浅谈郭公庄水厂的工艺选择

浅谈郭公庄水厂的工艺选择
浅谈郭公庄水厂的工艺选择
饶磊
（北京市市政工程设计研究总院，北京 100082）
1、南水北调及配套工程将彻底摘掉“缺水城市”的帽子
北京是中华人民共和国的首都，是全国的政治中心、文化中心，是世界著名古都和现代国际城市，是中央党政军领导机关的所在地，是总人口数量已突破1700万的超大型城市，同时是世界上严重缺水的大城市之一，属重度缺水地区。

与世界大国首都和大城市相比，缺水问题十分突出。

水资源的短缺已成为影响和制约首都社会和经济发展的主要因素。

南水北调中线一期工程是彻底解决北京水资源紧缺的特大型外流域调水工程。

郭公庄净配水厂工程属于南水北调中线工程的配套工程。

水厂一期工程设计规模50万m3/d，预计2014年建成通水。

该工程的实施，将缓解北京南部地区供水压力，大大提高北京市城市供水的安全性，保障供水量并改善供水水质，同时可置换出大量的地下水自备井用水，对涵养严重匮乏的地下水具有重大意义，可为首都社会经济的高速和可持续发展提供坚实基础。

2、郭公庄水厂水源及水质特点简析
郭公庄水厂水源引自长江支流汉江上的丹江口水库，经过1277km明渠，途经河南、河北两省，引至北京团城湖；再通过建设中的南干渠最终将长江水送达南水北调配套工程的主力水厂—郭公庄水厂。

结合丹江口水库水质调查结果及《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）水质指标可以看出郭公庄水厂的水源有以下特点：（1）丹江口水库原水水质大多数指标符合GB3838－2002《地表水环境质量标准》中Ⅱ类标准；但是部分时期总氮指标为Ⅴ类标准；陶岔水库BOD5、高锰酸盐指数超出Ⅲ类标准。

（2）有机物含量较低，基本达到II类水体标准；
（3）南水北调中线工程对供水水质的承诺为Ⅱ类，但原水经过约1200km明渠及北京段长度约80km 暗涵长距离输送到团城湖，途经700多座村庄和横跨各种大小桥梁，有可能遭到污染（甚至突发水污染），水质情况仍具有很大不确定性。

综合上述情况，郭公庄水厂工程水源具有明显不确定性，面临的主要问题有：
（1）原水有机物综合指标存在上升的可能性，水处理工艺需要提供足够的水质安全余量。

（2）尽管由于缺乏浊度的相关数据，无法客观评价未来水质情况，但应充分做好原水浑浊度增高的准备。

（3）藻类的去除是水处理工艺需要重视的问题。

（4）原水总氮升高问题应该充分重视，经长距离输水后有机氮向无机氨氮的转化是水处理工艺面临的潜在问题。

（5）长距离明渠输水可能出现水体污染或突发事故，包括有毒有害合成有机物的产生、致病微生物的侵入等，应有应急措施。

（6）长距离原水迁移引起水质变化，需要进一步研究。

（7）水源切换后可能引起现况配水管网体系化学稳定性的破坏，应在净水工艺中增加相关水质调节措施应对。

综上所述，郭公庄水厂水源主要水质特征为：冬季低温低浊，夏季可能出现较高藻类、有机物、色嗅味；主要控制指标为浊度、藻类、嗅味、微生物、消毒副产物、有机物，同时考虑管网的生物稳定性及化学稳定性。

潜在风险包括长距离输水，低微有机污染、微生物迁移的风险；突发性原水污染的可能（沿途700多座村庄及多处交通设施）；水源切换为河北四库水时的低碱度、高硫酸盐问题。

3、郭公庄水厂出水水质要求
随着经济的发展，对城市供水水质的要求也逐渐在提高。

卫生部颁布了最新的水质控制标准（《生活饮用水卫生标准》GB5749－2006）。

建设部组织编制的《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》（以下简称《水规划》）的正式印发为我国城市供
水行业在未来五年的
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技术发展提供了主攻方向。

