淺談郭公莊水廠的工藝選擇

淺談郭公莊水廠的工藝選擇淺談郭公莊水廠的工藝選擇饒磊（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京100082）1、南水北調(diào)及配套工程將徹底摘掉“缺水城市”的帽子北京是中華人民共和國的首都，是全國的政治中心、文化中心，是世界著名古都和現(xiàn)代國際城市，是中央黨政軍領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)的所在地，是總?cè)丝跀?shù)量已突破1700萬的超大型城市，同時(shí)是世界上嚴(yán)重缺水的大城市之一，屬重度缺水地區(qū)。與世界大國首都和大城市相比，缺水問題十分突出。水資源的短缺已成為影響和制約首都社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。南水北調(diào)中線一期工程是徹底解決北京水資源緊缺的特大型外流域調(diào)水工程。郭公莊凈配水廠工程屬于南水北調(diào)中線工程的配套工程。水廠一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模50萬m3/d，預(yù)計(jì)2014年建成通水。該工程的實(shí)施，將緩解北京南部地區(qū)供水壓力，大大提高北京市城市供水的安全性，保障供水量并改善供水水質(zhì)，同時(shí)可置換出大量的地下水自備井用水，對(duì)涵養(yǎng)嚴(yán)重匱乏的地下水具有重大意義，可為首都社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速和可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2、郭公莊水廠水源及水質(zhì)特點(diǎn)簡(jiǎn)析郭公莊水廠水源引自長(zhǎng)江支流漢江上的丹江口水庫，經(jīng)過1277km明渠，途經(jīng)河南、河北兩省，引至北京團(tuán)城湖；再通過建設(shè)中的南干渠最終將長(zhǎng)江水送達(dá)南水北調(diào)配套工程的主力水廠—郭公莊水廠。結(jié)合丹江口水庫水質(zhì)調(diào)查結(jié)果及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）水質(zhì)指標(biāo)可以看出郭公莊水廠的水源有以下特點(diǎn)：（1）丹江口水庫原水水質(zhì)大多數(shù)指標(biāo)符合GB3838－2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)；但是部分時(shí)期總氮指標(biāo)為Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；陶岔水庫BOD5、高錳酸鹽指數(shù)超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。（2）有機(jī)物含量較低，基本達(dá)到II類水體標(biāo)準(zhǔn)；（3）南水北調(diào)中線工程對(duì)供水水質(zhì)的承諾為Ⅱ類，但原水經(jīng)過約1200km明渠及北京段長(zhǎng)度約80km暗涵長(zhǎng)距離輸送到團(tuán)城湖，途經(jīng)700多座村莊和橫跨各種大小橋梁，有可能遭到污染（甚至突發(fā)水污染），水質(zhì)情況仍具有很大不確定性。綜合上述情況，郭公莊水廠工程水源具有明顯不確定性，面臨的主要問題有：（1）原水有機(jī)物綜合指標(biāo)存在上升的可能性，水處理工藝需要提供足夠的水質(zhì)安全余量。（2）盡管由于缺乏濁度的相關(guān)數(shù)據(jù)，無法客觀評(píng)價(jià)未來水質(zhì)情況，但應(yīng)充分做好原水渾濁度增高的準(zhǔn)備。（3）藻類的去除是水處理工藝需要重視的問題。（4）原水總氮升高問題應(yīng)該充分重視，經(jīng)長(zhǎng)距離輸水后有機(jī)氮向無機(jī)氨氮的轉(zhuǎn)化是水處理工藝面臨的潛在問題。