胡一越，張震芳

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410011)

前 言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，城市供水需求大幅增加，為了應(yīng)對(duì)城市日益增長(zhǎng)的水量要求，保證水廠出水水質(zhì)，諸多城市已開(kāi)展水廠改擴(kuò)建工程。水廠改擴(kuò)建工程主要面臨用地受限、與現(xiàn)狀的銜接以及改造中停產(chǎn)的問(wèn)題，需對(duì)工藝設(shè)計(jì)、施工時(shí)序等進(jìn)行合理優(yōu)化。本文以長(zhǎng)沙市望城水廠改擴(kuò)建工程為例，為其它城市水廠改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

1 改擴(kuò)建工程方案

1.1 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)沙市望城水廠位于望城區(qū)馬橋河與旺旺路相交的西南面山坡地，廠區(qū)可用面積為64 786.02m2(合97.18畝)，水廠以湘江為水源。望城水廠是望城區(qū)目前唯一正常運(yùn)行的水廠，現(xiàn)狀供水規(guī)模為10.0×104m3/d。

1.2 水廠現(xiàn)狀

現(xiàn)狀已建主要構(gòu)(建)筑物及規(guī)模見(jiàn)下表。

1.3 工程規(guī)模

根據(jù)望城水廠服務(wù)范圍的用水量預(yù)測(cè)結(jié)果，確定望城水廠改擴(kuò)建工程規(guī)模為20×104m3/d，遠(yuǎn)期總規(guī)模為30×104m3/d。

1.4 供水水源

望城水廠現(xiàn)狀供水水源為湘江。湘江是湖南省的最大河流，其水量全年充沛，歷年最小流量為263m3/s，足以滿足望城城區(qū)及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用水量需求，且其上游段的長(zhǎng)沙綜合樞紐工程建成后，可以有效調(diào)蓄湘江長(zhǎng)沙段的水量，削峰填谷，從而有利于下游望城河段的取水。且目前長(zhǎng)沙市已建污水廠的提標(biāo)整治改造工程正在緊鑼密鼓進(jìn)行當(dāng)中，長(zhǎng)沙市區(qū)的污水處理廠出水水質(zhì)按地表準(zhǔn)Ⅳ類水控制，可以預(yù)見(jiàn)污水廠尾水對(duì)湘江水環(huán)境的污染量將較之前大為減輕。綜上所述，湘江，能保證充沛的水量和穩(wěn)定的水質(zhì)，從而保證水廠安全穩(wěn)定地運(yùn)行和供水，本次望城水廠改擴(kuò)建工程仍以湘江作為集中供水水源。

1.5 處理工藝

本工程水質(zhì)嚴(yán)格按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)所確定的水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)望城自來(lái)水廠提供的湘江原水水質(zhì)分析報(bào)告和望城水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，湘江原水主要含漂浮物和泥砂較多，因此望城給水工程設(shè)置去除漂浮物、泥沙兼有配水功能的預(yù)處理設(shè)施。常規(guī)處理仍采用與現(xiàn)狀一致的 “折板絮凝/平流沉淀+氣水反沖洗砂濾池”。此外，結(jié)合原水水質(zhì)特點(diǎn)，本工程深度處理工藝采用“臭氧—生物活性炭工藝”，進(jìn)一步降低出水有機(jī)物、氨氮指標(biāo)，以及感官指標(biāo)中的濁度、色度、嗅和味，提高生物穩(wěn)定性，并滿足出廠水的衛(wèi)生、安全、長(zhǎng)期健康飲用。

望城水廠改擴(kuò)建工程工藝流程見(jiàn)下圖。

圖 工藝流程圖Fig. Process flow diagram

1.6 用地方案

望城水廠目前場(chǎng)地標(biāo)高在43.50～46.50m之間，廠區(qū)地勢(shì)由西南坡向東北。廠區(qū)占地南北長(zhǎng)約351m，東西最寬處約230m。廠區(qū)可用地面積約為97.18畝。

本次工程所有構(gòu)(建)筑物均布置于廠區(qū)預(yù)留用地上，無(wú)需新征地。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 取水工程設(shè)計(jì)

望城水廠取水頭部、原水自流管和原水輸水管已按照遠(yuǎn)期規(guī)模30×104m3/d建設(shè)到位，本次工程僅需考慮對(duì)取水泵房進(jìn)行改造，更換水泵機(jī)組及相應(yīng)管道。

