本文通過工程實(shí)例介紹了大型水廠升級改造的理念和實(shí)踐：合理利用原有設(shè)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(gòu)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(jìn)行。根據(jù)所要進(jìn)行改造工程的工藝流程和工程目標(biāo)要求，合理地、最大化地將各處理構(gòu)(建)筑物疊合建設(shè)，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(yù)臭氧接觸池、中間提升和濾池及反沖洗設(shè)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(shí)施。如何解決邊生產(chǎn)邊改造，是很多老廠改造時(shí)普遍面臨又必須妥善解決的現(xiàn)實(shí)問題。對此，需要結(jié)合水廠自身?xiàng)l件和生產(chǎn)特點(diǎn)，與業(yè)主充分討論，找出生產(chǎn)改造過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，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(diào)調(diào)度下，有組織有應(yīng)急預(yù)案前提下采用“騰籠換鳥”的方式，分階段實(shí)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(nèi)絕大多數(shù)都是重力流管道，各自功能不同、錯(cuò)綜復(fù)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(biāo)與方案，一次性完成總圖管線布置，并結(jié)合改造階段步驟分步實(shí)施。

(4)合理安排老設(shè)施、設(shè)備的改造時(shí)序。在升級改造工程的同時(shí)，需要結(jié)合升級改造目標(biāo)，全面分析評估老設(shè)施、設(shè)備，逐一找出問題所在，再進(jìn)行有針對性的解決方案，因地制宜，講求實(shí)效，統(tǒng)一布局，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)，合理安排改造工程時(shí)序，先建后拆，有序進(jìn)行。

(5)合理規(guī)劃智慧化改造進(jìn)程。隨著近年來BIM技術(shù)、AI技術(shù)和VR技術(shù)的不斷進(jìn)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(shù)進(jìn)步的亮點(diǎn)，構(gòu)建智慧水廠框架，在生產(chǎn)運(yùn)行、參觀學(xué)習(xí)、維護(hù)監(jiān)測、環(huán)境控制等各領(lǐng)域逐步推進(jìn)智慧化，已經(jīng)成為今后大型水廠升級改造的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 工程實(shí)例

2.1 水廠現(xiàn)狀

某城市大型水廠始建成于1958年，位于當(dāng)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(kuò)建用地，即改造工程只能在現(xiàn)水廠內(nèi)部實(shí)施，并要求維持生產(chǎn)保障居民用水。水源為某運(yùn)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(nèi)部都先后歷經(jīng)多次擴(kuò)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(gòu)筑物多、設(shè)備陳舊、總圖凌亂。水廠自建成的近60年時(shí)間里，先后經(jīng)歷多次擴(kuò)容、改造，形成了現(xiàn)在多個(gè)處理構(gòu)筑物，總圖布置分散、凌亂，且多個(gè)構(gòu)筑物和很多設(shè)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(yùn)行管理實(shí)踐表明高、低水位運(yùn)行切換麻煩，節(jié)能效果也不明顯;加藥間設(shè)備陳舊需要逐一更換，其內(nèi)部布置、土建分隔亦有多處需要改造，而且現(xiàn)有工藝設(shè)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(nèi)水泵機(jī)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(zhì)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有10.5萬m3/d系統(tǒng)的沉后水濁度較高，最高為16.8 NTU，14.5萬m3/d系統(tǒng)的沉后水濁度最高達(dá)20 NTU，導(dǎo)致出廠水濁度遠(yuǎn)高于目標(biāo)值(0.1 NTU)，出廠水耗氧量最高為2.85～3.14 mg/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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的CODMn≤2.0 mg/L的要求。

(3)水源污染。原水水質(zhì)較差，尤其冬季有機(jī)物含量較高，近年來突發(fā)性水質(zhì)污染事件時(shí)有發(fā)生。在經(jīng)過多次改造后，出水水質(zhì)和運(yùn)行效果有所改善，但耗氧量、錳仍存在超過國家標(biāo)準(zhǔn)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(cè)接入，現(xiàn)狀水廠的水力流程明顯反向布置。

(5)環(huán)保不達(dá)標(biāo)。由于歷史原因，廠區(qū)內(nèi)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(biāo)

(1)改造后仍維持水廠規(guī)模25萬m3/d，出廠水泵揚(yáng)程也維持42 m，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(gè)主要指標(biāo)：CODMn≤2.0 mg/L;出廠水濁度≤0.1 NTU;出廠水色度≤5。

(3)泵站改造后水泵電機(jī)機(jī)組效率達(dá)到經(jīng)常運(yùn)行區(qū)段75%以上，并滿足水廠不同季節(jié)和不同時(shí)段對原水調(diào)度的要求。

