基于節(jié)地的水庫水源水廠設計：以湛江市麻章自來水廠工程為例

胡新立，司徒菲，張 明，余 軍，簡思鳳

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010)

根據(jù)第七次全國人口普查結果，我國常住人口城鎮(zhèn)化率已達63.89%。隨著我國城市化的快速推進，城市建設用地日趨緊張，盡管城市各級規(guī)劃預留了地表水廠建設用地，但普遍存在其他建設用地擠壓地表水廠建設用地指標、實際征地困難、規(guī)劃用地退縮條件要求高等問題，導致地表水廠實際建設用地不足。因此，針對這種局面，節(jié)地設計是切實可行的解決手段。目前，針對水廠節(jié)地設計的研究不多，基本采用的是節(jié)地工藝(如高密度沉淀池)和疊池設計[1-3]。水廠節(jié)地設計通常選用節(jié)地工藝，如斜管沉淀工藝等。本文以麻章水廠為例，該廠以合流水庫為水源，該廠用地指標不足且水源屬于低濁水，需考慮除藻需求，對該水廠從構筑物豎向疊池設計、池底刮泥機新設備應用減少濃縮池設置、生產建筑物近遠期共建及生產建筑物二層設置等節(jié)地設計措施系統(tǒng)進行探討，以期提供有益的參考和借鑒。

1 項目背景

麻章區(qū)位于湛江市區(qū)西部，東鄰赤坎區(qū)，是湛江市區(qū)通往海南、廣西以及西南、中南各省市的對外交通門戶。全區(qū)南北長約為4.8 km，東西平均寬為4.3 km，東側為黎湛鐵路，西側為粵海鐵路和疏港大道。

原麻章水廠以合流水庫為水源，廠址位于麻章區(qū)城區(qū)金川路，設計規(guī)模為2.5萬m3/d，而麻章區(qū)實際需水量已達3.0萬m3/d，原麻章水廠已處于超負荷運行狀態(tài)。

原麻章水廠處理工藝為水力澄清池+無閥濾池，存在處理工藝陳舊、自用水水量大、水力澄清池排泥水和無閥濾池反沖洗水直接外排、地處城區(qū)征地擴建困難等問題。為徹底解決原麻章水廠供水不足現(xiàn)狀，提升供水能力和安全保障，以滿足未來不斷增長的居民生活用水和工業(yè)生產用水需求，拓展麻章區(qū)城市發(fā)展空間，以合流水庫為水源，異地新建麻章水廠勢在必行，新麻章水廠建成投產后，原麻章水廠停產。

新建麻章水廠總設計規(guī)模為15.0萬m3/d，近期設計規(guī)模為7.5萬m3/d，廠址設在麻章區(qū)合流水庫東北側，靠近水源地，近期占地面積為34 905 m2，北側南赤村規(guī)劃預留遠期建設用地，近期用地指標為0.465 m2·d/m3，遠低于《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282—2016)用地指標(0.650 m2·d/m3)，用地緊張，需采用節(jié)地設計。該廠于2017年12月28日竣工投產，水源地合流水庫位于麻章西側合流村附近，與雷州青年運河東海河相連成為結瓜水庫，通過雷州青年運河承接鶴地水庫的補水，2012年被麻章區(qū)人民政府設置為飲用水水源一級保護區(qū)，用水水質和水量可以得到很好的保證。

2 工藝方案

2.1 水源水水質

2010年—2012年，合流水庫水源水水質數(shù)據(jù)最高值、最低值及平均值匯總統(tǒng)計如表1所示。分析可得，作為水廠水源的合流水庫總體水質指標基本符合《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中Ⅱ～Ⅲ類水標準，但原水CODCr指標高于《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中該項指標Ⅲ類限值(20 mg/L)，說明存在一定的有機污染。原水中渾濁度最高值僅為15.13 NTU，屬低濁水，含藻量較高，大部分情況下藻類含量高于1.0×106個/L，屬于含藻水。

