導 讀
黃河作為我國西北和華北地區城市的重要水源，進一步對黃河高濁度原水的研究具有重要的意義。以北方某水廠改擴建工程設計為例，針對其高濁度原水特性，對取水工程的各個環節進行針對性的優化改造；同時提出“多級屏障、適度冗余、層次處理”的工藝設計原則，提高處理效率和安全性；采用高效工藝和疊合組合方式克服用地不足等不利因素。工程建設完成擴容目標的同時，取水泵房和水廠運行良好，出水水質達到標準要求。
0引言
隨著我國西部大開發戰略的推進和城市化發展的進一步深化，產業內遷和西進趨勢不可避免。生產建設的需要和當地居民生活水平的日益提高，用水量的需求也逐漸上升。黃河作為我國西北和華北地區城市的重要水源，且其高泥沙含量、冰凌等特性給取水及水處理工程的設計帶來一定的特殊性，進一步對其高濁原水的水廠設計實踐進行總結具有重要的意義。以北方某水廠為例，對黃河高濁度凈水廠工程設計要點進行探討，以期提供有益的參考和借鑒。
01水廠現狀、設計條件及目標
1.1 水廠現狀
本工程凈水廠于1983年7月建成投產，供水能力5萬m3/d，主要供應生活和工業用水，是40萬人口的主要用水水源。水廠以黃河包頭段中下游為水源，取水泵站距水廠約1.8km，采用岸邊式圓形取水泵房形式，內徑21m。現役水泵為臥式離心泵4臺（3用1備），水泵揚程在36~39m，流量分別為500 m3/h，1260 m3/h、1120 m3/h、700 m3/h。泵房前池設有旋轉格網、抽泥泵等。泵房的具體布置如圖1所示。
在運行過程中，取水泵房主要存在以下幾點問題：
取水口淤堵。由于采用岸邊式取水方式，在洪峰期，上游沖刷而下的大量泥沙和水生植物容易造成取水口的淤堵，水下清淤僅能采用人工方式，較為不便；
結冰。在冬季黃河冰凌期，由于取水點位于容易受到冰凌的直接沖擊從而影響正常取水；
由于原水的高含沙量，泵房旋轉格網底部部件磨損嚴重，基本需1年更換一次；另外，實際運行中，原設計的揚程偏高（經水力負荷及現場實際運行壓力調研），泵殼及葉輪易磨損，經常需停泵檢修。
改造前的凈水廠采用“旋流沉砂+機械加速澄清+虹吸濾池”常規處理工藝。其中，預沉池由于老化已基本停用，為確保出廠水質，在原水沙峰期間必須通過降產來保證水廠的正常運行。改造前原水廠的平面布置如圖2所示。
1.2 建設規模及出水水質
根據相關規劃，水廠和取水泵房本期擴容改建工程規模為8萬m3/d，建設常規處理工程。在凈水廠現狀用地范圍內，保留遠期擴建至16萬m3/d和深度處理工藝的可能。水廠除需滿足現狀區域供水增長以外，近期需向北部某加壓站供水1.2萬m3/d，供水距離約13km，高差約80m。本工程的新（改）建構筑物如表1所示。
出廠水水質符合國家《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)的要求。
1.3 原水水質條件分析
根據2014-2016年水廠原水統計，沙峰期濁度一般在1 000~2 500 NTU左右（含沙量約為1.8~4kg/m3），自2015以后，由于黃河保護工作的深入和上游水土流失的改善，其原水含沙量有下降趨勢。2020年原水的最高、平均濁度和含沙量如表2所示。從表2中可知，原水濁度和含沙量全年變化較大，其中3月份破冰凌以及7至9月份的沙峰造成典型高濁度原水。