《水规划》针对供水水质明确制订了2010年要达到的主要目标以及2020年的远景目标。

为促使供水发展与我国经济发展同步并与国际接轨，《水规划》选用城市供水规模、人均GDP、城市地位及其对外开放程度提出了三级水质目标。

其中一级目标要求供水水质达到国际先进水平及发达国家水平，满足欧盟水质指令或美国EPA饮用水水质标准，出厂水浊度≤0.3NTU（保证率>95%）耗氧量≤2mg/L，贾第虫和隐孢子虫<1个/10L。

要求达到一级目标的城市包括：直辖市、经济较发达城市、国际旅游城市及日供水量100万m3/d以上，或人均GDP5000美元以上的城市。

北京应按一级目标执行。

鉴于出厂水在管网输送至用户时浊度有所增加，有研究一般可能增加0.3~0.5NTU。

因此为保证供水安全，要求出厂水浊度更低，为此执行不高于0.3NTU 的标准。

依据《水规划》标准，郭公庄水厂处理工艺选择基本目标总结如下：
（1）确保首都供水安全，工艺技术适度超前。

（2）总体达到国内供水行业的先进水平，出水水质低于国家标准限值，达到国际标准。

（3）供水安全优先，构成多级屏障策略，工艺单元优势互补，运行灵活经济合理。

4、郭公庄水厂工艺方案确定
4.1、分离工艺方案确定
目前国内外常见的絮凝沉淀工艺主要有折板絮凝和斜管沉淀（水力絮凝沉淀）、澄清工艺、气浮工艺等。

鉴于水力絮凝沉淀工艺具有应对水量水质变化能力较弱、原水高藻时处理能力不足等缺点，郭公庄水厂工程将重点放在目前较先进的絮凝沉淀工艺进行技术对比，主要处理构筑物包括：机械加速澄清池、高效澄清池、脉冲澄清池、气浮池。

1）、机械加速澄清池
机械加速澄清池的工作原理是利用原水中的颗粒和池中积聚的沉淀泥渣相互碰撞接触、吸附、聚合，然后形成絮粒与水分离，使原水得到澄清的过程。

澄清池综合了混凝和分离作用，在一个池内完成混合、絮凝、悬浮物分离等过程的净水构筑物。

清水区设计上升流速一般采用1～2mm/s，总停留时间1.5hr。

重力排泥，排泥含水率99.9%。

机械加速澄清池在国内曾得到广泛利用，北京第九水厂、田村山水厂和门城水厂采用此种池型，也取得了很好的处理效果。

2）、高效澄清池
高效澄清池是高效沉淀池的一种，由混合区、絮凝区、推流区、沉淀区、后絮凝区、浓缩区、泥渣回流系统、剩余泥渣排放系统组成。

运行过程为：原水加注混凝剂后经快速混合进入絮凝池，并与沉淀池浓缩区的部分沉淀泥渣混合，在絮凝区加入PAM并利用螺旋桨搅拌器完成絮凝反应。

经搅拌后的水以推流方式进入沉淀区。

在沉淀区中泥渣下沉，澄清水通过斜管区分离后并通过后絮凝，最终由集水槽收集出水。

沉降的泥渣在沉淀池底部浓缩，浓缩泥渣一部分通过螺杆泵回流与原水混合，多余部分由螺杆泵排出。

主要应用案例：北京市第三水厂扩建工程，混合时间2min，絮凝时间11min，斜板上升流速：16.2mm3/m2.h (4.5mm/s)。

青岛仙家寨水厂（30万m3/d）、上海杨树浦水厂（36万m3/d）天津津滨水厂（50万m3/d）等均采用上述工艺。

3）、上向流炭吸附反应澄清池
上向流炭吸附反应澄清池是一种炭和泥渣悬浮型的澄清池。

利用脉冲配水方法，自动调节悬浮层泥渣浓度的分布，进水按一定周期充水和放水，使悬浮层泥渣交替地膨胀和收缩，增加原水颗粒与泥渣的碰撞接触机会，从而提高澄清效果。

其工作原理是：加入絮凝剂（FeCl3）和粉末活性炭的原水经机械混合后，进入真空室，从配水干渠经配水支管的孔口以全断面均匀通过泥渣悬浮层高速喷出，在稳流板下以极短的时间进行充分的混合和初步反应。

