本文通過工程實例介紹了大型水廠升級改造的理念和實踐：合理利用原有設施節(jié)省投資，在水廠布局和用地受限的條件下，既維持水廠正常生產(chǎn)(不減產(chǎn)或少減產(chǎn))，又要確保施工安全可靠，完成大型水廠的升級改造工程。  

1改造理念  

(1)采用節(jié)地型、疊合式的處理構筑物。這是升級改造工程中的核心問題，即必須首先解決用地問題，才能使改造工程得以進行。根據(jù)所要進行改造工程的工藝流程和工程目標要求，合理地、最大化地將各處理構(建)筑物疊合建設，使用地最小化，如沉淀池和清水池、濾池和清水池(接觸池)、配水井和預臭氧接觸池、中間提升和濾池及反沖洗設施、排泥水系統(tǒng)中的各種收集池、濃縮池和脫水車間及其加藥、配電等。  

(2)采用“騰籠換鳥”式，分階段實施。如何解決邊生產(chǎn)邊改造，是很多老廠改造時普遍面臨又必須妥善解決的現(xiàn)實問題。對此，需要結合水廠自身條件和生產(chǎn)特點，與業(yè)主充分討論，找出生產(chǎn)改造過程的關鍵節(jié)點，確定改造過程中的最低保證制水量，限定改造范圍，在城市供水管網(wǎng)協(xié)調調度下，有組織有應急預案前提下采用“騰籠換鳥”的方式，分階段實施升級改造，以解決邊生產(chǎn)邊改造問題。  

(3)重新梳理各生產(chǎn)管線。水廠看不見的地下管道，是改造工程中的重要一環(huán)，畢竟廠區(qū)內絕大多數(shù)都是重力流管道，各自功能不同、錯綜復雜、密不可分，全面的梳理和統(tǒng)一的布置決定了生產(chǎn)的順暢與否。根據(jù)整體改造工程目標與方案，一次性完成總圖管線布置，并結合改造階段步驟分步實施。  

(4)合理安排老設施、設備的改造時序。在升級改造工程的同時，需要結合升級改造目標，全面分析評估老設施、設備，逐一找出問題所在，再進行有針對性的解決方案，因地制宜，講求實效，統(tǒng)一布局，優(yōu)化整體設計，合理安排改造工程時序，先建后拆，有序進行。  

(5)合理規(guī)劃智慧化改造進程。隨著近年來BIM技術、AI技術和VR技術的不斷進步、城市參數(shù)化水平不斷提高，水廠管理的智慧化，已成為供水行業(yè)技術進步的亮點，構建智慧水廠框架，在生產(chǎn)運行、參觀學習、維護監(jiān)測、環(huán)境控制等各領域逐步推進智慧化，已經(jīng)成為今后大型水廠升級改造的重點內容。  

2工程實例  

2.1水廠現(xiàn)狀  

某城市大型水廠始建成于1958年，位于當初的城市郊區(qū)，該區(qū)現(xiàn)在已成為城市主城區(qū)，四周被居民區(qū)、道路、河道所圍，無可用的新擴建用地，即改造工程只能在現(xiàn)水廠內部實施，并要求維持生產(chǎn)保障居民用水。水源為某運河水系，原水經(jīng)取水泵站、增壓泵站輸送至水廠。泵站和水廠內部都先后歷經(jīng)多次擴容、改造，形成了現(xiàn)在水廠的2條制水系統(tǒng)，即14.5萬m3/d和10.5萬m3/d制水系統(tǒng)，共有3組沉淀池，3組濾池，6組清水池，2座二級泵房。另有1座原水取水泵站和1座增壓泵站,其規(guī)模都是25萬m3/d。  

2.2存在的問題  

(1)構筑物多、設備陳舊、總圖凌亂。水廠自建成的近60年時間里，先后經(jīng)歷多次擴容、改造，形成了現(xiàn)在多個處理構筑物，總圖布置分散、凌亂，且多個構筑物和很多設備都存在問題。如現(xiàn)有吸水井分為高、低水位2格吸水井，多年運行管理實踐表明高、低水位運行切換麻煩，節(jié)能效果也不明顯;加藥間設備陳舊需要逐一更換，其內部布置、土建分隔亦有多處需要改造，而且現(xiàn)有工藝設備也不能滿足新增加藥劑的要求;水廠的清水池庫容僅2.2萬m3，庫容偏小;2座二級泵房和2座原水泵房內水泵機組匹配都不合理、效率低下、自動化程度低。  

(2)現(xiàn)狀水廠處理效果差。據(jù)近幾年水質資料統(tǒng)計，現(xiàn)有10.5萬m3/d系統(tǒng)的沉后水濁度較高，最高為16.8NTU，14.5萬m3/d系統(tǒng)的沉后水濁度最高達20NTU，導致出廠水濁度遠高于目標值(0.1NTU)，出廠水耗氧量最高為2.85～3.14mg/L，也不能滿足《某省城市供水現(xiàn)代化水廠的出廠水優(yōu)質標準》中規(guī)定的CODMn≤2.0mg/L的要求。  

