随着城市发展以及生活水平提高, 郑州市对于水量和水质的需求在不断增高。2010年, 郑州市刘湾水厂建设工作正式启动, 设计供水能力40万m³/d, 一次建成, 包括净水及污泥处理设施, 以及DN800~1 200清水输水干管 (总长约56.33km) , 净水工艺采用常规处理与前置式上向流臭氧—活性炭相结合。项目建设方及运营方为郑州自来水投资控股有限公司, 前期咨询工作及工程设计由上海市政工程设计研究总院 (集团) 有限公司承担, 项目于2014年正式通水。

　　 流经郑州市区的河流主要有过境河流黄河及内河贾鲁河 (属淮河流域水系) 。在南水北调中线工程通水之前, 郑州市城市用水主要依靠黄河供水, 其次为地下水, 并有常庄、尖岗、刘湾等调蓄水库。其中尖岗水库位于郑州市西南部的贾鲁河干流上游, 流域面积为113km², 多年平均入库径流量为3 400万m³, 兴利库容为4 974万m³, 尖岗水库现状以黄河水为补水水源。

　　 南水北调中线工程从丹江口水库陶岔闸引水, 在河南省郑州市附近通过隧道穿过黄河, 沿京广铁路西侧北上, 重力自流到北京、天津。流经郑州市设有21、22号口门, 分别向刘湾水厂、尖岗水库供水。

　　 中线工程以解决城市生活和工业用水为主, 同时兼顾农业用水, 已于2014年汛期后建成通水。南水北调中线工程输水为非连续性, 根据《河南省南水北调受水区供水配套工程可行性研究报告》, 在不考虑沿线输水量损失的情况下, 受水城市南水北调中线供水量约占总需水量的71%, 完全依靠南水北调中线供水不能满足城市用水需求, 必须与当地水联合调度, 进行当地地表水、地下水和南水北调中线供水的“三水联合调度”, 合理配置, 丰枯互补, 有效利用各类水源, 满足《室外给水设计规范》 (GB 50013-2006) 中提出的用地表水作为城市供水水源, 设计枯水流量的年保证率90%~97%的要求。

　　 根据《郑州市南水北调供水配套工程规划》及相关文件, 中线工程向刘湾水厂供应原水的21号口门, 设计流量5m³/s, 年分配水量为9 470万m³, 日均原水配水量25.9万m³/d, 仅为水厂设计供水能力的6成。另根据丹江口水库42年的水量统计, 有3年出现过连续2~3个月无水可取的记录。因此, 刘湾水厂的原水供应, 必须将南水北调水源和郑州市当地水资源进行联合调度和配置。

　　 在刘湾水厂前期设计阶段, 从原水保证供应的角度出发, 结合南水北调供水配套思路, 提出刘湾水厂的三水联合调度方案:

　　 (1) 由南水北调中线工程作为主力水源:通过21号口门供应刘湾水厂原水, 设计流量5 m³/s, 年分配水量为9 470万m³;

　　 (2) 尖岗水库通过22号口门补水、蓄水, 在南水北调中线工程枯水期, 尖岗水库向刘湾水厂提供原水:尖岗水库兴利库容为4 974万m³, 最多可向刘湾水厂提供约70天的原水;

　　 (3) 在尖岗水库蓄水量不足时, 以黄河水作为补充:若尖岗水库所储引丹水仍无法满足刘湾水厂的需求, 拟利用邙山提灌站等现有水利设施, 向尖岗水库补充黄河水, 取用黄河水时先经尖岗水库预沉, 降低水源切换带来的浊度冲击负荷, 确保本工程的原水供应。

　　 三水联合调度供应比例及调度系统示意见图1和图2。

　　 本水源方案充分利用现有设施, 切实可行, 在满足城市生活供水保证率的前提下, 解决了刘湾水厂的水源供应缺口, 并经专家和相关部门论证通过。2014年7~12月, 受水源和南水北调工程建设限制, 刘湾水厂先由邙山提灌站直接供应黄河原水, 2015年1月, 南水北调原水通过21号口门供至刘湾水厂。目前, 22号口门向尖岗水库供水工程正处于建设实施过程中。

