上海浦东新区自来水有限公司下属城镇水厂位于浦东新区川沙新镇西侧,分为东、中、西三个车间,设计能力共为14.5万m³/d,供水区域120km²,服务人口约45万。水厂自建厂以来一直取川杨河水源,因川杨河属于航运河道,河床积淤严重,而且时常受咸潮、油污染,根据上海水务系统供水集约化总体要求,水厂切换使用青草沙原水,切换后净水仍采用常规处理工艺,工艺流程见图1。

　　 川杨河是上海为数不多的一条笔直的人工河流,西起黄浦江,向东直达川沙海边的三甲港,全长28km。城镇水厂自1985年建造一期2万m³/d时起取用川杨河水源,后通过三次扩建,设计供水能力达到14.5万m³/d。当处于丰水期时,通过三甲港水闸将优质的长江水引入河道并取用,按照国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)评价可达到Ⅲ类水体,但当处于枯水季节并受到咸潮影响时,只能关闭水闸,靠内河取川杨河水维持生产,水质评价低至Ⅴ类甚至劣Ⅴ类水体,例如2011年6月初,川杨河水氯化物高达401mg/L、氨氮达到4.5mg/L,城镇水厂常规处理工艺生产出水的个别指标难以满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)。

　　 青草沙原水水质总体评价为Ⅱ~Ⅲ类水体,根据城镇水厂原水监测报告统计分析得出青草沙原水水质同比川杨河原水水质有较明显改善,青草沙原水(2014年9 月~2015 年7 月)与2011 年9 月~2012年7月川杨河原水水质比较数据见表1。

　　 城镇水厂三个车间分别建造于1985 年、1991年和1993年,西车间建造时与中车间共用一个加药间,东车间单独一个加药间。中、西、东三个车间设计能力分别为2 万m³/d、5 万m³/d和7 万m³/d,水厂平面布置见图2。

　　 城镇水厂混凝剂使用液体聚氯化铝(PAC),其氧化铝有效含量为8.2%,通过储罐车直接用提升泵输送至储药池,两个储药池容积均为20m³,混凝剂通过机械隔膜式计量泵投加至进水总管道,然后经过管道静态混合器充分混合后进入澄清池。投加量控制方式为人工手动调节,其存在的主要缺陷有以下4个方面。

　　 (1)计量泵型号多样,数量较多,维护管理不方便。原水切换前,混凝剂加注点在一泵房取水泵前,通过水泵进行混合,同时考虑到备用计量泵,所以计量泵数量较多,东车间计量泵4台,中、西车间8台;因中、西、东三个车间取水量不同,故计量泵的投加量程大小不一致,导致膜片、止回阀等备品备件较多,维修管理诸多不便。切换青草沙原水后,东车间原水管为1根DN1 200钢管,中、西车间原水管合并为1 根DN1 200 钢管,然后分别按照DN600、DN900分配到中车间、西车间,投加点调整为每个车间原水进水总管处,故混凝剂投加量增加,原有计量泵量程不能满足新的要求。

　　 (2)混凝剂投加量变化,原有计量泵量程不够精准。原水切换前,因川杨河原水浊度较高,2012年1~8月的生产矾耗统计表明,每1 000m³水投加量平均为60.14kg液体,原水切换后,2013年1~8月每1 000m³水投加量下降到39.9kg液体,但在青草沙原水因风向转变导致原水浊度突然升高时,单台计量泵投加流量需要增加到180L/h。

　　 (3)储罐安全存储水平不高,药液输送存在不连续问题。原有储罐材料为玻璃钢,各车间设有容积为20m³的2个,容积为10 m³中转储罐1个。通过近2年使用,发现储罐内壁部分玻璃钢因为老化腐蚀造成脱落,脱落的碎片通过管道流至计量泵前段时堵塞Y型过滤器,从而导致流量投加暂停等故障。

　　 (4)手动控制方式无法达到精准、快速。因水厂原使用川杨河原水时是采取泵前投加方式,1台计量泵对应一组取水泵,故计量泵不仅需要根据取水量变化进行开停操作,同时还需要根据水质变化频繁调节冲程。 切换使用青草沙原水后,取水流量通过电动阀门进行调节,仅靠原有的计量泵冲程调节无法精准投加,而且操作需要多次反复进行,增加了操作工人的劳动量。

