實例：風(fēng)景區(qū)集約型半地下凈水廠工藝設(shè)計方案

全康環(huán)保:某凈水廠設(shè)計規(guī)模為20萬m3/d，建設(shè)用地規(guī)模6.1 hm2，在充分滿足當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門景觀要求的前提下，方案采用半地下下沉式布置方式。針對原水水質(zhì)，確定長流程多級屏障處理工藝。以水廠處理構(gòu)筑物的設(shè)計優(yōu)化及設(shè)計參數(shù)為主要內(nèi)容，為相應(yīng)工程設(shè)計提供思路。

#1 工程概況

某凈水廠是南水北調(diào)配套工程，設(shè)計規(guī)模為20萬m3/d，建設(shè)用地規(guī)模6.1 hm2。項目北側(cè)為景觀山體，位于其坡腳線上。當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門提出保留水廠附近“山景”景觀的要求，減少構(gòu)筑物對山體的遮擋。凈水廠建設(shè)用地面積比《城市給水工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)120-2009）中同規(guī)模采用預(yù)處理+常規(guī)處理+深度處理的凈水廠建設(shè)用地面積規(guī)定的7.55 hm2低20%。設(shè)計中采用了構(gòu)筑物平面組合布置及豎向疊合布置、構(gòu)筑物之間管線局部采用管溝布置。

凈水廠以南水北調(diào)中線來水為原水，經(jīng)本市已運(yùn)行水廠近3年的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，原水溫度在12月~2月平均溫度低于5 ℃，最低1.6 ℃，年平均17.9 ℃；年平均濁度為1~2 NTU，汛期最大達(dá)到24 NTU；氨氮年平均0.04 mg/L，最高為0.08 mg/L；化學(xué)需氧量年平均2.3 mg/L，最高5.4 mg/L；夏季藻類季節(jié)性藻類爆發(fā)，藻類總數(shù)在9月初和10月中小幅增長，達(dá)到1 000萬個/L，11月中旬出現(xiàn)峰值，達(dá)到4 000萬個/L，而后開始驟減。

凈水廠設(shè)計出水水質(zhì)符合國家現(xiàn)行的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006），其中出水濁度＜0.3 NTU，耗氧量≤2 mg/L，供水保證率>95%。

#2 工藝流程

凈水廠工藝主線采用預(yù)處理+強(qiáng)化常規(guī)處理+臭氧氧化+炭砂濾池+超濾膜+次氯酸鈉消毒工藝，為滿足應(yīng)急需求，設(shè)置粉末活性炭、預(yù)留酸堿中和投加等應(yīng)急處理設(shè)施。

排泥水處理采用廢水回收+泥線機(jī)械攪拌澄清池+排泥池+濃縮池+平衡池+調(diào)質(zhì)池+板框脫水工藝，出水污泥含水率≤60％。該工藝可達(dá)到出水水質(zhì)保障性高，水質(zhì)優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定的目標(biāo)。工藝流程如圖1所示。

#3 布置形式

為避免對山體景觀遮擋，廠區(qū)構(gòu)筑物布置形式考慮在半地下下沉式方案與全地下式方案之間選擇。結(jié)合本項目地勘報告廠區(qū)南側(cè)山前，淺層巖性為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖，其他范圍內(nèi)土層從上到下為人工堆積土、混合土。如采用全地下式方案將增加玄武巖爆破量及支護(hù)難度。鑒于全地下式的構(gòu)筑物頂端需要一定厚度的覆土用于綠化，增加的覆土荷載，對地下空間的支撐體系影響較大，消防安全設(shè)施較多，工程投資及運(yùn)行成本較高。對比全地下式布置，半地下下沉式運(yùn)行維護(hù)相對便捷，工程投資及運(yùn)行費用較低，因此，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選用半地下下沉式方案。

水廠平面布置中，將相對較高的水線機(jī)械攪拌澄清、炭砂濾池、膜車間等車間盡量靠山一側(cè)布置，調(diào)整屋頂坡度，可減少路邊視覺對山體的遮擋。本項目的半地下下沉式布置方案是將水線機(jī)械攪拌澄清池的池頂走道板與廠平面基準(zhǔn)標(biāo)高持平，流程如圖2所示。

機(jī)械攪拌澄清池外頂高出設(shè)計地面6.5~7 m，生產(chǎn)構(gòu)筑物標(biāo)高較傳統(tǒng)地上式以清水池高液位為廠平設(shè)計基準(zhǔn)總體下降7~5 m。

#4 主要處理構(gòu)筑物設(shè)計

4.1 進(jìn)水組團(tuán)