然后通过稳流板整流，以缓慢速度垂直上升，在“脉冲”
水流的作用下悬浮层有规律地上下运动，时而膨胀，时而压缩沉淀，促进絮凝体颗粒的进一步碰撞、接触和凝聚，原水颗粒通过泥、炭悬浮层的碰撞和吸附，有机物被吸附，再经斜管组件进一步实现固液分离，从而使原水得到澄清。

澄清水由集水槽引出，过剩泥渣则流入浓缩室、经穿孔排泥管定时排出。

主要应用案例：天津泰达水厂三期设计规模15万m3/d，共4座，单座处理规模3.75万m3/d；上海罗泾水厂采用了上向流炭池＋超滤膜技术；内蒙古包头市饮用水厂，规模30万m3/d；广东永和饮用水厂规模10万m3/d；广东电白第二饮用水厂10万m3/d。

4）、气浮池
与沉淀原理相反，气浮是将水中的悬浮颗粒升浮
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到水表面。

气浮依靠微小气泡，使其粘附于已絮粒的固体颗粒矾花上，从而实现絮粒强制上浮，达到固液分离的效果。

由于气泡的重度远小于水，浮力大，能促进絮粒迅速上浮，提高固液分离的速度。

回流循环10％的气浮池出水，通过一个汽/水饱和系统形成高压溶气水，并通过调节减压阀使高压溶气水的压力骤然减小，因而产生大量微小气泡，喷射到气浮池中，气泡附着在絮凝颗粒上，并快速上浮至水面，形成稳定的悬浮污泥，当泥位到一定高度，开启气动快开阀，将浮渣排出。

主要应用案例：天津芥园水厂，规模50万m3/d，采用溶气气浮（DAF）工艺；澳门MSR水厂规模12万m3/d，采用气浮＋超滤；贵州清镇东郊供水项目, 规模12万m3/d。

结论：机械加速澄清池的运行管理简单，北京有丰富的运行经验，处理效果好、适应性强、设备少、投资低，据此郭公庄水厂的分离工艺适合采用机械加速澄清池。

4.2、超滤膜处理工艺的必要性
1）、超滤膜处理工艺的优势
随着社会经济的高速发展，人民生活水平日益提高，城市饮用水水水质标准更加严格，供水保证率和供水安全度将会不断提高，作为
感官性状、一般化学以及微生物的综合指标—浊度指标日趋严格。

2012年7月以后，净水厂出厂水水质将全部实施《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006，该标准将浊度限值从3NTU提高至1NTU，当水源与净水技术条件限制时才允许为3NTU。

行业规划《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》提出三级水质目标，其中一级目标的浑浊度限值管网水≤0.5NTU，出厂水≤0.3NTU；二级目标的浑浊度限值管网水≤1NTU，出厂水≤0.5NTU；均优于国家标准。

近年来国内大中城市新建水厂出厂水浊度稳定控制在0.5NTU以下甚至0.3NTU以下的已达到相当的比例。

郭公庄水厂是21世纪首都北京利用南水北调干渠来水的大型水厂，其工艺选择的定位应满足供水行业规划的一级水质目标，达到国内领先、国际先进水平。

其中出厂水浊度要求小于0.3NTU，保证率大于95%。

采用超滤处理工艺作为水厂的过滤单元，可以几乎完全去除水中的微生物，极大地提高水的生物安全性。

超滤膜膜丝约为0.01～0.1μm的平均孔径，可有效去除贾第鞭毛虫（5～15μm）、隐孢子虫（3～6μm）等致病原生动物以及细菌（μm～nm级）、病毒（nm 级），并可稳定降低水厂出水浊度，实现供水行业的一级水质目标。