表1 原麻章自來水廠原水水質

2.2 出水指標

供水水質近期要求達到《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)和《城市供水水質標準》(CJ/T 206—2005)，出廠水渾濁度在0.5 NTU以下，遠期需滿足《飲用凈水水質標準》(CJ 94—2005)及歐盟飲用水水質指標要求。且排泥水經處理后，要求泥餅含水率≤75%。廠區(qū)污泥濃縮脫水濾液和廠區(qū)生活污水經收集后，由提升泵和排污專管排入疏港大道市政污水管網(wǎng)。

2.3 工藝流程

根據(jù)水源水水質分析，對比出水水質指標，原水中渾濁度、色度、耗氧量、BOD5、CODCr、TN、藻類、細菌學指標為麻章水廠處理工藝所需去除的主要目標。結合上述去除目標，考慮水源水的低濁、含藻性質，本工程選用成熟、適應性強的“網(wǎng)格絮凝池+平流沉淀池+氣水反沖洗V型濾池+液氯消毒”處理工藝。針對原水存在一定的有機污染，本工程近期采用細格柵前預加氯措施去除原水中的藻類及微污染，同時設計生物預處理池(暫緩實施，待微污染進一步增強至影響出水水質時再行實施)；采用多點加氯措施保障出廠水細菌學指標達標；遠期預留采用臭氧-活性炭深度處理工藝，以進一步降低AOC(可同化有機碳)和Ames(致突變)效應及耗氧量，使出廠水水質滿足直飲要求。污泥脫水采用離心濃縮脫水一體化工藝。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 麻章水廠工藝流程

2.4 總平面布置

該廠用地紅線面積為34 905 m2，按7.5萬m3/d規(guī)模布置，用地指標為0.465 m2·d/m3[根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282—2016)，地表水水廠(預處理+常規(guī)處理+深度處理工藝)用地指標為0.65 m2·d/m3]，用地緊張，需采用節(jié)地設計。平面布置如圖2所示，設計廠區(qū)分為廠前區(qū)、生產區(qū)及預留區(qū)，各區(qū)相互獨立，又通過廠區(qū)道路有機聯(lián)系。廠前區(qū)位于廠區(qū)南部，進廠道路位于廠前區(qū)與生產區(qū)之間，與東側緊鄰現(xiàn)狀道路相連；生產區(qū)工藝構筑物基本按流程自西向東呈直線型布置以減少水頭損失；生產區(qū)公共部分如加藥間、排水池、貯泥池、污泥濃縮脫水機房、二級泵房等布置在近期用地和遠期預留發(fā)展用地之間，可兼顧近遠期，遠期工程施工時對近期生產基本沒有影響；預留區(qū)用地位于廠區(qū)中部南側，充分考慮常規(guī)處理與深度處理管道的有機銜接，近期用作綠化用地。另外，通過采取清水池與網(wǎng)格絮凝池和平流沉淀池合建、取消濃縮池、污泥濃縮脫水機房二層等措施節(jié)約占地。

圖2 麻章水廠總平面布置圖

3 主體工藝設計

3.1 凈水構(建)筑物

3.1.1 中格柵間及生物預處理池(暫緩實施)

本工程近期設生物預處理池1座，以應對原水微污染及水體富營養(yǎng)化等水質問題，目前預留建設用地，先行設計并暫緩實施，根據(jù)進水水質需求另行啟動該池建設。設計規(guī)模為 7.5萬m3/d，自用系數(shù)取1.05，設計停留時間為50 min，設計氣水比為0.75∶1～1.5∶1，設計生物填充量為35%。該構筑物分為2組，總尺寸L×B=31.75 m×21.60 m，池深為7.00 m，有效水深為6.50 m，池內采用流化填料，材質選用Φ=50 mm×40 mm的PP料，填充量為1 280 m3。

中格柵采用不銹鋼材質的弧形格柵，共設4臺，單臺規(guī)格為1 800 mm×5 000 mm，電機功率N=1.1 kW，過柵間隙為10 mm。

3.1.2 細格柵間及配水混合井

細格柵間及配水混合井合建，設計規(guī)模為 7.5萬m3/d，自用系數(shù)取1.05。細格柵間設2條進水渠道，尺寸為3.30 m×7.15 m×1.95 m，設置2臺循環(huán)齒耙式清污機，柵前水深為1.50 m，柵隙為5 mm。設計過柵流速v=1 m/s，最大過柵水頭損失為0.2 m，電機功率N=1.1 kW。