（1）布置方式。將進(jìn)水閥室與集水池、提升泵房、廢水回收池、次氯酸鈉預(yù)投加間、加藥間、變配電室組團(tuán)式疊合布置。廢水回收池疊合于集水池上部，次氯酸鈉預(yù)投加間、加藥間疊合于廢水回收池上部。突破傳統(tǒng)功能分區(qū)，合理利用水力流程，使集水池頂板至地面的地下工程空間得到有效利用。

（2）優(yōu)化回流方案。集水池可接納炭砂濾池初濾水、超濾膜反沖洗排水、排泥池溢流排水及上清液、濃縮池溢流排水、污泥車間上清液集水池出水，均為重力回流。為減少集水池回流管線接口，各種類別回流水在廠區(qū)設(shè)置的結(jié)合井進(jìn)行匯流，經(jīng)結(jié)合井出水管接至集水池進(jìn)水管聯(lián)通閥后。

（3）設(shè)計參數(shù)。集水池分2個系列，有效容積按常水位停留時間20 min設(shè)計。廢水回收池設(shè)置兩格，單格容積滿足一格炭砂濾池一次沖洗流量。提升泵房設(shè)置4臺水泵，2用2備，全部變頻。聚氯化鋁（商品溶液10%）投加量10 mg/L，三氯化鐵（商品溶液40%）投加量50 mg/L，次氯酸鈉（商品溶液10%）預(yù)投加量40 mg/L。

4.2 進(jìn)水井、格柵間、預(yù)臭氧接觸池、機(jī)械混合井

（1）設(shè)備布置。進(jìn)水井、格柵間、預(yù)臭氧接觸池、機(jī)械混合井采用集團(tuán)式組合布置。預(yù)臭氧采用水射器投加方式，因預(yù)臭氧接觸池池體在室外地坪以下7 m深。傳統(tǒng)地面式設(shè)計可以利用格柵渠道底部架空空間放置水射器增壓泵，若仍將水射器增壓泵設(shè)置格柵渠道底部，將使得水射器增壓泵房的通風(fēng)、采光較差，增加設(shè)備的安裝難度，運(yùn)維管理不便，因此，將其調(diào)整至進(jìn)水組團(tuán)車間設(shè)置。

（2）設(shè)計參數(shù)。格柵間分2個系列，每系列設(shè)2條渠道，每條渠道設(shè)置回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)1臺，共4臺，渠道寬B=1.1 m，細(xì)格柵間距為8 mm。預(yù)臭氧接觸池分2個系列，最大投加率1.0 mg/L?？偨佑|時間為5 min，有效水深6 m。機(jī)械混合井分2個系列，每系列分2格，單池混合時間30 s，速度梯度G=750~1 000 s-1。機(jī)械混合井設(shè)置聚氯化鋁及三氯化鐵投加點。

4.3 水線機(jī)械攪拌澄清池

（1）進(jìn)水、加藥方式優(yōu)化。本市已運(yùn)行水廠的機(jī)械攪拌澄清池（見圖3和圖4）同一系列池體的進(jìn)水總管設(shè)置相同管徑或是沿著水流方向進(jìn)水總管逐漸減小的進(jìn)水方式。實際運(yùn)行反饋每座池體的進(jìn)水不均勻，靠近總進(jìn)水管進(jìn)水端的池體進(jìn)水流量多，處理效果不如位于總進(jìn)水管末端的池體。為解決此問題，在每座機(jī)械攪拌澄清池進(jìn)水管的手動蝶閥后設(shè)置進(jìn)水堰，提高每座機(jī)械攪拌澄清池進(jìn)水均勻性。

每池進(jìn)水堰堰后設(shè)置三氯化鐵投加點并預(yù)留PAM投加點，三氯化鐵投加量為50 mg/L。在加藥間預(yù)留PAM投加系統(tǒng)，用于機(jī)械攪拌澄清池澄清區(qū)有大量礬花翻池時應(yīng)急投加，PAM配置濃度0.15%，最大設(shè)計投加量0.3 mg/L。每座機(jī)械攪拌澄清池進(jìn)水堰堰后設(shè)置加藥斗便于觀察，并且可以實現(xiàn)不同池體可投加不同比例的藥劑，操作靈活，運(yùn)維方便。

（2）優(yōu)化排泥放空出路。水線機(jī)械攪拌澄清池排泥、放空保留3個出路的條件。出路一，放空及排泥進(jìn)入排泥池。出路二，放空部分可重力回流至集水池。出路三，放空部分可排入廠區(qū)污水系統(tǒng)。在廠平面中設(shè)置閥門切換以滿足功能需求。