（5）長(zhǎng)距離明渠輸水可能出現(xiàn)水體污染或突發(fā)事故，包括有毒有害合成有機(jī)物的產(chǎn)生、致病微生物的侵入等，應(yīng)有應(yīng)急措施。（6）長(zhǎng)距離原水遷移引起水質(zhì)變化，需要進(jìn)一步研究。（7）水源切換后可能引起現(xiàn)況配水管網(wǎng)體系化學(xué)穩(wěn)定性的破壞，應(yīng)在凈水工藝中增加相關(guān)水質(zhì)調(diào)節(jié)措施應(yīng)對(duì)。綜上所述，郭公莊水廠水源主要水質(zhì)特征為：冬季低溫低濁，夏季可能出現(xiàn)較高藻類、有機(jī)物、色嗅味；主要控制指標(biāo)為濁度、藻類、嗅味、微生物、消毒副產(chǎn)物、有機(jī)物，同時(shí)考慮管網(wǎng)的生物穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。潛在風(fēng)險(xiǎn)包括長(zhǎng)距離輸水，低微有機(jī)污染、微生物遷移的風(fēng)險(xiǎn)；突發(fā)性原水污染的可能（沿途700多座村莊及多處交通設(shè)施）；水源切換為河北四庫水時(shí)的低堿度、高硫酸鹽問題。3、郭公莊水廠出水水質(zhì)要求隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)城市供水水質(zhì)的要求也逐漸在提高。衛(wèi)生部頒布了最新的水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)（《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749－2006）。建設(shè)部組織編制的《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》（以下簡(jiǎn)稱《水規(guī)劃》）的正式印發(fā)為我國城市供水行業(yè)在未來五年的城鎮(zhèn)供水NO.4201241技術(shù)發(fā)展提供了主攻方向?！端?guī)劃》針對(duì)供水水質(zhì)明確制訂了2010年要達(dá)到的主要目標(biāo)以及2020年的遠(yuǎn)景目標(biāo)。為促使供水發(fā)展與我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步并與國際接軌，《水規(guī)劃》選用城市供水規(guī)模、人均GDP、城市地位及其對(duì)外開放程度提出了三級(jí)水質(zhì)目標(biāo)。其中一級(jí)目標(biāo)要求供水水質(zhì)達(dá)到國際先進(jìn)水平及發(fā)達(dá)國家水平，滿足歐盟水質(zhì)指令或美國EPA飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，出廠水濁度≤0.3NTU（保證率>95%）耗氧量≤2mg/L，賈第蟲和隱孢子蟲<1個(gè)/10L。要求達(dá)到一級(jí)目標(biāo)的城市包括：直轄市、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)城市、國際旅游城市及日供水量100萬m3/d以上，或人均GDP5000美元以上的城市。北京應(yīng)按一級(jí)目標(biāo)執(zhí)行。鑒于出廠水在管網(wǎng)輸送至用戶時(shí)濁度有所增加，有研究一般可能增加0.3~0.5NTU。因此為保證供水安全，要求出廠水濁度更低，為此執(zhí)行不高于0.3NTU的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)《水規(guī)劃》標(biāo)準(zhǔn)，郭公莊水廠處理工藝選擇基本目標(biāo)總結(jié)如下：（1）確保首都供水安全，工藝技術(shù)適度超前。（2）總體達(dá)到國內(nèi)供水行業(yè)的先進(jìn)水平，出水水質(zhì)低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。