給水廠集約化設(shè)計(jì)對(duì)策

張 碩，王如華，王 晏，趙 暉，洪景濤，吳寶榮

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

為了保障居民的身體健康，水廠工藝流程已從單純的常規(guī)處理拓展出預(yù)處理、深度處理、膜處理和排泥水處理，構(gòu)筑物的種類(lèi)和數(shù)量不斷增加，土地占用、工程投資和運(yùn)行成本也不斷攀升。水廠設(shè)計(jì)和建設(shè)需達(dá)到水質(zhì)達(dá)標(biāo)和提升、節(jié)能減排及運(yùn)行安全與可靠的多重目標(biāo)［1］。另一方面，受城市布局和發(fā)展的局限，許多新建和擴(kuò)建的水廠位于城鎮(zhèn)城區(qū)，甚至是中心地帶。隨著城鎮(zhèn)化不斷加快，在耕地紅線控制的條件下，我國(guó)大中城市的城區(qū)用地趨于緊張，廠區(qū)征地或預(yù)留用地的面積往往受限。因此，在滿足水質(zhì)提標(biāo)、節(jié)能減排和安全可靠的前提下進(jìn)行集約化設(shè)計(jì)已成為眾多改擴(kuò)建工程亟須解決的難題之一。

基于近年多項(xiàng)重大工程的實(shí)踐和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本研究系統(tǒng)提出了水廠集約化處理技術(shù)，為諸多給水廠改擴(kuò)建工程提供支撐。

1 水廠的用地評(píng)價(jià)和運(yùn)行評(píng)價(jià)

在工程中，需對(duì)用地現(xiàn)狀、預(yù)留用地和運(yùn)行現(xiàn)狀等進(jìn)行評(píng)估，分析用地合理性，核算可新增面積，確定拆建和改造目標(biāo)。用地評(píng)估的主要內(nèi)容包括:對(duì)預(yù)留用地面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，核實(shí)是否滿足新建工程用地;計(jì)算現(xiàn)有各單體構(gòu)筑物的占地面積及比率，對(duì)總體布置和單體進(jìn)行評(píng)價(jià)。運(yùn)行現(xiàn)狀評(píng)估的主要內(nèi)容包括:對(duì)出廠水水質(zhì)、水量以及單體的處理效果等進(jìn)行調(diào)研，并與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行核對(duì)，評(píng)價(jià)運(yùn)行狀況和去除效率，尤其關(guān)注超負(fù)荷、富裕和經(jīng)常故障等情況;對(duì)豎向設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);分析運(yùn)行現(xiàn)狀的薄弱環(huán)節(jié)。

2 免建中間提升的臭氧活性炭工藝

2．1 一次提升的凈水全流程

采取臭氧活性炭工藝時(shí)，一般將其置于砂濾之后，并需設(shè)中間提升。中間提升的揚(yáng)程不高，流量較大，水泵效率較難高效，并需解決水量平衡和安全運(yùn)行的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，可考慮水力高程上不設(shè)中間提升，采取一次提升的方法，將深度處理之前的預(yù)處理、常規(guī)處理構(gòu)筑物整體提高，將加礬間、泥泵間、車(chē)庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、廢水調(diào)節(jié)池、機(jī)修間、氯接觸池等構(gòu)筑物布置在沉淀池、砂濾池下方。松江小昆山水廠一期工程(20萬(wàn)m3/d)中，取消中間提升后減少水頭損失2．5 m，折合年節(jié)電48萬(wàn)kW·h，節(jié)省土地10畝(1畝≈666．666 m2)，占總用地約10%。

2．2 上向流活性炭+砂濾的組合工藝

采用上向流活性炭，水頭損失可控制在50 cm之內(nèi)，僅為下向流活性炭工藝的1/4。為了保障生物安全性，將砂濾置于上向流活性炭之后，從而工藝流程中可不設(shè)中間提升。嘉興市貫涇港水廠二期工程(15萬(wàn)m3/d)應(yīng)用該組合工藝，前置的臭氧活性炭去除有機(jī)物，后置的砂濾可保障生物安全。

