劉 臣， 袁 進， 樊雪紅， 封 威

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430010； 2.恩施市自來水有限責任公司， 湖北 恩施 445000)

山地水廠地形起伏大，水廠設計既要考慮流程上的順利，也要考慮各構筑物的埋深；既可以采用同一地面高程的高架式布置，也可以依山就勢采用斜坡式或臺階式布置；甚至借助地勢高差，原水自流入廠、出廠水也采用重力自流供水，從而顯著節(jié)約電耗。因此，山地水廠的位置選擇、高程布置、構筑物布置、排水系統(tǒng)設計等與常規(guī)水廠有別。從山區(qū)水庫引出優(yōu)質原水，興建山地水廠作為第二水源工程，日益成為一些城市改善供水水質、提高人民幸福感的一項長遠目標。

恩施市老第二水廠于1983年9月籌備建設，一期設計規(guī)模2×104m3/d。1990年3月對原二水廠進行二期改造擴建，擴建后其總規(guī)模達到4×104m3/d，原水取自大龍?zhí)端畮?，兩期構筑物均采用柵條絮凝斜管沉淀池+虹吸濾池的凈化工藝。原二水廠建成于1984年，水處理工藝和設備均已嚴重落后，制水工藝出水難以穩(wěn)定達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求。根據恩施市供水專項規(guī)劃，二水廠規(guī)劃總規(guī)模22×104m3/d，一期設計規(guī)模10×104m3/d，原二水廠現(xiàn)有土地無法滿足擴建和管網改造要求，而現(xiàn)有廠地位于市中心地段，土地價值較高，因此擬對老二水廠進行異地遷建新二水廠。

新二水廠廠址位于高旗大道與金山大道交匯處，臨近旗峰大道。場地東臨恩施土司城，原始海拔在445.52 m～444.00 m～461.32 m，相對高差15.80 m，周邊道路交叉點標高分別為：西北側447.2 m、東北側443.7 m、東南側458.0 m、西南側445.3 m。由于廠區(qū)標高由建設單位前期按454 m計已整平，廠區(qū)凈水構筑物高程只能采用高架式布置[1]。

新二水廠近期水源仍為大龍?zhí)端畮欤h期水源為車壩河水庫，水源均高于城市，屬典型山地水廠。新二水廠一期工程于2020年11月通水運行，目前運行良好。筆者反思了在該山地水廠設計中基于整個給水系統(tǒng)進行優(yōu)化的可能，對具體設計中從水源自由切換、采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉消毒和采用智能加礬裝置加藥，到山地水廠廠區(qū)排水系統(tǒng)的優(yōu)化等細部進行了探討，并總結了山地水廠的設計實踐。

1 總體設計

大龍?zhí)端畮焓悄壳岸魇┏菂^(qū)唯一的飲用水水源。近年來隨著上游地市社會經濟迅速發(fā)展，自然災害頻發(fā)，對其單一水源供水安全造成嚴重威脅。人群密集居住和工廠企業(yè)生產帶來水質惡化，污染事件風險加大，用水安全得不到保障，“水華”事件偶有發(fā)生。車壩河水庫水質良好、水量充足，已被確定為未來恩施城區(qū)主力水源，但由于車壩河水庫引水工程仍在建設之中，而新二水廠急需建成通水，因此近期水源仍為大龍?zhí)端畮?車壩河引水工程建成后，其作為應急水源)。新二水廠總規(guī)模為22×104m3/d，近期建設10×104m3/d，水廠出水水質執(zhí)行現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)[2]，廠內常規(guī)處理出水濁度≤0.5 NTU。工程內容涵蓋原水工程、凈水廠工程以及清水輸水干管等，該城區(qū)給水系統(tǒng)見圖1。

圖1 給水系統(tǒng)示意

經論證，確定水廠采用常規(guī)水處理工藝，并對混凝、過濾采取強化措施，保證出廠水濁度達到要求，工藝流程見圖2。

圖2 水廠處理工藝流程

2 原水工程

原水近期取自大龍?zhí)端畮?，原大龍?zhí)端畮熘晾隙畯S輸水管道由發(fā)電引水隧洞取水。通過長380 m、直徑1 400 mm的輸水干管，將水送至距電站廠房東端約40 m的配水罐，再從直徑3 m、長14 m的配水罐，將水通過長約7 km的DN1000球墨鑄鐵管輸送至老二水廠。