　　 水源工程丹江口水库现状水质总体良好, 符合《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) Ⅰ类、Ⅱ类标准。预测调水工程实施后, 陶岔渠首、水库坝上等主要断面COD浓度较现状有所增加, 但仍符合Ⅰ类、Ⅱ类水的标准, 可以满足引水要求。输水总干渠全线采用专用输水渠道, 可以避免交叉河流污染物对总干渠水质的污染, 相关预测认为干渠可以维持Ⅱ类水标准。

　　 南水北调干渠线路漫长, 且为明渠, 存在沿途突发污染的可能, 主要为有机物、氨氮、重金属、异臭异味或其他有害物质。因水源为水库水, 也存在藻类爆发风险。

　　 尖岗水库现有水质较差, 耗氧量、氨氮、总氮、铁、锰等指标, 超过Ⅳ类水标准。日后, 尖岗水库主要水源来自南水北调22号分水口门, 以及水库流域范围的径流。预计尖岗水库水质将有所改善。

　　 由于尖岗水库建成时间长, 现有水质较差, 即使由南水北调22号分水口门向尖岗水库充库, 当蓄水时间较长时, 仍易引起藻类爆发, 底泥中有机物和重金属释放, 污染水体。同时, 尖岗水库兼有汛期防洪功能, 流域范围内的径流将汇入库中, 也会带来面源污染。

　　 根据三水联合调度运行方式设想, 当尖岗水库蓄水不足时, 由邙山提灌站籍生态水系统水源管向尖岗水库补水。郑州段黄河原水水质一般为Ⅲ类水质, 经水库调节后, 原水表现出高藻水的特点, 腥味较大, 春秋两季藻类高于其他季节, 原水中藻类全年变化趋势与氨氮、耗氧量变化基本一致。同时, 黄河水有机物和氨氮含量较高, 尤其以冬季为甚。另外, 黄河原水中溴离子含量较高, 采用臭氧氧化时应加强对出水中溴酸盐含量的控制。

　　 根据原水三水联合调度原则, 郑州刘湾水厂要应对水质较好但低温低浊的南水北调水、易受来水水质变动及周边污染影响的水库水、高浊微污染含溴含藻的黄河水, 面临3种水质差异较大的原水, 设计选用先进技术, 并与郑州水司相关成功经验和试验成果相结合, 在细节上考虑助凝、助滤等各项工程措施, 使所选择净水工艺能适应寒冷气候条件, 提出以预臭氧氧化+平流沉淀+臭氧接触+升流式活性炭+V型滤池过滤的组合工艺 (见图3) 。

　　 污泥处理采用重力浓缩+带式压滤机脱水工艺, 浓缩污泥在脱水前投加PAM进行调质。由于采用带式压滤机, 设计阶段干污泥含固率按20%考虑, 泥饼外运填埋。

　　 (1) 预臭氧池。设1座配水预臭氧池, 分可独立运行的4格, 兼配水功能, 进水渠设溢流措施。臭氧接触时间5min, 预臭氧投加量0.5~1mg/L, 采用水射器+扩散管投加方式。在进水管路上还设置了粉末活性炭、高锰酸钾投加口, 在出水管设粉末活性炭、除藻剂投加口, 针对不同的原水水质可调整药剂投加种类和药剂投加量。

　　 (2) 沉淀池。考虑到水厂运行不同时段水源切换, 原水水质差异较大, 选择对水质具有较强适应性的平流沉淀池。设2座机械混合折板絮凝平流沉淀池, 单座规模20万m³/d, 混合池设快速搅拌机, 混合时间30s。折板絮凝池与平流沉淀池合建, 原水经折板絮凝后进入平流沉淀池。沉淀池设计停留时间为120min, 水平流速14.6 mm/s。为防止冬天低温时沉淀池表面结冰, 沿沉淀池走道板、隔墙、导流墙均设高压穿孔淋水管。

　　 (3) 臭氧接触池。沉淀池出水进入臭氧接触池。设4座全封闭臭氧接触池, 单座规模10万m³/d, 后臭氧投加量1.5~2.5mg/L, 采用布气盘三阶段投加方式, 投加量及投加比例可调。臭氧接触池各阶段接触时间均为5min, 总接触时间15min。

　　 (4) 上向流活性炭池。设2座上向流活性炭池, 单座规模20万m³/d, 共10格, 双排布置。单格炭池过滤面积73.6m², 设计滤速11.9m/h。活性炭选用优质煤质压块破碎炭, 20~50目, 厚度2.5m。炭池采用降水位单气冲方式, 气冲强度55m³/ (m²·h) , 冲洗历时5min左右。