黃河原水中的懸浮物組分差別較大，根據資料，其相對組分具有明顯的地帶分部規律：從北向南高嶺土組分增加，蒙脫土不斷減少。兩者在親水性、沉降性等方面差別較大。根據新一版《高濁度水給水設計規范》（CJJ 40-2011，以下簡稱“高濁水規范”）的建議，由于黃河高濁度水在沉降過程中具有清晰的渾液面，屬于“高濁水規范”中所指的“界面沉降高濁度水”。值得一提的是，黃河高濁度水的含沙量10kg/m3 時產生的濁度與長江高濁度水的濁度（3 000~5 000 NTU）基本相當。因此，在高含沙量的黃河原水中，濁度指標并不能很好的反應水質情況。在該水廠建設完成后，本工程要求對原水的濁度和含沙量應分別進行統計。
1.4 工程重點、難點及應對措施
本項目的設計主要存在以下重點和難點：
（1）黃河高濁度原水處理本身存在一定特殊性。本項目原水具有黃河包頭段的高濁度原水的特點，沙峰期原水含沙量大，冬季又需防冰凌。大量實踐證明，對于高濁度原水采用預沉調蓄池不僅能提高供水安全保障，也有利于降低下游水處理設施負擔，保護處理設備。但由于本次改造項目無征地條件，對于取水、水處理的安全保障設計帶來一定的挑戰。
（2）改造擴容工程僅利用原廠址，用地緊張。本次改造近期規模8萬m3/d，遠期規模為16萬m3/d，且需預留深度處理工藝。根據住建部發布的《城市生活垃圾處理和給水與污水處理工程項目建設用地指標》，16萬m3/d的地表水廠，采用預處理+常規處理+深度處理工藝下，其用地控制指標為8.57 hm2，而本工程水廠用地僅有3.84 hm2，且高濁度原水、改造工程更使得用地更為緊張。
（3）工程建設期間停水期極短。由于該水廠目前仍承擔供水任務，在水廠改擴建期間要盡可能確保正常供水。在平面布置中，新建構筑物必須利用現狀空余場地，且其于現狀仍舊運行中的構筑物必須保證一定距離，確保安全。
（4）工藝陳舊、設備老化，利舊和挖潛具有一定難度。由于原水廠建設年代久遠，采用的工藝陳舊、自動化程度低，設備老化嚴重。且水廠建設時并未考慮遠期擴建因素，土建和管道接口均未做預留。
針對上述工程難點和特點，提出以下針對性措施：
（1）根據高濁度原水的處理經驗，設計中充分考慮其負荷大、易磨損設備部件的特性，通過創新改造，挖掘原沉沙池潛力，形成兩級沉淀的工藝流程，降低后續構筑物的負荷；在設備選型和配置方面，注重其耐磨特點，并提高備用率，確保供水安全。
（2）針對用地緊張問題，工藝選擇上采用成熟且高效的工藝池型，在減少用地面積的同時，也可降低北方寒冷地區的采暖面積。構筑物布置上，結合水力流程，采用疊合組合布置方式，節省用地，且方便人員巡檢。
（3）新建構筑物的布置充分考慮現狀構筑物的運行安全，在構筑物的布置上合理安排建設時序，盡可能減少管道碰接期間對生產的影響。
（4）對水廠現狀構筑物做充分評估，通過局部改造和優化，保留和充分利用原有水力沉沙池和清水池的潛能，降低投資。
02工程設計要點探討
2.1 取水工程改擴建設計要點
2.1.1 防冰凌和截草設計
如前所述，本工程現狀取水泵房為岸邊式，取水口直對黃河主流，極易受冰凌和雜草及水生植物的直接沖擊，造成取水困難。本次設計一種可防止冰凌沖擊及截留雜草的浮筒裝置，如圖3所示。綜合考慮受力分析和冰凌厚度，采用DN500鋼浮筒，通過繩索、手動葫蘆和泵房連接。鋼浮筒分段制作，拆卸后可方便吊裝維護。浮筒下部設有長度為0.9m的擋草鋼板，可有效阻擋較大的水生植物進入取水口。
圖3 防冰凌及截草浮筒
工程建成投產后，實踐證明冬季大量雜草被浮筒阻擋后，隨主流至下游，大大降低了取水間堵塞及纏繞水泵泵軸的可能性。冬季冰凌凍結至浮筒外側，避免直接沖擊泵房及取水口，供水安全性得到保障。
