超短流程工艺如何“拯救”老旧水厂
将高密度沉淀和超滤工艺结合的超短流程工艺运用在老旧水厂现状构筑物的升级改造中，可以实现水质水量的双重提升。河北某地表水净水厂一期改造工程中，针对微污染水源，将传统网格絮凝斜管沉淀池改造为气动絮凝体外污泥回流高度沉淀池，将传统双阀滤池改造为重力产水超滤膜池，并采取增设粉炭，降低铝盐投加量，高密度沉淀池体外浓缩，超滤膜虹吸出水等优化措施。水厂改造后稳定运行2年，产水规模稳定提升25%以上，出水浊度降至0.1 NTU以下，运行成本增加约0.08~0.15元/m³水。
“常规处理+臭氧活性炭+超滤”的全流程工艺在给水处理中逐渐受到关注和应用，其中臭氧活性炭为第二代净水工艺，可视为化学安全性方面的深度处理；超滤为第三代净水工艺，可视为生物安全性方面的深度处理，两者结合起来形成的“城市饮用水全面深度净化工艺”可以有效提高产水水质。老旧水厂往往存在供水保障要求高、用地受限、投资控制等问题，难以采用全流程工艺。如何因地制宜，选择合适的净水流程，是老厂实现升级改造的关键。
本文以河北某地表净水厂一期改造项目为例，介绍了采用高密度沉淀池和超滤结合的超短型流程，在传统斜管沉淀池和双阀滤池内改造，在无新增用地和不影响其他生产线的条件下，实现老水厂的提标增量。
1 改造前概况
1.1 工艺概况
该水厂一期工程建成于1989年，设计规模为10万m³/d。净水工艺采用管道混合-网格絮凝池-斜管沉淀池-双阀滤池，沉淀池排泥水进入污泥系统，污泥处理采用斜板重力浓缩-带式压滤机，滤池的冲洗废水进入回收池进行回收利用，见图1。
1.2 原水及产水水质
本工程水源为引滦水，设计时（2015年）收集了3年的原水和清水水质数据，其中浊度、耗氧量数据如图2、图3所示。
由图可知，原水浊度总体较低，一般为2~10 NTU。出水浊度基本能达到国标要求，可控制在1 NTU以下。而原水耗氧量较高，正常在3.5~6.5 mg/L内。产水耗氧量存在短时超标的问题，正常运行一般在2~3mg/L内波动。此外，根据现场调研，原水存在季节性藻类爆发问题，高藻期主要是在夏秋季，藻类含量在4 000~8 000万个/L之间。
1.3 存在问题
现状一期工艺主要存在以下问题：
（1）运行参数无法实现水量、水质需求。一期现状斜管沉淀池设计液位负荷为9m³/（m²·h）。而《室外给水设计标准》（GB 50013-2019）规定“斜管沉淀池清水区液面负荷可采用5.0~9.0 m³/（m²·h），低温低浊水处理液面负荷可采用3.6~7.2 m³/（m²·h）”，而本项目冬季水源为典型的北方低温低浊水，无法实现水量水质需求。
（2）规模无法达产。一期生产线设计规模10万m³/d，受工艺落后影响，实际生产最大能力仅为7万~8万m³/d，平均生产能力约为5万m³/d。
（3）设备老化严重。现状生产线已将近30年，净水相关设备老化严重，已影响到产水水量和水质。
2 改造方案
2.1 改造目标
（1）通过改造将产水规模提升至规划要求的12.5万m³/d。
（2）通过改造提高产水水质和安全保障能力。水厂在正常运行、科学管理的前提下，出厂水水质全面达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006），且产水浊度小于0.1NTU。
2.2 总体思路
（1）将网格絮凝改造为气动絮凝，将斜管沉淀池改造为污泥体外循环回流高密度沉淀池，提高混凝沉淀效果，并通过粉炭活性污泥的回流，提高有机物的去除效果。
（2）将双阀滤池改造为超滤膜池，大大提高对颗粒物的截留能力，保障产水品质。
2.3 改造方案选择
2.3.1 高密度沉淀池改造方案
为改善絮凝，提高沉淀池出水水质和水量，拟对现状一期斜管沉淀池进行改造，对拆除新建和原池体改造两个方案进行比选，见表1。
表1 沉淀池改造方案对比
方案一：拆除新建方案。拆除沉淀池，新建1座12.5万m³/d中置式高密度沉淀池，尺寸为49.6m×25.6m，分2格。单格高密度沉淀池内设1台污泥浓缩机，两侧各布置1座机械混合池和1座机械絮凝池，斜管分离区位于水池南北两侧，对称布置。
方案二：原池改造方案。将现状斜管沉淀池改造为高密度混凝沉淀池，拆除进水管上管道混合器和两格沉淀池中央进水井，新建机械混合池；在现状栅条絮凝区内布置穿孔管，用于曝气絮凝；拆除现状斜管、吸泥机及相应支架，并原位安装新的设备。现状沉淀池外新建污泥体外循环回流系统，将沉淀池污泥浓缩、气提并曝气培养后回流。沉淀池布置PAM加注系统、粉炭加注系统、曝气絮凝鼓风机、储泥池曝气鼓风机。
由表1可知，原池改造方案通过增加曝气絮凝、体外浓缩、污泥回流、PAM加注、粉炭加注及回流等措施后，从净水效果及各项指标看，与拆除、新建1座中置式高密度沉淀池相当，而方案二具有工期短，投资省的优势，故推荐采用原池改造方案。原池改造方案平面如图4所示。