（3）設(shè)計參數(shù)。分2個系列，每個系列3座池體，東西向兩排機(jī)加池間距5 m，設(shè)置2座配泥井。設(shè)置6座單池，直徑D=25 m，清水區(qū)設(shè)置斜管，上升流速1 mm/s。

（4）傘板優(yōu)化方案。傘板采用預(yù)制混凝土構(gòu)件并通過埋鐵方式與斜支撐梁連接，其功能是在運(yùn)行工況條件下形成導(dǎo)流面，使水中絮狀污泥沿傘板表面斜坡下滑至污泥回流縫，并由刮泥機(jī)收集導(dǎo)出。鑒于已運(yùn)行水廠某池體發(fā)生的預(yù)制構(gòu)件傘板變形、脫落現(xiàn)象，本項目考慮增加傘板的構(gòu)造厚度，即將1號規(guī)格~4號規(guī)格傘板厚度由原國家標(biāo)準(zhǔn)圖60 mm，增加至80 mm，埋鐵及裙板尺寸隨之調(diào)整，調(diào)整后傘板抗荷載能力將提高。同時建議投產(chǎn)后每年停池檢修期間進(jìn)行回流縫寬度的復(fù)驗工作。

4.4 主臭氧接觸池、炭砂濾池

（1）布置方式。設(shè)置炭砂濾池1座，分兩系列（見圖5）。在濾池進(jìn)水渠道設(shè)置疊梁閘，一方面可實現(xiàn)一個系列濾池進(jìn)水，另一系列濾池停池、檢修；另一方面在濾池進(jìn)水渠道加藥，可實現(xiàn)兩個系列調(diào)試不同藥劑來觀察炭砂濾池出水水質(zhì)。每格濾池進(jìn)水設(shè)置疊梁閘，滿足單格檢修的條件。

（2）管路布置。濾池反沖洗設(shè)置兩根完全獨立的反沖洗水管以滿足兩個系列濾池獨立運(yùn)行的需求。管廊下方疊合兩個獨立的出水渠，在渠道的東西兩側(cè)預(yù)留出閥門井室的位置，用于滿足兩格反沖洗水池多種運(yùn)行工況的切換需求。

（3）設(shè)計參數(shù)。主臭氧接觸池分2個系列，采用曝氣盤曝氣方式投加臭氧，最大投加量0.5 mg/L?？偨佑|時間為12 min，有效水深6 m，三段投加量之比為2∶1∶1，接觸時間之比為1∶2∶2。炭砂濾池雙排布置，單格面積L×B=14 m×8 m，共10格，普通快濾池池型，設(shè)計濾速8 m/h，過濾水頭2.0 m。炭砂濾料層厚度：0.6 m炭層、1.2 m砂層，下炭層上砂層。采用煤質(zhì)柱狀活性炭φ1??5 mm，砂層d10 =1.0 mm，K80 =1.4。

4.5 清水池及超濾膜車間

（1）布置方式。清水池疊合壓力式超濾膜車間布置，壓力式超濾膜車間的管廊層位于南側(cè)清水池上部，膜堆層位于管廊層上方（首層,見圖6）。清水池導(dǎo)流墻采用鋼筋混凝土材質(zhì)，充分考慮上部膜車間設(shè)備荷載，L/W布置結(jié)合超濾膜車間柱網(wǎng)間距布置。

（2）設(shè)計參數(shù)。清水池設(shè)置1座，分2格，北側(cè)清水池上覆土約為1.75 m，南側(cè)清水池上疊合膜車間布置。單格清水池凈空尺寸L×B=80 m×40 m，有效水深6.3 m，調(diào)蓄能力20%。主加氯設(shè)置在清水池進(jìn)水側(cè)，最大次氯酸鈉（商品溶液10%）投加量為20 mg/L；補(bǔ)氯點設(shè)置在清水池出水的吸水井中，最大次氯酸鈉（商品溶液10%）投加量為5 mg/L。壓力式超濾膜采用雙排布置，運(yùn)行膜組數(shù)按單個膜堆處理1.0萬m3/d考慮，預(yù)留2組土建位置，最大設(shè)計膜通量為60 LMH。

4.6 排泥水處理

（1）處理工藝優(yōu)化。較本市接納南水已運(yùn)行的水廠排泥水處理工藝，增加泥線機(jī)械攪拌澄清池及污泥調(diào)質(zhì)池處理單元的設(shè)置，由于泥線機(jī)械攪拌澄清池具有較好的泥水分離功能，可去除沖洗水中的藻類、細(xì)菌、兩蟲，可避免微生物富集，降低回流水對水線機(jī)械攪澄清池的沖擊負(fù)荷。設(shè)置調(diào)質(zhì)池，用于對脫水前的污泥進(jìn)行加藥預(yù)處理，可保證板框壓濾系統(tǒng)進(jìn)泥濃度及絮凝劑混合的均勻性。