3 新工藝及應(yīng)用

3．1 集成污泥濃縮功能的沉淀工藝

在斜管加強(qiáng)(斜板)或平流沉淀池的池底，可采用持續(xù)推進(jìn)式水下濃縮排泥設(shè)備替代傳統(tǒng)的虹吸式吸泥機(jī)，一方面取消為安裝虹吸式吸泥機(jī)而設(shè)置的大型橫梁，減少了無(wú)效過(guò)水面積。另一方面底部刮泥機(jī)在池底往返運(yùn)動(dòng)，堆厚污泥層，增大了污泥固體含量，泥斗內(nèi)設(shè)置水下濃縮排泥設(shè)備，使積泥集中于排泥管入口，排泥濃度可提高到2%～3%，滿足污泥離心脫水機(jī)或板框壓濾機(jī)進(jìn)泥要求，無(wú)需另設(shè)調(diào)節(jié)池、濃縮池。上海市南市水廠改造二期工程(20萬(wàn)m3/d)應(yīng)用了集成污泥濃縮功能的斜管加強(qiáng)沉淀工藝，松江小昆山水廠一期工程(20萬(wàn)m3/d)采用了集成污泥濃縮功能的平流沉淀工藝。

3．2 高效沉淀技術(shù)

高效沉淀池具有分離效率高、占地少和集多功能于一體的特點(diǎn)，較平流沉淀池可節(jié)省用地40%～50%。并且，底部污泥濃度可達(dá)2%～3%，滿足污泥離心脫水機(jī)或板框壓濾機(jī)進(jìn)泥要求，從而省去排泥水調(diào)節(jié)池和污泥濃縮池。近十年，國(guó)外的Densadeg和Actiglo等高效澄清池已引進(jìn)和應(yīng)用在上海市大型項(xiàng)目［2-3］。近幾年來(lái)，中置式高速沉淀池推廣于平湖古橫橋水廠三期工程(5萬(wàn)m3/d)、紹興應(yīng)急水廠(20萬(wàn) m3/d)、上海青浦第三水廠(10萬(wàn)m3/d)、連云港三水廠二期工程(10萬(wàn)m3/d)、山東勝利油田民豐水廠(6萬(wàn)m3/d)、烏魯木齊紅雁池水廠(10萬(wàn)m3/d)等一批工程。

3．3 組合沉淀與臭氧上向流活性炭集成技術(shù)

該技術(shù)將平流沉淀、斜管加強(qiáng)沉淀和上向流活性炭集成于一體，布置緊湊，可充分發(fā)揮集中沉淀、高效沉淀和活性炭吸附的協(xié)同功能，特別適用于平流沉淀池改造工程。上海市松江二水廠工藝改造工程(20萬(wàn)m3/d)，在無(wú)新增用地可征的條件下，將原有平流沉淀池改造后增設(shè)深度處理的功能拓展，無(wú)需新建炭吸附池，總投資減少30%，并發(fā)揮了后續(xù)原有砂濾的生物安全保障作用，出廠水濁度0．25 NTU，色度小于 5，CODMn小于 1．7 mg/L，鐵和錳均小于0．05 mg/L。

3．4 炭吸附砂過(guò)濾一體化集成技術(shù)

該技術(shù)將活性炭吸附和石英砂過(guò)濾這兩種獨(dú)立的工藝集成于一個(gè)單獨(dú)的新池型池體，并通過(guò)優(yōu)化濾料級(jí)配、濾層厚度、反沖洗方式和強(qiáng)度等，協(xié)同完成除濁和去除有機(jī)物的功能的同時(shí)，保障生物安全性，既明顯節(jié)省用地和減少工程投資，又避免了中間水力提升。杭州清泰水廠飲用凈水改造工程(30萬(wàn)m3/d)應(yīng)用該池型和集成技術(shù)，與常規(guī)獨(dú)立建設(shè)砂濾池相比，用地節(jié)省50%，投資減少30%，并取得了良好的出廠水水質(zhì)，在原址上實(shí)現(xiàn)了升級(jí)提標(biāo)的目的。

3．5 高效沉淀和超濾膜組合工藝

膜分離技術(shù)是一種精細(xì)過(guò)濾技術(shù)，其主要的特征是能對(duì)水中不溶解的細(xì)小顆粒物和微生物作較徹底截留，從而可顯著提高出水濁度和衛(wèi)生安全性。此外，在一定的條件下，可替代傳統(tǒng)沉淀或砂濾工藝，在提升出廠水水質(zhì)和保障生物安全的同時(shí)，設(shè)施建設(shè)所需的用地也有較大節(jié)省。烏魯木齊市紅雁池水廠改擴(kuò)建項(xiàng)目(10萬(wàn)m3/d)、上海市青浦第三水廠一期工程(10萬(wàn)m3/d)等一批工程以高效沉淀技術(shù)保障沉后水濁度低于0．8 NTU，應(yīng)用浸沒(méi)式超濾膜，免建了砂濾池。

