给水排水实例：风景区集约型半地下净水厂工艺设计方案

ABSTRACT

某净水厂是南水北调配套工程，设计规模为20万m3/d，建设用地规模6.1 hm2。项目北侧为景观山体，位于其坡脚线上。当地规划部门提出保留水厂附近“山景”景观的要求，减少构筑物对山体的遮挡。净水厂建设用地面积比《城市给水工程项目建设标准》（建标120-2009）中同规模采用预处理+常规处理+深度处理的净水厂建设用地面积规定的7.55 hm2低20%。设计中采用了构筑物平面组合布置及竖向叠合布置、构筑物之间管线局部采用管沟布置。

净水厂以南水北调中线来水为原水，经本市已运行水厂近3年的实测数据统计，原水温度在12月~2月平均温度低于5 ℃，最低1.6 ℃，年平均17.9 ℃；年平均浊度为1~2 NTU，汛期最大达到24 NTU；氨氮年平均0.04 mg/L，最高为0.08 mg/L；化学需氧量年平均2.3 mg/L，最高5.4 mg/L；夏季藻类季节性藻类爆发，藻类总数在9月初和10月中小幅增长，达到1 000万个/L，11月中旬出现峰值，达到4 000万个/L，而后开始骤减。

净水厂设计出水水质符合国家现行的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006），其中出水浊度＜0.3 NTU，耗氧量≤2 mg/L，供水保证率>95%。

净水厂工艺主线采用预处理+强化常规处理+臭氧氧化+炭砂滤池+超滤膜+次氯酸钠消毒工艺，为满足应急需求，设置粉末活性炭、预留酸碱中和投加等应急处理设施。

排泥水处理采用废水回收+泥线机械搅拌澄清池+排泥池+浓缩池+平衡池+调质池+板框脱水工艺，出水污泥含水率≤60％。该工艺可达到出水水质保障性高，水质优良，运行稳定的目标。工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

为避免对山体景观遮挡，厂区构筑物布置形式考虑在半地下下沉式方案与全地下式方案之间选择。结合本项目地勘报告厂区南侧山前，浅层岩性为强风化玄武岩，其他范围内土层从上到下为人工堆积土、混合土。如采用全地下式方案将增加玄武岩爆破量及支护难度。鉴于全地下式的构筑物顶端需要一定厚度的覆土用于绿化，增加的覆土荷载，对地下空间的支撑体系影响较大，消防安全设施较多，工程投资及运行成本较高。对比全地下式布置，半地下下沉式运行维护相对便捷，工程投资及运行费用较低，因此，经技术经济比较后选用半地下下沉式方案。

水厂平面布置中，将相对较高的水线机械搅拌澄清、炭砂滤池、膜车间等车间尽量靠山一侧布置，调整屋顶坡度，可减少路边视觉对山体的遮挡。本项目的半地下下沉式布置方案是将水线机械搅拌澄清池的池顶走道板与厂平面基准标高持平，流程如图2所示。

图2 水力流程图

机械搅拌澄清池外顶高出设计地面6.5~7 m，生产构筑物标高较传统地上式以清水池高液位为厂平设计基准总体下降7~5 m。

4.1 进水组团

（1）布置方式。将进水阀室与集水池、提升泵房、废水回收池、次氯酸钠预投加间、加药间、变配电室组团式叠合布置。废水回收池叠合于集水池上部，次氯酸钠预投加间、加药间叠合于废水回收池上部。突破传统功能分区，合理利用水力流程，使集水池顶板至地面的地下工程空间得到有效利用。

（2）优化回流方案。集水池可接纳炭砂滤池初滤水、超滤膜反冲洗排水、排泥池溢流排水及上清液、浓缩池溢流排水、污泥车间上清液集水池出水，均为重力回流。为减少集水池回流管线接口，各种类别回流水在厂区设置的结合井进行汇流，经结合井出水管接至集水池进水管联通阀后。

（3）设计参数。集水池分2个系列，有效容积按常水位停留时间20 min设计。废水回收池设置两格，单格容积满足一格炭砂滤池一次冲洗流量。提升泵房设置4台水泵，2用2备，全部变频。聚氯化铝（商品溶液10%）投加量10 mg/L，三氯化铁（商品溶液40%）投加量50 mg/L，次氯酸钠（商品溶液10%）预投加量40 mg/L。

4.2 进水井、格栅间、预臭氧接触池、机械混合井

（1）设备布置。进水井、格栅间、预臭氧接触池、机械混合井采用集团式组合布置。预臭氧采用水射器投加方式，因预臭氧接触池池体在室外地坪以下7 m深。传统地面式设计可以利用格栅渠道底部架空空间放置水射器增压泵，若仍将水射器增压泵设置格栅渠道底部，将使得水射器增压泵房的通风、采光较差，增加设备的安装难度，运维管理不便，因此，将其调整至进水组团车间设置。

