馬永林高工談關(guān)于寧德老自來水廠的設(shè)計(jì)與運(yùn)行的看法

                                    馬永林¹   趙志忠¹  陳昌隆² 

（1. 福建省建筑輕紡設(shè)計(jì)院 2.寧德市自來水有限公司）  

摘  要：如何在現(xiàn)有供水水廠通過技改提高水質(zhì)以達(dá)到國家最新飲用水標(biāo)準(zhǔn)；而濾池是目前我國整個城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)水質(zhì)量的好壞直接影響到水廠出廠水水質(zhì)。因此在選擇合理的濾池形式后，一些有關(guān)濾池組成部分如濾料、濾板、配水系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、過濾速度、濾池深度等成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，其中影響濾池過水能力及水質(zhì)最主要因素是濾池內(nèi)濾板及濾料的選擇。

關(guān)鍵詞：濾池；技改；新建；出水水質(zhì)；濾料；濾板

1 工程概況

寧德市自來水有限公司創(chuàng)建于1979年，2001年7月改制為股份制。一九九0年經(jīng)福建省人民政府批準(zhǔn)，投資710萬元，建成了亭坪水廠（第二水廠），日產(chǎn)水量為4萬噸。一九九二年一期工程日產(chǎn)2萬噸正式投產(chǎn)。一九九七年七月完成了二期擴(kuò)建工程。據(jù)了解，市區(qū)中心城區(qū)現(xiàn)有供水人口23萬多人，總用水量日需7萬噸左右，高峰期日用水量達(dá)7.5萬噸。而市自來水公司下屬第一水廠日產(chǎn)1萬噸，第二水廠日產(chǎn)4萬噸，另外，位于城南鎮(zhèn)車?yán)餅车牡略醋詠硭畯S日產(chǎn)2萬噸。在供水和用水基本持平的情況下，一旦水廠設(shè)備出現(xiàn)故障或水質(zhì)出現(xiàn)問題等緊急情況，就必須停產(chǎn)搶修或處理，直接影響到市區(qū)的安全供水。

寧德市自來水公司第二水廠距今已20余年，濾池作為第二水廠整個水處理系統(tǒng)核心環(huán)節(jié)，改造前存在設(shè)備嚴(yán)重老化.同時近期由于水庫附近寧古公路施工，大量山體植被被剝離，露出山體表層黑色土壤，下雨時被暴雨沖入庫區(qū)，造成水源濁度造成水源濁度最高時達(dá)到位1200度，濁度在40～60度時含有大量乳白色膠體，造成凈水廠出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，產(chǎn)水效率低下等特點(diǎn)，已經(jīng)對當(dāng)?shù)氐纳�產(chǎn)及居民生活用水產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此該改造項(xiàng)目被列為寧德市政府2010年重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，其改造內(nèi)容為：在原有處理設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，盡量減少對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模的改動；并對當(dāng)前正常供水不能產(chǎn)生較大影響。技術(shù)改造達(dá)到的的主要目的是提高出水水質(zhì)、提高產(chǎn)水量；且必須在春節(jié)前（一個月內(nèi)）完成技改任務(wù)，確保春節(jié)用水高峰正常保質(zhì)保量供水。由于本項(xiàng)目遺留設(shè)計(jì)資料較少，因此給后續(xù)改造工作（尤其不熟悉內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下）帶來很大麻煩。

2 技術(shù)改造

2.1 技術(shù)改造路線

如何在現(xiàn)有供水水廠通過技改提高水質(zhì)以達(dá)到國家最新飲用水標(biāo)準(zhǔn)；特別對老水廠選擇先進(jìn)技術(shù)工藝及設(shè)備滿足水廠近遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水質(zhì)及水量的要求；而濾池又是目前我國整個城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)，其生產(chǎn)水質(zhì)量的好壞直接影響到水廠出廠水水質(zhì)。因此在選擇合理濾池的濾料、濾板、配水系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、過濾速度、濾池深度等成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，其中濾池內(nèi)濾板及濾料的選擇成為影響濾池水質(zhì)及過水能力最主要因素。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖1  寧德市第二水廠總平面布置圖

