案例分析|水厂深度处理不停水改造

针对60万m3/d老厂深度处理改造用地偏居厂区一侧，平行于原有四期常规处理流程的建设条件，在改造中除了要重点考虑各期常规处理出水独立性和清水池进水均衡控制的问题，大规模中间提升泵房前池的调蓄需求，前后流量的衔接和安全溢流等深度处理改造中常见的问题该如何解决？

1 项目背景

M水厂原水水质基本能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）的Ⅱ类标准，出厂水也均达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的要求。

2014年，江苏省《省政府办公厅关于切实加强城市供水安全保障工作的通知(苏政办发（2014）55号文)》要求，“变‘深度’处理为‘常规’处理，提高安全供水能力，努力实现从供‘合格水’向供‘优质水’的转变”。由此，根据项目前期论证及批复要求，重点为提高对微量有机物的去除，M水厂改造采用臭氧活性炭工艺。

M水厂现有四期常规处理流程均为南北向布置。由西至东，一期～四期工程规模分别为10万m3/d、10万m3/d、20万m3/d和20万m3/d。

本期深度处理改造规模为60万m3/d，布置于常规处理流程东侧，贴近四期工程,距离一期工程约300 m，可用地面积14 400 ㎡，约21.60亩（1亩≈667 ㎡)，具体布置见图1。

2 改造工程系统衔接和安全溢流

2.1 深度处理工艺的选择与问题

臭氧活性炭深度处理工艺的出水经常会存在微生物泄漏的问题，一般采用的解决办法有在炭池后再设置其他过滤截留构筑物，如膜处理、砂滤池，或炭层下方再设有砂层。

由于本项目的炭池后没有增设其他构筑物的可用场地，而由现有沉淀池引水进入深度处理后再回到现有砂滤池，改造难度大，生产影响时间长，难以实现。因此，将臭氧活性炭工艺设于常规处理之后，采用在炭层下方设置砂层来解决微生物泄漏的问题。

整个深度处理工艺流程为现有砂滤出水-中间提升泵房-臭氧接触池-炭滤-现有清水池。

2.2 深度处理与现有工艺的衔接

2.2.1 改造遵循的原则和目标

除了深度处理单元本身的方案适用性外，与老厂常规处理工艺系统的衔接应遵循以下目标和原则。

（1）改造期间，水厂应尽可能维持最大供水能力。工程设计应可实现各期流程改造的分组停水，最大限度保证供水，并尽可能在最短时间内实现管道的连接和运行的切换。

（2）改造后，常规处理各期仍可独立运行，超越深度处理工艺。常规处理各期出水统一接入深度处理系统，也可实现各期独立运行。在常规处理水质达标的条件下，可超越深度处理，直接进入各期的清水池。

（3）各期流程应保持进出水均衡。由于各期至深度处理系统的距离相差较大，在满足最远的一期工程水力高程需要时，工程设计应采取相应措施，确保各期进入深度处理以及深度处理出水回到各期清水池输送水量的均衡，使清水池调蓄量利用充分。

（4）中间提升泵房前必须设置安全溢流措施。深度处理如暂不运行，或部分水量运行时，各期常规处理能通过各自设置的溢流堰安全溢流至清水池。如清水池满池，可通过其原有的溢流管安全排出。

2.2.2 新老系统的衔接

2.2.2.1 调节容量及设计水位

调节水池要与流程相衔接，前面要与常规处理出水衔接，后要与工艺提升泵房衔接。因此调节水池需要确定的一是调节容量及水位变幅，二是最高水位。

（1）调节水池的调蓄量水位及水位变幅。调节水池有效调蓄量的设计参照《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》（CECS193—2005）的要求，适应提升水量规模，不小于5 min的最大设计水量。

水位变幅不宜过大，变幅也就意味着潜在的水头损失。设计调节水位最大变幅为3 m。设计中，水泵全部配置变频，水位变幅实际可以控制在20 cm以内，为维持高水位运行，减少水头浪费，提供了可能。

（2）调节水池最高水位。一期~四期共4期常规处理，串联进入调节水池。全部水量需经深度处理时，调节水池以满足最远端的一期常规正常出水来核算调节池的最高水位。该最高水位可以保证各期出水顺利接入深度处理流程。

2.2.2.2 现有各流程运行独立性和深度处理出水均衡返回

（1）现有各流程运行独立性。一期～四期出水接入深度处理的总管接管点处最高水压受到调节水池水位和输送流量的变化影响。各期滤池和冲洗泵房的运行需要排除接管点水压变化的干扰，保证自身工艺流程运行的稳定性。现状一期和二期设有滤池出水堰和反冲洗泵房进水所需水位控制井，但三期和四期仅设有滤池出水堰，而无反冲洗水位控制井。因此，当深度处理调节水池水位变化时，不会影响一期和二期的正常运行，而三期和四期冲洗水位无法保证。本次工程为三期和四期设置专门的冲洗水位控制措施——水位控制堰，保证冲洗水位。各期正常运行进入深度处理的水位控制高程及相应工程措施，见工艺流程图2。

（2）深度处理出水均衡返回。由于各期清水池距离相差较大，深度处理出水至各清水池的水头损失差需要控制，以保证清水池容积的充分利用和不浪费水头。本工程适当优化放大至各清水池的管径（见图3），设计计算各期清水池进水水头见表1。其中三期清水池接入管道最为复杂，以其水损最大为0.88 m。但各期相差数值较小，满负荷运行时，最大水损差值仅为0.15 m，基本可以不考虑其影响，能确保深度处理出水均衡返回，清水池容积可以得到充分利用。

