北京市第九水廠二、三期工程的新技術、新設備
鐘亮潔 劉益萱
提要：簡要介紹工程工藝設計中選用了快速機械攪拌混合、推流式波形板水力絮凝、側向流波形斜板沉淀、均質煤濾料過濾，構筑物密集型集團式布置等新技術及多噴口流量控制閥、快速軸流式機械攪拌器、2550KW電壓型變頻器等新設備。工程運行表明所選用的新技術、新設備高效、安全、節能，其中多項屬國內首創。
關鍵詞：水廠、新技術、新設備、高效、安全、節能
第九水廠是北京市最大的地表水廠，該水廠是一座水處理技術先進、設備完善、自動控制水平較高、出水水質好的現代化大型水廠。水廠設計總規模為150萬m3/d，分三期建設，每期規模均為50萬m3/d。一期工程于1990年建成投產；二期工程于1995年建成投產；三期工程于1999年投產25萬m3/d，2000年全部建成投產。
1 工程概況
九廠二、三期均以密云水庫為水源，在水庫潮河庫區九松山副壩以東約400m處新建巖塞爆破取水口取水，規模為100萬m3/d。庫水由直徑3.5m、長3Km隧洞輸水至密云取水站。取水站位于高程110.0m的山坡梯地上。站內建有調流閥室，加氯間等生產設施，調流閥室內安裝流量控制閥，根據流量要求及水庫水位變化，自動調節流量并消能。庫水調流后經預氯化處理，由直徑2.6m、長33Km球墨鑄鐵管及2根直徑2.2m、長41.4Km的鋼制輸水管自流輸送至凈配水廠。凈配水廠位于市區北郊，高程47.8m處。庫水在廠內經凈化處理及氯氨消毒后加壓送至城區管網。
第九水廠全部建成投產后，供水量占全市供水量的50％左右，對首都供水起重要的保障作用。在設計中采用多項新技術、新設備，力求做到安全、可靠高質量低能耗，以確保首都供水高水質、高安全度。
2 水質情況
2.1 原水水質
密云水庫是多年調節水庫，總庫容為43.75億m3，汛期限制水位為151m，庫底高程約為107m，新建取水口高程為117m。該庫多年平均來水量為10.40億m3，在流域范圍內植被較好，污染源較少。根據多年來取水口附近不同深度水質觀測資料，水溫變化在0.2～26℃；平均為17℃左右，在取水口處約為9～13℃；濁度經常在4NTU以下，最高濁度為22NTU；色度為5～15度；嗅閥值為4～20，個別出現過40，平均值約7～8：水中的微生物對水處理有影響的是藻類；藻類高潮期達到729萬個/升，平均為247.4萬個/升，在藻類中以硅藻、綠藻為主，各占66％、33％，屬于寡污型藻類；水中未檢出五項毒物及苯并芘。水庫屬清潔水庫，屬二級地面水水源。
一期工程從密云水庫的調節水庫――懷柔水庫取水，故懷柔水庫系二、三期工程的第二水源。當二、三期輸水系統上出現故障或維修時，利用密懷引水渠輸水至懷柔水庫，再由一期己建成的懷柔取水廠加壓輸水到凈配水廠二、三期工程。懷柔水庫庫容14400萬m3，該庫污染指數稍高于密云水庫，但均屬清潔水庫，除濁度較高外，水質基本與密云水庫相同。
2.2 凈化后水質要求
為滿足北京市做為首都的特殊要求和北京市長期使用地下水的歷史狀況，凈化后水質除滿足飲用水衛生標準外，還要求濁度一般不大于0.5NTU，特殊情況不大于2NTU；色度不大于5度，臭閥值不大于4。
3 工藝流程選擇
根據上述原水水質情況，水處理的主要項目是濁度、色度、臭味和藻類。考慮北京市的特殊地位對水質的高要求，并依據試驗及一期運行經驗，二、三期均采用常規處理加深度處理工藝，即混凝、沉淀、過濾、炭吸附處理工藝。為節省藥劑，在設計中考慮了根據原水水質變化采用直接過濾或常規處理的靈活性。在原水濁度低于5NTU時，可跨越沉淀池直接過濾，在原水濁度大于5NTU時及藻類高潮期采用常規處理。見工藝流程圖1。
4 構筑物及設備選型中的新技術、新設備