圖2  原濾池平面及剖面圖

原設(shè)計(jì)濾池為重力式無閥濾池，依據(jù)原國家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖（1980年版）進(jìn)行建造。本次改造設(shè)計(jì)處理規(guī)模為2.0萬噸/天，共分四組，每組尺寸為4.70m×4.70m，原設(shè)計(jì)濾層高度為1000mm，改造前最近一次換濾料更改成濾層高度1200mm，過濾介質(zhì)采用石英砂濾料，原設(shè)計(jì)按老規(guī)范設(shè)計(jì)，老規(guī)范雙層濾料濾速為 10 m/h～4m/h，所以原設(shè)計(jì)濾速經(jīng)計(jì)算約為10m/h，由于國家新的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施其出水濁度應(yīng)控制在小于1.0NTU，新的國家技術(shù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)雙層濾料過濾濾速須控制在9m/h～12 m/h，使得濾速降低產(chǎn)水率下降，如按照新國標(biāo)要求采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行本次技術(shù)改造完全達(dá)不到業(yè)主需求，因此技術(shù)路線調(diào)整為采用先進(jìn)成熟的過濾集成技術(shù)，在濾池不變即過濾面積不變的情況下提高濾速增大產(chǎn)水量，改造后至少穩(wěn)定運(yùn)行10年以上。

濾池技術(shù)改造遵循避繁就簡的方式，改造的核心環(huán)節(jié)為濾池內(nèi)濾料濾板的設(shè)計(jì)、選擇及更換，其次為配水系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)及其它部件的維護(hù)及更新，在不影響現(xiàn)有城鎮(zhèn)供水的情況下改造實(shí)行循序的方式即完成一個方可進(jìn)行下一個濾池改造。

2.2 濾池濾料技術(shù)改造

作為任何一個濾池設(shè)施核心部分的濾料類型和特性，經(jīng)常根據(jù)密實(shí)判斷、慣例和具有權(quán)威性的研究而選擇。模型試驗(yàn)出來的不同濾料組合及級配，便能得以借鑒，從中研究以達(dá)到合乎真實(shí)情況的結(jié)論。期望在這些試驗(yàn)中能有最優(yōu)化的試驗(yàn)資料，以得到最合適于要處理水的濾料及最佳濾速。

過濾作為水廠必不可少的一個環(huán)節(jié)，過濾在水廠作用是去除懸浮物，特別是去除濃度比較低的懸濁液中微小顆粒的一種非常有效的方法。濾料是濾池的核心部分，它提供懸浮物接觸凝聚的表面和納污的空間，濾料應(yīng)滿足下列要求：

    ① 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，在沖洗過程中不因碰撞、摩擦而破碎。

    ② 有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于水，對水中化學(xué)成分足夠穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物質(zhì)。

    ③ 具有一定的大小和級配，滿足截留懸浮物的要求。

    ④ 外形近乎球形，表面粗糙，帶有棱角，能提供較大的比表面和孔隙率。

在自來水處理中最常用的濾料有石英砂、無煙煤粒、石榴石粒、磁鐵礦粒、白云石粒、花崗巖粒以及聚苯乙烯發(fā)泡塑料等，其中以石英砂目前使用最為廣泛。在此次改造項(xiàng)目中，由于原濾池建設(shè)年代久遠(yuǎn)，濾池內(nèi)濾料已幾經(jīng)更換，近期在2009年新?lián)Q石英砂且裝填高度達(dá)1.2m的情況下仍達(dá)不到目前新的供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此在2010年底決定對原一期濾池實(shí)施徹底改造，且改造目的很明確：提高水質(zhì)、提高產(chǎn)水量、不影響正常供水；改造主要環(huán)節(jié)為現(xiàn)有無閥濾池，改造后確保水質(zhì)完全達(dá)到國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)情況下盡可能提高產(chǎn)水量。

