超大型水厂原址升级改造案例分析
本文通过工程实例介绍了大型水厂升级改造的理念和实践：合理利用原有设施节省投资，在水厂布局和用地受限的条件下，既维持水厂正常生产(不减产或少减产)，又要确保施工安全可靠，完成大型水厂的升级改造工程。
1改造理念
(1)采用节地型、叠合式的处理构筑物。这是升级改造工程中的核心问题，即必须首先解决用地问题，才能使改造工程得以进行。根据所要进行改造工程的工艺流程和工程目标要求，合理地、最大化地将各处理构(建)筑物叠合建设，使用地最小化，如沉淀池和清水池、滤池和清水池(接触池)、配水井和预臭氧接触池、中间提升和滤池及反冲洗设施、排泥水系统中的各种收集池、浓缩池和脱水车间及其加药、配电等。
(2)采用“腾笼换鸟”式，分阶段实施。如何解决边生产边改造，是很多老厂改造时普遍面临又必须妥善解决的现实问题。对此，需要结合水厂自身条件和生产特点，与业主充分讨论，找出生产改造过程的关键节点，确定改造过程中的最低保证制水量，限定改造范围，在城市供水管网协调调度下，有组织有应急预案前提下采用“腾笼换鸟”的方式，分阶段实施升级改造，以解决边生产边改造问题。
(3)重新梳理各生产管线。水厂看不见的地下管道，是改造工程中的重要一环，毕竟厂区内绝大多数都是重力流管道，各自功能不同、错综复杂、密不可分，全面的梳理和统一的布置决定了生产的顺畅与否。根据整体改造工程目标与方案，一次性完成总图管线布置，并结合改造阶段步骤分步实施。
(4)合理安排老设施、设备的改造时序。在升级改造工程的同时，需要结合升级改造目标，全面分析评估老设施、设备，逐一找出问题所在，再进行有针对性的解决方案，因地制宜，讲求实效，统一布局，优化整体设计，合理安排改造工程时序，先建后拆，有序进行。
(5)合理规划智慧化改造进程。随着近年来BIM技术、AI技术和VR技术的不断进步、城市参数化水平不断提高，水厂管理的智慧化，已成为供水行业技术进步的亮点，构建智慧水厂框架，在生产运行、参观学习、维护监测、环境控制等各领域逐步推进智慧化，已经成为今后大型水厂升级改造的重点内容。
2工程实例
2.1水厂现状
某城市大型水厂始建成于1958年，位于当初的城市郊区，该区现在已成为城市主城区，四周被居民区、道路、河道所围，无可用的新扩建用地，即改造工程只能在现水厂内部实施，并要求维持生产保障居民用水。水源为某运河水系，原水经取水泵站、增压泵站输送至水厂。泵站和水厂内部都先后历经多次扩容、改造，形成了现在水厂的2条制水系统，即14.5万m3/d和10.5万m3/d制水系统，共有3组沉淀池，3组滤池，6组清水池，2座二级泵房。另有1座原水取水泵站和1座增压泵站,其规模都是25万m3/d。
2.2存在的问题
(1)构筑物多、设备陈旧、总图凌乱。水厂自建成的近60年时间里，先后经历多次扩容、改造，形成了现在多个处理构筑物，总图布置分散、凌乱，且多个构筑物和很多设备都存在问题。如现有吸水井分为高、低水位2格吸水井，多年运行管理实践表明高、低水位运行切换麻烦，节能效果也不明显;加药间设备陈旧需要逐一更换，其内部布置、土建分隔亦有多处需要改造，而且现有工艺设备也不能满足新增加药剂的要求;水厂的清水池库容仅2.2万m3，库容偏小;2座二级泵房和2座原水泵房内水泵机组匹配都不合理、效率低下、自动化程度低。
(2)现状水厂处理效果差。据近几年水质资料统计，现有10.5万m3/d系统的沉后水浊度较高，最高为16.8NTU，14.5万m3/d系统的沉后水浊度最高达20NTU，导致出厂水浊度远高于目标值(0.1NTU)，出厂水耗氧量最高为2.85～3.14mg/L，也不能满足《某省城市供水现代化水厂的出厂水优质标准》中规定的CODMn≤2.0mg/L的要求。