已建取水泵房為岸邊固定式取水泵房，泵房筒體僅有17m內(nèi)徑，扣除4m寬集水井和1m厚的隔墻后，機(jī)泵間縱向長(zhǎng)度只有12m，無(wú)法布置下望城水廠遠(yuǎn)期30×104m3/d規(guī)模的臥式離心泵機(jī)組及相應(yīng)的閥門(mén)管件，因此設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期將取水泵房臥式離心泵機(jī)組改造為特制立式離心泵機(jī)組，可以有效減少水泵機(jī)組占地面積，以保證遠(yuǎn)期達(dá)到30×104m3/d供水規(guī)模時(shí)無(wú)需新建其它取水泵房。

根據(jù)規(guī)模和揚(yáng)程等設(shè)計(jì)參數(shù)要求，本期工程設(shè)備擴(kuò)容至20×104m3/d時(shí)保留現(xiàn)有的2臺(tái)臥式離心泵，并將另外2臺(tái)臥式離心泵機(jī)組更換為2臺(tái)立式離心泵機(jī)組。

遠(yuǎn)期30×104m3/d改造時(shí)，只需將泵房?jī)?nèi)2臺(tái)臥式離心泵機(jī)組更換為本期工程同型號(hào)的立式離心泵機(jī)組，泵房?jī)?nèi)共計(jì)安裝4臺(tái)同型號(hào)的立式離心泵，3用1備。

2.2 格柵預(yù)臭氧配水池設(shè)計(jì)

格柵預(yù)臭氧配水池設(shè)計(jì)規(guī)模：15×104m3/d，Ka=1.10，設(shè)一座。

為保證后續(xù)處理單元的正常運(yùn)行，擬在廠區(qū)水處理流程首端設(shè)進(jìn)水格柵井，以將原水中存在的漂浮物和沉積物打撈清除，柵槽設(shè)2格，兩組并聯(lián)運(yùn)行，每格設(shè)一道回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)，格柵間隙10mm，安裝角度α=75°，經(jīng)格柵處理后的原水經(jīng)孔口進(jìn)入預(yù)臭氧接觸池。

預(yù)臭氧接觸池設(shè)1個(gè)臭氧投加點(diǎn)，采用水射器投加方式，臭氧最大投加量為1.5mg/L，接觸時(shí)間為4.00min。根據(jù)臭氧腐蝕性強(qiáng)、有毒的特性，臭氧接觸池不設(shè)出水閘板，采用薄壁堰跌落出水，以避免采用閘板后出現(xiàn)維護(hù)困難或需要經(jīng)常更換等問(wèn)題。

鑒于未來(lái)水廠用地按6組5.0×104m3/d的絮凝沉淀池進(jìn)行規(guī)劃布局，考慮到預(yù)臭氧接觸池出水井至6組絮凝沉淀池的距離各異且相差較大，為保證配水均勻，設(shè)計(jì)在配水井中設(shè)3道獨(dú)立比例堰長(zhǎng)薄壁堰配水?，F(xiàn)狀配水井及本期配水井共設(shè)6道配水堰，與遠(yuǎn)期6座絮凝沉淀池一一對(duì)應(yīng)。

2.3 絮凝沉淀清水池設(shè)計(jì)

絮凝沉淀清水池設(shè)計(jì)規(guī)模：10×104m3/d，Ka=1.10。

絮凝池、沉淀池和清水池疊合建設(shè)，設(shè)兩座，單座規(guī)模為5×104m3/d。

絮凝采用折板絮凝，折板絮凝時(shí)間為18.24min，分三級(jí)絮凝，絮凝池有效水深為3.30m。

沉淀采用平流沉淀池，水平流速為13.0mm/s，停留時(shí)間1.78h，有效水深2.95m，沉淀池出水采用穿孔指形槽出水。

清水池下疊于絮凝沉淀池下部，為防止由于短流造成消毒接觸時(shí)間不滿足規(guī)范要求，在清水池中設(shè)有接觸消毒區(qū)。接觸消毒區(qū)有效容積為1 000 m3。清水池有效容積為5 332m3。

2.4 氣水反沖洗砂濾池設(shè)計(jì)

氣水反沖洗砂濾池設(shè)計(jì)規(guī)模：10×104m3/d，Ka=1.10，設(shè)一座。

砂濾池設(shè)計(jì)采用均質(zhì)濾料氣水反沖洗濾池，分為6格，采用雙排布置，單格過(guò)濾面積77.00m2，總過(guò)濾面積462.00m2。