新二水廠近期自大龍?zhí)端畮烊∷堪?.27 m3/s考慮。自金山大道和旗峰大道交叉口現(xiàn)有DN1000輸水管道上開口通過管道引至新二水廠，通過繪制自取水點至新二水廠原水管道水壓線，為保證管道正壓運行，經與建設方溝通，在金山大道與旗峰大道交叉口附近設置原水加壓泵房1座。

為充分利用水庫水頭，降低能耗，同時節(jié)約泵站用地，加壓泵房不設置敞口吸水井，采用在原水管道上設置水泵直接加壓將原水供至新二水廠，吸水總管的管徑按其設計流速不大于與其相連的水泵吸水管設計流速的50%控制[3]。

3 凈水廠主要構建筑物工藝設計

3.1 配水井

為了使進水均勻分配至每個處理構筑物，在絮凝池前設配水井1座。配水井按22×104m3/d設計，考慮未來雙水源供水格局，配水井分別設置DN1600和DN1200進水管。配水井由進水室、配水室和溢流室組成，進水經配水井分配后變?yōu)?根DN1200和1根DN1400出水管，分別對應近、遠期兩組絮凝池，使每座絮凝池進水量相同。

配水井采用矩形布置，平面總尺寸為12.85 m×10.90 m，總深度為10.80 m。

3.2 折板絮凝池

絮凝池設1座2組，每組按5×104m3/d規(guī)模設計，設計流量為2 250 m3/h，單座絮凝池平面尺寸為117.10 m×18.65 m。

絮凝池采用多通道進出水，以使沉淀池布水均勻；折板絮凝池排泥采用穿孔排泥管，設置氣動快開排泥角閥，排泥徹底、無堵塞，且可實現(xiàn)自動排泥?？傂跄龝r間為20 min，總GT值為5.4×104。

3.3 平流沉淀池

一組絮凝沉淀池總平面尺寸為96.45 m×39.50 m，平流沉淀池池深3.50 m，有效水深為3.00 m，沉淀時間為1.95 h，水平流速為10.60 mm/s，沉淀池排泥采用泵吸式刮泥機排泥。為減少風力的影響，避免水流擾動，提高沉淀效果，沉淀池內設二道導流墻。

平流沉淀池與絮凝池合建，每座沉淀池總集水槽長264 m，溢流率為199 m3/(m·d)。

單座沉淀池平面尺寸為88.00 m×17.70 m，長寬比約為4.5 ∶1，長深(有效水深)比約為24 ∶1。

3.4 Ⅴ型濾池

濾池按10×104m3/d規(guī)模設計1座。濾池采用均質濾料、氣水反沖濾池，濾池總平面尺寸為39.50 m×27.88 m，池深4.40 m。濾池設計流量為4 500 m3/h，正常設計濾速為8.00 m/h，強制濾速為9.60 m/h，總過濾面積為546 m2。濾池單元數為6，每個單元面積為91 m2。

沖洗方式為先以空氣沖洗，再同時以空氣和水低速反洗，最后以水低速沖洗。其氣沖強度為13～15 L/(s·m2)，水沖強度為4～5.0 L/(s·m2)，水掃洗強度為2.0 L/(s·m2)。反沖洗時間為氣沖2～3 min，氣水混沖4～6 min，水反沖3～5 min。低濁度取低值，高濁度取高值，過濾周期為24～36 h。

Ⅴ型濾池的出水閥隨水位變化調節(jié)開啟度，池內水位在一個過濾周期內保持不變，濾層不會出現(xiàn)負壓。

3.5 清水池

清水池按1.0×104m3/d規(guī)模設1座，單座清水池平面尺寸為63.0 m×43.0 m，有效水深為3.80 m，有效調節(jié)容積為10 290 m3，調節(jié)比例為10%，池內設有導流墻。

池內設有放空管和溢流管，兩管出水均排入排水池回收利用。

3.6 反沖洗泵房

反沖洗泵房平面尺寸為22.95 m×5.70 m，水泵間布置成半地下式，以保證快速自灌啟動。

反沖洗泵房按一次最多沖洗1格濾池設計。泵房內設反沖洗離心水泵3臺(2用1備)，單泵額定流量Q=1 000 m3/h，揚程H=8.5 m，配套電機功率N=37 kW。鼓風機采用螺桿風機3臺(2用1備)，風量Q=43.5 m3/min，出風壓力為45 kPa。

