【案例】新型现代化大型净水厂是这么设计的！

摘要
为适应郑州航空港区打造现代航空都市、中原经济区核心增长极、生态智慧航空大都市的发展需求，立足建设创新型现代化水厂为目标，对港区第二水厂从全流程处理工艺的选择、构筑物高度集约化的布置、光伏发电新能源的利用、智慧水厂的配置、景观设计与海绵城市建设理念相结合这5个方面进行了设计，以期为国内同类水厂的设计和运行提供参考。
本文具体从全流程处理工艺的选择、构筑物高度集约化的布置、光伏发电新能源的利用、智慧现代水厂的配置、景观设计与海绵城市建设理念相结合这5个方面，介绍其设计特点。
港区第二水厂总规模为80万m3/d，总占地面积为404亩（1亩≈667 m2）。水厂分三期建设，其中一期建设规模是20万m3/d。该水厂的原水取自南水北调中线水和黄河水。
南水北调中线水源自丹江口水库，水质总体良好，符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）I～II类标准。调水工程实施后，陶岔渠首、水库坝上等主要断面COD有所增加，但仍符合I类、II类水的标准。

郑州段黄河原水一般为Ⅲ类水质，但突发性水质污染事故时有发生。郑州段黄河原水经沉砂之后，具有低温低浊、有机微污染特性，有一定的藻类和臭味问题。
2.1全流程处理工艺
针对南水北调中线水和黄河水双水源的原水水质特点，为满足港区高标准供水系统要求以及人民对高品质水质的需求，并可应对突发水质污染，采用预臭氧接触池+机械混合折板絮凝平流沉淀池+V型砂滤池+提升泵房+臭氧接触池+下向流生物活性炭吸附池+超滤膜池的全流程处理工艺。处理工艺流程如图1所示。

厂区整个处理流程有机组合，经过氧化、沉淀、砂滤、再氧化、活性炭吸附和膜滤层层递进，最终达到工程设定的高品质供水的目标，确保供水水质安全和提升饮用水口感。经预臭氧助凝的絮凝沉淀，不仅去除了大部分浊度，还去除了大分子有机污染物。砂滤一方面降低浊度，去除氨氮，减少后续臭氧的投加量，保护后续活性炭吸附池和膜系统稳定运行；另一方面，设计中将砂滤池出水作为水厂液氯投加和冷却系统用水，节约经过全流程加工的产品水消耗。

超滤膜作为全流程工艺中的最后一道工艺，一方面重点去除水中的胶体、悬浮物、细菌、病毒及大分子有机物，提升出厂水水质；另一方面对于出厂水的浊度具有把控全局的关键作用，即使前序工艺出现故障，也可以保障出厂水稳定达标。

同时，该工程还可以根据不同原水水质和运行工况要求，实现不同工艺的超越运行：
（1）混凝沉淀+砂滤+中间提升+臭氧活性炭。由图1可知，炭吸附池出水水头为0.10 m，清水池进水水位为-0.30 m，炭吸附池出水可以重力流入清水池，实现超越超滤膜的工况。

（2）混凝沉淀+砂滤+超滤。由图1可知，砂滤池出水水头为0.60 m，超滤膜池进水水位为-0.40 m，砂滤池出水可以重力流入超滤膜池，实现超越臭氧活性炭的工况。

（3）混凝沉淀+砂滤。当原水水质较好或者后续工艺出现事故工况时，该工程可以将砂滤池出水直接重力流至清水池，实现超越后续深度处理工艺的工况。

2.2构筑物高度集约化布置
港区第二水厂一方面要考虑全流程的处理工艺，同时又要避免由于处理构筑物过多造成厂区整体散乱的平面布置，因此该工程将厂区的构筑物进行整合，从平面组合和空间叠合两个方面将构筑物集约化布置做到了优化，使得厂区处理单元的预臭氧接触池、混凝沉淀池、V型滤池、中间提升泵房、V型滤池反冲洗泵房、臭氧接触池、活性炭吸附池、活性炭吸附池反冲洗房、超滤膜池、清水池、二级泵房共计11个单体整合为5个组合单元，且注重巡视流线，见图2。

该工程组合重点体现在如下4个方面：
（1）平流沉淀池和清水池上下叠合（见图3）。沉清叠合池上部为混凝平流沉淀池，下部叠合清水池，均可分为独立的2格运行。折板絮凝池与平流沉淀池合建，有效水深4.15～3.60 m，总絮凝时间19.6 min。上部的平流沉淀池停留时间为105 min。下部为清水池，分为独立的2格，单格总有效容积12 265m3，可保证12％的调节容量。

2）超滤膜池和排水池、中和池分为上、中、下3层叠合（见图4）。第一层为超滤膜池，主要放置超滤膜装置；第二层为中和池，用于超滤膜维护性清洗和恢复性清洗的废水排除；第三层为排水池，主要用于超滤膜日常运行的反冲洗废水排放。膜池进水采用配水堰，产水采用虹吸方式，产水管接入膜池管廊下部的调节水池，在产水管上设置调流阀，膜池设有液位计，调流阀前设置压力表，在膜池下部设置产水总渠，中间设置调节池以及提升水泵。近期水泵设3台，2用1备，远期再安装3台。采用潜水轴流泵，单泵流量4 167m3/h，扬程7.5 m，功率110 kW。单侧超滤膜池下叠排水池和中和池，中和池和排水池容积均为1 300 m3。


