淺談郭公莊水廠的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

饒磊

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 北京100082）

摘要:郭公莊水廠是南水北調(diào)水進(jìn)京后第一座接納南水并處理南水的新建給水處理廠。郭公莊水廠采用澄清、臭氧—活性炭吸附、超濾膜過濾、紫外線加次氯酸鈉消毒的處理工藝。通過對機(jī)械加速澄清池布置形式、設(shè)備選型、結(jié)構(gòu)做法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對活性炭吸附池改為炭砂濾池的工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化，使得該水廠在適應(yīng)南水北調(diào)水源、工藝單元互補(bǔ)、方便運(yùn)行管理、保證施工質(zhì)量等方面有了進(jìn)一步的提高，進(jìn)而滿足首都供水的安全和出水水質(zhì)要求。

1郭公莊水廠工程概況

郭公莊水廠隸屬于北京市南水北調(diào)配套工程，是南水北調(diào)水進(jìn)京后第一座接納南水并處理南水的水廠。郭公莊水廠以南水北調(diào)南干渠原水為水源，2014年建設(shè)規(guī)模為50萬m³/d，2020年擴(kuò)建至規(guī)模75萬m³/d，遠(yuǎn)期達(dá)到總規(guī)模100萬m³/d。

1.1南水北調(diào)中線北京段規(guī)劃總體布局

南水北調(diào)原水自河北段進(jìn)京后，經(jīng)總干渠渠首樞紐由明渠改為北拒馬河暗渠2條DN4000PCCP管道（總干渠）輸送至惠南莊泵站及大寧調(diào)壓池�？偢汕�分為加大流量、設(shè)計(jì)流量、小流量三種主要工況，當(dāng)實(shí)際過流量小于或等于小流量工況時可通過泵站旁通管重力輸送至大寧調(diào)壓池，其余工況流量原水必需經(jīng)泵站加壓至大寧調(diào)壓池。

原水輸送至大寧調(diào)壓池后再以重力流方式分為兩路，一路干渠通過2×DN3800永定河倒虹吸管及盧溝橋暗涵接2×DN4000淺埋暗挖暗涵向北經(jīng)西四環(huán)至團(tuán)城湖，為第九水廠及擬建第十水廠輸送南水北調(diào)原水，并以團(tuán)城湖水作為輸水系統(tǒng)控制高程；另一路“南干渠”通過2 m×3.8 m×3.8 m暗涵倒虹吸穿越永定河后經(jīng)2×DN3400PCCP管沿南五環(huán)敷設(shè)，近期通過南干渠為擬建郭公莊水廠供水（見圖1）。

1.2郭公莊水廠工程概況

郭公莊水廠工程主要包括三部分：引輸水管線工程、凈配水廠工程及配水管線工程。

輸水管線起點(diǎn)為南干渠郭公莊水廠分水口，采用淺埋暗挖方式沿郭公莊路向北敷設(shè)至郭公莊水廠，全長約3.8 km，管徑為DN2400，沿線穿越一次南環(huán)鐵路。

郭公莊水廠位于南四環(huán)花鄉(xiāng)橋以南約1 km處，處理規(guī)模為50萬m³/d,占地約17.02 hm²。接納的南水北調(diào)水源特點(diǎn)是：①冬季低溫低濁，夏季高藻、有機(jī)物、色臭味；②潛在風(fēng)險為低微有機(jī)污染、微生物遷移、突發(fā)性原水污染。

工藝主要控制指標(biāo)為：濁度、藻類、臭味、微生物、消毒副產(chǎn)物、有機(jī)物，管網(wǎng)的生物穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。

出水水質(zhì)目標(biāo)為：①確保首都供水安全，工藝技術(shù)適度超前；②國內(nèi)領(lǐng)先，國際先進(jìn)；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，多級屏障策略，工藝單元優(yōu)勢互補(bǔ)，運(yùn)行靈活經(jīng)濟(jì)合理。

選擇的處理工藝為：預(yù)處理（預(yù)氧化）+機(jī)械澄清+臭氧-活性炭+超濾膜+紫外線消毒，其工藝的特點(diǎn)為長流程和多級屏障（見圖2和圖3）。

配水管線起點(diǎn)為郭公莊水廠東紅線，沿規(guī)劃張新路向北敷設(shè)至南四環(huán)，與南四環(huán)現(xiàn)況DN1600管線勾連，全長約1.47 km，管徑為DN2200，沿線穿越馬草河一次。