配水井分為2格，采用溢流堰配水，尺寸為4.65 m×5.50 m×5.30 m，有效水深為4.30 m。配水井采用機械攪拌的混合方式，攪拌機轉速可調，以適應進水流量和渾濁度變化，安裝2臺折槳攪拌機(2用)，單臺攪拌直徑為0.8 m，電機功率N=3.5 kW。

為節(jié)約用地，取樣監(jiān)測間設置于細格柵下方。

3.1.3 網(wǎng)格絮凝池、平流沉淀池與清水池(疊池設計)

為節(jié)約用地，網(wǎng)格絮凝池、平流沉淀池與清水池合建，疊池設計，設計規(guī)模為 7.5萬m3/d，自用系數(shù)取1.05。

根據(jù)規(guī)范規(guī)程[1-3]，同時參考以往多項同類工程的經驗，網(wǎng)格絮凝池設計絮凝時間取27 min；平流沉淀池設計水平流速取10 mm/s，設計停留時間取2.6 h；清水池調節(jié)容積按設計規(guī)模7.5萬m3/d的15%設計。

網(wǎng)格絮凝池設2座，單座設計流量為0.46 m3/s，總平面尺寸L×B=18.80 m×10.70 m，采用穿孔管排泥和斗底排泥結合的方式排泥。根據(jù)規(guī)范，對于一般原水網(wǎng)格絮凝池，絮凝12～20 min即可獲得較好的絮凝效果[1]，但由于本工程原水渾濁度較低，絮凝體形成十分困難，絮凝時間應采用20～30 min[2]，同時參考以往多項同類工程的經驗，設計絮凝時間最終采用27 min。每組網(wǎng)格絮凝池分為21格，其平面布置及水流方向如圖3所示，其中單格面積為5.52 m2，前15格布置網(wǎng)格，每5格為一段，3段中每格布置的網(wǎng)格層數(shù)分別為3、2、1層，開孔比分別為0.28、0.33、0.37。每組網(wǎng)格絮凝池設置16根D219×6穿孔排泥管，排泥閥選用DN200液動角型排泥閥。

圖3 網(wǎng)格布置及水流方向

平流沉淀池設2座，單池設計流量為0.46 m3/s，平面尺寸為93.68 m×18.80 m，有效水深為2.85 m。沉淀池每座分為2格，每格共3個廊道，每個廊道寬為2.80 m，每座平流沉淀池末段設置7條單出水堰槽，尺寸為15.40 m×0.40 m。每池安裝4臺池底刮泥機，單臺規(guī)格B=8.88 m，L=45.00 m，N=4.0 kW。對于一般原水，沉淀時間宜為1.5～3.0 h，水平流速可采用10～25 mm/s[1]，但由于本工程原水為渾濁度較低的含藻水，沉淀時間應采用2.5～3.5 h，設計水平流速采用8～10 mm/s[2-3]。一般在不造成底泥沖刷的前提下，適當加快沉淀池的水平流速，有利于提高沉淀池的容積利用系數(shù)，同時可使水流的穩(wěn)定性增加，以減少溫差、異重流以及風力等對水流的影響。但水平流速也不宜過高，否則會增加水的紊動性，影響顆粒沉降，同時還易造成底泥沖刷，尤其是對渾濁度很低的水庫水以及含藻較多的湖水，影響尤為明顯。根據(jù)設計經驗，對于渾濁度較高的江河水，水平設計流速宜取較高值；而對于渾濁度較低或含藻較多的水庫水，水平流速宜取較低值，沉淀時間不低于2.0 h。綜合考慮，本廠平流沉淀池設計水平流速取10 mm/s，設計停留時間取2.6 h。

清水池疊于網(wǎng)格絮凝池和平流沉淀池之下，設2座，每座有效容積為5 625 m3，尺寸為L×B×H=93.68 m×18.80 m×3.85 m，超高為0.20 m，每座清水池獨立運行方便運營管理。