2.1.2 進水間優化設計
由于原水含沙量大，進入吸水池以后，流速降低部分會迅速沉降并淤積在進水間內，因此本次設計擴容后其過孔設計流速將有所提高，適當提高流速有利用改善其淤積情況，因此本次不對其進行改動。在此基礎上，進水間底部泵房增設空氣管、沖洗高壓水管。一旦發生淤積現象，將泥沙氣沖、高壓水沖將淤泥松散后通過排泥泵或供水泵排出，大大降低了人工清淤的工作量。關于取水泵房前端的回轉式格網水面以下的軸承磨損問題，本次改造將其改造成鋼絲牽引式，盡可能避免高濁水下的設備部件摩擦可能性。
2.1.3 水泵設計
本次設計需將水泵供水能力擴建至8萬m3/d，且現有水泵服役年限較長，考慮將其全部進行更換。相關研究表明，水泵機械的磨損和揚程轉速有較明顯的正相關。
因此，將原水泵替換為較低轉速的水泵（原水泵定頻轉速1 480 r/min更新為980 r/min），且4臺泵均增加變頻調速裝置，在低峰供水時可變頻運行，進一步降低轉速。另外，水泵的揚程較高也增加水泵的磨蝕。本次設計過程中，通過水力計算和對運行數據的統計分析，將原水泵揚程36~39m降至25~28m，結合內部增加耐磨涂層，葉輪和泵殼的磨損情況大大改善。
對于常規取水臥式離心泵的設計而言，一般為考慮供水安全性采用自灌式啟動方式。但對于黃河高濁水，停運水泵泵殼中的原水泥沙會快速沉降甚至板結，對于水泵的再次啟動造成嚴重影響。因此，本次同步將真空引水設備進行更新。
通過上述改造更新措施，從2018年投產至今，取水泵站運行良好，維護工作量較小。
2.2 凈水工藝流程和廠區平面布置
2.2.1 總體設計原則和工藝流程
從水質和水量保障角度來看，為應對黃河高濁度水的特性，本次工藝處理設計提出“多級屏障、適度冗余、層次處理”三大原則。
高濁度原水沙峰來勢力迅猛，黃河上有些工程對汛期的高濁度水不能有效地處理，必須增建預沉池或調蓄水池。在條件允許的情況下，應采取避砂措施或二級或三級沉淀處理。本次設計由于場地受限，無條件新建預沉設施，可考慮對現狀的水力沉砂池進行改造，利用水力旋流效應，在沙峰期間啟用降低原水含沙量，盡可能降低對后續工藝的沖擊。
黃河高濁度原水具有易淤積、易磨損設備等特點，設備維護和停運的概率較高，為保證水廠的不間斷允許，各處理和水力輸送單元應適當提高備用率，關鍵環節采用70%~100%的保證率。
黃河高濁水的特點，對其處理重點單元應為加藥和沉淀排泥單元，對高濁度水進出分層次處理。許多設計和運行管理人員存在認識誤區，通過加大濾池的運行負荷，作為大量泥沙截留的工藝環節。但實踐證明，增大濾池的運行負荷會大幅度降低反沖洗周期，耗水耗濾料的同時，處理效果也較差。
結合場地限制因素，本次水廠的常規處理工藝采用“水力沉砂+高效沉淀池+V型濾池”的常規處理工藝，并根據規劃要求預留“臭氧+活性炭吸附”深度處理工藝。
最終采用的工藝流程如圖4所示。
圖4 水廠工藝流程
2.2.2 廠平面和構筑物總體布置
在場地條件緊張的情況下，除采用高效池型以外，構筑物的組合、疊合往往成為重要的布置手段。根據豎向布置，將高效沉淀池和V型濾池進行組合布置，節省用地的同時也能較少構筑物之間的連接管路。對于寒冷地區水廠，該組合方式方便建筑整體設計并利于廠區巡檢，避免頻繁出入室內外。
