京城第一座接纳北调南水——郭公庄水厂工艺设计及优化 饶磊 （北京市市政工程设计研究总院有限公司, 北京100082）

浅谈郭公庄水厂的工艺设计及优化

饶磊

（北京市市政工程设计研究总院有限公司, 北京100082）

摘要:郭公庄水厂是南水北调水进京后第一座接纳南水并处理南水的新建给水处理厂。郭公庄水厂采用澄清、臭氧—活性炭吸附、超滤膜过滤、紫外线加次氯酸钠消毒的处理工艺。通过对机械加速澄清池布置形式、设备选型、结构做法的优化设计，以及对活性炭吸附池改为炭砂滤池的工艺设计优化，使得该水厂在适应南水北调水源、工艺单元互补、方便运行管理、保证施工质量等方面有了进一步的提高，进而满足首都供水的安全和出水水质要求。

1郭公庄水厂工程概况

郭公庄水厂隶属于北京市南水北调配套工程，是南水北调水进京后第一座接纳南水并处理南水的水厂。郭公庄水厂以南水北调南干渠原水为水源，2014年建设规模为50万m³/d，2020年扩建至规模75万m³/d，远期达到总规模100万m³/d。

1.1南水北调中线北京段规划总体布局

南水北调原水自河北段进京后，经总干渠渠首枢纽由明渠改为北拒马河暗渠2条DN4000PCCP管道（总干渠）输送至惠南庄泵站及大宁调压池。总干渠分为加大流量、设计流量、小流量三种主要工况，当实际过流量小于或等于小流量工况时可通过泵站旁通管重力输送至大宁调压池，其余工况流量原水必需经泵站加压至大宁调压池。

原水输送至大宁调压池后再以重力流方式分为两路，一路干渠通过2×DN3800永定河倒虹吸管及卢沟桥暗涵接2×DN4000浅埋暗挖暗涵向北经西四环至团城湖，为第九水厂及拟建第十水厂输送南水北调原水，并以团城湖水作为输水系统控制高程；另一路“南干渠”通过2 m×3.8 m×3.8 m暗涵倒虹吸穿越永定河后经2×DN3400PCCP管沿南五环敷设，近期通过南干渠为拟建郭公庄水厂供水（见图1）。

1.2郭公庄水厂工程概况

郭公庄水厂工程主要包括三部分：引输水管线工程、净配水厂工程及配水管线工程。

输水管线起点为南干渠郭公庄水厂分水口，采用浅埋暗挖方式沿郭公庄路向北敷设至郭公庄水厂，全长约3.8 km，管径为DN2400，沿线穿越一次南环铁路。

郭公庄水厂位于南四环花乡桥以南约1 km处，处理规模为50万m³/d,占地约17.02 hm²。接纳的南水北调水源特点是：①冬季低温低浊，夏季高藻、有机物、色臭味；②潜在风险为低微有机污染、微生物迁移、突发性原水污染。

工艺主要控制指标为：浊度、藻类、臭味、微生物、消毒副产物、有机物，管网的生物稳定性及化学稳定性。

出水水质目标为：①确保首都供水安全，工艺技术适度超前；②国内领先，国际先进；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，多级屏障策略，工艺单元优势互补，运行灵活经济合理。

选择的处理工艺为：预处理（预氧化）+机械澄清+臭氧-活性炭+超滤膜+紫外线消毒，其工艺的特点为长流程和多级屏障（见图2和图3）。

配水管线起点为郭公庄水厂东红线，沿规划张新路向北敷设至南四环，与南四环现况DN1600管线勾连，全长约1.47 km，管径为DN2200，沿线穿越马草河一次。

2郭公庄水厂工艺设计优化

2.1机械加速澄清池设计优化

2.1.1系统布置优化

郭公庄水厂澄清工艺选用了12座直径D=29 m机械加速澄清池，单池处理能力达到1800 m³/h。以北方地区某水厂为例，传统的50万m³/d水厂采用机械加速澄清池的布置方式为每4座机械加速澄清池为1组，共3组，每组中间设配水及排泥井1座。这种布置方式占地较大，且难以形成完全平行独立的两个系列（见图4）。

郭公庄水厂的机械加速澄清池布置方式采用分成完整的两个系列，每系列6池成对称布置方式，每3座池中间设管廊，管廊内直埋敷设进水管、出水管、排泥管及放空管。每系列机械加速澄清池进水方式为总管—支管进水，每座池子DN1000进水管设可调节蝶阀，用于平衡每座池子的进水量（见图5）。

对郭公庄水厂机械加速澄清池的进水方式进行了两个方案的比选工作，即渠道进水方式和管道进水方式。渠道进水理念来源于滤池的进水方式，采用可调节配水堰实现均匀配水。该方式优点是配水简易、沿程损失小；缺点是板闸的严密性差，因形成密闭空间，给人员进出检修造成困难（见图6）。管道进水方式为总管—支管进水并于支管上配置可调节蝶阀进行配水。该方式优点是配水精准，蝶阀严密性好，管廊空间利用合理；缺点是沿程损失较大，浪费水头。