正常濾速為9.92m/h，強(qiáng)制濾速為11.91m/h。濾池采用均質(zhì)石英海砂濾料，濾料層厚度為1.15m，濾料有效粒徑0.90～1.35mm，不均勻系數(shù)K80<1.25，墊層礫石平均粒徑為4～8mm，厚0.05m。

采用氣、水反沖洗加表面掃洗的沖洗方式，沖洗周期為24h。濾池反沖洗分3個(gè)階段，第一階段單獨(dú)氣沖，歷時(shí)3min，氣沖強(qiáng)度54m3/(m2·h)；第二階段氣水同時(shí)反沖洗，歷時(shí)4min，氣沖強(qiáng)度54 m3/(m2·h)，水沖強(qiáng)度14.4 m3/(m2·h)；第三階段清水漂洗，歷時(shí)5min，沖洗強(qiáng)度18m3/(m2·h)；反沖洗全過(guò)程伴有表面掃洗，表面掃洗強(qiáng)度6.48m3/(m2·h)[1]。

出水總渠設(shè)超越管，在原水水質(zhì)較好時(shí)，濾后水可視出水水質(zhì)選擇是否超越深度處理直接進(jìn)入清水池。

2.5 深度處理綜合池設(shè)計(jì)

深度處理綜合池設(shè)計(jì)規(guī)模：10×104m3/d，Ka=1.10，設(shè)一座。

深度處理綜合包括中間提升泵房、后臭氧接觸池、活性炭濾池，均分為兩條5×104m3/d可獨(dú)立運(yùn)行的生產(chǎn)線。采用構(gòu)筑物與建筑物合建型式，整個(gè)構(gòu)筑物連接緊湊，占地面積小，主要工藝之間均采用渠道連接，水頭損失小。

中間提升泵站單組泵站內(nèi)設(shè)立式斜流泵3臺(tái)，2用1備，單組泵站集水池有效調(diào)蓄容積為200m3，約為單臺(tái)水泵10.5min的出水量。

后臭氧接觸處臭氧最大投加量為2.5mg/L，總接觸時(shí)間為12min。單池設(shè)3個(gè)臭氧投加點(diǎn)，順?biāo)鞣较蚋魍都狱c(diǎn)的臭氧投加比例分別為50%±10%、25%±5%、25%±5%。

活性炭濾池布置形式為中間設(shè)管道廊，兩側(cè)分別設(shè)置3格濾池，一共6格。每格濾池面積77m2，正常濾速為9.92m/h，強(qiáng)制濾速(1格反沖洗時(shí))為11.90m/h，過(guò)濾周期為72h，設(shè)計(jì)最大過(guò)濾水頭1.50m?；钚蕴繛V池采用長(zhǎng)柄濾頭配氣、配水系統(tǒng)。濾板采用鋼模整體澆筑濾板。濾料采用飲用凈水用煤質(zhì)柱狀活性炭，承托層為礫石。用單獨(dú)氣沖加單獨(dú)水沖方式進(jìn)行反沖洗：氣沖強(qiáng)度54 m3/(m2·h)，水沖強(qiáng)度28.8 m3/(m2·h)。

2.6 加藥間設(shè)計(jì)

加藥間土建規(guī)模30×104m3/d，設(shè)備安裝規(guī)模為20×104m3/d，設(shè)一座。

將廠區(qū)現(xiàn)有加藥間和機(jī)修間拆除，騰出場(chǎng)地，用于本期工程加藥間的建設(shè)。

加藥間提供3種藥劑的制備和投加，分別為消毒劑次氯酸鈉、混凝劑液態(tài)聚合氯化鋁和以及助凝劑聚丙烯酰胺，并預(yù)留高錳酸鉀、石灰、粉末活性炭三種藥劑的位置。

混凝劑和助凝劑投加點(diǎn)均設(shè)置在混合池。

次氯酸納投加點(diǎn)為3處，前加氯設(shè)在混合池(備用)，投加量1.4mg/L(有效氯)，后加氯設(shè)在清水池進(jìn)水管上，投加量2mg/L(有效氯)，補(bǔ)氯設(shè)在清水池出水管上，投加量1mg/L(有效氯)。次氯酸鈉采用電解食鹽溶液現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉的方式。消毒使用的次氯酸鈉溶液濃度一般為0.6%～0.8%?，F(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉溶液濃度低(0.6%～0.8%)，存儲(chǔ)時(shí)間短，不會(huì)產(chǎn)生次氯酸鈉溶液的濃度會(huì)逐漸降低的問(wèn)題[2]。同時(shí)由于次氯酸鈉濃度穩(wěn)定，即投加到水體內(nèi)的有效氯的量不會(huì)降低，保證消毒效果，保證出廠水的水質(zhì)穩(wěn)定。