（3）供水安全優(yōu)先，構(gòu)成多級(jí)屏障策略，工藝單元優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，運(yùn)行靈活經(jīng)濟(jì)合理。4、郭公莊水廠工藝方案確定4.1、分離工藝方案確定目前國內(nèi)外常見的絮凝沉淀工藝主要有折板絮凝和斜管沉淀（水力絮凝沉淀）、澄清工藝、氣浮工藝等。鑒于水力絮凝沉淀工藝具有應(yīng)對(duì)水量水質(zhì)變化能力較弱、原水高藻時(shí)處理能力不足等缺點(diǎn)，郭公莊水廠工程將重點(diǎn)放在目前較先進(jìn)的絮凝沉淀工藝進(jìn)行技術(shù)對(duì)比，主要處理構(gòu)筑物包括：機(jī)械加速澄清池、高效澄清池、脈沖澄清池、氣浮池。1）、機(jī)械加速澄清池機(jī)械加速澄清池的工作原理是利用原水中的顆粒和池中積聚的沉淀泥渣相互碰撞接觸、吸附、聚合，然后形成絮粒與水分離，使原水得到澄清的過程。澄清池綜合了混凝和分離作用，在一個(gè)池內(nèi)完成混合、絮凝、懸浮物分離等過程的凈水構(gòu)筑物。清水區(qū)設(shè)計(jì)上升流速一般采用1～2mm/s，總停留時(shí)間1.5hr。重力排泥，排泥含水率99.9%。機(jī)械加速澄清池在國內(nèi)曾得到廣泛利用，北京第九水廠、田村山水廠和門城水廠采用此種池型，也取得了很好的處理效果。2）、高效澄清池高效澄清池是高效沉淀池的一種，由混合區(qū)、絮凝區(qū)、推流區(qū)、沉淀區(qū)、后絮凝區(qū)、濃縮區(qū)、泥渣回流系統(tǒng)、剩余泥渣排放系統(tǒng)組成。運(yùn)行過程為：原水加注混凝劑后經(jīng)快速混合進(jìn)入絮凝池，并與沉淀池濃縮區(qū)的部分沉淀泥渣混合，在絮凝區(qū)加入PAM并利用螺旋槳攪拌器完成絮凝反應(yīng)。經(jīng)攪拌后的水以推流方式進(jìn)入沉淀區(qū)。在沉淀區(qū)中泥渣下沉，澄清水通過斜管區(qū)分離后并通過后絮凝，最終由集水槽收集出水。沉降的泥渣在沉淀池底部濃縮，濃縮泥渣一部分通過螺桿泵回流與原水混合，多余部分由螺桿泵排出。主要應(yīng)用案例：北京市第三水廠擴(kuò)建工程，混合時(shí)間2min，絮凝時(shí)間11min，斜板上升流速：16.2mm3/m2.h(4.5mm/s)。青島仙家寨水廠（30萬m3/d）、上海楊樹浦水廠（36萬m3/d）天津津?yàn)I水廠（50萬m3/d）等均采用上述工藝。3）、上向流炭吸附反應(yīng)澄清池上向流炭吸附反應(yīng)澄清池是一種炭和泥渣懸浮型的澄清池。利用脈沖配水方法，自動(dòng)調(diào)節(jié)懸浮層泥渣濃度的分布，進(jìn)水按一定周期充水和放水，使懸浮層泥渣交替地膨脹和收縮，增加原水顆粒與泥渣的碰撞接觸機(jī)會(huì)，從而提高澄清效果。其工作原理是：加入絮凝劑（FeCl3）和粉末活性炭的原水經(jīng)機(jī)械混合后，進(jìn)入真空室，從配水干渠經(jīng)配水支管的孔口以全斷面均勻通過泥渣懸浮層高速噴出，在穩(wěn)流板下以極短的時(shí)間進(jìn)行充分的混合和初步反應(yīng)。然后通過穩(wěn)流板整流，以緩慢速度垂直上升，在“脈沖”水流的作用下懸浮層有規(guī)律地上下運(yùn)動(dòng)，時(shí)而膨脹，時(shí)而壓縮沉淀，促進(jìn)絮凝體顆粒的進(jìn)一步碰撞、接觸和凝聚，原水顆粒通過泥、炭懸浮層的碰撞和吸附，有機(jī)物被吸附，再經(jīng)斜管組件進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)固液分離，從而使原水得到澄清。澄清水由集水槽引出，過剩泥渣則流入濃縮室、經(jīng)穿孔排泥管定時(shí)排出。主要應(yīng)用案例：天津泰達(dá)水廠三期設(shè)計(jì)規(guī)模15萬m3/d，共4座，單座處理規(guī)模3.75萬m3/d；上海羅涇水廠采用了上向流炭池＋超濾膜技術(shù)；內(nèi)蒙古包頭市飲用水廠，規(guī)模30萬m3/d；廣東永和飲用水廠規(guī)模10萬m3/d；廣東電白第二飲用水廠10萬m3/d。4）、氣浮池與沉淀原理相反，氣浮是將水中的懸浮顆粒升浮42城鎮(zhèn)供水NO.42012到水表面。