吉林市二水厂扩建工程设计

刘智晓¹，孙大军²，蒋德利³
(1.吉林市自来水公司；2.吉林市二水厂；3.吉林化学工业公司设计院)

　　摘要：介绍了吉林市二水厂扩建工程的设计特点及主要设计参数，结合运行状况分析了工艺设计中存在的一些问题。
　　关键词：净水厂；工艺设计；运行管理
　　中图分类号：TU991.35
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)10-0032-03

　　吉林市二水厂位于龙潭山脚松花江畔，原规模4×104 m3/d(1964年建成投产)，由于供水量已无法满足需求，于1992年开始扩建。工程分两期建设，一期新建取水泵站及输水工艺，二期扩建净水厂及管网部分，设计规模12×10⁴m3/d。扩建工程设计特点主要体现在：工艺构筑物选型充分考虑原水水质特性；成套引进国外先进工艺及设备；引进先进的自控技术及完善的数据采集处理系统；采用了先进的节能降耗技术及设备；扩建同时结合了对原有老工艺的技术改造。二水厂净水工艺流程如图1。

　　1 净水工艺设计及运行

　　1.1取水工艺
　　取水位置在龙潭大桥下游300 m的江心处，水质较好，可避免冰凌冲击。采用江心淹没式箱式取水装置，箱体两面进水，流速为0.15 m/s。共设两个箱体，每个箱体平面尺寸为12.7 m×5.5 m，高3.9 m。取水头部的设计特点：为了方便施工，将其分割为两个独立箱体，钢筋混凝土箱体预制；在箱体上设置DN300充、排水管，施工时根据箱体就位偏差程度通过注水或抽水来精确定位箱体(控制标高精度)；在进水格栅栅条上加套导热性能差的橡胶管，防止细小冰絮冻结在格栅上而缩小进水面积，影响进水量；水流流向与箱体长度方向平行，避免洪水冲刷，水力条件较好。共设两根DN1 200自流管线，v＝0.82 m/s，i=0.002 8。
　　取水泵站为地下式，设计流量16×10⁴ m³/d，校核流量按20×10⁴ m³/d。泵站共四台机组，离心泵型号为24SA—18A，其中一台为调速机组，电机采用YQT1—450—6型屈氏内反馈调速电机，维护管理方便，节能效果显著。输水管线为两根DN1 200预应力钢筋混凝土管，输水距离为1.9 km。取水泵站设计特点：自灌式取水，虽埋深较大，但水量供给相对充足，水力条件好，布置紧凑；采用先进的内反馈调速机组及高压节能电机(10 kV)，形成调、定联合供水系统。
　　在实际运行中发现取水泵站存在一些问题：在藻类繁殖旺盛期，格栅易被堵塞，加之大块异物附着，严重影响正常取水量；取水戽头箱体出现位移，自流管线接口出现漏点；由于戽头为淹没式，加之江心水流湍急，在进行戽头堵塞清理及维护时，操作船只难于定位并靠近戽头，操作条件差；取水泵站日总取水量不足，较难达到设计取水量。
　　1.2 稳压跌水曝气配水井
　　根据二水厂实际情况，要求扩建工程水处理构筑物在高程上要与原老工艺密切配合，故采用了稳压配水井，同时利于新、老系统水量的优化调度与分配，并为后续处理创造良好的水力条件。水力停留时间为3 min。
　　1.3 混合及絮凝工艺
　　混凝剂采用聚合氯化铝，投加浓度为2%～5%，采用管式静态混合器。混合停留时间9 s，管道停留时间25 s，混合流速v＝1.23 m/s。加药控制方式采用开环控制，投药泵电机的转速在PLC控制下和原水流量成正比，而冲程根据原水、絮凝水、沉后水浊度和pH值等因素在PLC—XBT键盘上调节。
　　絮凝池形式为“竖流折板絮凝池+往复式隔板絮凝池”的组合结构，穿孔管排泥。絮凝时间约25 min，实测GT＝95 352，G＝58 s-1。絮凝池分三个区段：前三格为异向折板，v＝0.35 m/s；中三格为同向折板，v＝0.18 m/s；后四格为隔板段，v＝0.10 m/s。沉淀池过渡采用穿孔花墙实现均匀配水，v孔＝0.075 m/s。
实践证明，竖流折板絮凝池工艺特征的设计符合松花江水质特点，实际应用效果理想，在折板间距的选取、絮凝时间的确定、折板的组合方式、GT值的选取上都较具特点。但唯一不足之处是隔板絮凝时间过长，流速选取偏低，在浑水期淤泥沉积严重，加重了絮凝池的排泥工作量。
　　结合新、老系统1999年的运行数据得出以下结论：新系统混凝效果明显好于老系统，聚合铝单耗仅为老系统的1/2，这显示出新系统“静态混合器+竖流折板絮凝池”工艺的优越性。降低药耗的关键是要强化混凝工艺，主要方法是采用快速均匀的混合凝聚设备和高效的絮凝工艺，提高单位时间颗粒碰撞次数，使胶体颗粒脱稳瞬时、充分，并为微絮体的稳定增长和凝聚创造良好的水力条件。