（2）设计参数。格栅间分2个系列，每系列设2条渠道，每条渠道设置回转式格栅除污机1台，共4台，渠道宽B=1.1 m，细格栅间距为8 mm。预臭氧接触池分2个系列，最大投加率1.0 mg/L。总接触时间为5 min，有效水深6 m。机械混合井分2个系列，每系列分2格，单池混合时间30 s，速度梯度G=750~1 000 s-1。机械混合井设置聚氯化铝及三氯化铁投加点。

4.3 水线机械搅拌澄清池

（1）进水、加药方式优化。本市已运行水厂的机械搅拌澄清池（见图3和图4）同一系列池体的进水总管设置相同管径或是沿着水流方向进水总管逐渐减小的进水方式。实际运行反馈每座池体的进水不均匀，靠近总进水管进水端的池体进水流量多，处理效果不如位于总进水管末端的池体。为解决此问题，在每座机械搅拌澄清池进水管的手动蝶阀后设置进水堰，提高每座机械搅拌澄清池进水均匀性。

图3 水线机械搅拌澄清池立面

图4 水线机械搅拌澄清池平面

每池进水堰堰后设置三氯化铁投加点并预留PAM投加点，三氯化铁投加量为50 mg/L。在加药间预留PAM投加系统，用于机械搅拌澄清池澄清区有大量矾花翻池时应急投加，PAM配置浓度0.15%，最大设计投加量0.3 mg/L。每座机械搅拌澄清池进水堰堰后设置加药斗便于观察，并且可以实现不同池体可投加不同比例的药剂，操作灵活，运维方便。

（2）优化排泥放空出路。水线机械搅拌澄清池排泥、放空保留3个出路的条件。出路一，放空及排泥进入排泥池。出路二，放空部分可重力回流至集水池。出路三，放空部分可排入厂区污水系统。在厂平面中设置阀门切换以满足功能需求。

（3）设计参数。分2个系列，每个系列3座池体，东西向两排机加池间距5 m，设置2座配泥井。设置6座单池，直径D=25 m，清水区设置斜管，上升流速1 mm/s。

（4）伞板优化方案。伞板采用预制混凝土构件并通过埋铁方式与斜支撑梁连接，其功能是在运行工况条件下形成导流面，使水中絮状污泥沿伞板表面斜坡下滑至污泥回流缝，并由刮泥机收集导出。鉴于已运行水厂某池体发生的预制构件伞板变形、脱落现象，本项目考虑增加伞板的构造厚度，即将1号规格~4号规格伞板厚度由原国家标准图60 mm，增加至80 mm，埋铁及裙板尺寸随之调整，调整后伞板抗荷载能力将提高。同时建议投产后每年停池检修期间进行回流缝宽度的复验工作。

4.4 主臭氧接触池、炭砂滤池

（1）布置方式。设置炭砂滤池1座，分两系列（见图5）。在滤池进水渠道设置叠梁闸，一方面可实现一个系列滤池进水，另一系列滤池停池、检修；另一方面在滤池进水渠道加药，可实现两个系列调试不同药剂来观察炭砂滤池出水水质。每格滤池进水设置叠梁闸，满足单格检修的条件。

（2）管路布置。滤池反冲洗设置两根完全独立的反冲洗水管以满足两个系列滤池独立运行的需求。管廊下方叠合两个独立的出水渠，在渠道的东西两侧预留出阀门井室的位置，用于满足两格反冲洗水池多种运行工况的切换需求。

（3）设计参数。主臭氧接触池分2个系列，采用曝气盘曝气方式投加臭氧，最大投加量0.5 mg/L。总接触时间为12 min，有效水深6 m，三段投加量之比为2∶1∶1，接触时间之比为1∶2∶2。炭砂滤池双排布置，单格面积L×B=14 m×8 m，共10格，普通快滤池池型，设计滤速8 m/h，过滤水头2.0 m。炭砂滤料层厚度：0.6 m炭层、1.2 m砂层，下炭层上砂层。采用煤质柱状活性炭φ1?5 mm，砂层d10 =1.0 mm，K80 =1.4。