目前全球范围内采用膜处理工艺的净水厂运行规模于2007年已超过1000万m3/d。

多年的研究和工程实践使其技术更加成熟、系统投资和成本逐年降低，运行管理经验逐渐丰富，国内包括佛山、天津、台湾、澳门、东营、无锡、杭州、北京等多个水厂（总规模约100万m3/d）超滤膜工艺的应用为郭公庄水厂工程提供了经验和指导。

4.3、炭吸附池池型选择及在流程中的位置确定
近十年在原水水质变化和新国标实施等因素驱动下，深度处理工艺的应用得到迅速推广，有效解决了有机物污染和色嗅味问题。

但臭氧+生物活性炭工艺运行中尚存在生物泄漏的风险，特别是在我国南方，炭池生物膜脱落导致出水浊度升高现象频出。

因此，炭吸附池的形式及在水厂流程中的位置成为了郭公庄水厂工艺选择中的其中一项重要
环节。

按水流方向的不同，滤床型活性炭吸附池可以分成升流及降流式。

降流式既传统下向流炭吸附池；升流式则根据炭床形态分为固定床及流化床两种，目前国内升流式炭床仅有少量应用实例，若与本文推荐的超滤膜处理工艺联合使用，则出现不同的形式组合方式，具备各自的特点，现提出对比方案如下：方案一：上向流炭池（流化床式）＋超滤膜池
方案二：下向流炭池＋超滤膜池
方案三：超滤膜池＋下向流炭池（滤料下部加砂层）
方案一（流化床式上向流炭池）对进水浊度要求相对较高，且在运行和冲洗时均具有滤床膨胀特点，故存在炭的破碎及跑炭几率高的问题，易对后续膜池造成污堵和划伤；对炭的强度、硬度、规格要求较高；炭层膨胀率又受进水量、水温影响较大，交替运行方式造成运行管理相对复杂。

北京地区亦缺乏对上向流炭池的运行经验，国内目前只有很少的运行案例。

方案二（下向流炭池＋超滤膜布置方式），可有效保证出水浊度，避免炭池后置造成生物泄漏的缺点，膜池后可相应增加紫外线消毒处理工艺，则可增加一道膜丝破损后生物泄漏的屏障。

控制机加池出水浊度在2NTU以下，可改善炭床的工作环境。

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故此，结合工程实际经验，郭公庄水厂可选择炭池前置于膜池的处理工艺流程，确保供水安全。

为避免膜丝断裂形成生物泄漏，在超滤膜出水侧增加紫外消毒工艺，大大增加了供水安全性。

4.4、消毒工艺确定
消毒工艺的选择
在消毒处理工艺中氯气、次氯酸钠、二氧化氯、氯胺、漂白粉是各水厂过去常用的杀菌消毒剂；紫外线消毒技术和臭氧消毒技术是为了适应新的出水水质要求而采用的消毒工艺。

各种消毒工艺均有各自的优点以及局限性，因此，消毒工艺的选择需要结合具体水厂条件采用联合消毒，做到扬长避短，安全经济。

鉴于环保及危险品运输因素及自来水公司对次氯酸钠较好的使用经验，推荐采用次氯酸钠；紫外消毒优点明显，同时考虑到本工艺流程为澄清池－臭氧活性炭池－膜单元，为避免膜破损时的生物泄漏风险，加强消毒功能推荐采用紫外消毒。

综上所述，郭公庄水厂的消毒工艺推荐使用次氯酸钠+紫外线联合消毒工艺。

4.5、污泥处理工艺选择
由于本工程污泥处理系统只接收机械加速澄清池排泥水，因此推荐采用北京市第九水厂一直沿用的排泥、浓缩、脱水工艺。

近些年国家已经对污水处理厂外运泥饼的含固率提高了标准，鉴于对给水厂污泥脱水泥饼的预判，本工程推荐采用带式脱水机。

4.6、郭公庄水厂工艺流程
郭公庄水厂工艺流程确定如下：（见图1）
5、结论
郭公庄水厂是南水北调中线工程的配套工程，是首都北京继水源九厂之后第二个处理能力达到50万m3/d的净水厂。

郭公庄水厂的建成将大大缓解北京市的供水压力，将会让北京市民第一次品尝到长江水的味道。

作者通联：
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图1
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