(3)水源污染。原水水质较差，尤其冬季有机物含量较高，近年来突发性水质污染事件时有发生。在经过多次改造后，出水水质和运行效果有所改善，但耗氧量、锰仍存在超过国家标准的情况。
(4)流程反向布置。现状工艺流程是自西向东布置，而原水是从水厂东侧接入，现状水厂的水力流程明显反向布置。
(5)环保不达标。由于历史原因，厂区内雨水、污水、部分生产排水为合流制，环保部门已经要求限期整改。
2.3改造目标
(1)改造后仍维持水厂规模25万m3/d，出厂水泵扬程也维持42m，改造期间保证约14.5万m3/d供水规模。
(2)满足出厂水几个主要指标：CODMn≤2.0mg/L;出厂水浊度≤0.1NTU;出厂水色度≤5。
(3)泵站改造后水泵电机机组效率达到经常运行区段75%以上，并满足水厂不同季节和不同时段对原水调度的要求。
(4)完成厂区内雨、废水分流，生产排泥水全部收集、经处理后达标排放。
2.4设计特点及应用效益
设计团队经过多种分析、对不同方案进行比较、调研，并多次深入现场与业主讨论、听取意见，包括工艺方案的选择、处理构筑物形式、供水管网调度、应急预案情况等等，历经2年多时间，最终设计推荐了“腾笼换鸟”式，分两阶段实施的改造方案，不仅整体较优，而且改造工程对水厂生产影响最小、安全性、施工可操作性最强，得到业主一致认可。主要设计特点归纳为以下几点。
2.4.1最大限度优化整合，提升整体最优化水平
(1)优化的整体升级改造方案。如前所述，在水厂现有场地范围内，既要实现水厂改造后水质整体提高、布局合理、水利流程顺畅，同时还要提高设备与构筑物安全可靠性，保证改造期间水厂维持14.5万m3/d左右的供水能力，因此采取拆除水厂部分老旧设施，释放建设空间，进行“腾笼换鸟”式的改造是最优选择。经过分析、评估，现有的10.5万m3/d系统构筑物已经无再次改造的价值，综合技术、经济分析比较后确定全部拆除为较优方案。以现状水厂中部为界(如图1所示)，工程分为两阶段实施，一阶段中，调整保留南部生产线，确保14.5万m3/d规模正常生产前提下，在厂区北部已经拆除的区域实施25万m3/d规模的常规处理+深度处理+药剂设施+回用水池等设施的建设，在此期间的低峰供水阶段，同步改造原水取水泵站、增压泵站。
一阶段，25万m3/d主要处理设施工程占地指标仅为0.14m3/(m2˙d)，远低于建设部《城市生活垃圾处理和给水与污水处理工程项目建设用地指标》中0.3525m3/(m2˙d)指标，实现了最大限度优化整合，确保在有限用地范围内完成水厂的升级改造。
二阶段，完成一半新系统供水后，再拆除南部现有设施，原址新建清水池、供水泵房，并改造现状排泥水系统，最后形成完整的预处理+常规处理+深度处理+排泥水处理25万m3/d规模水厂。
(2)集约化布置净水处理的核心设施。砂滤池、活性炭池、后臭氧接触池、中间提升泵房以及滤池反冲洗泵房、配电、管廊等合建于一体，在保证工艺流程前提下，最大程度的节省了占地，使原厂区用地无法满足构筑物单个布置的问题得到了有效解决，且紧凑的布局减少了构筑物间的水头损失，节省了长期运行电费，节地、节电效果明显。
(3)重新梳理和布置各管道系统。在完成25万m3/d新系统改造的同时，重新调整排泥水、反冲洗水等管线，完成了厂区雨污分流、调整了全厂雨水系统，解决了现有厂前区低洼地势、暴雨季节严重倒灌的历史遗留问题。
(4)在升级改造工程中，同步完成了自来水公司“现代化水厂”中对于自动化标准的要求，为建设智慧水务做了整体考虑和预留。
2.4.2利用现有设施能力，节约资源、节省投资、降低成本
(1)对正常运行和超越运行设多个模式，在原水水质较好时超越运行，减少运行费用。保留2座还可以利用的清水池、排泥水处理系统，并根据实际需要完成部分改造。