　　1.4 沉淀工艺
　　针对松花江不同季节水质特点，并考虑扩建预留地紧张等因素，设计选型采用横向流斜板沉淀池。池体由前稳流配水区、沉淀区、后稳流区、出水区、污泥区几部分组成。设计特点主要体现在：①沉淀区采用三层斜板单体组架，占地面积小，水力条件好，沉淀效率高；②可将其方便地改成气浮池，即在预设配水区的底部加装溶气释放设备形成溶气接触区，浮渣通过设在池上部的刮渣机刮入排渣槽排走，这就是气浮工艺和沉淀工艺有机融为一体的“浮沉池”，其实质是在同一池体内实现两种固液分离技术的有机结合。不同季节的原水水质波动较大，针对各时期水质特征，相继采用气浮或沉淀——在低温低浊和藻类旺盛繁殖期采用气浮工艺，而在其他时期采用沉淀工艺。同水源的第一、第三水厂气浮工艺的多年实际运行结果证明，气浮工艺对体积质量小的微细悬浮物、藻类及色度都有较好的去除效能，并且显著降低混凝剂单耗。
　　主要设计参数：平面尺寸为28.6 m×18 m，沉淀时间为32 min，水平流速为15 mm/s，斜板单体尺寸为4.4 m×1.0 m×2.6 m，斜板间距为80 mm，倾角为60°，斜板区表面负荷为7.2 m³/(m²·h)。
　　在运行管理中也发现该工艺存在一些问题：①沉淀池底板采用横向钢筋混凝土拉梁结构，并作为斜板组架的支撑结构，刮泥车安置在相邻两梁槽底的预设导轨上，拉梁上部支设斜板组架，这样完全封闭的结构给检修刮泥车带来了极大不便；②由于斜板采用单体组架结构，每池斜板区共设置4×21个单体，内侧单体检修更换极为不便，同时也不易判定内侧斜板组架或板片的损坏及淤积状况；③混凝效果不好时，微絮体有时被出水携出，缓冲能力不如老系统平流式沉淀池稳定。
　　1.5 过滤工艺
　　其主要特点是：采用粒径相对较粗的石英砂均质滤料及较厚滤层的截污、纳污能力，并延长滤池工作周期；气水反冲洗加表面扫洗，滤层不膨胀或微膨胀；其配水系统为长柄滤头配水系统；运行实现“公用冲洗PLC+各滤池PLC”的自动控制模式。主要设计参数如下：平面尺寸为12 m×7 m；设计滤速为8.04 m/h；滤头密度为54 个/m²；滤料层厚1.2 m。
　　V型滤池在自动模式下运行时，PLC通过控制滤后水出水闸门的开度来控制滤池恒液位，当符合下列条件之一时开始反冲洗：滤池运行时间达到设定值；过滤水头损失达到设定值；来自于控制台现场PLC—XBT键盘或中控室监控计算机的冲洗命令。
　　V型滤池反冲洗方式较具特色，冲洗分三个过程：①气预擦洗［一台鼓风机，送气1 min，q气＝22.5 m³/(m²·h)］；②气水混合冲洗［两台鼓风机，一台冲洗水泵，冲洗6 min，q气＝55 m³/(m²·h)，q水=7.5 m³/(m²·h)］；③水漂洗［两台冲洗水泵，冲洗6 min，q水＝15 m³/(m²·h)］；始终的横向表面扫洗强度q水＝5.2 m³/(m²·h)左右。
　　在运行管理中发现：滤池进水V型槽横向表面扫洗孔的标高过低，表面扫洗强度略低，导致横向扫洗效果欠佳，泡沫浮渣漂浮滞留；滤头有堵塞现象，清理极为不便；滤池调节故障经常出现，采取的主要对策是经常定期清洗水位计及滤层水头损失计，保持灵敏度，适当控制滤池进水稳定性，滤池维护管理工作量较大。
另外，在生产中考察了低浊期(原水浊度＜20 NTU)的V型滤池直接过滤性能及聚合铝投加量对直接过滤的影响。结果表明，合理控制PAC投加量会产生如下效应：①使过滤水头损失增长减缓，水头损失随时间变化曲线近似直线，可有效防止滤层过早堵塞；②增加絮体在滤层内的穿透深度，充分发挥V型滤池的均质滤料、深滤床的截污纳污优势。
　　1.6 氯消毒工艺
　　氯消毒工艺可实现两种控制模式：开环控制即加氯量和滤后水流量成正比关系；闭环控制即加氯机控制器PCU不但根据滤后水流量进行控制，还接收余氯分析仪和余氯设定点号，PLC根据以上信息综合控制加氯。PLC从监控系统或加氯PLC—XBT操作员终端接收余氯设定点并通过模拟输出将其送到调节系统；PLC通过模拟输入接收滤后水流量信息及滤后水余氯信息，并通过模拟输出将其送到调节控制系统，加氯机PCU—fuzzy控制器具有模糊控制功能。
　　1.7 清水池及送水泵站
　　清水池调节能力按日供水量的9%设计。送水泵站设置了吸水井，稳定流态，形成良好的吸水条件。采用了HIBON生产的DELTA型真空装置(自动真空)，泵装置出口设有微阻缓闭止回阀。机组设有多种运行保护：泵出口低压保护；清水池低液位保护；低电压和过电流保护；轴承温度(＞85 ℃)，绕组温度(＞105 ℃)保护；电动蝶阀过转矩保护等。