(3)水源污染。原水水質較差，尤其冬季有機物含量較高，近年來突發(fā)性水質污染事件時有發(fā)生。在經(jīng)過多次改造后，出水水質和運行效果有所改善，但耗氧量、錳仍存在超過國家標準的情況。  

(4)流程反向布置。現(xiàn)狀工藝流程是自西向東布置，而原水是從水廠東側接入，現(xiàn)狀水廠的水力流程明顯反向布置。  

(5)環(huán)保不達標。由于歷史原因，廠區(qū)內雨水、污水、部分生產(chǎn)排水為合流制，環(huán)保部門已經(jīng)要求限期整改。  

2.3改造目標

(1)改造后仍維持水廠規(guī)模25萬m3/d，出廠水泵揚程也維持42m，改造期間保證約14.5萬m3/d供水規(guī)模。  

(2)滿足出廠水幾個主要指標：CODMn≤2.0mg/L;出廠水濁度≤0.1NTU;出廠水色度≤5。  

(3)泵站改造后水泵電機機組效率達到經(jīng)常運行區(qū)段75%以上，并滿足水廠不同季節(jié)和不同時段對原水調度的要求。  

(4)完成廠區(qū)內雨、廢水分流，生產(chǎn)排泥水全部收集、經(jīng)處理后達標排放。  

2.4設計特點及應用效益  

設計團隊經(jīng)過多種分析、對不同方案進行比較、調研，并多次深入現(xiàn)場與業(yè)主討論、聽取意見，包括工藝方案的選擇、處理構筑物形式、供水管網(wǎng)調度、應急預案情況等等，歷經(jīng)2年多時間，最終設計推薦了“騰籠換鳥”式，分兩階段實施的改造方案，不僅整體較優(yōu)，而且改造工程對水廠生產(chǎn)影響最小、安全性、施工可操作性最強，得到業(yè)主一致認可。主要設計特點歸納為以下幾點。  

2.4.1最大限度優(yōu)化整合，提升整體最優(yōu)化水平  

(1)優(yōu)化的整體升級改造方案。如前所述，在水廠現(xiàn)有場地范圍內，既要實現(xiàn)水廠改造后水質整體提高、布局合理、水利流程順暢，同時還要提高設備與構筑物安全可靠性，保證改造期間水廠維持14.5萬m3/d左右的供水能力，因此采取拆除水廠部分老舊設施，釋放建設空間，進行“騰籠換鳥”式的改造是最優(yōu)選擇。經(jīng)過分析、評估，現(xiàn)有的10.5萬m3/d系統(tǒng)構筑物已經(jīng)無再次改造的價值，綜合技術、經(jīng)濟分析比較后確定全部拆除為較優(yōu)方案。以現(xiàn)狀水廠中部為界(如圖1所示)，工程分為兩階段實施，一階段中，調整保留南部生產(chǎn)線，確保14.5萬m3/d規(guī)模正常生產(chǎn)前提下，在廠區(qū)北部已經(jīng)拆除的區(qū)域實施25萬m3/d規(guī)模的常規(guī)處理+深度處理+藥劑設施+回用水池等設施的建設，在此期間的低峰供水階段，同步改造原水取水泵站、增壓泵站。  

一階段，25萬m3/d主要處理設施工程占地指標僅為0.14m3/(m2˙d)，遠低于建設部《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》中0.3525m3/(m2˙d)指標，實現(xiàn)了最大限度優(yōu)化整合，確保在有限用地范圍內完成水廠的升級改造。  

二階段，完成一半新系統(tǒng)供水后，再拆除南部現(xiàn)有設施，原址新建清水池、供水泵房，并改造現(xiàn)狀排泥水系統(tǒng)，最后形成完整的預處理+常規(guī)處理+深度處理+排泥水處理25萬m3/d規(guī)模水廠。  

(2)集約化布置凈水處理的核心設施。砂濾池、活性炭池、后臭氧接觸池、中間提升泵房以及濾池反沖洗泵房、配電、管廊等合建于一體，在保證工藝流程前提下，最大程度的節(jié)省了占地，使原廠區(qū)用地無法滿足構筑物單個布置的問題得到了有效解決，且緊湊的布局減少了構筑物間的水頭損失，節(jié)省了長期運行電費，節(jié)地、節(jié)電效果明顯。  

(3)重新梳理和布置各管道系統(tǒng)。在完成25萬m3/d新系統(tǒng)改造的同時，重新調整排泥水、反沖洗水等管線，完成了廠區(qū)雨污分流、調整了全廠雨水系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有廠前區(qū)低洼地勢、暴雨季節(jié)嚴重倒灌的歷史遺留問題。  