(2)水处理构筑物合建后采用渠道连接形式，减少了水头损失。如按沉淀池到滤池节省0.5m水头损失计，每年节约运行电费10万元。
(3)优化排泥水系统改造范围，新建回用水池，使现有排泥水池专门用于排泥水收集，增加和更换脱水机，收集、浓缩、调节和平衡设施则不必改造。
(4)利用现状水源取水泵站、增压泵站，改造其水泵、电机等设备以及配套的电气设备，在满足全年多个工况条件下，经多方案计算比较，推荐出优化的水泵参数和变频调速电机数量,按改造后水泵机组提高10%效率计，每年节电超过400万元。
2.5净水工艺主要参数
新建25万m3/d系统处理构筑物的主要设计参数如下：
(1)配水井及预臭氧接触池。配水井和预臭氧接触池分为2格，对应2组12.5万m3/d系统，为实现均匀配水设有可调堰，预臭氧最大投加率1.0mg/L。
(2)折板絮凝平流沉淀池。新建4座6.25万m3/d。总絮凝时间约17min，共设3级。平流沉淀池停留时间约1.71h，水平流速17.1mm/s，出水指形槽溢流率约205.1m3/(m˙d)。沉淀池出水总渠直接接砂滤池进水渠，减少了水头损失。
(3)综合滤池。包括均质滤料砂滤池、后臭氧接触池、活性炭吸附池以及反冲洗泵房、鼓风机房、配电间和中间提升泵房。砂滤池分为2组，每组12.5万m3/d，5格，采用气、水反冲洗;后臭氧接触池设2组，每组12.5万m3/d，臭氧接触时间3段共计约13min，臭氧曝气装置采用微气泡曝气头形式，臭氧最大投加率按1.5mg/L;生物活性炭吸附池分为2组，每组12.5万m3/d，4格，炭池厚2.1m，颗粒活性炭级配8×30目，不均匀系数1.9～2.0;炭床最小空床停留时间为12.2min，采用单气冲结合单水冲;提升泵房、反冲洗泵房和鼓风机房组团设于综合构筑物的中部，提升泵共设2组，每组规模12.5万m3/d。反冲洗泵房和鼓风机房为砂滤池和活性炭滤池共用。
(4)综合加药间。包括混凝剂、助凝剂、消毒剂、氢氧化钠等在线连续投加药剂，含原料存储、配制、投加和控制等功能，也为将来可能的更多品种药剂的投加作了工程预留空间。碱液、矾液采用玻璃钢储罐储存，均设于加药间室外。
(5)高锰酸钾、粉末活性炭加注间。进行单独防爆设置。高锰酸钾和粉末活性炭在水源发生污染或藻类发生情况下投加，投加点共2个，分别投加于2组12.5万m3/d的配水井过水堰后。
(6)排泥水处理系统。利用预留的1台离心机位置，新增离心脱水机1套，并更换1台现有离心机，固体负荷1000～1200kg/h。进脱水机含固率不小于3%，脱水后污泥含固率大于30%。
3运行效果
自2016年6月30日建成投产，水厂运行可靠，处理效果良好，出厂水水质优于国家标准，在低温低浊期，最高出厂水浊度稳定低于0.19NTU、耗氧量小于0.72mg/L、色度不高于5，具体水质如表1所示。
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4结语
(1)针对水厂原址升级改造的用地难题，通过“腾笼换鸟”的方式，合理划分、分步实施，最大限度减少对现有生产的影响，分阶段无缝衔接地完成了升级改造，实现了维持水厂生产供水的同时，满足水质提标、节能减排和安全可靠等多重建设目标。
(2)基于集约化设计和资源节约的理念，将砂滤池、炭吸附池及提升、反冲洗等多个处理构筑物合建为一体，回用池叠合于机修、仓库间下方，利于集中管理和节省用地，并合理共用反冲洗水泵与鼓风机，减少了购置费用和管理节点。
(3)重新梳理和优化各种生产管线，确保升级改造工程整体顺利实施。
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