本文通過工程實(shí)例介紹了大型水廠升級改造的理念和實(shí)踐:合理利用原有設(shè)施節(jié)省投資,在水廠布局和用地受限的條件下,既維持水廠正常生產(chǎn)(不減產(chǎn)或少減產(chǎn)),又要確保施工安全可靠,完成大型水廠的升級改造工程。
1、改造理念
?。?)采用節(jié)地型、疊合式的處理構(gòu)筑物。這是升級改造工程中的核心問題,即必須首先解決用地問題,才能使改造工程得以進(jìn)行。根據(jù)所要進(jìn)行改造工程的工藝流程和工程目標(biāo)要求,合理地、最大化地將各處理構(gòu)(建)筑物疊合建設(shè),使用地最小化,如沉淀池和清水池、濾池和清水池(接觸池)、配水井和預(yù)臭氧接觸池、中間提升和濾池及反沖洗設(shè)施、排泥水系統(tǒng)中的各種收集池、濃縮池和脫水車間及其加藥、配電等。
?。?)采用“騰籠換鳥”式,分階段實(shí)施。如何解決邊生產(chǎn)邊改造,是很多老廠改造時(shí)普遍面臨又必須妥善解決的現(xiàn)實(shí)問題。對此,需要結(jié)合水廠自身?xiàng)l件和生產(chǎn)特點(diǎn),與業(yè)主充分討論,找出生產(chǎn)改造過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),確定改造過程中的最低保證制水量,限定改造范圍,在城市供水管網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度下,有組織有應(yīng)急預(yù)案前提下采用“騰籠換鳥”的方式,分階段實(shí)施升級改造,以解決邊生產(chǎn)邊改造問題。
?。?)重新梳理各生產(chǎn)管線。水廠看不見的地下管道,是改造工程中的重要一環(huán),畢竟廠區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)都是重力流管道,各自功能不同、錯(cuò)綜復(fù)雜、密不可分,全面的梳理和統(tǒng)一的布置決定了生產(chǎn)的順暢與否。根據(jù)整體改造工程目標(biāo)與方案,一次性完成總圖管線布置,并結(jié)合改造階段步驟分步實(shí)施。
?。?)合理安排老設(shè)施、設(shè)備的改造時(shí)序。在升級改造工程的同時(shí),需要結(jié)合升級改造目標(biāo),全面分析評估老設(shè)施、設(shè)備,逐一找出問題所在,再進(jìn)行有針對性的解決方案,因地制宜,講求實(shí)效,統(tǒng)一布局,優(yōu)化整體設(shè)計(jì),合理安排改造工程時(shí)序,先建后拆,有序進(jìn)行。
(5)合理規(guī)劃智慧化改造進(jìn)程。隨著近年來BIM技術(shù)、AI技術(shù)和VR技術(shù)的不斷進(jìn)步、城市參數(shù)化水平不斷提高,水廠管理的智慧化,已成為供水行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的亮點(diǎn),構(gòu)建智慧水廠框架,在生產(chǎn)運(yùn)行、參觀學(xué)習(xí)、維護(hù)監(jiān)測、環(huán)境控制等各領(lǐng)域逐步推進(jìn)智慧化,已經(jīng)成為今后大型水廠升級改造的重點(diǎn)內(nèi)容。
2、工程實(shí)例
2.1水廠現(xiàn)狀
某城市大型水廠始建成于1958年,位于當(dāng)初的城市郊區(qū),該區(qū)現(xiàn)在已成為城市主城區(qū),四周被居民區(qū)、道路、河道所圍,無可用的新擴(kuò)建用地,即改造工程只能在現(xiàn)水廠內(nèi)部實(shí)施,并要求維持生產(chǎn)保障居民用水。水源為某運(yùn)河水系,原水經(jīng)取水泵站、增壓泵站輸送至水廠。泵站和水廠內(nèi)部都先后歷經(jīng)多次擴(kuò)容、改造,形成了現(xiàn)在水廠的2條制水系統(tǒng),即14.5萬m3/d和10.5萬m3/d制水系統(tǒng),共有3組沉淀池,3組濾池,6組清水池,2座二級泵房。另有1座原水取水泵站和1座增壓泵站,其規(guī)模都是25萬m3/d。
2.2、存在的問題