首先針對現(xiàn)有濾池實(shí)際情況，確定濾料介質(zhì)的組成。雖濾料組成及級配在眾多水廠已有眾多的經(jīng)驗(yàn)可循，但根據(jù)現(xiàn)有傳統(tǒng)濾料的使用情況，砂的機(jī)械強(qiáng)度大，相對密度2.65左右，在PH值為2.1～6.5的酸性水環(huán)境中化學(xué)穩(wěn)定性好，但水呈堿性時，有溶出現(xiàn)象。無煙煤的化學(xué)穩(wěn)定性較石英砂好，在酸性、中性及堿性環(huán)境中都不溶出，但機(jī)械強(qiáng)度稍差，其它應(yīng)因產(chǎn)地不同而有所不同，一般為1.4～1.9，常用于雙層濾料濾池中；而理想濾池濾料排列應(yīng)是沿水流方向由粗到細(xì)。為了解決實(shí)際濾池與理想濾池的矛盾，此次改造我們采用高強(qiáng)度天然礦物飲用水專用多層濾料，即選擇不同密度、不同顆粒大小的濾料組合。增加了優(yōu)于石英砂、無煙煤等化學(xué)穩(wěn)定性更好、機(jī)械強(qiáng)度更大的精選天然質(zhì)濾料。即上部放置粒徑較大，密度較小的輕質(zhì)濾料，在中部放置粒徑較小，密度較大的重質(zhì)濾料，下部放置粒徑更大、密度更大的重質(zhì)濾料。濾料層內(nèi)部是粒徑從上到下逐漸變小然后變大，水流經(jīng)過由大到小的顆粒層。濾料層數(shù)越多，愈趨近于理想濾池。按照滲井原理級配的復(fù)合多層濾料過濾，水按重力自上而下流動。第一層粒徑d1＝0.8～1.2mm、比重r1＝2.4、厚度h1＝150mm；第二層粒徑d2＝0.4～0.8mm、比重r2＝3.2、厚度h2＝250mm；第三層粒徑d3＝0.2～0.4、比重r3＝4.2、厚度h3＝160mm；第四層……。共設(shè)計(jì)7層復(fù)合濾料，裝填高度為700mm。第二、三層濾料的厚度最大，逐層厚度減薄，每一層都沒有堵死，都有空隙。最后一層仍然有空隙，只不過此時濁度已經(jīng)降到極限，再增加過濾的層數(shù)沒有任何意義。

在改造過程中，濾料厚度也是決定出水水質(zhì)的一個決定因素，濾層的含污能力和過濾效果除取決于濾料粒徑外，還與濾層厚度有關(guān)，即決定于濾層厚度和濾料粒徑的比值L/d_e。L/d_e值愈大，去除率也愈高，因?yàn)?/span>L/d_e值與單位過濾面積上濾料總表面積和顆粒數(shù)目成正比。采用0.15－0.25mm極細(xì)微的重質(zhì)顆粒濾料決定d_e值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)石英砂濾料粒徑，因此在出廠試驗(yàn)時濾料層增加至600mm時完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為防止初調(diào)反沖所帶走的考慮采用700mm濾料層。

 

 

 

 

 

   圖3 本次改造所用部分濾料樣品

改造后實(shí)踐表明，按照滲井精濾結(jié)構(gòu)排列的多層復(fù)合濾料濾池的含污能力比原單層濾料濾池的含污能力提高2～3倍，過濾周期延長1倍，濾速提高40%以上，在近六個月連續(xù)監(jiān)測中進(jìn)水濁度ㄑ20NTU情況下出水水質(zhì)一直保持在0.3NTU以下。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖4 濾料層級配排列

日期		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
濁度	進(jìn)水	16.10	14.60	18.40	19.20	21.20	16.50	14.70	12.40	10.40	6.50
	出水	0.24	0.20	0.26	0.26	0.30	0.21	0.20	0.18	0.15	0.10
日期		11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
濁度	進(jìn)水	4.60	3.80	2.80	11.30	9.60	4.60	2.80	3.50	4.10	5.80
	出水	0.10	0.10	0.10	0.16	0.12	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖5 寧德自來水廠5月監(jiān)測數(shù)據(jù)

 

 

 

 

 

 