图5 主臭氧接触池、炭砂滤池

4.5 清水池及超滤膜车间

（1）布置方式。清水池叠合压力式超滤膜车间布置，压力式超滤膜车间的管廊层位于南侧清水池上部，膜堆层位于管廊层上方（首层,见图6）。清水池导流墙采用钢筋混凝土材质，充分考虑上部膜车间设备荷载，L/W布置结合超滤膜车间柱网间距布置。

a 立面图

b 平面图

图6 清水池叠合膜车间

（2）设计参数。清水池设置1座，分2格，北侧清水池上覆土约为1.75 m，南侧清水池上叠合膜车间布置。单格清水池净空尺寸L×B=80 m×40 m，有效水深6.3 m，调蓄能力20%。主加氯设置在清水池进水侧，最大次氯酸钠（商品溶液10%）投加量为20 mg/L；补氯点设置在清水池出水的吸水井中，最大次氯酸钠（商品溶液10%）投加量为5 mg/L。压力式超滤膜采用双排布置，运行膜组数按单个膜堆处理1.0万m3/d考虑，预留2组土建位置，最大设计膜通量为60 LMH。

4.6 排泥水处理

（1）处理工艺优化。较本市接纳南水已运行的水厂排泥水处理工艺，增加泥线机械搅拌澄清池及污泥调质池处理单元的设置，由于泥线机械搅拌澄清池具有较好的泥水分离功能，可去除冲洗水中的藻类、细菌、两虫，可避免微生物富集，降低回流水对水线机械搅澄清池的冲击负荷。设置调质池，用于对脱水前的污泥进行加药预处理，可保证板框压滤系统进泥浓度及絮凝剂混合的均匀性。

（2）车间布局。机械搅澄清池与浮动槽排泥池、浓缩池合建，平衡池与调质池、脱水机房合建。泥棚采用轻型外挑式设计，避免出现设置混凝土柱子造成运泥车进出不便利的问题。

（3）设计参数。泥线机加池直径9.8 m，池深5.7 m。浮动槽排泥池、浓缩池分别设置2座，单座平面尺寸L×B=14 m×14 m，有效水深H=4 m，固体负荷0.85 kg/（m2·h）。平衡池设置1座分2格，单格停留时间12 h。调质池设置1座分2格，每座容积可以调理单台脱水机1批次处理的泥量。脱水机房设置2台板框压滤机，1用1备，12 h工作制，干泥量8 tDs/d。

炭砂滤池与清水池（叠合超滤膜车间）净距约20 m，其中包括6 m滤池门头及6 m宽的厂区道路，设置长度约40 m，净空断面尺寸（3.4 m+3.3 m+4.5 m）×（2.6 m+4 m）两层的三仓管沟。管沟内布置DN1 200滤池出水管、DN1 200滤池反冲洗排水管、DN400初滤水管、DN1 600膜池进水管、DN1 600膜池产水管、2×DN600膜池反冲洗进水管、2×DN1 200清水池进水管、DN300厂区自用水管等管道，管沟设置吊装孔、检修孔、通风、照明。充分利用管沟的纵向空间，合理布置厂区管线。

针对周边景观有特殊要求的净水厂工程，可采用集约型半地下下沉式布置方式。在水厂建设用地范围受限时，需将推荐工艺的厂平竖向与构筑物平面布置统筹考虑，可采用集团叠合式、组合式布置方式，以缓解长流程多级屏障处理工艺与用地面积紧张的矛盾，合理利用工程占地、降低投资。

区别于传统地上式水厂以清水池设计液位为厂区地坪设计标高基准，半地下下沉式布置，处理构筑物整体加深，工艺设计上首要考虑厂区运行安全问题，常规设置溢流的构筑物（如清水池、集水池、进水井等）能否重力自流排入规划出路，如不满足重力排出需设置泵站提升。另外，水线处理构筑物的放空能否重力接入厂区的雨水排除系统、泥线处理构筑物的放空能否重力接入厂区的污水排除系统，如不能设置放空湿井由移动泵提升或在池体预留集水坑依靠移动泵放空排除系统（本项目溢流管能重力自流排入规划出路，部分不满足重力放空进入厂区雨水系统的单体设置放空湿井）。

建设过程中，在寻求节约用地和环境友好平衡的同时，也发现了一些值得思考的地方：建构筑布置紧凑，必然带来各类管线、沟渠的紧密贴合，给施工及运行维护增加一定的难度。半地下下沉式的布置也造成了施工中大量深基坑的出现，施工难度和建设投资较传统地上式布置有一定程度的增加（本项目工程单价约2 357元/m3，较同类型工艺传统地上式水厂增加18%）。今后运行中也会增加大量的有限空间作业要求；针对这些问题，在项目建设的各阶段要需取一些区别于传统地上式水厂的措施和方法，才能保证集约型半地下下沉式式水厂建设目标更好的实现。