京城第一座接納北調南水——郭公莊水廠工藝設計及優化 饒磊 （北京市市政工程設計研究總院有限公司, 北京100082）

淺談郭公莊水廠的工藝設計及優化

饒磊

（北京市市政工程設計研究總院有限公司, 北京100082）

摘要:郭公莊水廠是南水北調水進京后第一座接納南水并處理南水的新建給水處理廠。郭公莊水廠采用澄清、臭氧—活性炭吸附、超濾膜過濾、紫外線加次氯酸鈉消毒的處理工藝。通過對機械加速澄清池布置形式、設備選型、結構做法的優化設計，以及對活性炭吸附池改為炭砂濾池的工藝設計優化，使得該水廠在適應南水北調水源、工藝單元互補、方便運行管理、保證施工質量等方面有了進一步的提高，進而滿足首都供水的安全和出水水質要求。

1郭公莊水廠工程概況

郭公莊水廠隸屬于北京市南水北調配套工程，是南水北調水進京后第一座接納南水并處理南水的水廠。郭公莊水廠以南水北調南干渠原水為水源，2014年建設規模為50萬m³/d，2020年擴建至規模75萬m³/d，遠期達到總規模100萬m³/d。

1.1南水北調中線北京段規劃總體布局

南水北調原水自河北段進京后，經總干渠渠首樞紐由明渠改為北拒馬河暗渠2條DN4000PCCP管道（總干渠）輸送至惠南莊泵站及大寧調壓池。總干渠分為加大流量、設計流量、小流量三種主要工況，當實際過流量小于或等于小流量工況時可通過泵站旁通管重力輸送至大寧調壓池，其余工況流量原水必需經泵站加壓至大寧調壓池。

原水輸送至大寧調壓池后再以重力流方式分為兩路，一路干渠通過2×DN3800永定河倒虹吸管及盧溝橋暗涵接2×DN4000淺埋暗挖暗涵向北經西四環至團城湖，為第九水廠及擬建第十水廠輸送南水北調原水，并以團城湖水作為輸水系統控制高程；另一路“南干渠”通過2 m×3.8 m×3.8 m暗涵倒虹吸穿越永定河后經2×DN3400PCCP管沿南五環敷設，近期通過南干渠為擬建郭公莊水廠供水（見圖1）。

1.2郭公莊水廠工程概況

郭公莊水廠工程主要包括三部分：引輸水管線工程、凈配水廠工程及配水管線工程。

輸水管線起點為南干渠郭公莊水廠分水口，采用淺埋暗挖方式沿郭公莊路向北敷設至郭公莊水廠，全長約3.8 km，管徑為DN2400，沿線穿越一次南環鐵路。

郭公莊水廠位于南四環花鄉橋以南約1 km處，處理規模為50萬m³/d,占地約17.02 hm²。接納的南水北調水源特點是：①冬季低溫低濁，夏季高藻、有機物、色臭味；②潛在風險為低微有機污染、微生物遷移、突發性原水污染。

工藝主要控制指標為：濁度、藻類、臭味、微生物、消毒副產物、有機物，管網的生物穩定性及化學穩定性。

出水水質目標為：①確保首都供水安全，工藝技術適度超前；②國內領先，國際先進；出水水質低于國家標準限值，達到國際標準；③供水安全優先，多級屏障策略，工藝單元優勢互補，運行靈活經濟合理。

選擇的處理工藝為：預處理（預氧化）+機械澄清+臭氧-活性炭+超濾膜+紫外線消毒，其工藝的特點為長流程和多級屏障（見圖2和圖3）。

配水管線起點為郭公莊水廠東紅線，沿規劃張新路向北敷設至南四環，與南四環現況DN1600管線勾連，全長約1.47 km，管徑為DN2200，沿線穿越馬草河一次。

2郭公莊水廠工藝設計優化

2.1機械加速澄清池設計優化

2.1.1系統布置優化

郭公莊水廠澄清工藝選用了12座直徑D=29 m機械加速澄清池，單池處理能力達到1800 m³/h。以北方地區某水廠為例，傳統的50萬m³/d水廠采用機械加速澄清池的布置方式為每4座機械加速澄清池為1組，共3組，每組中間設配水及排泥井1座。這種布置方式占地較大，且難以形成完全平行獨立的兩個系列（見圖4）。

郭公莊水廠的機械加速澄清池布置方式采用分成完整的兩個系列，每系列6池成對稱布置方式，每3座池中間設管廊，管廊內直埋敷設進水管、出水管、排泥管及放空管。每系列機械加速澄清池進水方式為總管—支管進水，每座池子DN1000進水管設可調節蝶閥，用于平衡每座池子的進水量（見圖5）。

對郭公莊水廠機械加速澄清池的進水方式進行了兩個方案的比選工作，即渠道進水方式和管道進水方式。渠道進水理念來源于濾池的進水方式，采用可調節配水堰實現均勻配水。該方式優點是配水簡易、沿程損失小；缺點是板閘的嚴密性差，因形成密閉空間，給人員進出檢修造成困難（見圖6）。管道進水方式為總管—支管進水并于支管上配置可調節蝶閥進行配水。該方式優點是配水精準，蝶閥嚴密性好，管廊空間利用合理；缺點是沿程損失較大，浪費水頭。

