供水安全与节能降耗背景下某水厂的优化设计方案

供水安全与节能降耗背景下某水厂的优化设计方案

周彪

江苏东华市政工程设计有限公司 江苏南京 210000

摘要：针对某水厂原水有机污染物、氨氮等指标偏高，在原“混凝—沉淀—过滤—消毒”常规处理工艺基础上增加预处理及深度处理工艺，可有效应对因突发情况引起的水源水质波动，提高水厂对有机污染物的去除能力，同时实现从供“合格水”向供“优质水”的转变，保证供水安全，并通过优化布置方案，达到节能降耗的目的。本文将从处理工艺、优化布置方案等方面进行相关论述，并提出最终方案，以供参考。

关键词：供水安全；节能降耗；处理工艺；设计方案

一、概况

随着我国经济与技术的不断发展，人们的生活水平与环境保护意识都得到了不断增强。城市发展，基础先行，城市发展以及人民幸福感的提高，都必须依赖于城市基础设施的完善可靠。而水是一个城市发展的战略资源，与人民日常的生产生活亦息息相关，因此，供水系统的安全与可靠直接影响着整个社会的发展与稳定。城市供水作为市政基础设施，一方面应足量可靠供水，另一方面应大力提高供水水质，满足城市供水的要求，保障经济与环境可持续发展。

某水厂是某市居民生活用水以及区域供水的主力水厂，其规划建设规模为25万m³/d，其中一期工程建设规模为10万m³/d。原水来自黄浦江上游水源地，主要由黄浦江上游某水源厂进行供水。在当前供水安全与节能降耗的发展背景下，本方案将主要针对该水厂的净水处理工艺流程、布置方案优化等方面展开论述。在此过程中充分利用当前最新的净水处理工艺流程，借鉴与本工程相关的成功案例，结合本工程的水质特点，进行方案比较，最终形成适合本工程的净水处理工艺，保证供水安全。除此之外，为了响应节能降耗的基本政策，考虑水厂的净水处理工艺中由于增设预处理及深度处理工艺而增加的水头损失及占地，通过优化布置形式，以确定最终的设计方案。

二、预处理及深度处理工艺选择

1. 预处理工艺

经过调查发现，某水厂的原水来自于黄浦江上游某水源厂，该水源厂设置了生物曝气装置以及粉末活性炭投加应急装置。原水在水源厂内通过微生物的氧化作用，降解原水中的一部分氨氮以及有机污染物，实现初步的水质净化。而粉末活性炭的投加更是能够利用活性炭的吸附功能净化水质，进一步提升原水应对突发性水污染事件的能力。在此基础上研究本方案的预处理工艺，首先应该明确预处理工艺的目的，其定位主要是提高有机污染物的去除、改善混凝效果等，除此之外还应该充分考虑增加的预处理工艺对于后续处理工艺的影响和作用。在选择预处理工艺的时候，对比了液氯、二氧化氯、高锰酸钾以及臭氧等氧化剂的水质净化与处理效果，并对比不同氧化剂的使用条件以及优缺点。经过对比发现，虽然几种氧化剂都能去除有机污染物，但除了臭氧之外的其他几种氧化剂都会对后续的处理工艺造成影响，同时臭氧预处理工艺能够满足去除藻和藻毒素、改善混凝的作用；结合后续深度处理工艺可有效去除有机物及氨氮；同时取代前加氯，减少氯消毒副产物。因此，推荐预臭氧处理工艺为水厂的预处理工艺。