?。?)構(gòu)筑物多、設(shè)備陳舊、總圖凌亂。水廠自建成的近60年時(shí)間里,先后經(jīng)歷多次擴(kuò)容、改造,形成了現(xiàn)在多個(gè)處理構(gòu)筑物,總圖布置分散、凌亂,且多個(gè)構(gòu)筑物和很多設(shè)備都存在問題。如現(xiàn)有吸水井分為高、低水位2格吸水井,多年運(yùn)行管理實(shí)踐表明高、低水位運(yùn)行切換麻煩,節(jié)能效果也不明顯;加藥間設(shè)備陳舊需要逐一更換,其內(nèi)部布置、土建分隔亦有多處需要改造,而且現(xiàn)有工藝設(shè)備也不能滿足新增加藥劑的要求;水廠的清水池庫容僅2.2萬m3,庫容偏??;2座二級泵房和2座原水泵房內(nèi)水泵機(jī)組匹配都不合理、效率低下、自動(dòng)化程度低。
(2)現(xiàn)狀水廠處理效果差。據(jù)近幾年水質(zhì)資料統(tǒng)計(jì),現(xiàn)有10.5萬m3/d系統(tǒng)的沉后水濁度較高,最高為16.8NTU,14.5萬m3/d系統(tǒng)的沉后水濁度最高達(dá)20NTU,導(dǎo)致出廠水濁度遠(yuǎn)高于目標(biāo)值(0.1NTU),出廠水耗氧量最高為2.85~3.14mg/L,也不能滿足《某省城市供水現(xiàn)代化水廠的出廠水優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的CODMn≤2.0mg/L的要求。
?。?)水源污染。原水水質(zhì)較差,尤其冬季有機(jī)物含量較高,近年來突發(fā)性水質(zhì)污染事件時(shí)有發(fā)生。在經(jīng)過多次改造后,出水水質(zhì)和運(yùn)行效果有所改善,但耗氧量、錳仍存在超過國家標(biāo)準(zhǔn)的情況。
(4)流程反向布置?,F(xiàn)狀工藝流程是自西向東布置,而原水是從水廠東側(cè)接入,現(xiàn)狀水廠的水力流程明顯反向布置。
?。?)環(huán)保不達(dá)標(biāo)。由于歷史原因,廠區(qū)內(nèi)雨水、污水、部分生產(chǎn)排水為合流制,環(huán)保部門已經(jīng)要求限期整改。
2.3、改造目標(biāo)
?。?)改造后仍維持水廠規(guī)模25萬m3/d,出廠水泵揚(yáng)程也維持42m,改造期間保證約14.5萬m3/d供水規(guī)模。
(2)滿足出廠水幾個(gè)主要指標(biāo):CODMn≤2.0mg/L;出廠水濁度≤0.1NTU;出廠水色度≤5。
?。?)泵站改造后水泵電機(jī)機(jī)組效率達(dá)到經(jīng)常運(yùn)行區(qū)段75%以上,并滿足水廠不同季節(jié)和不同時(shí)段對原水調(diào)度的要求。
?。?)完成廠區(qū)內(nèi)雨、廢水分流,生產(chǎn)排泥水全部收集、經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放。
2.4、設(shè)計(jì)特點(diǎn)及應(yīng)用效益
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多種分析、對不同方案進(jìn)行比較、調(diào)研,并多次深入現(xiàn)場與業(yè)主討論、聽取意見,包括工藝方案的選擇、處理構(gòu)筑物形式、供水管網(wǎng)調(diào)度、應(yīng)急預(yù)案情況等等,歷經(jīng)2年多時(shí)間,最終設(shè)計(jì)推薦了“騰籠換鳥”式,分兩階段實(shí)施的改造方案,不僅整體較優(yōu),而且改造工程對水廠生產(chǎn)影響最小、安全性、施工可操作性最強(qiáng),得到業(yè)主一致認(rèn)可。主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)歸納為以下幾點(diǎn)。
2.4.1最大限度優(yōu)化整合,提升整體最優(yōu)化水平