2.2.3 安全溢流

深度处理前设置了中间调节水池和提升泵房，在提升泵房断电情况下，滤池出水仍然重力自流进入中间提升泵房的调节水池，可能导致滤池管廊发生外溢。本工程规模为60万m3/d，滤池面积大，溢水量很大，将对滤池及厂区造成巨大影响。本工程考虑两个安全溢流方案。

方案一：各期分组式独立设溢流井。

在各滤池出水管按出水量和水力高程设溢流井，溢流能力对应滤池出水能力，使得常规处理出水能直接溢流进入原对应清水池，堰后也直接与深度处理出水直接连通。

此时，需要考虑2个方面：

（1）提升泵房正常运行时。根据各期安全溢流井处的深度处理出水管连接点水压的不同，设置各溢流井的溢流堰标高，该标高可以防止深度处理出水返流至常规处理出水侧。

(2)提升泵房故障停运时。故障停运时，堰前水位涌高过堰后进入清水池，也即抬高了滤池出水水位，可能产生2个问题，一是各期滤池出水井是否会冒水，二是各期滤池的工作水头是否足够。

对各期冲洗水位控制井和滤池出水井高程进行水力核算分析，结论是：

(1)各期已有的冲洗水位控制井和滤池出水井仍然能保持不小于0.4 m的跌落水头，运行安全。

(2)经核算，一期和二期过滤水头较小，为1.28 m左右。而实际M水厂滤池在一个过滤周期内滤层水头损失不超过1 m，能保持滤池正常运行。

因此，常规处理可以在提升泵房故障时跨越安全溢流堰，超越深度处理进入原对应清水池。正常运行时深度处理出水也不会反向流至常规处理出水侧。

方案二：在调蓄水池设溢流井。

按60万m3/d规模，在调蓄水池设置溢流井，以保证提升泵房故障时集中溢流。此堰顶标高较低，必然低于清水池最高水位，溢流出水无法进入清水池，只能专门排放进入河道，但又恐河水倒灌；同时该堰也比较长，占用空间大，在调蓄池内不易设置。另外，此溢流水量大排放管径大，埋设也很困难，溢流时水资源浪费较多，对排放处影响大。

综合比较，方案一溢流排放进入原清水池，不浪费水资源，也可利用清水池现有高水位溢流通道，满足排河要求，无需另设溢流管，节约投资。设计采用了方案一，即各期分组式独立溢流井的方案。

2.2.4 冲洗水位控制堰与溢流堰组合设置

考虑三期和四期需要设置冲洗水位控制措施——水位控制堰，以及各期需设溢流井，三期、四期需设有双堰的水位控制溢流井，合两项功能为一体，滤池出水溢过第一道堰反冲水位控制堰后，接入调节水池，当提升泵房故障时井内水位抬高超过第二道堰溢流堰时，可进入原对位清水池。

3 运行效果及意义

2016年12月，深度处理改造工程建成，除出水水质进一步改善外，同时实现了改造工程预先设定的目标。

（1）改造过程和生产切换影响小。设计方案做到了改造期间对生产运行的影响最小，各路管道改造和切换均可分组实施，短时间内实现管道连接和运行切换，实际影响时间在低峰供水的1个月内。

（2）分组式独立溢流模式保障运行安全，调度灵活。提升泵房出水量由调蓄水池水位确定，在正常情况下常规处理水量全部提升至深度处理系统,而在深度处理系统提升泵房在发生故障时,常规处理出水能自动切换至原来对应清水池,确保整个系统运行安全。提升泵按调蓄水池水位运行。中间提升与前常规处理的水量衔接由调蓄水池水位决定变频控制水泵提升水量，实现两大系统的有机衔接，一旦提升水泵发生故障，常规处理水也能安全溢流至原来清水池，确保整个系统的运行安全。

（3）各期常规处理流程互不影响，生产管理方便。因各期常规处理可以独立运行，互不影响，任一组如不进入深度处理时，其砂滤出水可直接溢流进入清水池，而砂滤池运行周期基本不变。

（4）中间调蓄无需求，大幅减小调蓄水池容积。因无需考虑中间提升泵房进出水量波动对调蓄水池容积的需求，中间提升泵房调蓄容积只需要考虑最大运行水量时的水泵启停需求即可，从而可以大幅减少调蓄容积。

（5）利用原有清水池溢流设施，分散设置溢流井、节省投资和事故时的浪费水量。分组溢流井模式，无需专设大口径溢流管道并减少调蓄需求，节约投资；而且由于水量不浪费，无外溢之忧，无水量衔接之虑，中间提升泵房可保持高水位运行，节约深度处理提升能耗。

4 结语

目前，很多水厂为确保出水浊度做到0.3 NTU以下，提升了沉淀出水标准，砂滤过滤水头也有较多富余。本工程利用了富余的过滤水头，这在很多水厂中也是可行的。

独立分组安全溢流进入清水池模式，适用于出水基本达标的深度处理改造工程。现在除江苏外，上海、山东等地都在实施进一步提升生活饮用水水质标准的改造工程，实现由合格水到优质水的转变。类似条件下，深度处理改造工程均可参照本工程系统设计和安全溢流模式。

如常规处理出水不能达标，也可采用独立分组溢流模式，有利于独立运行和溢流排放，只是出水需专管接出至排放管线。

实际深度处理改造工程应根据常规处理出水水质和深度处理建设条件甄别分析，选用适当的系统设计和安全溢流模式。

微信对原文有删减。原文标题“老厂深度处理改造的系统衔接和安全溢流模式探析”；作者：吴国荣、邬亦俊、杨友强；作者单位：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司、上海水业设计工程有限公司。刊登在《给水排水》2018年第9期。