2. 深度处理工艺

经过对该水厂原水水质的检测与分析能够得到其水质特征，其原水属于太湖流域水系，主要特征是有机污染物及氨氮偏高，其中的小分子有机物含量能够达到50%以上，因此，该水厂使用常规净水处理工艺进行处理不能满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求，尤其是在耗氧量方面，更是存在较大的差异。针对以上工程特点，并借鉴周边多个水厂的实际工程案例以及处理效果，经过对比发现，使用臭氧-生物活性炭技术不仅能够达到臭氧氧化的效果，同时还能够发挥活性炭的生物降解及吸附功能，臭氧－生物活性炭法是在活性炭滤池之前投加臭氧，并在臭氧接触反应池中进行臭氧接触氧化反应，使水中有机污染物氧化降解，其中一小部分变成最终产物CO₂和H₂O从水中除去，从而减轻炭滤床的有机负荷。

活性炭一方面吸附去除臭氧氧化生成的低分子量有机物；另一方面利用臭氧的供氧作用，使活性炭滤床处于富氧状态，好氧微生物在活性炭颗粒表面繁殖生长并形成生物膜或微生物群落，通过生物吸附和氧化降解等作用，显著提高了活性炭去除有机物的能力。

炭床中存在着活性炭吸附和微生物的降解作用，使活性炭对水中溶解性有机物的累积吸附负荷大大超过只根据吸附等温线所预计的吸附负荷，从而延长了活性炭的工作周期，减少运行费用。该净水处理工艺在实际的应用过程中还能够有效改善水的致突变性能，研究人员为了验证该工艺技术对水质的改善现象，具体调查了上海周家渡水厂的臭氧活性炭处理情况，发现增加臭氧投加量的时候，就能够将致突变试验呈较强阳性的原水处理到呈阴性。除此之外，经过生物活性炭的净水处理之后，原水中的可生化有机碳含量明显降低，进一步提高了出厂水的生物稳定性，减少了出水管网的二次污染，提高了净水设备的使用效率。正是由于臭氧—生物活性炭工艺具有以上优点，该工艺在水处理行业得到了日益广泛的应用。因此，本方案推荐采用臭氧—生物活性炭工艺为深度处理工艺。

三、深度处理工艺设计方案

1. 布置形式

经过对国内几座规模较大水厂处理工艺以及布置方案的调查发现，当前使用臭氧-生物活性炭工艺的布置形式分为两种，分别为前置与后置两种不同的形式。其中后置布置形式一般设置臭氧接触氧化池与生物活性炭滤池，并将其设置在砂滤池之后。与该水厂的实际情况结合考虑之后，可以将臭氧生物活性炭接纳砂滤池出水。经过常规处理后，深度处理进水有机污染物含量将大幅降低，因此，后置布置形式不仅能够降低处理的负荷，同时还能够提高处理的效果。在运行的过程中，应尽量保持较长的运行周期，同时控制其冲洗周期大于5d，日常则尽量降低其冲洗的频率，这样就能够有效延长活性炭滤料的使用寿命，进一步降低水厂的长期运行成本，实现节能降耗。

除了后置布置形式之外，还有前置布置形式。该形式是将臭氧接触氧化池与生物活性炭滤池布置在沉淀池和砂滤池之间。这样，臭氧接触池进水将来自于沉淀池，其浊度一般能够被控制在1. 0 NTU 。此时，深度处理进水有机污染物含量较高，势必增强后续深度处理工艺的处理负荷，再加上进水未经过滤工艺，具有较高的浊度，导致其冲洗的频率提高，如此频繁的冲洗就会降低工艺与材料的使用寿命，同时增加水厂运行管理的成本，与节能降耗的目标相悖。

经过以上两种不同布置形式的对比分析可知，后置布置形式可降低活性炭滤池的处理负荷，提高设备使用的寿命，降低水厂长期运行的成本，并节能降耗。因此，推荐后置布置形式。

2. 设计参数

在方案设计过程中，将后臭氧接触池设置为独立运行的2格，臭氧最大投加量为2. 0 mg/L，同时其投加量可按设定值调节，控制其接触反应时间为12 min，并将后臭氧接触池每格分为3个接触室，按照2 :1 :1的时间比例进行设置。其次，在选择布气装置的时候利用微孔扩散接触器，出水余臭氧控制在0.1mg/L。后臭氧接触池池体采用全封闭设计，并在池顶设置臭氧尾气破坏装置，实现尾气处理，有效保护生态环境。

