设计案例 | 连云港市某老水厂运行与改造经验
连云港市第三水厂最初名为茅口水厂，始建于20世纪70年代末，生产规模为2.5万t/d，原工艺采用“平流沉淀池+双阀滤池”。1990年改扩建为10万t/d，主要措施为将平流沉淀池改为3格斜管沉淀池。1995年对外统称第三水厂，建设三水厂一期工程，规模为10万t/d，采用“平流沉淀池+普通快滤池”处理工艺。随着供水水质要求提高和原水污染加剧，2011年完成深度处理改造工程，规模为20万t/d，采用“二次提升+臭氧接触+生物活性炭滤池”处理工艺。2013年完成第三水厂二期工程，规模为10万t/d，采用“中置式高密度沉淀池+V型滤池”处理工艺。第三水厂形成了3套常规工艺+1套深度处理工艺的运行现状(含茅口水厂)，理论供水能力30万t/d，实际供水能力约为28万t/d，供水量为23万～27万t/d。
2010年以来，第三水厂由2套常规工艺扩容、提标至3套常规工艺+1套深度处理工艺，并于2014年实现了水源切换，工艺运行管理方式发生了巨大变化，现按时间顺序介绍重大改造事项。现状生产工艺情况如图1所示。
图1 第三水厂工艺流程图
茅口快滤池原为双阀滤池，进水和排水采用虹吸管，滤砖采用双层陶瓷滤砖，运行管理不方便，滤砖经常损坏。2012年开始对其进行气水反冲洗改造，增加鼓风机，采用U型管配水配气系统，将所有控制阀门更换为气动阀门(进排水虹吸管改造为气动闸阀)，增加现场和集中控制系统。2013年改造完成，运行初期基本实现自动控制。但由于洗砂排水槽未更换，每组滤池两格布水不均匀，出水阀自动调节滞后，处于半自动运行状态。改造后配水系统损坏问题已经解决，由于气水冲洗更彻底，出水浊度稳定在0.5 NTU以下，运行周期由8～12 h延长至24 h。
第三水厂二期工程于2012年开工，2013年建成，生产规模为10万t/d，采用“中置式高密度沉淀池+V型滤池”处理工艺，出水进入深度处理，缓解了第三水厂生产压力。由于用地紧张，采用上海市政设计院研发的中置式高密度沉淀池，节约了土地，利用外置式污泥回流系统强化混凝沉淀，运行5年以来，处理效果稳定。同时，改造了三水厂应急投加系统(粉炭和高锰酸钾)。
第三水厂采用35 kV双回路进线供电，分别为水厂线和茅南线，其中水厂线为专线，比较可靠，茅南线为备用线路。三水厂旧变电所线路切换形式为室外架空，倒闸需人工搬动刀闸开关，非常麻烦，且设备老化、故障频发、负荷备用不足。2014年完成新变电所改造工程，年底实现负荷转移，顺利完成了切换工作。改造后进线回路、变压器和控制系统均集中在新变电所，有完备的综合保护系统，可靠性得到极大提高，保障了三水厂供水用电安全。
连云港市蔷薇河水源长期存在氟化物超标和有机微污染的问题。2014年6月实现水源切换，将水源移至沭新干渠，原水通过泵站、输水管道输送至第三水厂新建缓冲池，由缓冲池分配给茅口水厂和三水厂，设计近期送水规模为30万t/d。水源切换后改善了原水水质，符合地表Ⅲ类水标准。原一级泵房停止运行，处于备用状态。
随着工艺流程扩建、改造，对加药加氯系统也进行了改造。2014年6月以前，茅口水厂和三水厂一泵房运行，加药采用泵前投加，有利于混合。主要存在以下几个问题：三水厂二期工艺泵前投加和沉淀池前重复投加聚合氯化铝(PAC)，药耗较高，峰值达到100 mg/L(液体商品PAC，浓度为10%，下同)；茅口水厂原药池和配制池距离较远，输送时漏损严重，加药计量不准，水厂整体药耗较高，如2013年9月PAC单耗达95.24 mg/L；加氯系统由于三水厂二期工程投产，负荷提高，利用氯瓶自身吸热蒸发已不能满足使用，冬季氯压低、加量不足。