(4)完成廠區(qū)內(nèi)雨、廢水分流，生產(chǎn)排泥水全部收集、經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排放。

2.4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)及應(yīng)用效益

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多種分析、對不同方案進(jìn)行比較、調(diào)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(gòu)筑物形式、供水管網(wǎng)調(diào)度、應(yīng)急預(yù)案情況等等，歷經(jīng)2年多時(shí)間，最終設(shè)計(jì)推薦了“騰籠換鳥”式，分兩階段實(shí)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(qiáng)，得到業(yè)主一致認(rèn)可。主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)歸納為以下幾點(diǎn)。

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(nèi)，既要實(shí)現(xiàn)水廠改造后水質(zhì)整體提高、布局合理、水利流程順暢，同時(shí)還要提高設(shè)備與構(gòu)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(shè)施，釋放建設(shè)空間，進(jìn)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(gòu)筑物已經(jīng)無再次改造的價(jià)值，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)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(shí)施，一階段中，調(diào)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?qū)嵤?5萬m3/d規(guī)模的常規(guī)處理+深度處理+藥劑設(shè)施+回用水池等設(shè)施的建設(shè)，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(shè)施工程占地指標(biāo)僅為0.14 m3/(m2˙d)，遠(yuǎn)低于建設(shè)部《城市生活垃圾處理和給水與污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)》中0.352 5 m3/(m2˙d)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了最大限度優(yōu)化整合，確保在有限用地范圍內(nèi)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(shè)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(yù)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(shè)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?zé)o法滿足構(gòu)筑物單個(gè)布置的問題得到了有效解決，且緊湊的布局減少了構(gòu)筑物間的水頭損失，節(jié)省了長期運(yùn)行電費(fèi)，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(shí)，重新調(diào)整排泥水、反沖洗水等管線，完成了廠區(qū)雨污分流、調(diào)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)的要求，為建設(shè)智慧水務(wù)做了整體考慮和預(yù)留。

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

(1)對正常運(yùn)行和超越運(yùn)行設(shè)多個(gè)模式，在原水水質(zhì)較好時(shí)超越運(yùn)行，減少運(yùn)行費(fèi)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(shí)際需要完成部分改造。

(2)水處理構(gòu)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0.5 m水頭損失計(jì)，每年節(jié)約運(yùn)行電費(fèi)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(jī)，收集、濃縮、調(diào)節(jié)和平衡設(shè)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(jī)等設(shè)備以及配套的電氣設(shè)備，在滿足全年多個(gè)工況條件下，經(jīng)多方案計(jì)算比較，推薦出優(yōu)化的水泵參數(shù)和變頻調(diào)速電機(jī)數(shù)量,按改造后水泵機(jī)組提高10%效率計(jì)，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(gòu)筑物的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)配水井及預(yù)臭氧接觸池。配水井和預(yù)臭氧接觸池分為2格，對應(yīng)2組12.5萬m3/d系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)均勻配水設(shè)有可調(diào)堰，預(yù)臭氧最大投加率1.0 mg/L。

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

(3)綜合濾池。包括均質(zhì)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(fēng)機(jī)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(shè)2組，每組12.5萬m3/d，臭氧接觸時(shí)間3段共計(jì)約13 min，臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式，臭氧最大投加率按1.5 mg/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2.1 m，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(shí)間為12.2 min，采用單氣沖結(jié)合單水沖;提升泵房、反沖洗泵房和鼓風(fēng)機(jī)房組團(tuán)設(shè)于綜合構(gòu)筑物的中部，提升泵共設(shè)2組，每組規(guī)模12.5萬m3/d。反沖洗泵房和鼓風(fēng)機(jī)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(yù)留空間。堿液、礬液采用玻璃鋼儲罐儲存，均設(shè)于加藥間室外。

(5)高錳酸鉀、粉末活性炭加注間。進(jìn)行單獨(dú)防爆設(shè)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(diǎn)共2個(gè)，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(yù)留的1臺離心機(jī)位置，新增離心脫水機(jī)1套，并更換1臺現(xiàn)有離心機(jī)，固體負(fù)荷1 000～1 200 kg/h。進(jìn)脫水機(jī)含固率不小于3%，脫水后污泥含固率大于30%。

3 運(yùn)行效果

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

4 結(jié)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(shí)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(shí)現(xiàn)了維持水廠生產(chǎn)供水的同時(shí)，滿足水質(zhì)提標(biāo)、節(jié)能減排和安全可靠等多重建設(shè)目標(biāo)。

(2)基于集約化設(shè)計(jì)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(gè)處理構(gòu)筑物合建為一體，回用池疊合于機(jī)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(fēng)機(jī)，減少了購置費(fèi)用和管理節(jié)點(diǎn)。

(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(shí)施。