　　2 自控系统设计特点

　　2.1 系统结构及功能
　　控制系统由中心控制站和若干现场监控子站构成。该系统是由工业计算机和可编程逻辑控制器组成的集散型控制系统，其特点是可实现生产过程“集中管理，分散控制”的功能，系统运行可靠度高，能实现中心控制站、监控子站和现场手动操作的分级控制，技术先进，结构开放，支持多种网络，编程方便。
　　2.2 中心控制室
　　中控室主要设备：监控计算机与管理计算机各一台；模拟报警屏；水厂生产状态模拟屏等设备。中心控制站具有方便灵活的系统组态功能，完善的数据采集、监测、控制及信息处理功能。监控计算机用于对水厂生产设备的远程监视和控制，管理计算机用于存储及显示由PLC生成的平均积分值模拟量报表。中控室主要功能有：①系统现场控制站和控制参数组态，系统监控功能；②实时监测、显示、处理、控制各监测子站状态、通信、数据和信息；③动态数据库和历史数据库管理，趋势打印；④报警处理及报表打印；⑤与公司总调度室的通讯等。
　　2.3 现场监控站
　　共设立取水、加药、过滤、加氯、新送水、老送水6个PLC子站，进行集中检测和程序控制，并和中控室总站CP100通过FIPWAY及以太网进行数据和指令的传送。现场监控站控制系统由法国TE公司的TSX67、TSX47可编程逻辑控制器(PLC)及MCC等自控设备组成。主要功能是完成生产过程的逻辑控制及工况参数的采集与处理，包括网络通讯，修改模拟量设定点，报警及故障复位等功能。

　　3 结语

　　扩建工程自竣工投产以来的生产实践证明，水厂净水构筑物选型科学先进，技术参数选取符合规范及生产要求，运行状况良好稳定，系统高程合理，出水能够达到国家一类水质要求；先进节能技术的采用达到节能降耗的目的，效果显著，取得了良好的社会效益和经济效益。吉林市二水厂的扩建实践，为我国21世纪新建、扩建现代化水厂提供了极具参考价值的成功范例。

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收稿日期：2000-04-17