3.1.4 氣水反沖洗V型濾池及反沖洗泵房

本工程原水為渾濁度較低的含藻水，采用強化過濾工藝，措施一是增加濾層厚度至1.20 m，二是降低濾速，考慮將濾池初濾水納入廢水回收系統(tǒng)，不讓其進入清水池。根據(jù)規(guī)范規(guī)程[4-6]，考慮到原水性質并結合以往多項同類工程的經驗，本工程濾池設計濾速采用6.7 m/h，設計強制濾速采用8.1 m/h。

氣水反沖洗V型濾池設1座，按雙排布置，平面尺寸為L×B=29.60 m×34.12 m，單池設計流量為3 281.25 m3/h。濾池總過濾面積為488.43 m2，共分為6個單池，單池面積為81.405 m2，正常過濾時濾池反沖洗周期為24～36 h。濾料為石英砂均質濾料，粒徑為1.0 mm，不均勻系數(shù)K80≤1.25，濾層厚度為1.20 m，每格濾池出水管上設置氣動調節(jié)閥控制濾池恒水位運行。

反沖洗泵房內設置反沖洗水泵3臺(2用1備)，單泵流量Q=880 m3/h，揚程H=10 m。氣水沖洗時開啟1臺，單獨水沖時開啟2臺。設置羅茨鼓風機2臺(1用1備)，單臺風量Q=83.0 m3/min，出風壓力為39.2 kPa，功率為90.0 kW?？紤]到節(jié)約用地，反沖洗泵房服務遠期規(guī)模為15.0萬m3/d的氣水反沖洗V型濾池進行氣水反沖。

3.1.5 加藥間

加藥間由加礬間和加氯間合建而成，考慮到節(jié)約用地，土建按遠期規(guī)模(15.0萬m3/d)一次建成，設備按近期規(guī)模(7.5萬m3/d)安裝。

混凝劑采用固體堿式氯化鋁(Al2O3含量為45%)，濕式投加，最大投加量為30 mg/L，平均投加量為10 mg/L，投加點在配水混合井堰前。加礬間內設隔膜式計量泵2臺(1用1備，預留1臺隔膜計量泵機位)，單泵加注能力Q=1 200 L/h，揚程為40 m，功率為1.1 kW。

考慮水庫水源水中含有較高的藻類及細菌(大腸桿菌等)微污染，同時為保證生活出廠水的余氯達到要求，液氯投加采用多點投加的形式[7]，即分濾前、濾后、二級泵房吸水井三點三次投配，投加點分別位于進水泵房吸水井、濾池出水堰、二級泵房吸水井，最大投加量分別為3.0、2.0、1.5 mg/L。前加氯系統(tǒng)、后加氯系統(tǒng)、吸水井補氯系統(tǒng)近期分別設流量比例式全真空自動加氯機各2臺，1用1備，單臺加氯量分別為10、7、5 kg/h。

考慮到原水pH偏低，本工程設置石灰投加系統(tǒng)調整pH，以確保出廠水水質穩(wěn)定，同時提高了Al2O3的效能，創(chuàng)造良好的絮凝條件。投加點設置在水廠細格柵間前，投加量為6～10 mg/L，石灰投加系統(tǒng)設置計量泵2臺，1用1備，單泵流量為430 L/h，揚程為100 m，功率為1.5 kW。

3.1.6 二級泵房

考慮到節(jié)約用地，二級泵房土建按遠期規(guī)模(15萬m3/d)一次建成，設備按近期規(guī)模(7.5萬m3/d)安裝。二級泵房采用半地下式，平面尺寸為42.48 m×12.00 m，地下部分深為5.80 m，鋼筋混凝土框架結構。近期工程時變化系數(shù)K時=1.40，設計流量Q=4 375 m3/h。

二級泵房近期配備4臺臥式離心水泵，2大2小。大泵單泵流量Q=2 187.5 m3/h，水泵揚程H=45 m，配套電機功率為355 kW、10 kV；小泵單泵流量Q=1 093.75 m3/h，水泵揚程H=45 m，配套電機功率為200 kW、380 V，1臺變頻。