活性炭滤池的设计滤速为12 m/h，分为8格，单格过滤面积58m²，上向流，炭层接触时间12.5min，活性炭层厚度为2.5m，承托层厚度为0.45m。采用双排布置，中间设置管廊。滤料采用单层颗粒活性炭，水浸湿颗粒密度<1.4g/cm³，最小粒径0.45mm，最大粒径0.70mm，不均匀系数1.35，有效粒径d₁₀=0.48mm，d₈₀=0.65mm，铺设滤料时应比设计厚度高50～100mm以便用水冲洗筛分后刮去表层小颗粒。承托层采用砾石粒径为2～16mm，由下至上分别为：8～16mm，厚度为90mm；4～8mm，厚度为90mm；2～4mm，厚度为90mm；4～8mm，厚度为90mm；8～16mm，厚度为90mm。炭滤池采用气反冲洗方式，强度为15L/m².s。每格滤池安装气动阀门，同时在全封闭环境中设置观察透气窗，保障净水的安全性。除此之外，在实际的运行过程中，由于生物膜在使用过程中会出现老化脱落的现象，进而导致活性炭滤池的出水浊度高于砂滤池。再加上冲洗运行初期活性炭的使用将会增加原水微生物的总量，如果此时消毒处理不当就会导致水体微生物含量超标。为保证供水的安全性与稳定性，应加强生物泄漏风险的控制与管理，在出水渠中增设泄露微粒截留网，这样就能够降低出水浊度，更好地保障处理效果。

四、优化布置方案

根据现场实际情况，确定清水池的最高水位为5. 2 m，通过水力计算可知，预臭氧接触池的进水水位标高为10. 6 m，此时将会出现5.4 m的水头损失，而一般处理工艺的水头损失仅为3. 5 m。为减少深度处理构筑物的埋深，一般在净水常规处理工艺之后再增设一个提升泵房，经过常规处理的水通过中间提升泵房之后再进入臭氧接触池与活性炭滤池。以上方案虽能满足工艺需求，但设置中间提升泵房，一方面增加了运行能耗，另一方面需要更大的占地面积。通过调研及查阅相关资料发现，目前叠合沉淀池的设计方案可有效解决上诉问题。

沉淀池的叠合设计方案能够有效利用重力流的建设原理设置全厂的净水设施。由于沉淀池和清水池都是水厂建设中占地面积较大的构筑物，而沉淀池的叠合设计就能够有效节约土地资源。在设计的过程中，如果将清水池下叠在沉淀池下，则可以减少一部分水头损失，有效避免二次提升。经过以上设计方案的综合对比，推荐采用叠合沉淀池的设计方案，不仅能够节约土地资源，降低项目的总投资，并且能够减少水厂的长期运行费用，实现节能降耗。

结束语：

综上所述，随着经济与技术的不断发展，人们的环境意识也逐渐增强，国家更是积极倡导建设资源节约型以及环境友好型社会，各水厂则应该响应国家的号召，分析自身的发展建设需求，吸取成功案例的经验，不断优化净水处理工艺，从处理工艺、布置形式等多方面进行考虑，优化水厂的净水处理工艺与设计方案，实现节能降耗，促进经济与环境的和谐发展。

参考文献：

[1]徐红仙, 朱延平, 吴霖璟,等. 基于水质优化与节能降耗的水厂工艺方案设计[J]. 净水技术, 2020, v.39;No.219(05):41-46.

[2]娄红波. 自来水厂节能降耗的优化技术探究[J]. 工业C, 2015(58):78-78.

[3]罗招贵,张百敏,李哲.净水厂水处理工艺中沉淀过滤的自动控制[J]. 可编程控制器与工厂自动化. 2012(11)