4 單體集約化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

構(gòu)筑物單體之間和單體可采用疊合式、組團(tuán)式、合建式等進(jìn)行集約布置。例如，綜合污泥處理設(shè)施集水量調(diào)節(jié)、濃縮、加藥調(diào)質(zhì)、濃縮等多種功能。疊合式是構(gòu)筑物單體以上層和下層的方式集成。除了傳統(tǒng)的沉淀池下疊清水池，還包括沉淀池下疊加藥間等附屬設(shè)施、砂濾池(或活性炭吸附池)下疊清水池或排泥水設(shè)施或消毒接觸池、脫水機(jī)房下疊污泥平衡池、濃縮池下疊排泥水池和回用水池。組團(tuán)式是將功能相近的設(shè)備布置于同一個(gè)構(gòu)筑物內(nèi)部，主要包括綜合加藥間(集成預(yù)氧化、混凝、絮凝、調(diào)質(zhì)、消毒、應(yīng)急等的存儲(chǔ)、制備、溶藥、加注系統(tǒng)等)、沖洗泵房(集合生物預(yù)氧化、砂濾池、活性炭濾池等沖洗水泵和中間提升泵)、鼓風(fēng)機(jī)房(集成生物預(yù)氧化、砂濾池、活性炭濾池等氣沖和曝氣鼓風(fēng)機(jī))、脫水機(jī)房(集合收集、調(diào)蓄、提升、脫水、儲(chǔ)存、加藥等)、變配電間(將各個(gè)單體的配電裝置布置于一處)等。合建式針對(duì)相鄰工藝的單體，除了傳統(tǒng)的絮凝沉淀池，還包括配水井和預(yù)臭氧接觸池、后臭氧和中間提升泵房與活性炭濾池、濃縮池和脫水機(jī)房。杭州南星水廠飲用凈水技術(shù)改造及擴(kuò)建二期工程(40萬(wàn)m3/d)包括取水、凈水和排泥水工程，凈水工藝為預(yù)臭氧+混凝平流沉淀+砂濾+后臭氧炭吸附+氯氨消毒接觸+清水池，以總體布局優(yōu)化和密集型疊合集成布置方式，實(shí)現(xiàn)原址升級(jí)改造，占地僅96畝，用地比同類(lèi)水廠節(jié)省30%，其部分構(gòu)筑物平剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 砂濾池和炭吸附池綜合構(gòu)筑物平面圖Fig．1 Layout of Sand Filtration Integrated with GAC Adsorption Pools

圖2 排泥水綜合構(gòu)筑物剖面圖Fig．2 Section of Integrated Pools for Sludge Water Treatment

5 三維輔助優(yōu)化

水廠集約化設(shè)計(jì)中，可借助三維設(shè)計(jì)，進(jìn)行創(chuàng)新疊合式集成構(gòu)筑物、總體布置和豎向設(shè)計(jì)驗(yàn)證、碰撞檢查與管線綜合、各專(zhuān)業(yè)協(xié)同作業(yè)等。圖3為某水廠進(jìn)行改造和擴(kuò)建工程的基于Autodesk@Revit@三維模型，其中廠區(qū)下半部分為一期工程，上半部分為二期工程。

圖3 二期工程的三維模型Fig．3 3D Model of the Second Stage Project

6 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)我國(guó)水廠構(gòu)筑物種類(lèi)和數(shù)量較多的特點(diǎn)，可基于豎向強(qiáng)化、緊湊疊合、平面模塊制定出全流程、全立體、全廠界的給水廠集約化處理設(shè)計(jì)對(duì)策;

(2)凈水流程一次提升、炭吸附砂過(guò)濾一體化、現(xiàn)有平流沉淀池升級(jí)改造為強(qiáng)化組合沉淀及臭氧上向流活性炭集成技術(shù)等多項(xiàng)專(zhuān)有技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)集約化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)提標(biāo)、節(jié)能減排和安全可靠等多重建設(shè)目標(biāo);

(3)利用三維技術(shù)進(jìn)行可視化集約布置，豐富了傳統(tǒng)凈水處理的低碳理念設(shè)計(jì)體系，可便捷進(jìn)行方案驗(yàn)證與優(yōu)化。

［1］王如華．現(xiàn)有城鎮(zhèn)水廠技術(shù)升級(jí)改造面臨的主要問(wèn)題及對(duì)策［J］．凈水技術(shù)，2012，31(4):4-6．

［2］周軍，李鐘颯，王晏，等．高效澄清池(Densadeg)用于老水廠工藝改造［J］．中國(guó)給水排水，2008，24(18):40-46．

［3］陳艷麗，沈裘昌，王如華，等．臨江水廠擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)［J］．給水排水，2006，32(1):2-5．