（2）車間布局。機(jī)械攪澄清池與浮動槽排泥池、濃縮池合建，平衡池與調(diào)質(zhì)池、脫水機(jī)房合建。泥棚采用輕型外挑式設(shè)計，避免出現(xiàn)設(shè)置混凝土柱子造成運(yùn)泥車進(jìn)出不便利的問題。

（3）設(shè)計參數(shù)。泥線機(jī)加池直徑9.8 m，池深5.7 m。浮動槽排泥池、濃縮池分別設(shè)置2座，單座平面尺寸L×B=14 m×14 m，有效水深H=4 m，固體負(fù)荷0.85 kg/（m2?h）。平衡池設(shè)置1座分2格，單格停留時間12 h。調(diào)質(zhì)池設(shè)置1座分2格，每座容積可以調(diào)理單臺脫水機(jī)1批次處理的泥量。脫水機(jī)房設(shè)置2臺板框壓濾機(jī)，1用1備，12 h工作制，干泥量8 tDs/d。

#5 構(gòu)筑物之間局部管溝設(shè)計

炭砂濾池與清水池（疊合超濾膜車間）凈距約20 m，其中包括6 m濾池門頭及6 m寬的廠區(qū)道路，設(shè)置長度約40 m，凈空斷面尺寸（3.4 m+3.3 m+4.5 m）×（2.6 m+4 m）兩層的三倉管溝。管溝內(nèi)布置DN1 200濾池出水管、DN1 200濾池反沖洗排水管、DN400初濾水管、DN1 600膜池進(jìn)水管、DN1 600膜池產(chǎn)水管、2×DN600膜池反沖洗進(jìn)水管、2×DN1 200清水池進(jìn)水管、DN300廠區(qū)自用水管等管道，管溝設(shè)置吊裝孔、檢修孔、通風(fēng)、照明。充分利用管溝的縱向空間，合理布置廠區(qū)管線。

#6 結(jié)論及思考

針對周邊景觀有特殊要求的凈水廠工程，可采用集約型半地下下沉式布置方式。在水廠建設(shè)用地范圍受限時，需將推薦工藝的廠平豎向與構(gòu)筑物平面布置統(tǒng)籌考慮，可采用集團(tuán)疊合式、組合式布置方式，以緩解長流程多級屏障處理工藝與用地面積緊張的矛盾，合理利用工程占地、降低投資。

區(qū)別于傳統(tǒng)地上式水廠以清水池設(shè)計液位為廠區(qū)地坪設(shè)計標(biāo)高基準(zhǔn)，半地下下沉式布置，處理構(gòu)筑物整體加深，工藝設(shè)計上首要考慮廠區(qū)運(yùn)行安全問題，常規(guī)設(shè)置溢流的構(gòu)筑物（如清水池、集水池、進(jìn)水井等）能否重力自流排入規(guī)劃出路，如不滿足重力排出需設(shè)置泵站提升。另外，水線處理構(gòu)筑物的放空能否重力接入廠區(qū)的雨水排除系統(tǒng)、泥線處理構(gòu)筑物的放空能否重力接入廠區(qū)的污水排除系統(tǒng)，如不能設(shè)置放空濕井由移動泵提升或在池體預(yù)留集水坑依靠移動泵放空排除系統(tǒng)（本項目溢流管能重力自流排入規(guī)劃出路，部分不滿足重力放空進(jìn)入廠區(qū)雨水系統(tǒng)的單體設(shè)置放空濕井）。

建設(shè)過程中，在尋求節(jié)約用地和環(huán)境友好平衡的同時，也發(fā)現(xiàn)了一些值得思考的地方：建構(gòu)筑布置緊湊，必然帶來各類管線、溝渠的緊密貼合，給施工及運(yùn)行維護(hù)增加一定的難度。半地下下沉式的布置也造成了施工中大量深基坑的出現(xiàn)，施工難度和建設(shè)投資較傳統(tǒng)地上式布置有一定程度的增加（本項目工程單價約2 357元/m3，較同類型工藝傳統(tǒng)地上式水廠增加18%）。今后運(yùn)行中也會增加大量的有限空間作業(yè)要求；針對這些問題，在項目建設(shè)的各階段要需取一些區(qū)別于傳統(tǒng)地上式水廠的措施和方法，才能保證集約型半地下下沉式式水廠建設(shè)目標(biāo)更好的實現(xiàn)。