本方案在比选过程中更侧重人员检修的舒适性及可实现自动控制方面因素,选择了管道进水方式。方案在确定总管管径过程中，分别选取不同口径管道进行了水力模拟计算，本着技术可行、经济合理、具有一定挖潜性的原则，确定每系列机械加速澄清池进水总管管径为DN2200（见图7）。

2.1.2结构做法优化

传统机械加速澄清池的弧形壳体施工难度大、周期长，对施工精度要求极为严格，按目前施工单位的组织模式、施工精度及施工进度要求，采用传统的施工方式很难保质保量地完成。本工程采用了先浇筑矩形盆底基座后再抹成弧形池底的方式，既降低了施工难度又保证了施工质量（见图8和图9）。

2.1.3设备选型优化

传统直径D=29 m机械加速澄清池的搅拌机提升水量的调整方式为通过调整搅拌机出水口与一、二反应室之间隔板间距来调整提升水量，这种方式的实现需要清空池体后人工进行，操作繁琐且精准度较差。传统池体的刮泥机采用针齿盘传动方式，故障率高。以北方某地区50万m³/d水厂为例，搅拌机、刮泥机设备检修期约为3年，按12座机加池计算，每年需要大修4座机加池。每座机加池大修期约为一周左右，因此4座全部完成检修工作需要一个月才能完成。

郭公庄水厂工程中通过与设备中标公司合作，第一次实现了在饮用水行业里直径D=29 m的机械加速澄清池采用同轴搅拌刮泥机设备。该设备采用粗轴套细轴，双驱动传动的方式，刮泥机的传动方式摒弃了针齿盘，大大降低了故障率；其水量提升采用调速方式，也实现了自动控制和带水调节的功能。该设备在郭公庄水厂已经运行了一段时间，目前反馈效果良好（见图8和图9）。

2.2活性炭吸附池改为炭砂滤池

郭公庄水厂活性炭吸附池优化改造共分两个阶段。

第一阶段，郭公庄水厂设计初期考虑到超滤膜系统运行的稳定性，在活性炭吸附池设计中综合了砂滤池的部分运行工况，具备后期改造成砂滤池的条件，同时在厂平面设计了跨越超滤膜系统的跨越管道。传统活性炭吸附池的设计滤速为9～20 m/h，过滤水头常规控制1.5 m，以水冲洗为常规冲洗方式。郭公庄水厂设计的活性炭吸附池设计滤速为8.45 m/h，过滤水头为2 m，具备水冲洗、气水顺序冲洗、汽水联合冲洗的三种方式。

第二阶段，郭公庄水厂设计中后期通过分析大量收集来的资料、文献以及进行了中试后确定在现有条件下将1.8m厚度的活性炭层更换为活性炭和石英砂双层滤料，将活性炭吸附池改为炭砂滤池。

炭砂滤池属于双层滤料滤池，其上层的活性炭主要起到对有机物、色、臭、味的有效去除作用，下层的砂滤料对浊度进行有效去除，用1座炭砂滤池替代砂滤池及活性炭吸附池可以实现过滤及深度处理的双重作用。

南水北调水水质属于准Ⅱ类水体，其特点为冬季低温低浊，夏季高藻，可能出现微污染带来的色、臭、味等。调查表明：北方地区臭氧-活性炭主要以炭柱的孔隙吸附为主，活性炭表面难以形成生物膜，几乎没有生物降解作用；因此北方南水北调受水区域的给水厂在沉淀池（澄清池）后设置炭砂滤池不会出现由于频繁冲洗而导致的生物膜脱落情况，可以使炭层及砂层充分发挥作用。

从2013年3月开始，在北京市第九水厂超滤膜中试基地内开始进行炭砂滤池的中试。试验来水模拟郭公庄水厂工艺，为九水厂一期机加池出水，通过试验确定一系列的设计及运行参数，以指导和修正郭公庄水厂工程建设及运行。试验通过不同粒径的石英砂与不同形式的活性炭的组合以及不同层高的石英砂滤料与活性炭的组合测试其过滤及吸附效果；通过不同形式的冲洗工况测试双层滤料的混掺情况及跑炭情况；通过不同形式的组合试验摸索合理的反冲洗周期。

通过为期约1年的中试，基本确定了郭公庄水厂炭砂滤池的一些设计及运行参数。炭砂滤料厚度：上层0.6 m炭，下层1.2 m砂；滤料规格：石英砂d10=0.95~1.05 mm，K80<1.4，煤质柱状活性炭∅1.5 mm，柱长度1.25～2.5 mm；冲洗方式：气、水顺序冲洗，气冲14 L/（s·m²），水冲12 L/（s·m²）。

3结论

郭公庄水厂设计理念本着供水安全优先，多级屏障策略，工艺单元优势互补，运行灵活经济合理的方针，通过对工艺单元的设计优化，及对单体构筑物的组合布置形式、结构做法、设备比选等的优化，确保实现将郭公庄水厂打造成为国内领先、国际先进的首都21世纪现代化给水厂的目标。

参考文献略

本文来源于2015年《给水排水》杂志第4期