本文通過工程實例介紹了大型水廠升級改造的理念和實踐：合理利用原有設施節省投資，在水廠布局和用地受限的條件下，既維持水廠正常生產（不減產或少減產），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）采用節地型、疊合式的處理構筑物。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行。根據所要進行改造工程的工藝流程和工程目標要求，合理地、最大化地將各處理構（建）筑物疊合建設，使用地最小化，如沉淀池和清水池、濾池和清水池（接觸池）、配水井和預臭氧接觸池、中間提升和濾池及反沖洗設施、排泥水系統中的各種收集池、濃縮池和脫水車間及其加藥、配電等。
（2）采用“騰籠換鳥”式，分階段實施。如何解決邊生產邊改造，是很多老廠改造時普遍面臨又必須妥善解決的現實問題。對此，需要結合水廠自身條件和生產特點，與業主充分討論，找出生產改造過程的關鍵節點，確定改造過程中的最低保證制水量，限定改造范圍，在城市供水管網協調調度下，有組織有應急預案前提下采用“騰籠換鳥”的方式，分階段實施升級改造，以解決邊生產邊改造問題。
（3）重新梳理各生產管線。水廠看不見的地下管道，是改造工程中的重要一環，畢竟廠區內絕大多數都是重力流管道，各自功能不同、錯綜復雜、密不可分，全面的梳理和統一的布置決定了生產的順暢與否。根據整體改造工程目標與方案，一次性完成總圖管線布置，并結合改造階段步驟分步實施。
（4）合理安排老設施、設備的改造時序。在升級改造工程的同時，需要結合升級改造目標，全面分析評估老設施、設備，逐一找出問題所在，再進行有針對性的解決方案，因地制宜，講求實效，統一布局，優化整體設計，合理安排改造工程時序，先建后拆，有序進行。
（5）合理規劃智慧化改造進程。隨著近年來BIM技術、AI技術和VR技術的不斷進步、城市參數化水平不斷提高，水廠管理的智慧化，已成為供水行業技術進步的亮點，構建智慧水廠框架，在生產運行、參觀學習、維護監測、環境控制等各領域逐步推進智慧化，已經成為今后大型水廠升級改造的重點內容。
2、工程實例
2.1水廠現狀
某城市大型水廠始建成于1958年，位于當初的城市郊區，該區現在已成為城市主城區，四周被居民區、道路、河道所圍，無可用的新擴建用地，即改造工程只能在現水廠內部實施，并要求維持生產保障居民用水。水源為某運河水系，原水經取水泵站、增壓泵站輸送至水廠。泵站和水廠內部都先后歷經多次擴容、改造，形成了現在水廠的2條制水系統，即14.5萬m3/d和10.5萬m3/d制水系統，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,其規模都是25萬m3/d。
2.2、存在的問題
（1）構筑物多、設備陳舊、總圖凌亂。水廠自建成的近60年時間里，先后經歷多次擴容、改造，形成了現在多個處理構筑物，總圖布置分散、凌亂，且多個構筑物和很多設備都存在問題。如現有吸水井分為高、低水位2格吸水井，多年運行管理實踐表明高、低水位運行切換麻煩，節能效果也不明顯；加藥間設備陳舊需要逐一更換，其內部布置、土建分隔亦有多處需要改造，而且現有工藝設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座原水泵房內水泵機組匹配都不合理、效率低下、自動化程度低。
（2）現狀水廠處理效果差。據近幾年水質資料統計，現有10.5萬m3/d系統的沉后水濁度較高，最高為16.8NTU，14.5萬m3/d系統的沉后水濁度最高達20NTU，導致出廠水濁度遠高于目標值（0.1NTU），出廠水耗氧量最高為2.85～3.14mg/L，也不能滿足《某省城市供水現代化水廠的出廠水優質標準》中規定的CODMn≤2.0mg/L的要求。
（3）水源污染。原水水質較差，尤其冬季有機物含量較高，近年來突發性水質污染事件時有發生。在經過多次改造后，出水水質和運行效果有所改善，但耗氧量、錳仍存在超過國家標準的情況。
（4）流程反向布置。現狀工藝流程是自西向東布置，而原水是從水廠東側接入，現狀水廠的水力流程明顯反向布置。
（5）環保不達標。由于歷史原因，廠區內雨水、污水、部分生產排水為合流制，環保部門已經要求限期整改。
2.3、改造目標
（1）改造后仍維持水廠規模25萬m3/d，出廠水泵揚程也維持42m，改造期間保證約14.5萬m3/d供水規模。
（2）滿足出廠水幾個主要指標：CODMn≤2.0mg/L；出廠水濁度≤0.1NTU；出廠水色度≤5。
（3）泵站改造后水泵電機機組效率達到經常運行區段75％以上，并滿足水廠不同季節和不同時段對原水調度的要求。
（4）完成廠區內雨、廢水分流，生產排泥水全部收集、經處理后達標排放。
2.4、設計特點及應用效益
設計團隊經過多種分析、對不同方案進行比較、調研，并多次深入現場與業主討論、聽取意見，包括工藝方案的選擇、處理構筑物形式、供水管網調度、應急預案情況等等，歷經2年多時間，最終設計推薦了“騰籠換鳥”式，分兩階段實施的改造方案，不僅整體較優，而且改造工程對水廠生產影響最小、安全性、施工可操作性最強，得到業主一致認可。主要設計特點歸納為以下幾點。
2.4.1最大限度優化整合，提升整體最優化水平
