北方某开发区净水厂工艺设计问题探讨

王建西

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司， 天津 3000381)

1 水厂概况

北方某开发区位于环渤海地区，现有工业企业70多家，人口5万余人，工业以海盐、氯碱、纯碱、化纤、有机硅等产品为主，具明显的海洋工业特征，是当地政府“以港兴市”战略的重要组成部分。

该开发区净水厂(以下简称开发区净水厂)建成以前，开发区内的生产生活用水依靠分散在区内的8眼水井。供水方式为分散直供，无处理设施，也未进行消毒。单眼水井的出水量在30～80 m3/h，总供水量约为1×104m3/d。由于井水为浅层地下水，含细沙，硬度高，易结垢，且受到不同程度污染，不能满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。净水厂以水库水为水源，设计规模为4×104m3/d，规划分两期实施，一、二期各为2×104m3/d。净水厂总平面按一期布置，预留了二期用地。

考虑水厂自用水量，一期工程构筑物处理能力按2.2×104m3/d设计，2014年底建成运行至今。水厂供水量逐年大幅增长， 2015年为(0.8～1.0)×104m3/d，2016年为(1.0～1.2)×104m3/d，2017年为(1.2～1.5)×104m3/d。实际运行中发现，当城市需水量在2017年末、2018年初增长至1.5×104m3/d左右，构筑物处理能力却无法继续增长。超过该供水量时，不但斜管沉淀池矾花大量上浮，很快堵塞翻板滤池(砂滤池)，而且臭氧接触池池顶冒水，系统不能正常运行。虽然进行了检修，但是改善效果不大。

目前用水量已接近水厂实际处理能力的极限，且作为当地唯一水源，水厂难以停产改造。因此对问题进行分析，以期找出原因并提出切实可行的解决办法。

2 一期工程设计参数

一期工程采用常规处理+深度处理+污泥处理工艺，流程见图1。常规处理工艺采用机械絮凝、上向流斜管沉淀、翻板滤池(石英砂滤料)过滤，构筑物位于主净水间内。深度处理构筑物包括中间提升泵房、臭氧接触池和活性炭滤池(翻板滤池形式)。翻板滤池和活性炭滤池共用1套反冲洗系统。污泥处理系统主要由排泥池、污泥浓缩池、污泥脱水机房组成，污泥采用离心脱水。

图1 水厂工艺流程Fig.1 Flow chart of the waterworks

2.1 絮凝沉淀池

2.1.1 混合池

采用立轴式机械混合搅拌机，JWH-1.2×1.2×4.95，双层桨叶，共2套(5.5 kW/套)，变频调速。

2.1.2 反应池

絮凝反应区设计停留时间为17.5 min，分为2个反应区，一级、二级和三级反应均采用2套LJF-2875立轴式机械反应搅拌机，单层全高桨板，变频调速，其中：一级反应，0.55 kW/套，边缘线速度为0.5 m/s；二级反应，0.37 kW/套，边缘线速度为0.35 m/s；三级反应，0.18 kW/套，边缘线速度为0.2 m/s。

2.1.3 斜管沉淀池

沉淀区设计表面负荷为6.74 m3/(m2·h)。斜管安装角度为60°，材质为乙丙共聚，外接圆直径为50 mm。采用桁架式吸泥机，轨距为10.45 m，池深为4.65 m。进水采用配水花墙，出水槽采用不锈钢三角堰。

2.2 翻板滤池

一期工程采用翻板滤池工艺。翻板滤池共分3格，单格过滤面积为40 m2。滤池总高度为4.65 m，承托层厚度为0.40 m，石英砂层厚度为1.3 m，配水配气区高1.15 m。石英砂粒径为0.6～1.2 mm，K80<1.30。最大滤速为7.67 m/h，最大强制滤速为11.5 m/h。气冲强度为13.3 L/(m2·s)，气水联合冲洗时水冲强度为5.45 L/(m2·s)，单独水冲强度为10.9 L/(m2·s)。配水采用拱形(面包管)布水布气系统。

2.3 臭氧接触池和活性炭滤池

臭氧接触池设计2套系统并联运行，每套系统设计三级投加，并设置接触填料层。一级、二级采用给水用焦炭填料，粒径为4～6 mm；三级采用活性炭填料，粒径为4～6 mm。臭氧接触池的设计接触时间为16.3 min，填料高度为1.5 m。

生物活性炭滤池采用翻板滤池形式，活性炭粒径为0.9～1.1 mm，厚度为3 m。活性炭填料下敷石英砂，粒径在0.6～1.2 mm，厚度为0.4 m。卵石垫层厚度为0.25 m。活性炭池分为4格，单格过滤面积为20 m2，滤速为11.45 m/h，接触时间为15.7 min。

一期工程运行以来原水水质较好，基本达到Ⅱ类水质标准，浊度最大值为9 NTU。夏季原水为微污染水质，最高COD为9 mg/L。水厂出水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。