泵房內設置壓縮空氣系統(tǒng)2套(1用1備)，單臺空壓機Q=1.66 m3/min，P=0.69 MPa，為反應池和濾池氣動閥門提供壓力氣源?？諝庀到y(tǒng)另配儲氣罐2套(單套容積1 m3)，排漬泵1臺，流量Q=25 m3/h，揚程H=10 m，配套電機功率為1.5 kW。

3.7 送水泵房

水廠設置送水泵房1座，土建按22×104m3/d一次建成，設備按10×104m3/d配置，采用大小泵搭配方式，大泵3臺(2用1備，其中1臺電機變頻)，小泵1臺(電機變頻)，大泵Q=2 700 m3/h，H=34.5～45.5 m；小泵Q=900～1 260 m3/h，H=37～42 m。

3.8 加藥間

水廠設置1座加藥間，分加礬、加氯兩個系統(tǒng)。土建按22×104m3/d一次建成，設備按10×104m3/d配套。

① 加礬系統(tǒng)

混凝劑為液體堿式氯化鋁，混凝劑濃度為10%(原液含量)，采用原液和水按1 ∶2稀釋后投加，設計平均投加量為20 mg/L(市售商品質量，Al2O3)。采用數字計量泵2臺(1用1備)投加，單臺流量為940 L/h，出口壓力為0.4 MPa，在運行過程中可根據進水流量自動調節(jié)加藥泵的流量。

② 加氯系統(tǒng)

濾前加氯：在原水水質較差時，使用濾前加氯，最大投氯量為0.5～1.0 mg/L(有效氯)，投氯點設在配水井上。

濾后加氯：最大投氯量為1.0～2.0 mg/L(有效氯)，投氯點設在清水池進水管上。

該工程采用次氯酸鈉消毒，現(xiàn)場制備次氯酸鈉溶液，有效濃度約為0.8%。

設置次氯酸鈉發(fā)生器2套(1用1備)，每套含發(fā)生器主機及重要關聯(lián)配套設備(氫氣檢測裝置、差壓開關、超聲波液位計、軟水器及軟水加熱器等)。單套次氯酸鈉額定制備量為10 kg/h，常用1套、備用1套、二期增加1套，可滿足廠內峰值制水量的每天需氯量。

投加系統(tǒng)采用數字計量泵3臺(2用1備)，1臺用于預加氯，1臺用于濾后加氯，1臺備用，單泵加注能力Q=940 L/h, 加注壓力3 bar。另設有電動單梁懸桂起重機等輔助設備。

加藥間總平面外包尺寸為55.50 m×15.70 m。

3.9 濃縮池

濃縮池按22×104m3/d規(guī)模設計，其作用為清濁分流，即將含水率為99.0%～99.9%的排泥水通過濃縮，使底泥含水率達到95.5%～97.5%，滿足脫水機對進泥固體含量的要求。

濃縮池采用圓形輻流式，固體通量范圍為0.5～1.0 kg干固體/(m2·h)，該工程取0.75 kg干固體/(m2·h)。

濃縮池設2座，每座直徑為18 m。排泥水從濃縮池中央進入，經導流筒沿徑向以逐漸變慢的速度流向周邊，完成固液分離。池底部設置刮泥機和集泥裝置，分離后的上清液從周邊溢流堰引出。

3.10 脫水間

污泥脫水車間土建按22×104m3/d規(guī)模設計，近期設置2臺離心脫水機，單臺脫水機最大處理能力為20 m3/h，主電動機功率為30 kW。近期離心脫水機設計工作時間按16 h/d計算，脫水機具有轉鼓與螺旋推料器，轉鼓長徑比為4.4，轉速差可以自動無極調節(jié)，在進料污泥參數發(fā)生變化時，能夠自動調節(jié)轉速差，差速調節(jié)精度小于0.1 r/min。

污泥工藝參數：進料含固率2%～3%，出泥含固率≥20%，絮凝劑耗量3～5 kg/t干泥。

脫水間設螺旋輸送機2臺，單臺泥餅輸送量為6 m3/h，脫水后的泥餅運至垃圾填埋場填埋。

4 運行效果

恩施市新第二水廠于2020年11月建成投產，目前已運行1年有余，未發(fā)生停產檢修維護現(xiàn)象，各單項構筑物和機電設備一直處于正常工作狀態(tài)。運行以來的平均日供水量達7.0×104m3/d，出廠水最高濁度為0.30 NTU，最低濁度為0.08 NTU，平均濁度為0.15 NTU。經取樣分析，出廠水中的各項指標完全優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)的要求。千噸水平均電耗費用為158 kW·h，在同行業(yè)中處于較低水平。