?。?)優(yōu)化的整體升級改造方案。如前所述,在水廠現(xiàn)有場地范圍內(nèi),既要實(shí)現(xiàn)水廠改造后水質(zhì)整體提高、布局合理、水利流程順暢,同時(shí)還要提高設(shè)備與構(gòu)筑物安全可靠性,保證改造期間水廠維持14.5萬m3/d左右的供水能力,因此采取拆除水廠部分老舊設(shè)施,釋放建設(shè)空間,進(jìn)行“騰籠換鳥”式的改造是最優(yōu)選擇。經(jīng)過分析、評估,現(xiàn)有的10.5萬m3/d系統(tǒng)構(gòu)筑物已經(jīng)無再次改造的價(jià)值,綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析比較后確定全部拆除為較優(yōu)方案。以現(xiàn)狀水廠中部為界(如圖1所示),工程分為兩階段實(shí)施,一階段中,調(diào)整保留南部生產(chǎn)線,確保14.5萬m3/d規(guī)模正常生產(chǎn)前提下,在廠區(qū)北部已經(jīng)拆除的區(qū)域?qū)嵤?5萬m3/d規(guī)模的常規(guī)處理+深度處理+藥劑設(shè)施+回用水池等設(shè)施的建設(shè),在此期間的低峰供水階段,同步改造原水取水泵站、增壓泵站。
一階段,25萬m3/d主要處理設(shè)施工程占地指標(biāo)僅為0.14m3/(m2·d),遠(yuǎn)低于建設(shè)部《城市生活垃圾處理和給水與污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)》中0.3525m3/(m2·d)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了最大限度優(yōu)化整合,確保在有限用地范圍內(nèi)完成水廠的升級改造。
二階段,完成一半新系統(tǒng)供水后,再拆除南部現(xiàn)有設(shè)施,原址新建清水池、供水泵房,并改造現(xiàn)狀排泥水系統(tǒng),最后形成完整的預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理+排泥水處理25萬m3/d規(guī)模水廠。
?。?)集約化布置凈水處理的核心設(shè)施。砂濾池、活性炭池、后臭氧接觸池、中間提升泵房以及濾池反沖洗泵房、配電、管廊等合建于一體,在保證工藝流程前提下,最大程度的節(jié)省了占地,使原廠區(qū)用地?zé)o法滿足構(gòu)筑物單個(gè)布置的問題得到了有效解決,且緊湊的布局減少了構(gòu)筑物間的水頭損失,節(jié)省了長期運(yùn)行電費(fèi),節(jié)地、節(jié)電效果明顯。
?。?)重新梳理和布置各管道系統(tǒng)。在完成25萬m3/d新系統(tǒng)改造的同時(shí),重新調(diào)整排泥水、反沖洗水等管線,完成了廠區(qū)雨污分流、調(diào)整了全廠雨水系統(tǒng),解決了現(xiàn)有廠前區(qū)低洼地勢、暴雨季節(jié)嚴(yán)重倒灌的歷史遺留問題。
(4)在升級改造工程中,同步完成了自來水公司“現(xiàn)代化水廠”中對于自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的要求,為建設(shè)智慧水務(wù)做了整體考慮和預(yù)留。
2.4.2利用現(xiàn)有設(shè)施能力,節(jié)約資源、節(jié)省投資、降低成本
?。?)對正常運(yùn)行和超越運(yùn)行設(shè)多個(gè)模式,在原水水質(zhì)較好時(shí)超越運(yùn)行,減少運(yùn)行費(fèi)用。保留2座還可以利用的清水池、排泥水處理系統(tǒng),并根據(jù)實(shí)際需要完成部分改造。
?。?)水處理構(gòu)筑物合建后采用渠道連接形式,減少了水頭損失。如按沉淀池到濾池節(jié)省0.5m水頭損失計(jì),每年節(jié)約運(yùn)行電費(fèi)10萬元。
?。?)優(yōu)化排泥水系統(tǒng)改造范圍,新建回用水池,使現(xiàn)有排泥水池專門用于排泥水收集,增加和更換脫水機(jī),收集、濃縮、調(diào)節(jié)和平衡設(shè)施則不必改造。
(4)利用現(xiàn)狀水源取水泵站、增壓泵站,改造其水泵、電機(jī)等設(shè)備以及配套的電氣設(shè)備,在滿足全年多個(gè)工況條件下,經(jīng)多方案計(jì)算比較,推薦出優(yōu)化的水泵參數(shù)和變頻調(diào)速電機(jī)數(shù)量,按改造后水泵機(jī)組提高10%效率計(jì),每年節(jié)電超過400萬元。