本方案在比選過程中更側重人員檢修的舒適性及可實現自動控制方面因素,選擇了管道進水方式。方案在確定總管管徑過程中，分別選取不同口徑管道進行了水力模擬計算，本著技術可行、經濟合理、具有一定挖潛性的原則，確定每系列機械加速澄清池進水總管管徑為DN2200（見圖7）。

2.1.2結構做法優化

傳統機械加速澄清池的弧形殼體施工難度大、周期長，對施工精度要求極為嚴格，按目前施工單位的組織模式、施工精度及施工進度要求，采用傳統的施工方式很難保質保量地完成。本工程采用了先澆筑矩形盆底基座后再抹成弧形池底的方式，既降低了施工難度又保證了施工質量（見圖8和圖9）。

2.1.3設備選型優化

傳統直徑D=29 m機械加速澄清池的攪拌機提升水量的調整方式為通過調整攪拌機出水口與一、二反應室之間隔板間距來調整提升水量，這種方式的實現需要清空池體后人工進行，操作繁瑣且精準度較差。傳統池體的刮泥機采用針齒盤傳動方式，故障率高。以北方某地區50萬m³/d水廠為例，攪拌機、刮泥機設備檢修期約為3年，按12座機加池計算，每年需要大修4座機加池。每座機加池大修期約為一周左右，因此4座全部完成檢修工作需要一個月才能完成。

郭公莊水廠工程中通過與設備中標公司合作，第一次實現了在飲用水行業里直徑D=29 m的機械加速澄清池采用同軸攪拌刮泥機設備。該設備采用粗軸套細軸，雙驅動傳動的方式，刮泥機的傳動方式摒棄了針齒盤，大大降低了故障率；其水量提升采用調速方式，也實現了自動控制和帶水調節的功能。該設備在郭公莊水廠已經運行了一段時間，目前反饋效果良好（見圖8和圖9）。

2.2活性炭吸附池改為炭砂濾池

郭公莊水廠活性炭吸附池優化改造共分兩個階段。

第一階段，郭公莊水廠設計初期考慮到超濾膜系統運行的穩定性，在活性炭吸附池設計中綜合了砂濾池的部分運行工況，具備后期改造成砂濾池的條件，同時在廠平面設計了跨越超濾膜系統的跨越管道。傳統活性炭吸附池的設計濾速為9～20 m/h，過濾水頭常規控制1.5 m，以水沖洗為常規沖洗方式。郭公莊水廠設計的活性炭吸附池設計濾速為8.45 m/h，過濾水頭為2 m，具備水沖洗、氣水順序沖洗、汽水聯合沖洗的三種方式。

第二階段，郭公莊水廠設計中后期通過分析大量收集來的資料、文獻以及進行了中試后確定在現有條件下將1.8m厚度的活性炭層更換為活性炭和石英砂雙層濾料，將活性炭吸附池改為炭砂濾池。

炭砂濾池屬于雙層濾料濾池，其上層的活性炭主要起到對有機物、色、臭、味的有效去除作用，下層的砂濾料對濁度進行有效去除，用1座炭砂濾池替代砂濾池及活性炭吸附池可以實現過濾及深度處理的雙重作用。

南水北調水水質屬于準Ⅱ類水體，其特點為冬季低溫低濁，夏季高藻，可能出現微污染帶來的色、臭、味等。調查表明：北方地區臭氧-活性炭主要以炭柱的孔隙吸附為主，活性炭表面難以形成生物膜，幾乎沒有生物降解作用；因此北方南水北調受水區域的給水廠在沉淀池（澄清池）后設置炭砂濾池不會出現由于頻繁沖洗而導致的生物膜脫落情況，可以使炭層及砂層充分發揮作用。

從2013年3月開始，在北京市第九水廠超濾膜中試基地內開始進行炭砂濾池的中試。試驗來水模擬郭公莊水廠工藝，為九水廠一期機加池出水，通過試驗確定一系列的設計及運行參數，以指導和修正郭公莊水廠工程建設及運行。試驗通過不同粒徑的石英砂與不同形式的活性炭的組合以及不同層高的石英砂濾料與活性炭的組合測試其過濾及吸附效果；通過不同形式的沖洗工況測試雙層濾料的混摻情況及跑炭情況；通過不同形式的組合試驗摸索合理的反沖洗周期。

通過為期約1年的中試，基本確定了郭公莊水廠炭砂濾池的一些設計及運行參數。炭砂濾料厚度：上層0.6 m炭，下層1.2 m砂；濾料規格：石英砂d10=0.95~1.05 mm，K80<1.4，煤質柱狀活性炭∅1.5 mm，柱長度1.25～2.5 mm；沖洗方式：氣、水順序沖洗，氣沖14 L/（s·m²），水沖12 L/（s·m²）。

3結論

郭公莊水廠設計理念本著供水安全優先，多級屏障策略，工藝單元優勢互補，運行靈活經濟合理的方針，通過對工藝單元的設計優化，及對單體構筑物的組合布置形式、結構做法、設備比選等的優化，確保實現將郭公莊水廠打造成為國內領先、國際先進的首都21世紀現代化給水廠的目標。

參考文獻略

本文來源于2015年《給水排水》雜志第4期