3 存在的问题分析

3.1 上向流斜管沉淀池

上向流斜管沉淀池的优点是沉淀效率高、占地小、投资省，其缺点是对水质水量变化的适应能力较差，对配水、出水条件要求较为苛刻，表面负荷率、配水、出水条件是设计时应重点把握的因素。

水质因素与矾花上浮现象关系不大[1]，只要药剂投加量恰当，原水水质的变化不会影响沉淀池出水水质。水量的变化(即水力条件的变化)是影响出水水质的关键因素。

水库水在夏季通常会有藻类产生，但该水厂实际运行中原水藻类并不严重，而且矾花上浮严重的现象在不同季节均有发生。此外，同一城市内也采用斜管沉淀池的其他水厂，并无该现象发生。因此可以认为，矾花上浮与季节及水质变化关系不大，仅与处理水量增加有关。

3.1.1 表面负荷率

表面负荷率是上向流斜管沉淀池的重要设计参数之一，应按相似条件下的运行经验确定。《室外给水设计规范》中此参数为5～9 m3/(m2·h)[2]，北方寒冷地区宜取低值。《低温低浊水给水处理设计规范》采用5.4～7.2 m3/(m2·h)。

该水厂上向流斜管沉淀池的设计表面负荷为6.74 m3/(m2·h)。斜管下方设计有纵横2道共4道、宽度为300 mm的托架梁，用螺纹钢筋网搭在托架梁以支撑斜管。除托架量所占面积外，实际表面负荷率为7.8 m3/(m2·h)。经了解，当地有水厂也采用上向流斜管沉淀池，表面负荷率为7.6 m3/(m2·h)，运行十余年的出水效果始终很好。两者的实际表面负荷率相近，因此可以认为斜管形式适宜应用于当地原水水质。

3.1.2 出水条件

该水厂采用不锈钢集水槽，锯齿堰出水。单座沉淀池设置5条集水槽，集水槽间距为1.50 m，清水区高度为0.97 m。

参考净水厂设计[3]，按集水槽间距1.5 m计算，清水区高度应不小于1.3 m。《室外给水设计规范》规定斜管沉淀池清水区保护高度不宜小于1.0 m[2]。实际工程中也有清水区高度较小，出水水质依然较好的案例。因此开发区净水厂斜管沉淀池清水区保护高度虽然略小，但与规范相比并不离谱，出水槽平整度尚可，可以认为其不是造成矾花上浮的主要因素。

3.1.3 配水条件

上向流斜管沉淀池抗冲击负荷的能力只有平流沉淀池的十分之一到三分之一。上向流斜管沉淀池的进水区只占总容积的三分之一左右，因此进水口配水是否均匀和稳定对其的影响要远远大于对平流沉淀池[4]。

根据相关规范和设计指南：沉淀池“配水区的高度一般应保持进口断面处(不包括集泥高度)的流速不大于0.02～0.05 m/s”、配水花墙“穿孔流速规定不超过反应池末端的反应流速，一般在0.10 m/s以下”[3]；沉淀池配水花墙“穿孔流速小于0.08～0.10 m/s”[5]；平流沉淀池水平流速不大于40 cm/min(6.67 mm/s)，配水花墙开孔率标准为6%，按此计算得到过孔流速不大于0.11 m/s[6]。

惠州市某水厂斜管沉淀池出现矾花上浮现象[7]，采取多种措施进行改造后，配水花墙过孔流速在0.096 m/s以下，最终实现了满意的出水效果。

大连市某净水厂规模为40×104m3/d，其斜管沉淀池配水区穿孔流速为0.09 m/s，沉淀池出水浊度小于2 NTU，出厂水浊度在0.2～0.3 NTU，水质优良。

开发区净水厂沉淀池配水花墙孔口直径为100 mm，单侧开孔3层共57个，计算满负荷时过孔流速为0.28 m/s，一半负荷时过孔流速为0.14 m/s。过大的孔口流速不仅影响配水的稳定性，还会将絮凝阶段已经形成的较大的矾花打碎，成为难以沉降的细小絮体，是造成沉淀池矾花上浮的根本原因。

3.2 翻板滤池

开发区净水厂砂滤池和活性炭滤池均为下向流翻板滤池。翻板滤池闭阀冲洗，冲洗完毕后经过短暂静沉再开阀排水，因而没有滤料流失，但也存在诸如翻板下的反冲洗废水无法彻底排放、反冲洗后进水使滤料产生扰动等问题。

该水厂在实际运行中，翻板滤池出现冲洗不匀现象，清池检修发现是滤料颗粒进入面包管内堵塞造成。堵塞频发，虽经多次清池维修，但改善不大。砂滤池和活性炭滤池均有堵塞现象，尤以砂滤池较为严重。面包管堵塞一方面使滤水困难，另一方面造成反冲洗不均匀。

