超短流程工藝如何“拯救”老舊水廠
將高密度沉淀和超濾工藝結合的超短流程工藝運用在老舊水廠現狀構筑物的升級改造中，可以實現水質水量的雙重提升。河北某地表水凈水廠一期改造工程中，針對微污染水源，將傳統網格絮凝斜管沉淀池改造為氣動絮凝體外污泥回流高度沉淀池，將傳統雙閥濾池改造為重力產水超濾膜池，并采取增設粉炭，降低鋁鹽投加量，高密度沉淀池體外濃縮，超濾膜虹吸出水等優化措施。水廠改造后穩定運行2年，產水規模穩定提升25%以上，出水濁度降至0.1 NTU以下，運行成本增加約0.08~0.15元/m3水。
“常規處理+臭氧活性炭+超濾”的全流程工藝在給水處理中逐漸受到關注和應用，其中臭氧活性炭為第二代凈水工藝，可視為化學安全性方面的深度處理；超濾為第三代凈水工藝，可視為生物安全性方面的深度處理，兩者結合起來形成的“城市飲用水全面深度凈化工藝”可以有效提高產水水質。老舊水廠往往存在供水保障要求高、用地受限、投資控制等問題，難以采用全流程工藝。如何因地制宜，選擇合適的凈水流程，是老廠實現升級改造的關鍵。
本文以河北某地表凈水廠一期改造項目為例，介紹了采用高密度沉淀池和超濾結合的超短型流程，在傳統斜管沉淀池和雙閥濾池內改造，在無新增用地和不影響其他生產線的條件下，實現老水廠的提標增量。
1 改造前概況
1.1 工藝概況
該水廠一期工程建成于1989年，設計規模為10萬m3/d。凈水工藝采用管道混合-網格絮凝池-斜管沉淀池-雙閥濾池，沉淀池排泥水進入污泥系統，污泥處理采用斜板重力濃縮-帶式壓濾機，濾池的沖洗廢水進入回收池進行回收利用，見圖1。
1.2 原水及產水水質
本工程水源為引灤水，設計時（2015年）收集了3年的原水和清水水質數據，其中濁度、耗氧量數據如圖2、圖3所示。
由圖可知，原水濁度總體較低，一般為2~10 NTU。出水濁度基本能達到國標要求，可控制在1 NTU以下。而原水耗氧量較高，正常在3.5~6.5 mg/L內。產水耗氧量存在短時超標的問題，正常運行一般在2~3mg/L內波動。此外，根據現場調研，原水存在季節性藻類爆發問題，高藻期主要是在夏秋季，藻類含量在4 000~8 000萬個/L之間。
1.3 存在問題
現狀一期工藝主要存在以下問題：
（1）運行參數無法實現水量、水質需求。一期現狀斜管沉淀池設計液位負荷為9m3/（m2·h）。而《室外給水設計標準》（GB 50013-2019）規定“斜管沉淀池清水區液面負荷可采用5.0~9.0 m3/（m2·h），低溫低濁水處理液面負荷可采用3.6~7.2 m3/（m2·h）”，而本項目冬季水源為典型的北方低溫低濁水，無法實現水量水質需求。
（2）規模無法達產。一期生產線設計規模10萬m3/d，受工藝落后影響，實際生產最大能力僅為7萬~8萬m3/d，平均生產能力約為5萬m3/d。
（3）設備老化嚴重。現狀生產線已將近30年，凈水相關設備老化嚴重，已影響到產水水量和水質。
2 改造方案
2.1 改造目標
（1）通過改造將產水規模提升至規劃要求的12.5萬m3/d。
（2）通過改造提高產水水質和安全保障能力。水廠在正常運行、科學管理的前提下，出廠水水質全面達到《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006），且產水濁度小于0.1NTU。
2.2 總體思路
（1）將網格絮凝改造為氣動絮凝，將斜管沉淀池改造為污泥體外循環回流高密度沉淀池，提高混凝沉淀效果，并通過粉炭活性污泥的回流，提高有機物的去除效果。
（2）將雙閥濾池改造為超濾膜池，大大提高對顆粒物的截留能力，保障產水品質。
2.3 改造方案選擇
2.3.1 高密度沉淀池改造方案
為改善絮凝，提高沉淀池出水水質和水量，擬對現狀一期斜管沉淀池進行改造，對拆除新建和原池體改造兩個方案進行比選，見表1。
表1 沉淀池改造方案對比
方案一：拆除新建方案。拆除沉淀池，新建1座12.5萬m3/d中置式高密度沉淀池，尺寸為49.6m×25.6m，分2格。單格高密度沉淀池內設1臺污泥濃縮機，兩側各布置1座機械混合池和1座機械絮凝池，斜管分離區位于水池南北兩側，對稱布置。
方案二：原池改造方案。將現狀斜管沉淀池改造為高密度混凝沉淀池，拆除進水管上管道混合器和兩格沉淀池中央進水井，新建機械混合池；在現狀柵條絮凝區內布置穿孔管，用于曝氣絮凝；拆除現狀斜管、吸泥機及相應支架，并原位安裝新的設備。現狀沉淀池外新建污泥體外循環回流系統，將沉淀池污泥濃縮、氣提并曝氣培養后回流。沉淀池布置PAM加注系統、粉炭加注系統、曝氣絮凝鼓風機、儲泥池曝氣鼓風機。
由表1可知，原池改造方案通過增加曝氣絮凝、體外濃縮、污泥回流、PAM加注、粉炭加注及回流等措施后，從凈水效果及各項指標看，與拆除、新建1座中置式高密度沉淀池相當，而方案二具有工期短，投資省的優勢，故推薦采用原池改造方案。原池改造方案平面如圖4所示。