3.2 廢水構(建)筑物

考慮到節(jié)約用地，廢水系統(tǒng)土建按遠期規(guī)模(15.0萬m3/d)一次建成，設備按近期規(guī)模(7.5萬m3/d)安裝。近期污泥干泥量按設計規(guī)模(7.5萬m3/d)設計，近期設計總干泥量為3.07 t DS/d。

平流沉淀池采用池底刮泥機新設備，池底刮泥機新設備對沉淀污泥有預濃縮作用，考慮用地緊張因素，本工程廢水處理取消了污泥濃縮池，根據(jù)實際運營結果，貯泥池內污泥含水率達97.9%。

(1)排水池

V型濾池反沖洗水通過排水池直接流入工藝前端進行回用，排水池內設置攪拌器以確保泥水不分離。反沖洗廢水的回用一方面減少了水廠排泥水的處理量，另一方面充分利用了泥水中殘留的聚合氯化鋁(PAC)，改善了絮凝池的反應條件[8]。

排水池為鋼筋砼結構，分2格，平面尺寸為20.90 m×10.80 m，有效水深為3.00 m，總深為4.70 m，有效容積為600 m3。

排水池內設提升泵(潛污泵)2臺(1用1備，1臺變頻)，泵的流量按照均勻提升至配水混合井的原則進行選擇。潛污泵的流量Q=130 m3/h，揚程H=13.5 m，功率N=7.5 kW。

(2)貯泥池

網(wǎng)格絮凝池及平流沉淀池底泥通過重力排入貯泥池，貯泥池內設攪拌裝置確保泥水充分混合，進一步送往污泥濃縮脫水機房并通過離心濃縮脫水一體機濃縮脫水，泥餅外運。

貯泥池貯存的污泥濃度按1.5%計，平面尺寸為20.85 m×8.80 m，有效水深為3.00 m，池深為5.30 m，總容積約為250 m3。

貯泥池內設2臺污泥進料泵(1用1備)，單泵流量Q=15 m3/h，揚程為40 m，功率為5.5 kW。

為防止池內積泥，內設功率為1.5 kW的潛水攪拌器2臺。

(3)污泥濃縮脫水機房

為進一步節(jié)約用地，污泥濃縮脫水機房設2層，近期安裝2臺離心濃縮脫水一體機，平時1用1備，單臺Q=11 m3/h，功率分別為22.0、5.0 kW，高峰時2臺同時使用。進泥含水率為98.5%，泥餅含水率≤75%(實測泥餅含水率為74.5%)，聚合物投加量≤5 kg/t干泥，運行時間為18.6 h。

4 運行情況

2018年1月—2019年12月該廠實際運行的平均進、出水水質匯總如表 2所示。

表2 平均實際進、出水水質

該水廠自建成投產以來，構筑物和機電設備工作正常，2018年1月—2019年12月實際平均日供水量為38 151 m3/d，出水水質穩(wěn)定，水質監(jiān)測結果表明出水各項指標完全符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)標準。

5 結論

(1)湛江市麻章自來水廠的水源水來自合流水庫，進水水質按低濁含藻水設計指標進行設計。該廠采用了“網(wǎng)格絮凝池+平流沉淀池+氣水反沖洗V型濾池+液氯消毒”處理工藝，預留了生物預處理和深度處理工藝用地，各構筑物設計參數(shù)均按照相應設計規(guī)范和規(guī)程針對原水特點進行選取，水廠投產后運行穩(wěn)定，出水水質符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)要求。

(2)對構筑物網(wǎng)格絮凝池、平流沉淀池和清水池采用疊池設計以有效節(jié)約用地。

(3)平流沉淀采用池底刮泥機新設備可以起到污泥預濃縮作用以減少污泥濃縮池，從而減少用地面積。

(4)加藥間、反沖洗泵房、二級泵房、貯泥池、污泥濃縮脫水機房土建按遠期一次建成，設備按近期安裝，集約布置，以節(jié)約用地面積。

(5)采用污泥濃縮脫水機房二層設置、取樣監(jiān)測間設置于細格柵下方的措施以充分利用豎向空間，可有效節(jié)約用地。