望城水廠改擴建工程設計實例

胡一越，張震芳

(湖南省建筑設計院有限公司，長沙 410011)

前 言

隨著城市化進程的加快，城市人口規(guī)?？焖僭鲩L，城市供水需求大幅增加，為了應對城市日益增長的水量要求，保證水廠出水水質(zhì)，諸多城市已開展水廠改擴建工程。水廠改擴建工程主要面臨用地受限、與現(xiàn)狀的銜接以及改造中停產(chǎn)的問題，需對工藝設計、施工時序等進行合理優(yōu)化。本文以長沙市望城水廠改擴建工程為例，為其它城市水廠改擴建工程設計提供參考借鑒。

1 改擴建工程方案

1.1 項目概況

長沙市望城水廠位于望城區(qū)馬橋河與旺旺路相交的西南面山坡地，廠區(qū)可用面積為64 786.02m2(合97.18畝)，水廠以湘江為水源。望城水廠是望城區(qū)目前唯一正常運行的水廠，現(xiàn)狀供水規(guī)模為10.0×104m3/d。

1.2 水廠現(xiàn)狀

現(xiàn)狀已建主要構(建)筑物及規(guī)模見下表。

1.3 工程規(guī)模

根據(jù)望城水廠服務范圍的用水量預測結果，確定望城水廠改擴建工程規(guī)模為20×104m3/d，遠期總規(guī)模為30×104m3/d。

1.4 供水水源

望城水廠現(xiàn)狀供水水源為湘江。湘江是湖南省的最大河流，其水量全年充沛，歷年最小流量為263m3/s，足以滿足望城城區(qū)及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用水量需求，且其上游段的長沙綜合樞紐工程建成后，可以有效調(diào)蓄湘江長沙段的水量，削峰填谷，從而有利于下游望城河段的取水。且目前長沙市已建污水廠的提標整治改造工程正在緊鑼密鼓進行當中，長沙市區(qū)的污水處理廠出水水質(zhì)按地表準Ⅳ類水控制，可以預見污水廠尾水對湘江水環(huán)境的污染量將較之前大為減輕。綜上所述，湘江，能保證充沛的水量和穩(wěn)定的水質(zhì)，從而保證水廠安全穩(wěn)定地運行和供水，本次望城水廠改擴建工程仍以湘江作為集中供水水源。

1.5 處理工藝

本工程水質(zhì)嚴格按照《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)所確定的水質(zhì)目標進行設計。根據(jù)望城自來水廠提供的湘江原水水質(zhì)分析報告和望城水廠的運行經(jīng)驗，湘江原水主要含漂浮物和泥砂較多，因此望城給水工程設置去除漂浮物、泥沙兼有配水功能的預處理設施。常規(guī)處理仍采用與現(xiàn)狀一致的 “折板絮凝/平流沉淀+氣水反沖洗砂濾池”。此外，結合原水水質(zhì)特點，本工程深度處理工藝采用“臭氧—生物活性炭工藝”，進一步降低出水有機物、氨氮指標，以及感官指標中的濁度、色度、嗅和味，提高生物穩(wěn)定性，并滿足出廠水的衛(wèi)生、安全、長期健康飲用。

望城水廠改擴建工程工藝流程見下圖。

圖 工藝流程圖Fig. Process flow diagram

1.6 用地方案

望城水廠目前場地標高在43.50～46.50m之間，廠區(qū)地勢由西南坡向東北。廠區(qū)占地南北長約351m，東西最寬處約230m。廠區(qū)可用地面積約為97.18畝。

本次工程所有構(建)筑物均布置于廠區(qū)預留用地上，無需新征地。

2 工程設計

2.1 取水工程設計

望城水廠取水頭部、原水自流管和原水輸水管已按照遠期規(guī)模30×104m3/d建設到位，本次工程僅需考慮對取水泵房進行改造，更換水泵機組及相應管道。

已建取水泵房為岸邊固定式取水泵房，泵房筒體僅有17m內(nèi)徑，扣除4m寬集水井和1m厚的隔墻后，機泵間縱向長度只有12m，無法布置下望城水廠遠期30×104m3/d規(guī)模的臥式離心泵機組及相應的閥門管件，因此設計遠期將取水泵房臥式離心泵機組改造為特制立式離心泵機組，可以有效減少水泵機組占地面積，以保證遠期達到30×104m3/d供水規(guī)模時無需新建其它取水泵房。