（3）活性炭吸附池、臭氧发生器间和整个厂区的冲洗水箱进行叠合（见图5）。活性炭吸附池设计规模20万m3/d，分为10格，设计空床流速9.0 m/h，双排布置，双排之间设管廊。管廊二层设置臭氧发生器间及配电间。管廊顶部设置2座屋顶水箱，分别供炭池和超滤膜池反冲洗。屋顶水箱共2座，其中供炭池反冲洗水箱容积650m3，水深3 m；供超滤膜池反冲洗水箱容积460 m3，水深3 m。

（4）V型滤池、反冲洗泵房、中间提升泵房进行平面整合为1个单体。V型滤池设1座，规模20万m3/d，分为10格，双排布置。设计滤速8 m/h，强制滤速8.9 m/h，滤层上水深1.2 m。辅助泵房包括中间提升泵房、反冲洗泵房及低配中心，与V型滤池合建。中间提升泵房土建及设备安装规模均为20万m3/d，配置混流泵3台，2用1备，单台流量4 583 m3/h，扬程7 m。调节水池叠在中间提升泵房下面，有效容积为770 m3。反冲洗泵房布置卧式离心泵、鼓风机、空压机、增压水泵。

2.3光伏发电清洁能源的利用
针对城市净水厂闲置空间大，用电负荷较高且24 h持续运行，无需储能的特点，比较适合进行光伏发电，节约水厂电耗。根据国内其他净水厂运行经验，城市净水厂内利用光伏发电每年最高可节约15%电费。

该工程一期由2路10 kV电源供电，远期由3路10 kV电源供电。发电总装机容量约1.5 MW，采用分布式并网发电技术，自发自用，不设储能系统。光伏并网原则采用220/380 V低压等级并网，各自接入就近的低配中心。配电中心进线处设防逆流装置，防止逆流上网。厂区照明亦采用太阳能路灯。

太阳能电池板安装在构筑物的屋顶上以及二期空置绿地上（见图6和图7）。为获取全年最大的太阳辐射量，根据该项目所处的纬度及软件模拟分析，光伏系统的光伏组件电池表面和地面水平方向呈30°的最佳倾角朝阳安装。


2.4智慧现代化水厂的配置
港区第二水厂定位为国内领先的智慧现代化水厂，充分运用自动化、信息化、物联网等先进技术，紧密贴合智慧城市的建设大环境及工业4.0的发展趋势，是公司智慧水务战略的重要组成部分。

智慧水厂控制系统总览，是根据水厂实际布局建模，同时将水厂各控制模块（Scada、门禁系统、视频监控、周界防护等）集成厂区3D效果图，使得整个场景逼真、同时系统一目了然。根据水厂实际情况，在BIM上1∶1建模，与SCADA数据采集结合，1∶1真实模拟现场实时情况，同时结合在线视频监控，远程监控生产工况。

自控系统分为3层结构：信息层、控制层、设备层。信息层：由控制中心的操作站、工程师站、数据采集服务器、应用服务器、千兆以太网交换机、大屏幕显示系统等监控操作设备及局域网组成。控制层：由分散在各主要构筑物内的现场PLC主站、子站及运行数据采集服务器、工业以太环网交换机及全厂光纤以太网环网、控制子网等组成。设备层：由现场运行设备、检测仪表、高低压电气柜上智能单元、专用工艺设备附带的智能控制器以及现场总线网络等组成。

2.5景观设计和海绵城市理论相结合
景观设计采用多层植被营造多样化的生态景观，同时充分结合海绵城市的技术手段，如规模绿地透水铺装、生态集水沟、下凹式绿地、景观调蓄水池、人工湿地等，雨水回收利用后用于浇洒道路和绿化，体现海绵理论的六字方针——“渗、蓄、滞、净、用、排”，进一步充分体现水厂绿色生态理念。

渗：通过透水砾石铺地、透水广场铺地、停车场铺地以及透水木铺地，将雨水尽快渗入，减少地表径流。同时，涵养地下水，补充地下水的不足，还能通过土壤净化水质，改善水厂的微气候（见图8）。

蓄：在厂区综合楼的西侧结合景观设置雨水调蓄池，以达到调蓄和错峰。为避免该水池由于长时间降雨稀少导致水池无水从而影响景观效果，设计中将水厂的超滤膜池反冲洗水接入该水池，作为蓄水池的补水水源（见图9）。

滞：通过微地形调节，让雨水慢慢汇集到一个地方，用时间换空间，通过“滞”，可以延缓形成径流的高峰。工程具体设计形式为生态滞留池以及人工湿地。

净：通过植被、绿地系统、水体等，对水质产生净化作用。该工程通过在蓄水池岸边以及水中设置叠水沉淀池、潜流+表流湿地、挺水和沉水植物对雨水进行净化（见图10）。

用：雨水调蓄池中的水可以用作厂区的道路清洗和绿化浇洒。

排：若雨水量较大，雨水调蓄池设置了溢流措施，直接接入厂区雨水排放系统。
为了匹配港区建设发展的高标准，实现建设的高标准和发展的高目标，将港区第二水厂建设成为新型现代化水厂。该工程的优势集中体现在如下五个方面：
（1）全流程的净水处理工艺保证水质的安全。
（2）采用高度集约化的布置保证厂区总平面整齐大气。
（3）采用光伏发电清洁能源节约水厂电耗。
（4）充分运用自动化、信息化、物联网等先进技术将该水厂打造成为智慧现代化水厂。
（5）将厂区的景观设计利用海绵城市的“渗、滞、蓄、净、用、排”6大要素充分进行融合，打造花园式海绵水厂。