翻板滤池采用PE材质的面包管作为配水、配气系统。面包管上方有一排直径为1.5 mm的开孔，拱脚处左右各有一排直径为3.5 mm的开孔，用于反冲洗的布气和布水。

与其它滤池不同，翻板滤池的承托层一般采用“粗-细-粗”的砾石分层方式。上层粗砾石防止中层细砾石在反冲洗过程中向上移动，中层细砾石防止滤料流失，下层粗砾石则支撑中层细砾石。通常情况下承托层厚度为0.45 m，分5层，粒径级配布置由下至上依次为：8～16 mm，厚度为250 mm；4～8 mm，厚度为50 mm；2～4 mm，厚度为50 mm；4～8 mm，厚度为50 mm；8～16 mm，厚度为50 mm。江苏省某县10×104m3/d水厂翻板滤池即采用相同的设计。

也有采用两层设计的，例如哈尔滨磨盘山水厂和深圳市宝安区福永凤凰水厂。其中哈尔滨磨盘山水厂采用翻板滤池[8]，滤料和承托层如下：双层滤料层厚度为1.5 m，上层无烟煤粒径为1.4～2.5 mm，厚度为0.7 m；下层石英砂粒径为0.7～1.2 mm，厚度为0.8 m；卵石滤料承托层中粒径3～5 mm的厚度为0.20 m，粒径8～12 mm的厚度为0.25 m。水厂于2006年底投入运行，效果良好，水质优良。

深圳市宝安区福永凤凰水厂使用翻板滤池[9]，设计采用双层滤料，上层无烟煤滤料厚度为0.7 m，下层石英砂厚为0.8 m，L/d有效=1.52。无烟煤：d=1.4～2.5 mm，k60<1.50；石英砂：d=0.8～1.2 mm，d10=0.70～0.75 mm，k60≤1.45。砾石承托层厚度为0.45 m，自上而下采用由细到粗的分层布置方式，细砾石d=3.0～5.6 mm，粗砾石d=8.0～12.0 mm。

开发区净水厂翻板砂滤池和翻板活性炭滤池承托层设计厚度分别为0.40和0.35 m。滤料采用石英砂均质滤料，标准有效粒径为0.6～1.2 mm，K80≤1.3。

因此，分析认为面包管易堵塞的原因在于承托层厚度不足，且粒径、级配和分层不当，运行中使大量颗粒物进入面包管内，在过滤过程中堵塞出水，反冲洗时又反向堵塞。活性炭滤池的设计与砂滤池相似，堵塞原因亦类似。

3.3 臭氧接触池

臭氧接触池和生物活性炭滤池集臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解于一体，用以去除水中微量的有机污染物。

该水厂臭氧接触池不能满负荷运行，当水量在60%以上负荷(约1.2×104m3/d)时就会从池顶双向呼吸阀处冒水。臭氧接触池设计接触时间为16.3 min，池内装填有3层焦炭、活性炭填料，总厚度为1.5 m。运行时池顶冒水，说明设计时对于填料的水头损失计算有误或估计不足。

此外，净水厂还存在一些其它问题，例如：加氯加药无自动控制投加，在线显示仪表设计不全；浓缩池设计无排空管；反冲洗时清水池液位低于2 m时不能反冲洗(现已改造)；排水池容积较小，反冲洗排水时常冒水等。

4 解决措施探讨

4.1 关于絮凝沉淀池

① 针对北方水库水冬季低温低浊的特点，应合理选用和投加絮凝剂、助凝剂，适量增加泥渣回流，改善絮凝条件。

② 改造沉淀池配水孔，增大孔口面积，降低过孔流速至0.10 m/s以下，以改善配水水力条件，保证形成的矾花不被打碎。

③ 适当增大清水区保护高度和配水区高度，使之符合规范要求，以改善沉淀池出水、配水和沉泥等水力条件。

④ 改造斜管的大梁支撑，例如可改为工程上常用的钢板网支撑。钢板厚度约为5～8 mm，宽度约为300 mm，间距约为500 mm。采用钢板网支撑既可增加沉淀面积，又有助于改善斜管泥渣沉淀条件。

⑤ 增加放空管及阀门设计，改善沉淀池维护条件。

4.2 关于翻板滤池

针对翻板滤池，建议承托层采用“粗-细-粗”的砾石分层方式，或采用其它效果较好的方式，承托层采用合理的粒径、级配和厚度。

4.3 臭氧接触池

臭氧氧化的作用在于杀灭水中的细菌、病毒，氧化微量有机物质(例如苯酚、洗涤剂、农药和生物难降解有机物等)，增加溶解氧，从而有利于后继生物活性炭上好氧微生物的生长。因此，建议取消臭氧接触池全部现有填料层，取消后不会对臭氧作用的发挥产生不利影响，例如江苏省某县10×104m3/d水厂、河北省某县南水北调5×104m3/d水厂项目中的臭氧接触池都未使用填料。

5 结语

在进行水厂设计时，需要针对上向流斜管沉淀池的弱点采取必要的工程措施，并根据翻版滤池配水系统的特点实施必要的技术措施，细致准确进行构筑物的水力流程计算，在细节方面考虑周全。从而避免水厂实际处理能力达不到设计能力的问题，使水厂能够持续满足城市供水量增长的需求。