(4)在升級改造工程中，同步完成了自來水公司“現(xiàn)代化水廠”中對于自動化標準的要求，為建設智慧水務做了整體考慮和預留。 

2.4.2利用現(xiàn)有設施能力，節(jié)約資源、節(jié)省投資、降低成本  

(1)對正常運行和超越運行設多個模式，在原水水質較好時超越運行，減少運行費用。保留2座還可以利用的清水池、排泥水處理系統(tǒng)，并根據(jù)實際需要完成部分改造。  

(2)水處理構筑物合建后采用渠道連接形式，減少了水頭損失。如按沉淀池到濾池節(jié)省0.5m水頭損失計，每年節(jié)約運行電費10萬元。  

(3)優(yōu)化排泥水系統(tǒng)改造范圍，新建回用水池，使現(xiàn)有排泥水池專門用于排泥水收集，增加和更換脫水機，收集、濃縮、調節(jié)和平衡設施則不必改造。  

(4)利用現(xiàn)狀水源取水泵站、增壓泵站，改造其水泵、電機等設備以及配套的電氣設備，在滿足全年多個工況條件下，經(jīng)多方案計算比較，推薦出優(yōu)化的水泵參數(shù)和變頻調速電機數(shù)量,按改造后水泵機組提高10%效率計，每年節(jié)電超過400萬元。  

2.5凈水工藝主要參數(shù)  

新建25萬m3/d系統(tǒng)處理構筑物的主要設計參數(shù)如下：  

(1)配水井及預臭氧接觸池。配水井和預臭氧接觸池分為2格，對應2組12.5萬m3/d系統(tǒng)，為實現(xiàn)均勻配水設有可調堰，預臭氧最大投加率1.0mg/L。  

(2)折板絮凝平流沉淀池。新建4座6.25萬m3/d�？傂跄龝r間約17min，共設3級。平流沉淀池停留時間約1.71h，水平流速17.1mm/s，出水指形槽溢流率約205.1m3/(m˙d)。沉淀池出水總渠直接接砂濾池進水渠，減少了水頭損失。  

(3)綜合濾池。包括均質濾料砂濾池、后臭氧接觸池、活性炭吸附池以及反沖洗泵房、鼓風機房、配電間和中間提升泵房。砂濾池分為2組，每組12.5萬m3/d，5格，采用氣、水反沖洗;后臭氧接觸池設2組，每組12.5萬m3/d，臭氧接觸時間3段共計約13min，臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式，臭氧最大投加率按1.5mg/L;生物活性炭吸附池分為2組，每組12.5萬m3/d，4格，炭池厚2.1m，顆粒活性炭級配8×30目，不均勻系數(shù)1.9～2.0;炭床最小空床停留時間為12.2min，采用單氣沖結合單水沖;提升泵房、反沖洗泵房和鼓風機房組團設于綜合構筑物的中部，提升泵共設2組，每組規(guī)模12.5萬m3/d。反沖洗泵房和鼓風機房為砂濾池和活性炭濾池共用。  

(4)綜合加藥間。包括混凝劑、助凝劑、消毒劑、氫氧化鈉等在線連續(xù)投加藥劑，含原料存儲、配制、投加和控制等功能，也為將來可能的更多品種藥劑的投加作了工程預留空間。堿液、礬液采用玻璃鋼儲罐儲存，均設于加藥間室外。  

(5)高錳酸鉀、粉末活性炭加注間。進行單獨防爆設置。高錳酸鉀和粉末活性炭在水源發(fā)生污染或藻類發(fā)生情況下投加，投加點共2個，分別投加于2組12.5萬m3/d的配水井過水堰后。  

(6)排泥水處理系統(tǒng)。利用預留的1臺離心機位置，新增離心脫水機1套，并更換1臺現(xiàn)有離心機，固體負荷1000～1200kg/h。進脫水機含固率不小于3%，脫水后污泥含固率大于30%。  

3運行效果  

自2016年6月30日建成投產(chǎn)，水廠運行可靠，處理效果良好，出廠水水質優(yōu)于國家標準，在低溫低濁期，最高出廠水濁度穩(wěn)定低于0.19NTU、耗氧量小于0.72mg/L、色度不高于5，具體水質如表1所示。  

4結語  

(1)針對水廠原址升級改造的用地難題，通過“騰籠換鳥”的方式，合理劃分、分步實施，最大限度減少對現(xiàn)有生產(chǎn)的影響，分階段無縫銜接地完成了升級改造，實現(xiàn)了維持水廠生產(chǎn)供水的同時，滿足水質提標、節(jié)能減排和安全可靠等多重建設目標。  

(2)基于集約化設計和資源節(jié)約的理念，將砂濾池、炭吸附池及提升、反沖洗等多個處理構筑物合建為一體，回用池疊合于機修、倉庫間下方，利于集中管理和節(jié)省用地，并合理共用反沖洗水泵與鼓風機，減少了購置費用和管理節(jié)點。  

(3)重新梳理和優(yōu)化各種生產(chǎn)管線，確保升級改造工程整體順利實施。

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