5 水廠的設計特點與設計優(yōu)化探討

5.1 近遠期水源切換問題

近期水廠原水來自大龍?zhí)端畮?，需通過水泵提升至廠區(qū)；遠期原水來自車壩河水庫，由于車壩河水庫所在地與新二水廠位置高差約260 m，原水由加壓進廠改為重力自流進廠。

廠區(qū)位置選擇和高程布置本可充分利用高程，進行多方案論證，以便獲得最佳方案。但由于前期規(guī)劃及廠區(qū)平整和后期設計由不同單位完成，整個供水系統(tǒng)未能達到最佳布局，這在類似山地水廠設計中應充分考慮。

由于前期規(guī)劃原因，水廠一期與二期規(guī)模分別為10×104和12×104m3/d(兩期規(guī)模的不同造成主要構筑物不對稱布置)。為均勻配水設置配水井1座，配水井通過薄壁堰均勻配水，遠期原水管至配水井設置了調流調壓閥，以確保水廠安全運行。調流調壓閥為錐型活塞閥，其流量與開度基本成線性比例關系，近期閥門開度為44%，遠期閥門開度為60%，閥門選型應避免產生氣蝕現(xiàn)象。

5.2 消毒方式選擇和智能加礬系統(tǒng)

廠區(qū)位于武陵山深處，若采用傳統(tǒng)的液氯消毒，液氯在運輸、存儲方面存在安全隱患，并且在水廠的運行管理過程中，需要經常進行漏氯演練、安全審批及運行管理等繁瑣的工作。次氯酸鈉消毒因其自身優(yōu)勢逐漸被廣泛使用，在大型水廠(規(guī)?！?0×104m3/d)現(xiàn)場制備次氯酸鈉的消毒成本和傳統(tǒng)液氯消毒成本基本持平[4-5]，因此該項目中凈水廠采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉代替液氯進行消毒。

加礬系統(tǒng)采用一體化集成設備，混凝劑為液體堿式氯化鋁，采用原液在線稀釋成工藝要求投加濃度，利用設備控制系統(tǒng)中預設的數學模型，可根據進水參數(濁度、流量)通過PLC計算出相對應的投藥量(也可以手動設定投藥量)。經過一段時間運行后，系統(tǒng)可通過自控系統(tǒng)自動計算尋找到最科學的投加量，大大降低了投藥的勞動強度，同時有效節(jié)省了藥耗。

5.3 跌水井型式選擇

山地城市排水管道系統(tǒng)的高差處理既是特色也是難點，在國標設計圖集中跌水井有豎管式、豎槽式、階梯式三種類型，其中豎管式適于跌落管徑D≤200 mm、高差1～6 m的污水管；豎槽式適于跌落管徑D=200～600 mm、高差為1～4 m的雨、污水管；階梯式適于跌落管徑D=700～1650 mm、高差為1～2 m的雨、污水管。新二水廠廠區(qū)所在地與周邊道路地勢高差大，最大高差超過10 m，在實際設計中，除了按照國家標準采用常規(guī)跌水井，還采用了改進的豎槽式跌水井[6]：跌水井井室分為2個孔室，即人孔和水孔，水孔底低于管底0.2 m處向下設置厚0.8 m的卵石，以緩解水流沖刷對井底的破壞。

6 結語

① 山地水廠能否利用水庫部分高水位以節(jié)約供水能耗，是此類水廠設計中必須認真考慮的問題。可從原水自流入廠的調流調壓閥設置、配水井的合理布局、廠區(qū)有效用地的合理利用等方面加以考慮，山地水廠的特點決定了其整個平面布置、工藝流程設計的特殊性。山地水廠的設計應充分利用原水水頭進行給水系統(tǒng)高程布置。結合恩施市新第二水廠的具體設計和運行情況，在盡量利用水庫高程(近期原水加壓泵房取消吸水井，遠期原水自流入廠)以節(jié)約能源的情況下，采用配水井配水可以有效解決水廠水源切換問題。

② 因地制宜采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉消毒和智能加礬裝置，避免了液氯在山區(qū)運輸、存儲方面存在的安全隱患，并提高了水廠運行的自動化程度，大大降低了工人的勞動強度。建議山地水廠的選址、土方平衡和整個廠區(qū)工藝設計要統(tǒng)籌考慮，避免大填大挖，在減少工程投資的同時，盡量利用原水水頭以降低電耗。