2.7 污泥處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

污泥處理系統(tǒng)包括排泥水調(diào)節(jié)池、污泥濃縮池、污泥平衡池、污泥脫水間和回用水池。污泥處理系統(tǒng)按遠(yuǎn)期規(guī)模30×104m3/d一次建成。

2.7.1 污泥濃縮池下疊排泥水調(diào)節(jié)池

排泥水調(diào)節(jié)池與污泥濃縮池合建。

排泥水調(diào)節(jié)池有效調(diào)節(jié)容量約為2 400m3，分為獨(dú)立的二格，每格容積1 200m3。

污泥濃縮池采用上向流的斜板濃縮池，設(shè)置2格，單格尺寸為14m×14m，斜板間距為70mm[3]，最大固體負(fù)荷為2.88kg/(m2.h)，最大液面負(fù)荷為2.36m3/(m2·h)。

2.7.2 污泥平衡池

污泥平衡池接納濃縮污泥，使?jié)饪s污泥含固率保持相對(duì)均衡，在濃縮池及機(jī)械脫水設(shè)備之間起調(diào)質(zhì)，以及平衡高濁度時(shí)來(lái)水量和污泥處理系統(tǒng)處理能力作用，其有效容積按不小于遠(yuǎn)期后續(xù)脫水機(jī)日處理水量的50%來(lái)考慮，有效容積約為360m3。

2.7.3 污泥脫水間

污泥脫水采用板框壓濾機(jī)，泥餅含水率≤60%。

2.7.4 回用水池

回用水池用于收集砂濾池、炭濾池反沖洗水以及污泥濃縮池上清液?；赜盟赜行莘e為2 000m3，分兩格?？傆行莘e大于2格均質(zhì)濾料濾池或炭濾池連續(xù)反沖洗排水量[4]。

3 工程難點(diǎn)及解決方案

3.1 取水泵房設(shè)計(jì)創(chuàng)新

現(xiàn)狀取水泵房土建按15×104m3/d建成，筒體僅有17m內(nèi)徑，無(wú)法滿足遠(yuǎn)期 30×104m3/d規(guī)模的臥式離心泵機(jī)組的布置。若新建取水泵房，需配套建設(shè)取水頭部、原水輸水管及原水自流管，投資較大且工期較長(zhǎng)。因此本工程設(shè)計(jì)將取水泵房臥式離心泵機(jī)組改造為特制立式離心泵機(jī)組，可有效減少水泵機(jī)組占地，保證遠(yuǎn)期達(dá)到30×104m3/d供水規(guī)模時(shí)無(wú)需新建取水泵房。這一方案能夠極大的降低投資、縮短施工周期。

3.2 深度處理和污泥處理系統(tǒng)集約化布置，應(yīng)對(duì)廠區(qū)建設(shè)用地緊張的現(xiàn)狀

根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB50282～2016)，采用“預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理工藝”的地表水水廠，規(guī)模為30×104m3/d時(shí)，其建議用地面積為135 000m2，望城水廠可用面積僅為推薦值的一半，改擴(kuò)建用地極為緊張。本工程設(shè)計(jì)通過(guò)以下幾個(gè)方面的措施解決水廠用地不足的問(wèn)題：①將絮凝沉淀池與清水池合建；②將中間提升泵站、后臭氧接觸池、活性炭濾池合建為深度處理綜合池；③將排泥水處理系統(tǒng)集約化布置，將斜板濃縮池與排泥水調(diào)節(jié)池疊合建設(shè)。

3.3 污泥濃縮方式的優(yōu)化

根據(jù)平流式沉淀池去除分散性顆粒的沉淀原理，一個(gè)池子在一定的流量Q和一定的顆粒沉降流速u0的條件下，其沉淀效率E與池子的平面面積A成正比。為此，在同一池子中，按高度分成N個(gè)間隔，使水平面積增加N倍，在理論上可以提高沉淀能力N倍(實(shí)際上由于各種其他因素的影響不可能達(dá)到)。池子分成許多水平淺格后，雖可以提高沉淀效率，但增加排泥困難，為此將水平板改為斜板，一方面使得水平投影面積增加，一方面積泥可以自動(dòng)落入池底，便于排除。為了排泥方便，傾斜角為50°～60°。斜板濃縮池是基于此原理開(kāi)發(fā)的池型。