2郭公莊水廠工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1機(jī)械加速澄清池設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1.1系統(tǒng)布置優(yōu)化

郭公莊水廠澄清工藝選用了12座直徑D=29 m機(jī)械加速澄清池，單池處理能力達(dá)到1800 m³/h。以北方地區(qū)某水廠為例，傳統(tǒng)的50萬m³/d水廠采用機(jī)械加速澄清池的布置方式為每4座機(jī)械加速澄清池為1組，共3組，每組中間設(shè)配水及排泥井1座。這種布置方式占地較大，且難以形成完全平行獨(dú)立的兩個系列（見圖4）。

郭公莊水廠的機(jī)械加速澄清池布置方式采用分成完整的兩個系列，每系列6池成對稱布置方式，每3座池中間設(shè)管廊，管廊內(nèi)直埋敷設(shè)進(jìn)水管、出水管、排泥管及放空管。每系列機(jī)械加速澄清池進(jìn)水方式為總管—支管進(jìn)水，每座池子DN1000進(jìn)水管設(shè)可調(diào)節(jié)蝶閥，用于平衡每座池子的進(jìn)水量（見圖5）。

對郭公莊水廠機(jī)械加速澄清池的進(jìn)水方式進(jìn)行了兩個方案的比選工作，即渠道進(jìn)水方式和管道進(jìn)水方式。渠道進(jìn)水理念來源于濾池的進(jìn)水方式，采用可調(diào)節(jié)配水堰實(shí)現(xiàn)均勻配水。該方式優(yōu)點(diǎn)是配水簡易、沿程損失小；缺點(diǎn)是板閘的嚴(yán)密性差，因形成密閉空間，給人員進(jìn)出檢修造成困難（見圖6）。管道進(jìn)水方式為總管—支管進(jìn)水并于支管上配置可調(diào)節(jié)蝶閥進(jìn)行配水。該方式優(yōu)點(diǎn)是配水精準(zhǔn)，蝶閥嚴(yán)密性好，管廊空間利用合理；缺點(diǎn)是沿程損失較大，浪費(fèi)水頭。

本方案在比選過程中更側(cè)重人員檢修的舒適性及可實(shí)現(xiàn)自動控制方面因素,選擇了管道進(jìn)水方式。方案在確定總管管徑過程中，分別選取不同口徑管道進(jìn)行了水力模擬計(jì)算，本著技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、具有一定挖潛性的原則，確定每系列機(jī)械加速澄清池進(jìn)水總管管徑為DN2200（見圖7）。

2.1.2結(jié)構(gòu)做法優(yōu)化

傳統(tǒng)機(jī)械加速澄清池的弧形殼體施工難度大、周期長，對施工精度要求極為嚴(yán)格，按目前施工單位的組織模式、施工精度及施工進(jìn)度要求，采用傳統(tǒng)的施工方式很難保質(zhì)保量地完成。本工程采用了先澆筑矩形盆底基座后再抹成弧形池底的方式，既降低了施工難度又保證了施工質(zhì)量（見圖8和圖9）。

2.1.3設(shè)備選型優(yōu)化

傳統(tǒng)直徑D=29 m機(jī)械加速澄清池的攪拌機(jī)提升水量的調(diào)整方式為通過調(diào)整攪拌機(jī)出水口與一、二反應(yīng)室之間隔板間距來調(diào)整提升水量，這種方式的實(shí)現(xiàn)需要清空池體后人工進(jìn)行，操作繁瑣且精準(zhǔn)度較差。傳統(tǒng)池體的刮泥機(jī)采用針齒盤傳動方式，故障率高。以北方某地區(qū)50萬m³/d水廠為例，攪拌機(jī)、刮泥機(jī)設(shè)備檢修期約為3年，按12座機(jī)加池計(jì)算，每年需要大修4座機(jī)加池。每座機(jī)加池大修期約為一周左右，因此4座全部完成檢修工作需要一個月才能完成。

郭公莊水廠工程中通過與設(shè)備中標(biāo)公司合作，第一次實(shí)現(xiàn)了在飲用水行業(yè)里直徑D=29 m的機(jī)械加速澄清池采用同軸攪拌刮泥機(jī)設(shè)備。該設(shè)備采用粗軸套細(xì)軸，雙驅(qū)動傳動的方式，刮泥機(jī)的傳動方式摒棄了針齒盤，大大降低了故障率；其水量提升采用調(diào)速方式，也實(shí)現(xiàn)了自動控制和帶水調(diào)節(jié)的功能。該設(shè)備在郭公莊水廠已經(jīng)運(yùn)行了一段時間，目前反饋效果良好（見圖8和圖9）。