改造后主要參數為：混合時間50s；設計污泥回流濃度：2%~3%，回流百分比3%；斜管區上升流速：11.25mm/s；
2.3.2 超濾膜池改造方案
對拆建和原池改造兩個方案進行比選，見表2。
方案一：拆建方案，拆除砂濾池新建膜濾池。將雙閥濾池完全拆除，原址新建浸沒式超濾膜車間，包括浸沒式膜池、管廊及膜輔助系統車間等。
方案二：原池改造方案，將現狀砂濾池改造為膜濾池。保留現狀雙閥濾池池體結構，拆除進出管路、濾磚、濾料等內部設施，并進行池體加固，安裝浸沒式超濾膜及配套系統。
從表2可以發現，改造方案比拆建方案在經濟性、建設時間、建設影響等方面較優，推薦采用改造方案。濾池原池改造方案平面如圖5所示。
改造后主要參數為：膜池共12格，單格面積68.4m2；單格布置9個模組，總共108個模組；超濾設計平均通量23.6 L/m2·h，瞬時最大通量約25.6L/m2·h；膜池采用重力虹吸出水，恒水位等速過濾，采用氣動調節碟閥，恒液位控制調節閥的開啟度；超濾系統設計回收率：95%；反洗設置：反沖洗采用水泵沖洗和鼓風曝氣輔助沖洗。反沖洗周期一般為1～3h，反沖洗強度：水80L/m2·h，曝氣強度75L/m2·min。在原濾池反沖洗補充泵房設3臺反沖洗水泵，2用1備，1臺應對一側膜池。在原輔助用房設3臺羅茨鼓風機，2用1備，1臺應對一側膜池。單臺沖洗水泵流量1620 m3/h，揚程15m；單臺鼓風機風量2 700m3/min，風壓50 kPa。
2.4 凈水工藝優化措施
2.4.1 粉炭加注
為提高對小分子有機物的去除效果，擬在改造后的斜管沉淀池增加粉炭投加和回流措施。一般粉炭采用螺桿泵連續性投加，設備較復雜，磨損也相當嚴重。本工程擬在現狀沉淀池設1套粉炭加注系統，采用水射器一次性間歇投加，加注系統簡單，日常維護也比較方便。
2.4.2 降低鋁鹽使用量
長期飲用鋁含量超標的水對人體有害。我國的《生活飲用水衛生標準》（GB/T 5749-2006）規定，鋁的限值為0.2mg/L。提高混凝沉淀效果可以降低鋁鹽的投加量，從而減少飲用水中的鋁含量。
本工程采用高濃度生物活性污泥和生物粉末活性炭回流工藝，可以起到強化混凝和提高有機物去除能力的作用，在相同混凝效果的情況下，可降低鋁鹽混凝劑的加注量。
2.4.3 高密度沉淀池體外濃縮優化
本工程擬將一期斜管沉淀池改造為高密度混凝沉淀池。因受原構筑物條件限制，無法再池內設污泥濃縮系統。本次在沉淀池體外新建污泥濃縮、回流系統，并新增粉炭投加及曝氣培養設施，能夠實現高濃度粉末活性炭污泥回流。
傳統濃縮池采用重力濃縮，需新建水池且體積較大，本工程擬將調節池與濃縮池相結合，在其上部疊合儲泥池，盡量做到集約化布置，以節約用地。在調節池內布置往復式底部濃縮刮泥機和污泥氣提裝置，利用底部刮泥機高效的濃縮效果，使排泥水含固率達到3％以上，提升至儲泥池，儲存、回用。濃縮、氣提、曝氣綜合池布置見圖6。
為避免可能的污染物富集造成的負面影響，污泥濃縮回流設置排放系統，定期排除污泥至廠內污泥處理系統，更新活性污泥的同時也降低富集影響。
2.4.4 浸沒式超濾膜出水方式優化
一般浸沒式超濾膜采用水泵抽吸方式產水，抽吸泵采用容積泵或離心泵。本工程擬將現狀雙閥濾池改造為浸沒式膜濾池，現狀濾池過濾水位與清水池最高水位差為3.2m，如采用傳統泵抽吸產水方式，無法有效利用現狀水頭差，造成能量浪費。本工程采用無抽吸重力式產水方式。
2.5 總體凈水工藝流程
本項目改造總體凈水工藝流程如圖7所示。
3 運行效果
本工程于2019年建成，至今已連續穩定運行2年，主要運行指標為：
產水規模：可穩定達到12.5萬m3/d的設計規模，高峰期超產可達14萬m3/d，且應對不同水量需求可靈活調節。項目實施改造過程中二期工藝正常生產。
產水水質：產水濁度＜0.1 NTU，耗氧量＜3 mg/L。
制水成本：改造后，斜管沉淀池增加了曝氣和污泥回流的成本；超濾膜系統采用重力式產水，相比于原虹吸濾池無顯著成本增加。實際運行后產水成本較改造前增加約0.08~0.15元/m3水。
4 結論及建議
在城市老舊水廠的升級改造中，應用高密度和超濾結合的超短型流程可以有效實現老廠的提標增量。
在池體結構允許的條件下，原池改造的方式具有投資省、工期短、對現狀生產影響小的優點，適合于在老廠改造中實施
超濾的改造應盡可能利用現有水力高程，實現虹吸產水，減少建設投資和運行成本，相應運行管理的難度也會大大降低。
新版國標水質標準將嗅味物質列入強制性指標，超短型流程的應用需充分關注原水的嗅味問題。
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