清水池是凈水廠中占地面積較大的調蓄構筑物，因此，本次設計考慮利用原有清水池的同時，將遠期預留的臭氧活性炭深度處理工藝和清水池進行疊合處理。本期僅建設下部清水池，上部深度處理進行土建預留。另外，為進一步加大調蓄能力，確保加氯消毒的接觸時間，在V型濾池底部疊合消毒接觸池。由于高效沉淀池深度較濾池大，該疊合方式也有利于水廠的水力流程和基坑處理。通過上述設計，水廠近期的調蓄容積達14 300m3，占總處理能力的17.8%，滿足要求。
由于水廠將額外承擔北部某區域的供水任務，該供水方向和現有供水區域的供水壓力差別較大，水泵無法共備。勢必造成水泵臺數和電氣設備的大量增加，原二級泵房無擴容改造的可能性。設計中利用原鍋爐房（由于環保問題，需更新）位置新建二級泵房，待處理流程改造完成后進行新老泵房的切換。新建鍋爐房設于廠區西南角。改造擴容后的廠區平面如圖5所示，遠期8萬m3/d規模的構筑物可通過原構筑物拆除后布置。由于本次工程建設過程中需維持水廠的正常運行，故在布置和建設時序方面，從以下幾方面予以確保：
（1）新建構筑物盡可能在原有空地上新建。如本次新建的沉淀、濾池、清水池、加氯間和加藥間等，并和原有構筑物保持一定的安全實施距離；
（2）對于改建部分，盡可能在低峰期間實施，將影響降低到最小。如取水泵房的改造勢必造成短時間停水，設備改造一般考慮在冬季用水低峰期間，且采用逐步實施方式；沉砂池改造則避開沙峰期；
（3）為確保水廠的不間斷供水，新建處理構筑物調試完畢后，首先進行新舊清水池管道的銜接，通過原有二級泵房正常供水；新建二級泵房待單體調試完畢，和清水池及外管網銜接后，停用原有泵房后啟動，實現新老系統的過渡。
圖5 改造后水廠平面
2.3 水力旋流沉砂池改造設計
現狀有2座水力旋流沉砂池，單座直徑25m，池深7.95m，設計總規模為5萬m3/d，用于高濁期間的預沉處理。該池型通過噴嘴（見圖6a）設計使得水在池體內高速旋轉，使泥砂匯集于中心沉降除去。由于受場地限制，本次水廠擴容工程無條件進一步擴大沉砂池的直徑，但可以通過改善水力旋流的效果，強化沉砂過程。因此，對水力旋流的形成進行優化并針對高濁度水的特點進行設備更新。
如圖6b所示，將原有噴嘴改造成矩形配水管和環形布置噴嘴，有效保障了水力旋流的形成，其中配水系統借鑒“大阻力配水系統”原理，保證了各噴嘴的配水均勻性。噴嘴呈沿圓形環形多點布置，形成水力旋流的“接力效應”，保障后續絮凝速度梯度的形成。
圖6 改造前后水力旋流沉砂池
另外，在混凝反應區內，由于導流筒和池壁的存在，旋轉的水流速度由快變慢，理論上呈線性變化，形成較好的速度梯度變化。該水流形式也保證水中絮凝顆粒具有較大的接觸強度、和更好的反應條件，特別針對了高濁度水在投加絮凝劑后泥量大、快速分離的特點；反應區中導流筒設置成可調節型，通過其安裝高度的變化，保障其在一定的濁度范圍內具有較強的適應性。
原設計中采用周邊傳動刮泥機，在實際運行中易發生不平衡現象，本次改造則采用中心傳動式刮泥機，具有故障率低，安全節能，維護簡便等特點。另外，刮泥機上的刮板設有自動提升裝置，根據刮泥過程的阻力變化，提升或降低刮板的高度，實現較強的自適應功能。針對高濁度原水排泥水量大、濃度高、易板結情況下，刮板可先刮除上層濃度較低污泥，再降低高度，緩慢有效的刮出下層濃度較高的污泥。該方式可有效防止刮泥機的“過載”運行，起到保護設備的作用。
通過上述改造，近2年高濁期沉砂池運行正常，對后續構筑物的減負起到重要作用。
2.4 沉淀設計要點及參數