2.2活性炭吸附池改為炭砂濾池

郭公莊水廠活性炭吸附池優(yōu)化改造共分兩個階段。

第一階段，郭公莊水廠設(shè)計(jì)初期考慮到超濾膜系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，在活性炭吸附池設(shè)計(jì)中綜合了砂濾池的部分運(yùn)行工況，具備后期改造成砂濾池的條件，同時在廠平面設(shè)計(jì)了跨越超濾膜系統(tǒng)的跨越管道。傳統(tǒng)活性炭吸附池的設(shè)計(jì)濾速為9～20 m/h，過濾水頭常規(guī)控制1.5 m，以水沖洗為常規(guī)沖洗方式。郭公莊水廠設(shè)計(jì)的活性炭吸附池設(shè)計(jì)濾速為8.45 m/h，過濾水頭為2 m，具備水沖洗、氣水順序沖洗、汽水聯(lián)合沖洗的三種方式。

第二階段，郭公莊水廠設(shè)計(jì)中后期通過分析大量收集來的資料、文獻(xiàn)以及進(jìn)行了中試后確定在現(xiàn)有條件下將1.8m厚度的活性炭層更換為活性炭和石英砂雙層濾料，將活性炭吸附池改為炭砂濾池。

炭砂濾池屬于雙層濾料濾池，其上層的活性炭主要起到對有機(jī)物、色、臭、味的有效去除作用，下層的砂濾料對濁度進(jìn)行有效去除，用1座炭砂濾池替代砂濾池及活性炭吸附池可以實(shí)現(xiàn)過濾及深度處理的雙重作用。

南水北調(diào)水水質(zhì)屬于準(zhǔn)Ⅱ類水體，其特點(diǎn)為冬季低溫低濁，夏季高藻，可能出現(xiàn)微污染帶來的色、臭、味等。調(diào)查表明：北方地區(qū)臭氧-活性炭主要以炭柱的孔隙吸附為主，活性炭表面難以形成生物膜，幾乎沒有生物降解作用；因此北方南水北調(diào)受水區(qū)域的給水廠在沉淀池（澄清池）后設(shè)置炭砂濾池不會出現(xiàn)由于頻繁沖洗而導(dǎo)致的生物膜脫落情況，可以使炭層及砂層充分發(fā)揮作用。

從2013年3月開始，在北京市第九水廠超濾膜中試基地內(nèi)開始進(jìn)行炭砂濾池的中試。試驗(yàn)來水模擬郭公莊水廠工藝，為九水廠一期機(jī)加池出水，通過試驗(yàn)確定一系列的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)，以指導(dǎo)和修正郭公莊水廠工程建設(shè)及運(yùn)行。試驗(yàn)通過不同粒徑的石英砂與不同形式的活性炭的組合以及不同層高的石英砂濾料與活性炭的組合測試其過濾及吸附效果；通過不同形式的沖洗工況測試雙層濾料的混摻情況及跑炭情況；通過不同形式的組合試驗(yàn)摸索合理的反沖洗周期。

通過為期約1年的中試，基本確定了郭公莊水廠炭砂濾池的一些設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)。炭砂濾料厚度：上層0.6 m炭，下層1.2 m砂；濾料規(guī)格：石英砂d10=0.95~1.05 mm，K80<1.4，煤質(zhì)柱狀活性炭∅1.5 mm，柱長度1.25～2.5 mm；沖洗方式：氣、水順序沖洗，氣沖14 L/（s·m²），水沖12 L/（s·m²）。

3結(jié)論

郭公莊水廠設(shè)計(jì)理念本著供水安全優(yōu)先，多級屏障策略，工藝單元優(yōu)勢互補(bǔ)，運(yùn)行靈活經(jīng)濟(jì)合理的方針，通過對工藝單元的設(shè)計(jì)優(yōu)化，及對單體構(gòu)筑物的組合布置形式、結(jié)構(gòu)做法、設(shè)備比選等的優(yōu)化，確保實(shí)現(xiàn)將郭公莊水廠打造成為國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的首都21世紀(jì)現(xiàn)代化給水廠的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)略

本文來源于2015年《給水排水》雜志第4期