随着我国经济的发展、人民生活水平的提高以及环保要求的提升, 对城市供水提出了更多更高的要求:出厂水质提标、节能减排、安全可靠和应急供水等^[1]。许多水厂建于20世纪七、八十年代, 其出厂水水质标准是按照当时标准要求制定的出水水质目标, 若要满足新的标准, 现有净水工艺已经无法实现;其次, 作为城市水厂水源的河流、湖泊等淡水水源污染逐渐加重, 即多地水厂原有的取水水源变成了微污染水源, 原有的水厂净水工艺已经不能满足新的水质目标要求。因此, 提高出厂水水质标准和解决微污染水源成为了水厂升级改造的主要目标。再次, 随着全国范围内环保力度的加强, 各地环保部门要求对水厂排泥水 (反冲洗水) 进行处理后达标排放, 现有水厂需要增加排泥水收集、处理系统, 也成为老水厂升级改造的目标之一。

　　 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) 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。

　　 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。

　　 (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 (0.1 NTU) , 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COD_Mn≤2.0 mg/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^[3], 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^[4], 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。

　　 (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:COD_Mn≤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。

　　 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。

　　 (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0.352 5m³/ (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。

　　 (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。

　　 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1 000~1 200kg/h。进脱水机含固率不小于3%, 脱水后污泥含固率大于30%。

　　 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0.72 mg/L、色度不高于5, 具体水质如表1所示。

　　 (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。