本文通過(guò)工程實(shí)例介紹了大型水廠(chǎng)升級改造的理念和實(shí)踐：合理利用原有設施節省投資，在水廠(chǎng)布局和用地受限的條件下，既維持水廠(chǎng)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(chǎng)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(wèn)題，即必須首先解決用地問(wèn)題，才能使改造工程得以進(jìn)行。根據所要進(jìn)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(chē)間及其加藥、配電等。

(2)采用“騰籠換鳥(niǎo)”式，分階段實(shí)施。如何解決邊生產(chǎn)邊改造，是很多老廠(chǎng)改造時(shí)普遍面臨又必須妥善解決的現實(shí)問(wèn)題。對此，需要結合水廠(chǎng)自身條件和生產(chǎn)特點(diǎn)，與業(yè)主充分討論，找出生產(chǎn)改造過(guò)程的關(guān)鍵節點(diǎn)，確定改造過(guò)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)調調度下，有組織有應急預案前提下采用“騰籠換鳥(niǎo)”的方式，分階段實(shí)施升級改造，以解決邊生產(chǎn)邊改造問(wèn)題。

(3)重新梳理各生產(chǎn)管線(xiàn)。水廠(chǎng)看不見(jiàn)的地下管道，是改造工程中的重要一環(huán)，畢竟廠(chǎng)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(chǎn)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(xiàn)布置，并結合改造階段步驟分步實(shí)施。

(4)合理安排老設施、設備的改造時(shí)序。在升級改造工程的同時(shí)，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(wèn)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，統一布局，優(yōu)化整體設計，合理安排改造工程時(shí)序，先建后拆，有序進(jìn)行。

(5)合理規劃智慧化改造進(jìn)程。隨著(zhù)近年來(lái)BIM技術(shù)、AI技術(shù)和VR技術(shù)的不斷進(jìn)步、城市參數化水平不斷提高，水廠(chǎng)管理的智慧化，已成為供水行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的亮點(diǎn)，構建智慧水廠(chǎng)框架，在生產(chǎn)運行、參觀(guān)學(xué)習、維護監測、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(chǎng)升級改造的重點(diǎn)內容。

2 工程實(shí)例

2.1 水廠(chǎng)現狀

某城市大型水廠(chǎng)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(wú)可用的新擴建用地，即改造工程只能在現水廠(chǎng)內部實(shí)施，并要求維持生產(chǎn)保障居民用水。水源為某運河水系，原水經(jīng)取水泵站、增壓泵站輸送至水廠(chǎng)。泵站和水廠(chǎng)內部都先后歷經(jīng)多次擴容、改造，形成了現在水廠(chǎng)的2條制水系統，即14.5萬(wàn)m3/d和10.5萬(wàn)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(wàn)m3/d。

2.2 存在的問(wèn)題

(1) 構筑物多、設備陳舊、總圖凌亂。水廠(chǎng)自建成的近60年時(shí)間里，先后經(jīng)歷多次擴容、改造，形成了現在多個(gè)處理構筑物，總圖布置分散、凌亂，且多個(gè)構筑物和很多設備都存在問(wèn)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(shí)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(mǎn)足新增加藥劑的要求;水廠(chǎng)的清水池庫容僅2.2萬(wàn)m3，庫容偏小;2座二級泵房和2座原水泵房?jì)人脵C組匹配都不合理、效率低下、自動(dòng)化程度低。

(2)現狀水廠(chǎng)處理效果差。據近幾年水質(zhì)資料統計，現有10.5萬(wàn)m3/d系統的沉后水濁度較高，最高為16.8 NTU，14.5萬(wàn)m3/d系統的沉后水濁度最高達20 NTU，導致出廠(chǎng)水濁度遠高于目標值(0.1 NTU)，出廠(chǎng)水耗氧量最高為2.85～3.14 mg/L，也不能滿(mǎn)足《某省城市供水現代化水廠(chǎng)的出廠(chǎng)水優(yōu)質(zhì)標準》中規定的CODMn≤2.0 mg/L的要求。

(3)水源污染。原水水質(zhì)較差，尤其冬季有機物含量較高，近年來(lái)突發(fā)性水質(zhì)污染事件時(shí)有發(fā)生。在經(jīng)過(guò)多次改造后，出水水質(zhì)和運行效果有所改善，但耗氧量、錳仍存在超過(guò)國家標準的情況。

(4)流程反向布置?，F狀工藝流程是自西向東布置，而原水是從水廠(chǎng)東側接入，現狀水廠(chǎng)的水力流程明顯反向布置。

(5)環(huán)保不達標。由于歷史原因，廠(chǎng)區內雨水、污水、部分生產(chǎn)排水為合流制，環(huán)保部門(mén)已經(jīng)要求限期整改。

2.3 改造目標

(1)改造后仍維持水廠(chǎng)規模25萬(wàn)m3/d，出廠(chǎng)水泵揚程也維持42 m，改造期間保證約14.5萬(wàn)m3/d供水規模。

(2)滿(mǎn)足出廠(chǎng)水幾個(gè)主要指標：CODMn≤2.0 mg/L;出廠(chǎng)水濁度≤0.1 NTU;出廠(chǎng)水色度≤5。