2.3 濾池濾板技術(shù)改造

現(xiàn)有水處理系統(tǒng)的濾后排水系統(tǒng)通常分為：大阻力排水系統(tǒng)和小阻力排水系統(tǒng)。通常采用有鋼篦子（在鋼結(jié)構(gòu)上打孔）或鋼筋混凝土開孔等各種類型，本次改造采用高強(qiáng)度無阻力新型濾板，該濾板系WQX國家專利產(chǎn)品， 采用無阻力濾板，解決由于濾板設(shè)計(jì)不合理，使得排水阻力較大的問題，同時解決由于空隙設(shè)計(jì)問題帶來跑砂的情況。其最大特點(diǎn)是：水阻小、過流有效截面積大、強(qiáng)度高、使用壽命可達(dá)40年、無堵塞。

 

 

 

 

 

 

濾板采用新型高強(qiáng)給水型塑料經(jīng)機(jī)床一次性壓制切割而成，使用壽命達(dá)40年以上；專用濾板的形狀根據(jù)濾池內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)濾板厚度為20mm。在本次改造中采用的專用濾板主要為方形結(jié)構(gòu)，尺寸分別為：800×400（mm）、400×400（mm）、400×300（mm）、400×200（mm）共四種形式，所用濾板總量為308塊。

本無阻力濾后排水濾板結(jié)構(gòu)簡單、尺寸恰當(dāng)，孔眼形狀合理，設(shè)計(jì)精巧，可實(shí)現(xiàn)排水阻力幾乎為零。按照現(xiàn)行重力無閥濾池要求用于水廠時其濾速設(shè)計(jì)為6m/h～9m/h，而此次改造后濾速可提高至15 m/h以上的情況下出水濁度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 技術(shù)改造后特點(diǎn)分析

上文也集中闡述了在寧德第二水廠的改造中如何進(jìn)行濾板和濾料的選擇，進(jìn)行濾料及濾板的選擇后，改造的實(shí)施分為兩步同時走的方式，即工廠根據(jù)確定了的濾料及濾板的要求進(jìn)行預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場進(jìn)行二次勘察及濾板支架的現(xiàn)場制作并及時反饋修正工廠預(yù)制生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，保證整個工序的連貫性，整個改造用時20天，除第一個濾池用時為8天外其余每個濾池改造時間包括調(diào)試僅為4天。

科學(xué)的濾料篩選配合其專用濾板是本次改造項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵所在，改造后該項(xiàng)目運(yùn)行半年多來水質(zhì)一直非常穩(wěn)定，優(yōu)于預(yù)期效果且達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)：

（1）產(chǎn)水量：在原來基礎(chǔ)上至少提高了40%。原本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為每日最大產(chǎn)水2.0萬噸，現(xiàn)為每小時產(chǎn)水1200噸，每日至少為2.8萬噸；

（2）水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：由于該項(xiàng)目建設(shè)年代久遠(yuǎn)，最初設(shè)計(jì)濁度指標(biāo)為小于3.0NTU，國家新標(biāo)準(zhǔn)提高至小于1.0NTU后很難達(dá)到要求，現(xiàn)改造后出水指標(biāo)穩(wěn)定在0.3NTU以下；

（3）建設(shè)周期：由于采用工廠預(yù)制與現(xiàn)場相結(jié)合的方式使得工期大大縮短至僅為20天，如水廠資料齊全1.0萬噸規(guī)模水廠濾料及濾板（含支架）實(shí)施周期僅為7天；

（4）調(diào)試周期短：工況的調(diào)整專業(yè)性很強(qiáng)，一般一個濾池半天完全可調(diào)整至正常狀態(tài)。

（5）使用壽命長：采用高耐磨濾料且沖洗為水力翻騰減少摩擦、高強(qiáng)塑料作為濾板原材料，保證系統(tǒng)使用壽命至少為20年且無任何維護(hù)。

（6）故障少，維護(hù)率低：采用多層天然復(fù)合濾料，充分利用其截留雜質(zhì)好易于反沖的特點(diǎn)，完全優(yōu)于氣水反沖濾池，符合現(xiàn)代水廠設(shè)計(jì)節(jié)能高效的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] GBJ13－86（1997年版），室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范

[2] GB50013－2006，室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范  

[3] 給水工程（ 第四版），中國建筑工業(yè)出版社