根據(jù)規(guī)模和揚程等設計參數(shù)要求，本期工程設備擴容至20×104m3/d時保留現(xiàn)有的2臺臥式離心泵，并將另外2臺臥式離心泵機組更換為2臺立式離心泵機組。

遠期30×104m3/d改造時，只需將泵房內(nèi)2臺臥式離心泵機組更換為本期工程同型號的立式離心泵機組，泵房內(nèi)共計安裝4臺同型號的立式離心泵，3用1備。

2.2 格柵預臭氧配水池設計

格柵預臭氧配水池設計規(guī)模：15×104m3/d，Ka=1.10，設一座。

為保證后續(xù)處理單元的正常運行，擬在廠區(qū)水處理流程首端設進水格柵井，以將原水中存在的漂浮物和沉積物打撈清除，柵槽設2格，兩組并聯(lián)運行，每格設一道回轉式格柵除污機，格柵間隙10mm，安裝角度α=75°，經(jīng)格柵處理后的原水經(jīng)孔口進入預臭氧接觸池。

預臭氧接觸池設1個臭氧投加點，采用水射器投加方式，臭氧最大投加量為1.5mg/L，接觸時間為4.00min。根據(jù)臭氧腐蝕性強、有毒的特性，臭氧接觸池不設出水閘板，采用薄壁堰跌落出水，以避免采用閘板后出現(xiàn)維護困難或需要經(jīng)常更換等問題。

鑒于未來水廠用地按6組5.0×104m3/d的絮凝沉淀池進行規(guī)劃布局，考慮到預臭氧接觸池出水井至6組絮凝沉淀池的距離各異且相差較大，為保證配水均勻，設計在配水井中設3道獨立比例堰長薄壁堰配水?，F(xiàn)狀配水井及本期配水井共設6道配水堰，與遠期6座絮凝沉淀池一一對應。

2.3 絮凝沉淀清水池設計

絮凝沉淀清水池設計規(guī)模：10×104m3/d，Ka=1.10。

絮凝池、沉淀池和清水池疊合建設，設兩座，單座規(guī)模為5×104m3/d。

絮凝采用折板絮凝，折板絮凝時間為18.24min，分三級絮凝，絮凝池有效水深為3.30m。

沉淀采用平流沉淀池，水平流速為13.0mm/s，停留時間1.78h，有效水深2.95m，沉淀池出水采用穿孔指形槽出水。

清水池下疊于絮凝沉淀池下部，為防止由于短流造成消毒接觸時間不滿足規(guī)范要求，在清水池中設有接觸消毒區(qū)。接觸消毒區(qū)有效容積為1 000 m3。清水池有效容積為5 332m3。

2.4 氣水反沖洗砂濾池設計

氣水反沖洗砂濾池設計規(guī)模：10×104m3/d，Ka=1.10，設一座。

砂濾池設計采用均質(zhì)濾料氣水反沖洗濾池，分為6格，采用雙排布置，單格過濾面積77.00m2，總過濾面積462.00m2。

正常濾速為9.92m/h，強制濾速為11.91m/h。濾池采用均質(zhì)石英海砂濾料，濾料層厚度為1.15m，濾料有效粒徑0.90～1.35mm，不均勻系數(shù)K80<1.25，墊層礫石平均粒徑為4～8mm，厚0.05m。

采用氣、水反沖洗加表面掃洗的沖洗方式，沖洗周期為24h。濾池反沖洗分3個階段，第一階段單獨氣沖，歷時3min，氣沖強度54m3/(m2·h)；第二階段氣水同時反沖洗，歷時4min，氣沖強度54 m3/(m2·h)，水沖強度14.4 m3/(m2·h)；第三階段清水漂洗，歷時5min，沖洗強度18m3/(m2·h)；反沖洗全過程伴有表面掃洗，表面掃洗強度6.48m3/(m2·h)[1]。

