预处理工艺采用臭氧氧化，深度处理工艺采用“臭氧—活性炭”工艺。预臭氧和后臭氧处理的臭氧投加量分别为1mg/L和2mg/L。活性炭滤池池型采用“普通快滤池+气水反冲洗”。
（3）混凝剂采用碱式氯化铝，助凝剂采用聚丙稀铣胺，投加量分别为45~75mg/L和0.15mg/L。
（4）污泥处理系统设计污泥脱水后含水率为75%，采用0.1%的PAM进行脱水前调质。
参考文献:
[1] 刘 强. 竖流折板絮凝原理及其工艺设计[J]. 有色冶金设计与研究，1999，20（2）：63-66.
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[3] 冯霞、黄年龙. 深圳市南山水厂的工艺设计与运行效果[J]. 中国给水排水，2009，25（12）：27-32.
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[6] 周庆春. 建平县小型净水厂工艺设计体会[J]. 水与水技术，2013，199-201.
论文作者:蒋健
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/30
标签：臭氧论文; 滤池论文; 絮凝论文; 活性炭论文; 工艺论文; 水质论文; 污泥论文; 《防护工程》2019年8期论文;