氣浮依靠微小氣泡，使其粘附于已絮粒的固體顆粒礬花上，從而實(shí)現(xiàn)絮粒強(qiáng)制上浮，達(dá)到固液分離的效果。由于氣泡的重度遠(yuǎn)小于水，浮力大，能促進(jìn)絮粒迅速上浮，提高固液分離的速度。回流循環(huán)10％的氣浮池出水，通過一個(gè)汽/水飽和系統(tǒng)形成高壓溶氣水，并通過調(diào)節(jié)減壓閥使高壓溶氣水的壓力驟然減小，因而產(chǎn)生大量微小氣泡，噴射到氣浮池中，氣泡附著在絮凝顆粒上，并快速上浮至水面，形成穩(wěn)定的懸浮污泥，當(dāng)泥位到一定高度，開啟氣動(dòng)快開閥，將浮渣排出。主要應(yīng)用案例：天津芥園水廠，規(guī)模50萬m3/d，采用溶氣氣?。―AF）工藝；澳門MSR水廠規(guī)模12萬m3/d，采用氣?。瑸V；貴州清鎮(zhèn)東郊供水項(xiàng)目,規(guī)模12萬m3/d。結(jié)論：機(jī)械加速澄清池的運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，北京有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，處理效果好、適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備少、投資低，據(jù)此郭公莊水廠的分離工藝適合采用機(jī)械加速澄清池。4.2、超濾膜處理工藝的必要性1）、超濾膜處理工藝的優(yōu)勢(shì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人民生活水平日益提高，城市飲用水水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，供水保證率和供水安全度將會(huì)不斷提高，作為感官性狀、一般化學(xué)以及微生物的綜合指標(biāo)—濁度指標(biāo)日趨嚴(yán)格。2012年7月以后，凈水廠出廠水水質(zhì)將全部實(shí)施《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006，該標(biāo)準(zhǔn)將濁度限值從3NTU提高至1NTU，當(dāng)水源與凈水技術(shù)條件限制時(shí)才允許為3NTU。行業(yè)規(guī)劃《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》提出三級(jí)水質(zhì)目標(biāo)，其中一級(jí)目標(biāo)的渾濁度限值管網(wǎng)水≤0.5NTU，出廠水≤0.3NTU；二級(jí)目標(biāo)的渾濁度限值管網(wǎng)水≤1NTU，出廠水≤0.5NTU；均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。近年來國內(nèi)大中城市新建水廠出廠水濁度穩(wěn)定控制在0.5NTU以下甚至0.3NTU以下的已達(dá)到相當(dāng)?shù)谋壤?。郭公莊水廠是21世紀(jì)首都北京利用南水北調(diào)干渠來水的大型水廠，其工藝選擇的定位應(yīng)滿足供水行業(yè)規(guī)劃的一級(jí)水質(zhì)目標(biāo)，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。其中出廠水濁度要求小于0.3NTU，保證率大于95%。采用超濾處理工藝作為水廠的過濾單元，可以幾乎完全去除水中的微生物，極大地提高水的生物安全性。超濾膜膜絲約為0.01～0.1μm的平均孔徑，可有效去除賈第鞭毛蟲（5～15μm）、隱孢子蟲（3～6μm）等致病原生動(dòng)物以及細(xì)菌（μm～nm級(jí)）、病毒（nm級(jí)），并可穩(wěn)定降低水廠出水濁度，實(shí)現(xiàn)供水行業(yè)的一級(jí)水質(zhì)目標(biāo)。目前全球范圍內(nèi)采用膜處理工藝的凈水廠運(yùn)行規(guī)模于2007年已超過1000萬m3/d。