二、三期工程規模均為50萬m3/d，各分為兩個系列。凈化構筑物有機械攪拌混合池、推流式波形板水力絮凝池、側向流波形斜板沉淀池、均質煤濾料濾池及炭吸附池。其中波形板水力絮凝器、側向流波形斜板沉淀箱、均質煤濾料過濾等項技術系采用了我院近年來研究的新成果，這幾項新技術是凈化處理的核心。本工程還采用了多噴口流量控制閥、快速軸流式機械攪拌器、2550KW電壓型變頻器等多項新設備。二、三期工程由于采用了新技術、新設備，使凈水工藝高效、優質，在半小時之內就完成混合、絮凝、沉淀過程，有效地去除原水中的污物，去除率90％以上，再經煤濾池過濾和炭吸附，進一步去除污物、去色、去臭，使出水水質各項指標符合要求，達到國際先進水平。
4.1 套筒式多噴口流量控制閥
多噴口流量控制閥既能調流、消能又能實現高流速并防止汽蝕損壞。該閥在設計上有其獨特之處：在套筒表面交錯排列布置具有特殊尺寸的帶錐度的噴口，水流通過可調節套筒上的噴口高速噴流，進入閥體中的水流不沖擊對面管壁，水中產生的氣泡只在水流中撞擊，使汽蝕現象遠離閥體金屬表面，防止了汽蝕對閥體的損壞。
該控制閥使用美國Bailey公司產品，允許汽蝕系數為0.15，當汽蝕系數σ≥0.15時，不產生汽蝕，其汽蝕特性優于其它類型控制閥。汽蝕系數計算公式如下：
σ=(Hd+Hb+Ho)/ΔH
式中：Hd--閥后壓力（m）
Hb--大氣壓力（m）
Ho--蒸氣壓力（m）
ΔH--過閥落差（m）
二、三期工程從密云庫水庫內取水，由于水庫水位變幅大，高低水位差約30m，故在水庫出口處設置了壓力式的流量控制閥。庫水通過控制閥可根據需要調節取水量，并可消除水庫富裕水頭，以保障輸水管道安全。當水庫水位在157.5m至126.0m范圍變化時，控制閥汽蝕系數在0.2～0.5，故選用了汽蝕系數低的套筒式多噴口流量控制閥2臺，直徑1.6m。由于采用了調流、消能及泄壓等新技術和新設備，事故發生時管道壓力可降低30～40m。經計算，將32Km直徑2.6m的球墨鑄鐵管壁厚由25mm減到23mm，節約了工程投資。
4.2 混合
混合和絮凝屬于混凝過程中的兩個階段。混凝的效果取決于混合的效果。混合的作用在于使混凝劑尚未發生水解吸附和架橋作用之前就迅速均勻地擴散到水體中去，同水中最大數量的膠體顆粒相接觸，以創造良好的水解和聚合條件。
二、三期工程使用堿式鋁為混凝劑。為使混凝劑快速均勻地擴散到整個水體，設計采用了國際新型快速軸流式機械攪拌器。該攪拌器有3片特殊設計的葉片，葉片的尺寸是經過對其性能、強度和重量進行了優化設計的，葉片前緣阻力小，以小角度安裝，施加非常小的能量就可產生大的軸向動力，產生較多的液體攪動。該高效攪拌器與常規所用的攪拌器相比，達到同樣的攪拌效果可節省電能約40％。
二、三期工程每系列設兩組混合池，每組設兩個混合池，每池各裝一臺高效攪拌器，一臺工作，一臺備用，投藥點可根據工作的池子變換。
二期攪拌器采用美國萊寧公司產品，葉輪的漿葉為A310型，采用雙層葉片；三期采用美國凱米尼爾公司產品，葉輪的漿葉為HE－3型，單層葉片。三期在二期試驗及運行經驗的基礎上對混合池的設計參數進行了調整，減少了池內水深，采用單層葉片，混合時間10秒左右，縮短了停留時間，加大了控制水力條件的重要參數G值，G值加太后稍加大了電機功率，混合效果更佳。二、三期混合池主要設計參數見表1。
注：表中G值計算水溫為10℃。
4.3 絮凝
