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?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?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)標準》（建標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，達到1 000萬個/l，11月中旬出現(xiàn)峰值，達到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)生標準》（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％。該工藝可達到出水水質(zhì)保障性高，水質(zhì)優(yōu)良，運行穩(wěn)定的目標。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，工程投資及運行成本較高。對比全地下式布置，半地下下沉式運行維護相對便捷，工程投資及運行費用較低，因此，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟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械攪拌澄清池的池頂走道板與廠平面基準標高持平，流程如圖2所示。
機械攪拌澄清池外頂高出設(shè)計地面6.5~7 m，生產(chǎn)構(gòu)筑物標高較傳統(tǒng)地上式以清水池高液位為廠平設(shè)計基準總體下降7~5 m。
#4 主要處理構(gòu)筑物設(shè)計
4.1 進水組團
（1）布置方式。將進水閥室與集水池、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)合井進行匯流，經(jīng)結(jié)合井出水管接至集水池進水管聯(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 進水井、格柵間、預(yù)臭氧接觸池、機械混合井
（1）設(shè)備布置。進水井、格柵間、預(yù)臭氧接觸池、機械混合井采用集團式組合布置。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，運維管理不便，因此，將其調(diào)整至進水組團車間設(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1臺，共4臺，渠道寬b=1.1 m，細格柵間距為8 mm。預(yù)臭氧接觸池分2個系列，最大投加率1.0 mg/l。總接觸時間為5 min，有效水深6 m。機械混合井分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。機械混合井設(shè)置聚氯化鋁及三氯化鐵投加點。
4.3 水線機械攪拌澄清池
（1）進水、加藥方式優(yōu)化。本市已運行水廠的機械攪拌澄清池（見圖3和圖4）同一系列池體的進水總管設(shè)置相同管徑或是沿著水流方向進水總管逐漸減小的進水方式。實際運行反饋每座池體的進水不均勻，靠近總進水管進水端的池體進水流量多，處理效果不如位于總進水管末端的池體。為解決此問題，在每座機械攪拌澄清池進水管的手動蝶閥后設(shè)置進水堰，提高每座機械攪拌澄清池進水均勻性。
每池進水堰堰后設(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。每座機械攪拌澄清池進水堰堰后設(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，運維方便。
（2）優(yōu)化排泥放空出路。水線機械攪拌澄清池排泥、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，并由刮泥機收集導(dǎo)出。鑒于已運行水廠某池體發(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準圖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）。在濾池進水渠道設(shè)置疊梁閘，一方面可實現(xiàn)一個系列濾池進水，另一系列濾池停池、檢修；另一方面在濾池進水渠道加藥，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。總接觸時間為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φ15 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)置在清水池進水側(cè)，最大次氯酸鈉（商品溶液10%）投加量為20 mg/l；補氯點設(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行的水廠排泥水處理工藝，增加泥線機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、細菌、兩蟲，可避免微生物富集，降低回流水對水線機械攪澄清池的沖擊負荷。設(shè)置調(diào)質(zhì)池，用于對脫水前的污泥進行加藥預(yù)處理，可保證板框壓濾系統(tǒng)進泥濃度及絮凝劑混合的均勻性。
（2）車間布局。機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泥車進出不便利的問題。
（3）設(shè)計參數(shù)。泥線機加池直徑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1批次處理的泥量。脫水機房設(shè)置2臺板框壓濾機，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膜池進水管、dn1 600膜池產(chǎn)水管、2×dn600膜池反沖洗進水管、2×dn1 200清水池進水管、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)計標高基準，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，給施工及運行維護增加一定的難度。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)目標更好的實現(xiàn)。
來源：給水排水