(3)泵站改造后水泵電機機組效率達到經(jīng)常運行區段75%以上，并滿(mǎn)足水廠(chǎng)不同季節和不同時(shí)段對原水調度的要求。

(4)完成廠(chǎng)區內雨、廢水分流，生產(chǎn)排泥水全部收集、經(jīng)處理后達標排放。

2.4 設計特點(diǎn)及應用效益

設計團隊經(jīng)過(guò)多種分析、對不同方案進(jìn)行比較、調研，并多次深入現場(chǎng)與業(yè)主討論、聽(tīng)取意見(jiàn)，包括工藝方案的選擇、處理構筑物形式、供水管網(wǎng)調度、應急預案情況等等，歷經(jīng)2年多時(shí)間，最終設計推薦了“騰籠換鳥(niǎo)”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(chǎng)生產(chǎn)影響最小、安全性、施工可操作性最強，得到業(yè)主一致認可。主要設計特點(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(chǎng)現有場(chǎng)地范圍內，既要實(shí)現水廠(chǎng)改造后水質(zhì)整體提高、布局合理、水利流程順暢，同時(shí)還要提高設備與構筑物安全可靠性，保證改造期間水廠(chǎng)維持14.5萬(wàn)m3/d左右的供水能力，因此采取拆除水廠(chǎng)部分老舊設施，釋放建設空間，進(jìn)行“騰籠換鳥(niǎo)”式的改造是最優(yōu)選擇。經(jīng)過(guò)分析、評估，現有的10.5萬(wàn)m3/d系統構筑物已經(jīng)無(wú)再次改造的價(jià)值，綜合技術(shù)、經(jīng)濟分析比較后確定全部拆除為較優(yōu)方案。以現狀水廠(chǎng)中部為界(如圖1所示)，工程分為兩階段實(shí)施，一階段中，調整保留南部生產(chǎn)線(xiàn)，確保14.5萬(wàn)m3/d規模正常生產(chǎn)前提下，在廠(chǎng)區北部已經(jīng)拆除的區域實(shí)施25萬(wàn)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(wàn)m3/d主要處理設施工程占地指標僅為0.14 m3/(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0.352 5 m3/(m2˙d)指標，實(shí)現了最大限度優(yōu)化整合，確保在有限用地范圍內完成水廠(chǎng)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(wàn)m3/d規模水廠(chǎng)。

(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(chǎng)區用地無(wú)法滿(mǎn)足構筑物單個(gè)布置的問(wèn)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(cháng)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(wàn)m3/d新系統改造的同時(shí)，重新調整排泥水、反沖洗水等管線(xiàn)，完成了廠(chǎng)區雨污分流、調整了全廠(chǎng)雨水系統，解決了現有廠(chǎng)前區低洼地勢、暴雨季節嚴重倒灌的歷史遺留問(wèn)題。

(4)在升級改造工程中，同步完成了自來(lái)水公司“現代化水廠(chǎng)”中對于自動(dòng)化標準的要求，為建設智慧水務(wù)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(gè)模式，在原水水質(zhì)較好時(shí)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(shí)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0.5 m水頭損失計，每年節約運行電費10萬(wàn)元。

(3)優(yōu)化排泥水系統改造范圍，新建回用水池，使現有排泥水池專(zhuān)門(mén)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(mǎn)足全年多個(gè)工況條件下，經(jīng)多方案計算比較，推薦出優(yōu)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(guò)400萬(wàn)元。

2.5 凈水工藝主要參數

新建25萬(wàn)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(wàn)m3/d系統，為實(shí)現均勻配水設有可調堰，預臭氧最大投加率1.0 mg/L。

(2)折板絮凝平流沉淀池。新建4座6.25萬(wàn)m3/d?？傂跄龝r(shí)間約17 min，共設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)機房、配電間和中間提升泵房。砂濾池分為2組，每組12.5萬(wàn)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(wàn)m3/d，臭氧接觸時(shí)間3段共計約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(wàn)m3/d，4格，炭池厚2.1 m，顆?；钚蕴考壟?×30目，不均勻系數1.9～2.0;炭床最小空床停留時(shí)間為12.2 min，采用單氣沖結合單水沖;提升泵房、反沖洗泵房和鼓風(fēng)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(wàn)m3/d。反沖洗泵房和鼓風(fēng)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(xiàn)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(lái)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(jìn)行單獨防爆設置。高錳酸鉀和粉末活性炭在水源發(fā)生污染或藻類(lèi)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(wàn)m3/d的配水井過(guò)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1 000～1 200 kg/h。進(jìn)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(chǎn)，水廠(chǎng)運行可靠，處理效果良好，出廠(chǎng)水水質(zhì)優(yōu)于國家標準，在低溫低濁期，最高出廠(chǎng)水濁度穩定低于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 結語(yǔ)

(1)針對水廠(chǎng)原址升級改造的用地難題，通過(guò)“騰籠換鳥(niǎo)”的方式，合理劃分、分步實(shí)施，最大限度減少對現有生產(chǎn)的影響，分階段無(wú)縫銜接地完成了升級改造，實(shí)現了維持水廠(chǎng)生產(chǎn)供水的同時(shí)，滿(mǎn)足水質(zhì)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(gè)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(fēng)機，減少了購置費用和管理節點(diǎn)。

(3)重新梳理和優(yōu)化各種生產(chǎn)管線(xiàn)，確保升級改造工程整體順利實(shí)施。