二、三期工程均采用推流式水力絮凝池，池內安裝以波形板為填料的豎流波形板絮凝器。波形板波長為50cm，全波高為10cm，相鄰板相位角差180度。波形板在各級絮凝室中等間距裝設幾何尺寸完全相同、相互并聯的水流通道，相鄰的板間構成擴大、收縮相間串聯的通道，因此各通道的水力阻抗特性完全相同，能量輸入均勻。絮凝器沿水流方向分成流速不同的三級，分別為一、二、三絮凝室，各級流速比為4：2：1，流速成倍遞減，使輸入的能量也分三級遞減。水流由上向下或由下向上均勻地通過絮凝器，絮凝過程沿其流程不斷完善，流速由快變慢，絮凝強度沿程逐漸遞減，輸入能量逐漸變小，使絮體顆粒由小到大，由大變實。能量輸入的均勻性不僅使能量得到充分利用，更為絮體顆粒的迅速結大創造了適宜的水力條件，還使所結成的礬花比較一致，具有較好的沉淀性。
絮凝器材質二期采用UPVC，三期改用ABS工程塑料。UPVC比重大為1.4，ABS比重小為1.1，雖然后者比前者價格高，但由于比重之差異，使工程造價相近，且ABS從強度、韌性、抗沖擊性上都有提高。
二期設計三級絮凝流程總長度為34m，流速分別為0.158m/s、0.077m/s、0.043m/s，總停留時間為7.83min。由于二期絮凝池過水面積是按超負荷（1.4倍設計流量）進行設計的，故要求在小于或等于設計流量時采取蓋住第一絮凝室的部分過流面積的辦法來提高水流速度，增加G值來適應水量的變化，以保持高質量的絮凝效果。由于加蓋方式管理不便，在運行中并未按設計要求去做，致使在正常負荷運行時流速低，達不到速度梯度，效果不理想。總結二期經驗教訓，三期絮凝池的過水面積是按正常負荷設計，超負荷時采取超量部分跨越沉淀池直接過濾的形式。三期三級絮凝流程總長度為31.5m，流速分別為0.19m/s、0.10m/s、0.05m/s，總停留時間為6.19min。在絮凝器的構造上，三期也有所改進，板箱長邊平行水流方向，防止長邊受水流沖擊損壞，箱體構造規范化，適宜工廠加工零件現場組裝。
該水力絮凝器絮凝效率高、絮凝時間短、絮凝池容積小，且性能穩定、運行效果好，現場安裝方便。用于100萬m3/d 規模的大型水廠在國內為首次。
一、二期絮凝池設計參數見表2。
注：表中G值的計算水溫為01℃。
4.4 沉淀
二、三期工程均選用了效率高、適合于集團式布置的側向流波形斜板沉淀池。該沉淀工藝是新型的水處理工藝：側向流水流方向與礬花顆粒下沉所形成的泥流垂直，水流泥流互不干擾，加上波形板的波形結構形式，加強了沉淀過程中繼續絮凝作用，有利于沉泥的集中，下滑和排除，因而具有很高的沉淀效率，可節省沉淀池占地面積，具有可觀的經濟效益，波形板的波形尺寸為波長50cm，全波高10cm，波形斜板安裝傾角二期50度、三期55度、板間距6cm。
二期工程沉淀池寬28m，裝設斜板區池長9m，板箱總高4.4m，共4池，沉淀有效停留時間為12.2min，容積負荷為4.93m3/m3·h。
三期工程沉淀池池寬28m，裝設斜板區池長11.7m，板箱總高4m，共4池，沉淀有效停留時間為14.3min，容積負荷為4.17/m3·h。
二期沉淀池內設置方形柱側向流波形斜板沉淀箱，材質為UPVC，板箱兩端由5mm厚立板支撐，在斜板上方設有沖洗孔，下方設有排泥孔。該板箱與現行平板或帶翼斜板相比，具有構造簡單、剛度大、布置靈活、安裝方便、造價較低等優點。
三期采用了經改進的新型側向流棱形框架波形板箱，材質為ABS工程塑料，板箱由管狀桿件構成的立體棱形框架固定，上、下敞通，沖洗方便。該新型板箱系在原方形柱沉淀板箱基礎上改進的，它克服了原板箱單體的部分波形板長短不一、需焊接或粘結制作難度較大、板材用量較多等缺點，使結構簡化、板長劃一，便于制作、組裝和維護，同時減少材料消耗降低了成本。
4.5 過濾