2.5凈水工藝主要參數(shù)
新建25萬m3/d系統(tǒng)處理構(gòu)筑物的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
?。?)配水井及預(yù)臭氧接觸池。配水井和預(yù)臭氧接觸池分為2格,對應(yīng)2組12.5萬m3/d系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)均勻配水設(shè)有可調(diào)堰,預(yù)臭氧最大投加率1.0mg/L。
?。?)折板絮凝平流沉淀池。新建4座6.25萬m3/d。總絮凝時(shí)間約17min,共設(shè)3級。平流沉淀池停留時(shí)間約1.71h,水平流速17.1mm/s,出水指形槽溢流率約205.1m3/(m·d)。沉淀池出水總渠直接接砂濾池進(jìn)水渠,減少了水頭損失。
?。?)綜合濾池。包括均質(zhì)濾料砂濾池、后臭氧接觸池、活性炭吸附池以及反沖洗泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、配電間和中間提升泵房。砂濾池分為2組,每組12.5萬m3/d,5格,采用氣、水反沖洗;后臭氧接觸池設(shè)2組,每組12.5萬m3/d,臭氧接觸時(shí)間3段共計(jì)約13min,臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式,臭氧最大投加率按1.5mg/L;生物活性炭吸附池分為2組,每組12.5萬m3/d,4格,炭池厚2.1m,顆粒活性炭級配8×30目,不均勻系數(shù)1.9~2.0;炭床最小空床停留時(shí)間為12.2min,采用單氣沖結(jié)合單水沖;提升泵房、反沖洗泵房和鼓風(fēng)機(jī)房組團(tuán)設(shè)于綜合構(gòu)筑物的中部,提升泵共設(shè)2組,每組規(guī)模12.5萬m3/d。反沖洗泵房和鼓風(fēng)機(jī)房為砂濾池和活性炭濾池共用。
?。?)綜合加藥間。包括混凝劑、助凝劑、消毒劑、氫氧化鈉等在線連續(xù)投加藥劑,含原料存儲、配制、投加和控制等功能,也為將來可能的更多品種藥劑的投加作了工程預(yù)留空間。堿液、礬液采用玻璃鋼儲罐儲存,均設(shè)于加藥間室外。
(5)高錳酸鉀、粉末活性炭加注間。進(jìn)行單獨(dú)防爆設(shè)置。高錳酸鉀和粉末活性炭在水源發(fā)生污染或藻類發(fā)生情況下投加,投加點(diǎn)共2個(gè),分別投加于2組12.5萬m3/d的配水井過水堰后。
?。?)排泥水處理系統(tǒng)。利用預(yù)留的1臺離心機(jī)位置,新增離心脫水機(jī)1套,并更換1臺現(xiàn)有離心機(jī),固體負(fù)荷1000~1200kg/h。進(jìn)脫水機(jī)含固率不小于3%,脫水后污泥含固率大于30%。
3、運(yùn)行效果
自2016年6月30日建成投產(chǎn),水廠運(yùn)行可靠,處理效果良好,出廠水水質(zhì)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn),在低溫低濁期,最高出廠水濁度穩(wěn)定低于0.19NTU、耗氧量小于0.72mg/L、色度不高于5,具體水質(zhì)如表1所示。
4、結(jié)語
?。?)針對水廠原址升級改造的用地難題,通過“騰籠換鳥”的方式,合理劃分、分步實(shí)施,最大限度減少對現(xiàn)有生產(chǎn)的影響,分階段無縫銜接地完成了升級改造,實(shí)現(xiàn)了維持水廠生產(chǎn)供水的同時(shí),滿足水質(zhì)提標(biāo)、節(jié)能減排和安全可靠等多重建設(shè)目標(biāo)。
?。?)基于集約化設(shè)計(jì)和資源節(jié)約的理念,將砂濾池、炭吸附池及提升、反沖洗等多個(gè)處理構(gòu)筑物合建為一體,回用池疊合于機(jī)修、倉庫間下方,利于集中管理和節(jié)省用地,并合理共用反沖洗水泵與鼓風(fēng)機(jī),減少了購置費(fèi)用和管理節(jié)點(diǎn)。
?。?)重新梳理和優(yōu)化各種生產(chǎn)管線,確保升級改造工程整體順利實(shí)施。