　　 为便于管理、节省人力成本以及提高自动化程度,矾剂投加系统的改造整体思路是将原有的西厂区加矾间合并至东厂区的加矾间,主要包括储罐的更新、计量泵的选配、投加控制系统升级等。

　　 因青草沙原水在夏季pH偏高,根据其他水厂处理经验,采取了降低混凝剂pH方式来调节过程水的pH,从而控制出厂水铝超标的难题。城镇水厂采用的混凝剂pH为2.5~3.6,储罐车进厂时矾剂温度约为45 ℃,采取何种方式储存是确保生产安全的关键。通过比较混凝土储池、玻璃钢储罐和PE材质储罐的投资成本及安全性,最终选择了HDPE(高密度聚乙烯)储罐,该储罐采取挤出缠绕无焊缝工艺可确保储罐的机械强度,同时具备耐腐蚀、抗老化、符合卫生标准等优点。其选型及附属管道选择如下,安装完毕后储罐见图3。

　　 (1)根据混凝剂投加量约为39.9mg/L,供水量约为20万m³/d,存储周期为7d,需56m³容积,同时考虑到安全库存及储罐规格,选择了3只容积为20m³,型号为25-43系列的HDPE储罐(直径为2.5m,高度为4.2m)。

　　 (2)储罐安装时对其基础进行夯实,并用水泥砂浆粉平,做防腐处理。与储罐相连的出矾管、放空管、进矾管均采用PVC管道连接。为防止储罐进矾期间发生微小形变引起法兰接口漏液,在出矾管、放空管出口管段均增加柔性接头。

　　 (3)提升设备选取2台型号为CQB-F系列氟塑料磁力泵,虽然储罐区域设有围堰,可防止储罐泄漏造成矾剂溢出,但为了快速将已泄漏储罐剩余液体周转至其他储罐,在放空管末端开三通接出管道至提升泵进矾管,从而使提升泵在应急时还可作为周转泵使用,通过实践证明效果较好。

　　 青草沙原水浊度较低,矾剂投加量较少,东车间进水量变化范围为3 000~6 000m³/h,中西车间进水量变化为2 800~4 000 m³/h,根据2014年原水水质和投加量经验数据得知,矾剂投加流量为100~210L/h,通过对比最后确定配备GB 0600 系列机械隔膜式计量泵3台,单台计量泵最大投加流量为583L/h,采取两用一备方式^[1],使用期间冲程调节在17%~36%,配备电机型号为YSJ8024-1HS。在安装时,降低泵基础高度至40cm,从而提高储罐有效利用容积,在计量泵出口管道上配备防阻尼脉冲器、压力表、安全阀、背压阀等,压力表带电触点高低压报警输出。加矾系统示意见图4,改造后计量泵见图5。

　　 本次矾剂系统改造中升级了原来的PLC控制系统,使计量泵流量调节在冲程确定的情况下通过变频自动控制,其调节量由澄清池出水浊度和取水量复合环控制。改造后的计量泵投加不仅精准,而且调节快速。在原来的基础上增加了管道压力报警、计量泵停役报警以及流量变化报警等^[2],提高了可靠性。

　　 (1)设备设施安全,可靠性提高。改造后的矾剂投加系统运行平稳,维护计量泵Y型过滤器无杂质堵塞,矾剂各类投加系统报警灵敏、有效。

　　 (2)矾剂投加精准,制水成本下降。通过改变电机转速来控制计量泵投加量不仅实现了微调功能,而且运行平稳。分析改造前后同期相似原水情况下矾剂消耗可得知,改造后的矾剂投加量比改造前约节省3.8%。

　　 (3)操作便捷,操作工人数缩减。在矾剂投加系统改造的同时,次氯酸钠、硫酸铵投加系统同步改造,操作工人数减少一半,由于自动化程度明显提高,操作工由改造前繁琐的操作改变为以巡视检查为主、主动干预为辅的工作模式。

　　 本次矾剂投加系统技术改造项目采用了HDPE材质储罐,整合了原有的两个加矾间,对原有的设备设施进行了更新改造,同时提升了矾剂自动化控制水平,从而在保证矾剂投加系统安全可靠运行的基础上实现了矾剂精准投加、灵活控制,而且矾耗也得到了一定程度的降低,为其他类似项目的技术改造积累了一定的经验。