针对上述问题做了以下改造：(1)对PAC系统改造，将全部投加装置集中至三水厂加药间，集中配制、投加和计量，既降低人工劳动强度，又减少药剂浪费；(2)将PAC投加点全部移至沉淀池进水管路上，茅口增设管道混合器，三水厂一期和二期采用机械搅拌混合，改善了混合条件；(3)三水厂增加液氯蒸发器，有效解决冬季加氯量不足问题，改善了电子秤的使用条件，提高了计量准确性；(4)优化应急投加系统，实现3套常规工艺均可统一投加前加氯、粉末活性炭和高锰酸钾，提高了应急能力。2018年第三水厂还实施了加药间自动化改造工程，实现了药剂自动配制、自动切换和自动投加。
经过改造，第三水厂PAC和应急药剂投加系统集约布置，统一投加，实现了全自动运行，投加方便、计量准确，2018年PAC单耗为48.5 mg/L，出厂平均浊度0.21 NTU。
水厂投加的PAC和氯气都具有较强的腐蚀性，设计时选点不合适，建设时安装单位未重视投加点安装方式和质量，导致三水厂发生多起加药加氯点泄漏事件。比如：2014年深度处理出水至清水池管道上的加氯点管道腐蚀；2015年茅口前加氯投加点改造；2016年茅口原水管道加药点锈蚀，甚至导致主生产管线伸缩器锈穿漏水；2018年出现三水厂一期、高密度沉淀池1#和V型滤池助滤剂3处加药点腐蚀现象。由于加药加氯点都在井下或土下，并且深度较大，发现滞后、药剂大量浪费，维修困难。因此，在新建工程时，建议从设计选点到工程安装都要充分重视。首先投加点选择在埋深较浅的管沟里，便于发现和维修；其次安装时采用不锈钢管材焊接，制作插入式投加扩散器(图2和图3)，扩散器材质宜采用316不锈钢或塑料配件，将药剂投加至管道中心部位，有利于药剂混合，同时保护管道不直接接触药剂，减少腐蚀。
图2 插入式加药示意图(运行状态)
图3 插入管实物图
第三水厂清水池分3期建设，分别为80年代茅口水厂5组圆形清水池，总容积为2 000 m3；90年代三水厂一期2组清水池，总容积为12 000 m3；2013年三水厂二期清水池18 000 m3。3组清水池的联通情况如图4所示。由于茅口和三水厂二泵房并联出水，不同机组级配，各泵房出水流量波动较大，清水池流态也随之变化，而清水池进口的3处氯气投加点没有计量，一般采取固定比例投加。夜间清水池水位上升和白天用水量大、水位下降时流态不同，导致机泵调整时，出水余氯发生跳跃性变化。根本原因是各个清水池余氯值不同，表2为不同时段各清水池余氯含量。由于清水池流态发生逆转性变化，恒定加氯量使不同清水池含氯量差值较大，最高达到1.16 mg/L。现状清水池入口不具备安装流量计条件，只能尽量稳定2个泵房的出水量，使清水池流态不剧烈变化，稳定出厂水余氯。建议对分期建设的水厂实现氯气投加和清水池进水量比例调节。
图4 清水池流态图
二期V型滤池投产后浊度的去除率一直偏低，曾采取降低负荷、更换石英砂、提高沉后水水质(沉后水浊度低至1 NTU以下)均不能有效改善出水浊度，出水浊度始终在0.5 NTU以上。2018年6月开始试验投加助滤剂(PAC)，虽然助滤剂加入管道后没有混合设施，只靠水力作用分散，但是效果明显。投加15 mg/L可将滤后水浊度降至0.1 NTU以下，投加10 mg/L可将浊度降至0.1～0.2 NTU。助滤剂可能影响V型滤池运行周期，但试验中没有发现明显的相关性。同时，连云港海州水厂也采用了助滤剂，效果较好，这说明本地区水源在应用V型滤池时，必须考虑投加助滤剂。目前日常投加量控制在6 mg/L，出水稳定在0.2 NTU左右。