多年的研究和工程實(shí)踐使其技術(shù)更加成熟、系統(tǒng)投資和成本逐年降低，運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)逐漸豐富，國內(nèi)包括佛山、天津、臺(tái)灣、澳門、東營、無錫、杭州、北京等多個(gè)水廠（總規(guī)模約100萬m3/d）超濾膜工藝的應(yīng)用為郭公莊水廠工程提供了經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。4.3、炭吸附池池型選擇及在流程中的位置確定近十年在原水水質(zhì)變化和新國標(biāo)實(shí)施等因素驅(qū)動(dòng)下，深度處理工藝的應(yīng)用得到迅速推廣，有效解決了有機(jī)物污染和色嗅味問題。但臭氧+生物活性炭工藝運(yùn)行中尚存在生物泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在我國南方，炭池生物膜脫落導(dǎo)致出水濁度升高現(xiàn)象頻出。因此，炭吸附池的形式及在水廠流程中的位置成為了郭公莊水廠工藝選擇中的其中一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。按水流方向的不同，濾床型活性炭吸附池可以分成升流及降流式。降流式既傳統(tǒng)下向流炭吸附池；升流式則根據(jù)炭床形態(tài)分為固定床及流化床兩種，目前國內(nèi)升流式炭床僅有少量應(yīng)用實(shí)例，若與本文推薦的超濾膜處理工藝聯(lián)合使用，則出現(xiàn)不同的形式組合方式，具備各自的特點(diǎn)，現(xiàn)提出對(duì)比方案如下：方案一：上向流炭池（流化床式）＋超濾膜池方案二：下向流炭池＋超濾膜池方案三：超濾膜池＋下向流炭池（濾料下部加砂層）方案一（流化床式上向流炭池）對(duì)進(jìn)水濁度要求相對(duì)較高，且在運(yùn)行和沖洗時(shí)均具有濾床膨脹特點(diǎn)，故存在炭的破碎及跑炭幾率高的問題，易對(duì)后續(xù)膜池造成污堵和劃傷；對(duì)炭的強(qiáng)度、硬度、規(guī)格要求較高；炭層膨脹率又受進(jìn)水量、水溫影響較大，交替運(yùn)行方式造成運(yùn)行管理相對(duì)復(fù)雜。北京地區(qū)亦缺乏對(duì)上向流炭池的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)目前只有很少的運(yùn)行案例。方案二（下向流炭池＋超濾膜布置方式），可有效保證出水濁度，避免炭池后置造成生物泄漏的缺點(diǎn)，膜池后可相應(yīng)增加紫外線消毒處理工藝，則可增加一道膜絲破損后生物泄漏的屏障?？刂茩C(jī)加池出水濁度在2NTU以下，可改善炭床的工作環(huán)境。城鎮(zhèn)供水NO.4201243故此，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，郭公莊水廠可選擇炭池前置于膜池的處理工藝流程，確保供水安全。為避免膜絲斷裂形成生物泄漏，在超濾膜出水側(cè)增加紫外消毒工藝，大大增加了供水安全性。4.4、消毒工藝確定消毒工藝的選擇在消毒處理工藝中氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯、氯胺、漂白粉是各水廠過去常用的殺菌消毒劑；紫外線消毒技術(shù)和臭氧消毒技術(shù)是為了適應(yīng)新的出水水質(zhì)要求而采用的消毒工藝。各種消毒工藝均有各自的優(yōu)點(diǎn)以及局限性，因此，消毒工藝的選擇需要結(jié)合具體水廠條件采用聯(lián)合消毒，做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，安全經(jīng)濟(jì)。鑒于環(huán)保及危險(xiǎn)品運(yùn)輸因素及自來水公司對(duì)次氯酸鈉較好的使用經(jīng)驗(yàn)，推薦采用次氯酸鈉；紫外消毒優(yōu)點(diǎn)明顯，同時(shí)考慮到本工藝流程為澄清池－臭氧活性炭池－膜單元，為避免膜破損時(shí)的生物泄漏風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)消毒功能推薦采用紫外消毒。綜上所述，郭公莊水廠的消毒工藝推薦使用次氯酸鈉+紫外線聯(lián)合消毒工藝。4.