改造后主要参数为：混合时间50s；设计污泥回流浓度：2%~3%，回流百分比3%；斜管区上升流速：11.25mm/s；
2.3.2 超滤膜池改造方案
对拆建和原池改造两个方案进行比选，见表2。
方案一：拆建方案，拆除砂滤池新建膜滤池。将双阀滤池完全拆除，原址新建浸没式超滤膜车间，包括浸没式膜池、管廊及膜辅助系统车间等。
方案二：原池改造方案，将现状砂滤池改造为膜滤池。保留现状双阀滤池池体结构，拆除进出管路、滤砖、滤料等内部设施，并进行池体加固，安装浸没式超滤膜及配套系统。
从表2可以发现，改造方案比拆建方案在经济性、建设时间、建设影响等方面较优，推荐采用改造方案。滤池原池改造方案平面如图5所示。
改造后主要参数为：膜池共12格，单格面积68.4m²；单格布置9个模组，总共108个模组；超滤设计平均通量23.6 L/m²·h，瞬时最大通量约25.6L/m²·h；膜池采用重力虹吸出水，恒水位等速过滤，采用气动调节碟阀，恒液位控制调节阀的开启度；超滤系统设计回收率：95%；反洗设置：反冲洗采用水泵冲洗和鼓风曝气辅助冲洗。反冲洗周期一般为1～3h，反冲洗强度：水80L/m²·h，曝气强度75L/m²·min。在原滤池反冲洗补充泵房设3台反冲洗水泵，2用1备，1台应对一侧膜池。在原辅助用房设3台罗茨鼓风机，2用1备，1台应对一侧膜池。单台冲洗水泵流量1620 m³/h，扬程15m；单台鼓风机风量2 700m³/min，风压50 kPa。
2.4 净水工艺优化措施
2.4.1 粉炭加注
为提高对小分子有机物的去除效果，拟在改造后的斜管沉淀池增加粉炭投加和回流措施。一般粉炭采用螺杆泵连续性投加，设备较复杂，磨损也相当严重。本工程拟在现状沉淀池设1套粉炭加注系统，采用水射器一次性间歇投加，加注系统简单，日常维护也比较方便。
2.4.2 降低铝盐使用量
长期饮用铝含量超标的水对人体有害。我国的《生活饮用水卫生标准》（GB/T 5749-2006）规定，铝的限值为0.2mg/L。提高混凝沉淀效果可以降低铝盐的投加量，从而减少饮用水中的铝含量。
本工程采用高浓度生物活性污泥和生物粉末活性炭回流工艺，可以起到强化混凝和提高有机物去除能力的作用，在相同混凝效果的情况下，可降低铝盐混凝剂的加注量。
2.4.3 高密度沉淀池体外浓缩优化
本工程拟将一期斜管沉淀池改造为高密度混凝沉淀池。因受原构筑物条件限制，无法再池内设污泥浓缩系统。本次在沉淀池体外新建污泥浓缩、回流系统，并新增粉炭投加及曝气培养设施，能够实现高浓度粉末活性炭污泥回流。
传统浓缩池采用重力浓缩，需新建水池且体积较大，本工程拟将调节池与浓缩池相结合，在其上部叠合储泥池，尽量做到集约化布置，以节约用地。在调节池内布置往复式底部浓缩刮泥机和污泥气提装置，利用底部刮泥机高效的浓缩效果，使排泥水含固率达到3％以上，提升至储泥池，储存、回用。浓缩、气提、曝气综合池布置见图6。
为避免可能的污染物富集造成的负面影响，污泥浓缩回流设置排放系统，定期排除污泥至厂内污泥处理系统，更新活性污泥的同时也降低富集影响。
2.4.4 浸没式超滤膜出水方式优化
一般浸没式超滤膜采用水泵抽吸方式产水，抽吸泵采用容积泵或离心泵。本工程拟将现状双阀滤池改造为浸没式膜滤池，现状滤池过滤水位与清水池最高水位差为3.2m，如采用传统泵抽吸产水方式，无法有效利用现状水头差，造成能量浪费。本工程采用无抽吸重力式产水方式。
2.5 总体净水工艺流程
本项目改造总体净水工艺流程如图7所示。
3 运行效果
本工程于2019年建成，至今已连续稳定运行2年，主要运行指标为：
产水规模：可稳定达到12.5万m³/d的设计规模，高峰期超产可达14万m³/d，且应对不同水量需求可灵活调节。项目实施改造过程中二期工艺正常生产。
产水水质：产水浊度＜0.1 NTU，耗氧量＜3 mg/L。
制水成本：改造后，斜管沉淀池增加了曝气和污泥回流的成本；超滤膜系统采用重力式产水，相比于原虹吸滤池无显著成本增加。实际运行后产水成本较改造前增加约0.08~0.15元/m³水。
4 结论及建议
在城市老旧水厂的升级改造中，应用高密度和超滤结合的超短型流程可以有效实现老厂的提标增量。
在池体结构允许的条件下，原池改造的方式具有投资省、工期短、对现状生产影响小的优点，适合于在老厂改造中实施
超滤的改造应尽可能利用现有水力高程，实现虹吸产水，减少建设投资和运行成本，相应运行管理的难度也会大大降低。
新版国标水质标准将嗅味物质列入强制性指标，超短型流程的应用需充分关注原水的嗅味问题。
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