注：(1)检测时一期、二期加氯量相同；(2)茅口产水量和氯气加量成正比，清水池余氯值稳定
深度处理、三水厂二期和茅口水厂均采用气动设备，最久已使用7年多，气动阀门在自动控制和工艺过程中有非常好的效果，但维护量大、费用高。通过气路和气源处理系统升级改造，气源比较清洁，只有一直处于动作状态的阀门(出水调节阀)，故障率高。建议改造或新建工程采用气动阀门时，需重视管路敷设和气源处理，防止冷凝水、杂质进入气动执行器，频繁动作的出水调节阀可采用电动执行器。
臭氧发生器单台产量为20 kg/h，使用商品纯氧作为原料。近年来发生的故障主要有频繁跳机、尾气破坏器故障、反应釜内部太脏、保险损坏和臭氧管路泄漏等问题。总结原因有以下几点：(1)设备供应商集成时，空压机、气体过滤器等辅助设备质量差，加氮空压机损坏后，使用动力气源代替，空气质量差，带入杂质；(2)系统集成不完善，像尾气破坏、进出水臭氧分析均不能很好地检测和控制；(3)臭氧管路安装时未考虑热胀冷缩，季节变化导致泄漏严重；(4)供电单元没有独立柜体冷却系统，夏天容易过热跳机；(5)电源检测模块老化，电源轻微波动即发生跳机。
针对上述情况，建议采用以下措施：(1)注重辅助系统的质量，如气源、循环冷却、在线取样检测、PLC控制和计量投加系统等；(2)使用带供电单元柜内空调或水冷的一体柜；(3)外冷却水管路增加过滤装置防止换热器堵塞；(4)臭氧管路安装热胀冷缩装置；(5)将5～10年的维保服务含在设备合同中一起采购；(6)由设备制造厂家编制全系统的详尽运行、维护手册；(7)主机控制程序或二次集成的程序要充分接入厂内控制平台。
第三水厂埋地生产管均为钢管，外做沥青-布防腐，内做环氧树脂防腐，但由于水中含氯量较高，可能会腐蚀管线。二泵房吸水井至泵房的管线已被氯气腐蚀，全是小洞，维修时只能全厂停水，影响非常大。
另外，第三水厂地质条件较差，构筑物或管道沉降拉坏管道，如三水厂二泵房出水管已发生多次漏水抢修事件，全是沉降所致。一般生产管道损坏，易暗流进入下水道，不易发现，维修困难，甚至需要停水抢修。
建设时应重视生产管线的施工质量，包含焊缝、防腐、基础和包封回填等，应满足规范和设计要求。对于地质条件特别差的水厂可采用混凝土带型基础或打桩处理，可考虑球墨铸铁管(主要从管道内防腐和抗沉降两方面，考虑球墨铸铁管作为生产管在水厂内使用的可能性，聚乙烯防腐钢管是否只在钢管外防腐，用作内壁时是否满足饮用水标准，抗沉降方面是否不如球管)在水厂厂区内应用的可能性，在耐腐和耐沉降方面具有优势。
第三水厂建设分期多、时间跨度长、仪表缺少统一规划、品牌杂乱；安装时不合理，取水、排水管路不畅，信号传输不便、维护管理困难。建设时应考虑仪表品牌、取样点和仪表安装位置的设计，统一规划，达到使用方便、准确可靠、上下水畅通、维护便捷和美观的目的。
现代化水厂愈发重视信息传递，如生产、视频、安保和通讯信号等，又有各种电缆、管道，在厂区布置时应充分考虑沟槽、过路套管的预留和埋设，为以后扩展提供空间。
设计、建设和运行好一座现代化水厂是一项复杂的系统工程，需要多专业配合、多层级把控，文章从运行经历中总结经验，以供其他水厂参考。关于重要的配电系统、自控系统运行管理和厂区能源管理等方面内容，由于自身所限，未有提及，今后将逐步学习提高。
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刘保超，刘 宝，魏 琪
(连云港市自来水有限责任公司，江苏连云港 222000)