　　 (5) V型滤池。设2座滤池, 单座规模20万m³/d, 共12格, 双排布置。单格滤池过滤面积91.26 m²。设计滤速8m/h, 滤层上水深1.2 m。滤池两侧进水渠设助滤剂混合池, 助滤剂采用聚氯化铝, 最大投加量10mg/L。滤料采用石英砂, 有效粒径0.85mm, 厚度1.2m, 滤池反冲洗采用气水反冲加表面扫洗方式。

　　 (6) 清水池。设3座清水池, 单座有效容积22 800m³, 其中前部为接触池, 可保证30min接触时间;后部清水池可保证15%的调节容量。

　　 (7) 臭氧发生器间。臭氧发生器规模40万m³/d, 臭氧气源采用液氧, 储存10天的液氧用量。设3台臭氧发生器, 软备用, 在臭氧质量分数10%的条件下, 每台产量15kg/h。

　　 (8) 综合加药间和加氯间。综合加药间规模40万m³/d, 设置絮凝剂聚氯化铝、助凝剂活化硅酸钠、除藻剂、双氧水、高锰酸钾和粉末活性炭的投加设备。加氯间规模40万m³/d, 设计总加氯量3mg/L。设后加氯点3个, 投加量2~3 mg/L, 位于3座清水池进水管上;设补氯点2个, 投加量0~1mg/L, 位于2座吸水井进水管上。

　　 (9) 总平面布置。遵循生产区与生活管理区分开独立布置的原则, 主要净水工艺生产构筑物需集中在厂区南侧布置 (见图4) 。场地内原地面标高122~124m (国家85高程, 以下同) , 西高东低, 在采用三维手段综合分析地势条件前提下, 根据流程布置需要, 水厂设计地面标高定为126.2~123.5m, 呈阶梯状排布设4个平台, 工艺流程因地制宜, 流程由西往东布置, 减少土方开挖并合理控制单体埋深, 利用地势差取消了厂内净水流程的二次提升, 节约投资及运行费用。

　　 (10) 对水质变化的应对。水厂的设计, 贯穿了灵活应对不同原水水质的理念。针对水质较好但低浊的南水北调水, 采用投加活性硅酸钠助凝剂进行絮凝, 并在过滤前投加助滤剂聚氯化铝;由于水中有机物含量低, 臭氧接触池可不投加或少投加臭氧, 节省运行费用;所有加药、加氯量均可进行调节。尖岗水库或黄河充库原水可能呈现浊度升高、微污染、含溴、含藻等特征。刘湾水厂针对上述特征, 将黄河补充原水提升进入尖岗水库预沉后再进入水厂, 设置预臭氧和臭氧-生物活性炭环节, 并配备了高锰酸钾、粉末活性炭、除藻剂等多种药剂供灵活选择, 投加双氧水抑制溴酸盐生成, 借鉴处理黄河原水的成功经验, 在沉淀、过滤等环节的技术参数选取也考虑了原水切换水质变动的因素。

　　 自刘湾水厂投产运行以来, 先后由黄河邙山提灌站、南水北调来水供应原水, 对这两种原水, 刘湾水厂总体运行情况良好, 臭氧投加量控制在1mg/L以内, 净水和污泥处理均有较好的效果。南水北调原水净水相关数据见表1。

　　 刘湾水厂曾对主要原水———南水北调原水中藻类优势种类进行了检测分析, 如表2所示。南水北调口门原水中藻类数量为148万个/L, 其中以绿藻和硅藻为优势藻类, 分别占藻类数量的44%和50%, 另有少量蓝藻。水厂工艺对原水中藻类有较好的去除效果, 其中沉淀和砂滤对于藻类去除贡献最大, 相对于口门原水分别去除了55%和20%, 且臭氧-活性炭环节后, 砂滤对藻类的拦截效果显著, 滤后水没有藻类检出。

　　 当原水为黄河水时 (2014年7~12月) , 原水中耗氧量4~5 mg/L, 夏季藻类数量达到1 000万个/L以上, 出厂水的耗氧量平均2 mg/L, 氨氮低于0.05mg/L。藻类不超过10万个/L。可见, 刘湾水厂处理尖岗水库原水效果也较好且稳定, 尤其对高藻原水藻类的去处效果十分显著, 去除率>99%。