（1）優化的整體升級改造方案。如前所述，在水廠現有場地范圍內，既要實現水廠改造后水質整體提高、布局合理、水利流程順暢，同時還要提高設備與構筑物安全可靠性，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施，釋放建設空間，進行“騰籠換鳥”式的改造是最優選擇。經過分析、評估，現有的10.5萬m3/d系統構筑物已經無再次改造的價值，綜合技術、經濟分析比較后確定全部拆除為較優方案。以現狀水廠中部為界（如圖1所示），工程分為兩階段實施，一階段中，調整保留南部生產線，確保14.5萬m3/d規模正常生產前提下，在廠區北部已經拆除的區域實施25萬m3/d規模的常規處理+深度處理+藥劑設施+回用水池等設施的建設，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主要處理設施工程占地指標僅為0.14m3/（m2·d），遠低于建設部《城市生活垃圾處理和給水與污水處理工程項目建設用地指標》中0.3525m3/（m2·d）指標，實現了最大限度優化整合，確保在有限用地范圍內完成水廠的升級改造。
二階段，完成一半新系統供水后，再拆除南部現有設施，原址新建清水池、供水泵房，并改造現狀排泥水系統，最后形成完整的預處理＋常規處理+深度處理+排泥水處理25萬m3/d規模水廠。
（2）集約化布置凈水處理的核心設施。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，最大程度的節省了占地，使原廠區用地無法滿足構筑物單個布置的問題得到了有效解決，且緊湊的布局減少了構筑物間的水頭損失，節省了長期運行電費，節地、節電效果明顯。
（3）重新梳理和布置各管道系統。在完成25萬m3/d新系統改造的同時，重新調整排泥水、反沖洗水等管線，完成了廠區雨污分流、調整了全廠雨水系統，解決了現有廠前區低洼地勢、暴雨季節嚴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“現代化水廠”中對于自動化標準的要求，為建設智慧水務做了整體考慮和預留。
2.4.2利用現有設施能力，節約資源、節省投資、降低成本
（1）對正常運行和超越運行設多個模式，在原水水質較好時超越運行，減少運行費用。保留2座還可以利用的清水池、排泥水處理系統，并根據實際需要完成部分改造。
（2）水處理構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省0.5m水頭損失計，每年節約運行電費10萬元。
（3）優化排泥水系統改造范圍，新建回用水池，使現有排泥水池專門用于排泥水收集，增加和更換脫水機，收集、濃縮、調節和平衡設施則不必改造。
（4）利用現狀水源取水泵站、增壓泵站，改造其水泵、電機等設備以及配套的電氣設備，在滿足全年多個工況條件下，經多方案計算比較，推薦出優化的水泵參數和變頻調速電機數量,按改造后水泵機組提高10%效率計，每年節電超過400萬元。
2.5凈水工藝主要參數
新建25萬m3/d系統處理構筑物的主要設計參數如下：
（1）配水井及預臭氧接觸池。配水井和預臭氧接觸池分為2格，對應2組12.5萬m3/d系統，為實現均勻配水設有可調堰，預臭氧最大投加率1.0mg/L。
（2）折板絮凝平流沉淀池。新建4座6.25萬m3/d。總絮凝時間約17min，共設3級。平流沉淀池停留時間約1.71h，水平流速17.1mm/s，出水指形槽溢流率約205.1m3/（m·d）。沉淀池出水總渠直接接砂濾池進水渠，減少了水頭損失。
（3）綜合濾池。包括均質濾料砂濾池、后臭氧接觸池、活性炭吸附池以及反沖洗泵房、鼓風機房、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2組，每組12.5萬m3/d，臭氧接觸時間3段共計約13min，臭氧曝氣裝置采用微氣泡曝氣頭形式，臭氧最大投加率按1.5mg/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2.1m，顆粒活性炭級配8×30目，不均勻系數1.9～2.0；炭床最小空床停留時間為12.2min，采用單氣沖結合單水沖；提升泵房、反沖洗泵房和鼓風機房組團設于綜合構筑物的中部，提升泵共設2組，每組規模12.5萬m3/d。反沖洗泵房和鼓風機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留空間。堿液、礬液采用玻璃鋼儲罐儲存，均設于加藥間室外。
（5）高錳酸鉀、粉末活性炭加注間。進行單獨防爆設置。高錳酸鉀和粉末活性炭在水源發生污染或藻類發生情況下投加，投加點共2個，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。利用預留的1臺離心機位置，新增離心脫水機1套，并更換1臺現有離心機，固體負荷1000～1200kg/h。進脫水機含固率不小于3%，脫水后污泥含固率大于30%。
3、運行效果
自2016年6月30日建成投產，水廠運行可靠，處理效果良好，出廠水水質優于國家標準，在低溫低濁期，最高出廠水濁度穩定低于0.19NTU、耗氧量小于0.72mg/L、色度不高于5，具體水質如表1所示。
4、結語
（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、分步實施，最大限度減少對現有生產的影響，分階段無縫銜接地完成了升級改造，實現了維持水廠生產供水的同時，滿足水質提標、節能減排和安全可靠等多重建設目標。
（2）基于集約化設計和資源節約的理念，將砂濾池、炭吸附池及提升、反沖洗等多個處理構筑物合建為一體，回用池疊合于機修、倉庫間下方，利于集中管理和節省用地，并合理共用反沖洗水泵與鼓風機，減少了購置費用和管理節點。
（3）重新梳理和優化各種生產管線，確保升級改造工程整體順利實施。
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