二、三期過濾采用厚濾床均質煤濾料濾池，該濾池截污能力大，過濾周期長，利用氣水聯合沖洗節省沖洗水量。無煙煤濾料粒徑范圍為1.0～2.0mm，有效粒徑d10＝1.1mm，均勻系數K60＝1.30，濾料厚度為1.5m。每期各設24池，單池面積為117.6m2，每池設雙格，濾速為7.6m/h。采用不膨脹的三段式氣水聯合沖洗方式：氣沖階段氣沖強度為18～20L/m2·s；氣水同時沖洗階段氣沖強度不變，水沖強度為4～5L/m2·s；水沖階段水沖強度為4～8L/m2·s。配氣、配水采用小阻力系統。二期采用美國生產的濾磚，材質為高密度聚乙烯，此種濾磚在美國、日本使用較多，在我國首次使用。每塊濾磚尺寸：長×寬×高為1000mm×270mm×322mm。由于濾磚高度小，可降低濾池高度，且安裝方便，但價格昂貴。三期配氣、配水系統改用長柄濾頭，材質為ABS工程塑料。濾頭價格便宜，但安裝相對于濾磚難度較大，工序多且要求嚴格。兩種配水、配氣方式使用效果都很好。墊層由7層礫石組成，由下至上排列成大、小、大形式，墊層穩定，不被氣沖攪亂，確保氣水反沖洗的均勻性和有效性，濾料表面始終保持絕對平整。濾池設有公共沖洗泵及鼓風機進行水沖、氣沖。濾池采用恒水位運行，采用可編程控制器根據濾池運行周期及濾床水頭損失值進行全自動化監控，各期濾池24池按次序輪流沖洗，提高管理水平確保出水安全度。
該工程投產后，經生產運行及測定，不論是經絮凝沉淀后過濾或直接過濾，濾池過濾效果良好，可獲得優良的濾后水質，出水濁度低于0.5NTU，運行周期在36小時以上。
第九水廠三、三期濾池是國內首次采用國際先進的均質濾層過濾技術的無煙煤濾料濾池，實踐證明濾池設計參數選擇合理，設計是成功的，為濾池設計采用均質濾層技術、采用無煙煤濾料提供了寶貴經驗。
4.6 配水泵
九廠一、二、三期在配水泵房采用了變頻調速技術，以改變水泵機組的轉速，調節流量和揚程，方便調度和節能。
一、二期泵房內裝6臺Q＝4.1m3/s、H＝52m、η＝92％、N＝2500KW配水泵機組，4用2備，其中3臺變頻調速，選用晶閘管（SCR）組成的電流變頻器。三期泵房內裝5臺Q＝3.8m3/s、H＝56.5m、η＝92％、N＝2550KW配水泵機組，3用2備，其中2臺變頻調速，選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）組成的電壓型變頻器。由于采用了變頻調速技術，減少了水泵開停、減小壓力波動，簡化操作，方便了對全市的供水調度管理，并節電約15～20％，降低了運行成本。
一、二期采用的電流型變頻器是西門子公司提供的Simovert A型變頻器，其6Kv電網諧波含量異常的多，大大超出了我國電力部門對諧波含量的有關規定，需對諧波進行治理，增加了諧波治理工作量及費用。
三期采用的電壓型變頻器是由美國Robicon公司提供的完美無諧波變頻器，其優點是輸入功率因數基本可保持在0.95以上，節約了變配電系統中無功補償的容量和相應裝置的用地及建設費用；其變頻器的變壓器柜可以和配電柜、功率單元柜并列安裝，不必單獨設置變頻變壓器室，可節約泵房面積20～25％；由于該變頻器所產生的諧波含量低，滿足我國電力部門對電壓、電流諧波失真最嚴格的要求，不會對所在電網產生諧波污染，省去了昂貴的諧波測試分析和治理費用；由于該變頻器可以使用普通電機，對配套電機沒特殊要求，電機造價低。
4.7 廠平面
二、三期工程采用了波形板水力絮凝、側向流波形斜板沉淀等多項高效工藝，在此基礎上采用了密集型集團式布置，集混合、絮凝、沉淀、過濾、炭吸附于一個大房間內，縮短了各構筑物間的連通管道，方便管理，降低了工程造價并節約用地約60畝。
本工程水處理工藝先進，自動化水平高，出廠水水質好，能耗低，供水安全可靠，二期工程投產后，于1997年獲北京市科技進步二等獎；1998年獲建設部優秀設計二等獎。三期工程于2000年獲國家工程建設質量銀質獎。
北京市市政工程設計研究總院
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