如前所述，對于高濁度原水的處理，沉淀及其排泥設計是重中之中。本次采用占地較小的中置式高效沉淀池，總設計規模為8萬m3/d。該池和分為獨立運行的2格，組合了混合、絮凝、沉淀、污泥濃縮于一體，池體中間上部設置單元機械混和器和機械絮凝器；下部為各類管線走廊；池體兩側為絮凝過渡區、斜管分離區、集水區、污泥濃縮區；污泥回流和污泥排放泵，設在單體中間。
圖7 中置式高密度沉淀池布置
具體設計參數總結如表3所示。
表3 中置式高密度沉淀池主要設計參數
大量實踐證明，可通過混凝劑、助凝劑投加量控制、排泥周期調整等運行手段，本池型對原水的濁度大幅度變化呈現很好適應性，全年沉淀出水濁度均控制在5 NTU以下，最終出廠水的濁度均控制在1 NTU以下。
排泥方面，由于高濁度水沉淀池底部的排泥水屬于非均質漿體，較容易產生“異重流”現象，從而造成沉降泥沙迅速板結。在本次設計中，充分借鑒現有項目設計經驗和運行反饋，采用底部刮泥+單斗氣力松動（氣力輸送排泥）方式，實現可靠排泥。
另外，相似水源水廠的管理人員反映，往復式刮泥機的滑鞋由于細小泥沙顆粒的涌入，反復摩擦造成磨損。本次設計考慮將往復式刮泥機的滑鞋部件從普通聚氯乙烯改成高密度聚氯乙烯，大大提高了部件的壽命。
2.5 加藥點及加藥量設計
高濁度水的混凝過程主要表現為使得具有一定沉速的泥沙以更快的速度下沉。因此，采用單純無機鹽混凝劑來壓縮雙電子層的效果較不理想。而高分子助凝劑的吸附架橋作用，可保證水中泥沙具有一定的分子鏈長度，效果更好。大量的試驗和實踐證明，采用鋁（鐵）鹽混凝劑的效果+聚丙烯酰胺助凝劑的效果最佳。本工程采用聚合氯化鋁（PAC）混凝劑和聚丙烯酰胺助凝劑的組合。
關于混凝劑和助凝劑的投加順序，應根據具體情況分析。有文獻指出，聚丙烯酰胺在無機鹽混凝劑之后投加可保證出水濁度。因此在本工程的設計過程中，將混凝劑投加于混合區，而將助凝劑投加于后續絮凝提升區，投加于機械絮凝區，取得良好的實踐效果。
藥劑的投加量應根據試驗確定。根據現場反應，加藥量過低沉淀池出水濁度難以保證；而加藥量過高，沉淀池內泥沙沉降過快，對刮泥系統的負荷過大，容易造成刮泥設備故障。因此，在沉淀池設計中僅關注泥沙沉降效率是不合適的，應力求在保證水質和順利排泥之間達到平衡。本工程設計的投加點和投加量確定如表4所示。
表4 加藥點及加藥量設計
03結論和展望
以北方某水廠實際工程設計為例，對黃河高濁度水處理改擴建工程的設計進行了詳細分析。設計論證中，應通過試驗或相似水廠運行經驗，對原水的沉降性能進行仔細分析，克服改擴建工程中，由于場地限制、無停水條件等因素，合理確定工藝流程和平面布置方案，同時充分考慮輸水管道、設備磨損等方面的問題。
另外，關于黃河高濁度水處理，可以從以下幾方面開展研究工作以提高水處理的科研和設計水平：
（1）原水水質調研：黃河原水雖然具有一定的共性，但隨著地域和地理位置的變化，各取水段具有不同的處理特點，建議對黃河上、中、下游各段原水進行充分調研，進一步了解黃河高濁水處理特點和空間分布的關系。
（2）研發新型投加藥劑：目前采用較多的藥劑為無機鹽混凝劑和陰離子聚丙烯酰胺助凝劑。對于新型加藥劑的研發，應在保證安全無毒性和高效沉泥的前提下，保證板結的有效改善和排泥阻力的降低。
（3）刮泥和排泥設備創新：高濁度水沉淀排泥問題是設計和生產管理的重點，如何對刮泥和排泥設備及其運行進行創新是提高水廠運行效率和高濁水凈水廠現代化建設的重要方面。
（4）排泥出路問題：黃河水排泥量大，且根據黃河水利委員會和環保部門的要求，禁止泥沙直接排入水源。而過去對泥沙燒結制磚也因人們日益關注的空氣污染問題予以禁止。因此，如何妥善處理和綜合利用也是一個重要的課題。