望城水廠改擴(kuò)建工程污泥濃縮池采用上向流的斜板濃縮池。根據(jù)國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，斜板間距取60～80mm，濃縮效果最佳，因此本工程斜板間距設(shè)計(jì)為70mm。

望城水廠斜板安裝形式參照了國(guó)外Lamella斜板沉淀池和Parkson公司斜板濃縮池的經(jīng)驗(yàn)，斜板安裝有部分露出水面，這種安裝形式對(duì)傳統(tǒng)斜板(斜板全部在水下)的安裝方式進(jìn)行了優(yōu)化，使得上向流水流必須經(jīng)過(guò)斜板最后通過(guò)出水堰出水，延長(zhǎng)了水流流線，避免短流，出水效果更為理想。

經(jīng)過(guò)污泥濃縮方式的優(yōu)化，污泥負(fù)荷達(dá)到2.88kg/(m2·h)時(shí)仍能保證污泥含固率的要求，極大的減少了污泥處理系統(tǒng)的占地面積。

3.4 消毒方式的更新

望城水廠改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)采用電解食鹽水現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉消毒的方式，打破了傳統(tǒng)方式，為湖南省水廠的消毒方式提供了新的思路。電解食鹽水現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉的方式，原料食鹽不屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，運(yùn)輸安全，無(wú)需在公安局備案，消毒效果穩(wěn)定，徹底解決了液氯和二氧化氯消毒原料安全隱患的問(wèn)題。

3.5 優(yōu)化加藥間設(shè)計(jì)和施工方案，實(shí)現(xiàn)不停水改造

由于新建加藥間利用原有加藥間和機(jī)修間的位置，為避免加藥受施工的影響，在建設(shè)時(shí)，先行拆除現(xiàn)有機(jī)修間，利用該用地建成加藥間的一部分，安裝相應(yīng)的加藥設(shè)備，然后再拆除現(xiàn)有老舊投藥間，新建另一部分加藥間。兩部分加藥間通過(guò)伸縮縫分隔，實(shí)則為一個(gè)整體。通過(guò)該設(shè)計(jì)方案和施工時(shí)序，可保證廠區(qū)制水不受新建加藥間的影響，實(shí)現(xiàn)不停水改造。

4 結(jié) 論

4.1 水廠平面布局緊湊有序，工藝流程順暢，分區(qū)明確。通過(guò)對(duì)新建構(gòu)筑物進(jìn)行合理組合及集約化布置，大大節(jié)省了廠區(qū)用地，單位建設(shè)用地僅0.216m2/(m3·d)，僅為《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB50282～2016)建議用地指標(biāo)的48%。通過(guò)采用特制的水泵設(shè)備，避免了避免征地拆遷和重新建設(shè)取水泵房，該設(shè)計(jì)可節(jié)省工程投資約5 000萬(wàn)元，并縮短了建設(shè)工期。

4.2 水廠采用“預(yù)臭氧+折板絮凝/平流沉淀+氣水反沖洗砂濾池+臭氧—生物活性炭工藝”，有效降低了出水有機(jī)物、氨氮指標(biāo)，以及感官指標(biāo)中的濁度、色度、嗅和味，保證了出水水質(zhì)。采用現(xiàn)場(chǎng)制備次氯酸鈉消毒的方式，為湖南省水廠的消毒方式提供了新的思路。

4.3 水廠濃縮池斜板間距設(shè)計(jì)為70mm，斜板安裝采用部分露出水面的型式，使得上向流水流必須經(jīng)過(guò)斜板最后通過(guò)出水堰出水，延長(zhǎng)了水流流線，避免短流，出水效果較理想。

4.4 通過(guò)優(yōu)化加藥間設(shè)計(jì)方案和施工時(shí)序，保證了廠區(qū)制水不受新建加藥間的影響，實(shí)現(xiàn)了不停水改造。

4.5 望城水廠改擴(kuò)建工程完成后，滿足了望城地區(qū)水質(zhì)水量的要求。本工程設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可供其它水廠項(xiàng)目參考。