　　 刘湾水厂排泥水和滤池反冲洗水沉降性能好, 带式压滤机出泥的含固率能达到30%以上。

　　 郑州水司下辖水厂过去在黄河原水处理方面积累了丰富经验, 但首次接触尖岗水库和南水北调来水, 在生产运行中也遇到一些新情况、新问题, 运行与设计单位为此进行了工艺优化。

　　 设计阶段, 按照黄河原水的运行经验, 采用了聚氯化铝絮凝剂辅以活化硅酸钠助凝的方式, 投加点位于沉淀池混合池内, 最大投加量50mg/L (以商品原液计) , 平均投加量25mg/L, 投加质量分数为商品液20%。运行一段时间后, 发现针对南水北调低浊原水, 存在加药设备即便一直在最小投加量的工况下运行, 加药量也过大, 甚至一度出现出厂铝浓度超标的风险。根据这种情况, 水厂采取了降低药剂浓度, 将聚氯化铝的商品液质量分数降低至5%~10%, 并调整沉淀池的流量, 即减少沉淀池的运行数量, 提高在用沉淀池的流量, 以达到合理的药剂投加量。

　　 为了消除出厂水铝含量超标的风险, 水厂在2015年8月开始开展絮凝剂优化研究。采用铁盐和铝盐协同使用的方法, 降低铝盐的投加量。铁盐采用聚硫酸铁, 铝盐采用聚氯化铝, 活化硅酸钠作为助凝剂。经过多组药剂配比研究, 发现仅投加铝盐时, 参照《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) , 出厂水中铝含量接近0.2mg/L的水质常规指标限值;当铁盐和铝盐协同使用, 并控制铝盐的投加量后, 出水中铝离子含量显著降低, 且铁含量未出现超标情况。刘湾水厂絮凝剂调整前后水质对比见表3。

　　 通过反复试验, 最终效果较好的是聚氯化铝投加8mg/L, 聚硫酸铁投加4mg/L, 活化硅酸钠投加2mg/L的组合投加方式, 在沉淀效果得到保证的情况下, 出水铝盐也得到了很好的控制, 削减了30%~40%。后经试验发现, 在混凝剂加入前投加助凝剂效果更好, 但因水厂运行投加管道限制, 活化硅酸钠无法前期投加, 而除藻剂FL45C也具有一定的助凝作用, 且投加点在混凝剂投加点之前, 因此, 平时投加除藻剂0.2mg/L用作助凝剂, 也取得了满意的效果。

　　 设计阶段, 进厂原水配置了浊度、pH、电导率、溶解氧、COD、氨氮等在线检测仪表, 其中, 浊度仪按照常规配置, 并考虑不同原水浊度差异较大, 选取了量程较宽的高量程浊度仪。在运行期间, 由于作为主要水源的南水北调原水浊度基本为10NTU以下的低值, 经标定, 原水浊度仪在低浊情况下测量误差较大。因此, 根据南水北调来水低浊的特点, 在原水管道上增设一套低量程浊度仪, 实行双表测浊, 以提高对低浊原水的测定精度。

　　 (1) 郑州刘湾水厂原水以南水北调中线原水为主、水库水和黄河水作为补充, 实现三水联合调度。

　　 (2) 南水北调原水水质总体优良, 一般耗氧量低于3mg/L、浊度低于10NTU, 夏季藻类含量较高;原水来自尖岗水库时, 耗氧量较高 (4~5mg/L) , 并呈现夏季高藻特征。

　　 (3) 净水采用预氧化、平流沉淀、前置臭氧-活性炭吸附、砂滤工艺, 兼顾3种差别显著的原水水质。

　　 (4) 根据原水水质条件, 刘湾水厂对生产运行进行了优化:针对原水低浊特点, 确定了聚氯化铝8mg/L、聚硫酸铁4mg/L、活化硅酸钠2mg/L的混凝剂、助凝剂联合投加方式, 沉淀效果好, 出水铝盐得到很好控制。

　　 (5) 经过2年生产运行, 刘湾水厂工艺流程能很好地适应不同原水水质, 出厂水平均浊度0.1~0.2NTU, 平均耗氧量在1.5mg/L以下, 氨氮小于0.1mg/L, 藻类去除率>99%, 当水源为南水北调原水时, 夏季出厂水藻类未检出;污泥处理系统运行良好, 采用带式压滤机脱水后干泥含固率>30%。