出水總渠設超越管，在原水水質(zhì)較好時，濾后水可視出水水質(zhì)選擇是否超越深度處理直接進入清水池。

2.5 深度處理綜合池設計

深度處理綜合池設計規(guī)模：10×104m3/d，Ka=1.10，設一座。

深度處理綜合包括中間提升泵房、后臭氧接觸池、活性炭濾池，均分為兩條5×104m3/d可獨立運行的生產(chǎn)線。采用構筑物與建筑物合建型式，整個構筑物連接緊湊，占地面積小，主要工藝之間均采用渠道連接，水頭損失小。

中間提升泵站單組泵站內(nèi)設立式斜流泵3臺，2用1備，單組泵站集水池有效調(diào)蓄容積為200m3，約為單臺水泵10.5min的出水量。

后臭氧接觸處臭氧最大投加量為2.5mg/L，總接觸時間為12min。單池設3個臭氧投加點，順水流方向各投加點的臭氧投加比例分別為50%±10%、25%±5%、25%±5%。

活性炭濾池布置形式為中間設管道廊，兩側分別設置3格濾池，一共6格。每格濾池面積77m2，正常濾速為9.92m/h，強制濾速(1格反沖洗時)為11.90m/h，過濾周期為72h，設計最大過濾水頭1.50m?；钚蕴繛V池采用長柄濾頭配氣、配水系統(tǒng)。濾板采用鋼模整體澆筑濾板。濾料采用飲用凈水用煤質(zhì)柱狀活性炭，承托層為礫石。用單獨氣沖加單獨水沖方式進行反沖洗：氣沖強度54 m3/(m2·h)，水沖強度28.8 m3/(m2·h)。

2.6 加藥間設計

加藥間土建規(guī)模30×104m3/d，設備安裝規(guī)模為20×104m3/d，設一座。

將廠區(qū)現(xiàn)有加藥間和機修間拆除，騰出場地，用于本期工程加藥間的建設。

加藥間提供3種藥劑的制備和投加，分別為消毒劑次氯酸鈉、混凝劑液態(tài)聚合氯化鋁和以及助凝劑聚丙烯酰胺，并預留高錳酸鉀、石灰、粉末活性炭三種藥劑的位置。

混凝劑和助凝劑投加點均設置在混合池。

次氯酸納投加點為3處，前加氯設在混合池(備用)，投加量1.4mg/L(有效氯)，后加氯設在清水池進水管上，投加量2mg/L(有效氯)，補氯設在清水池出水管上，投加量1mg/L(有效氯)。次氯酸鈉采用電解食鹽溶液現(xiàn)場制備次氯酸鈉的方式。消毒使用的次氯酸鈉溶液濃度一般為0.6%～0.8%?，F(xiàn)場制備次氯酸鈉溶液濃度低(0.6%～0.8%)，存儲時間短，不會產(chǎn)生次氯酸鈉溶液的濃度會逐漸降低的問題[2]。同時由于次氯酸鈉濃度穩(wěn)定，即投加到水體內(nèi)的有效氯的量不會降低，保證消毒效果，保證出廠水的水質(zhì)穩(wěn)定。

2.7 污泥處理系統(tǒng)設計

污泥處理系統(tǒng)包括排泥水調(diào)節(jié)池、污泥濃縮池、污泥平衡池、污泥脫水間和回用水池。污泥處理系統(tǒng)按遠期規(guī)模30×104m3/d一次建成。

2.7.1 污泥濃縮池下疊排泥水調(diào)節(jié)池

排泥水調(diào)節(jié)池與污泥濃縮池合建。

排泥水調(diào)節(jié)池有效調(diào)節(jié)容量約為2 400m3，分為獨立的二格，每格容積1 200m3。

污泥濃縮池采用上向流的斜板濃縮池，設置2格，單格尺寸為14m×14m，斜板間距為70mm[3]，最大固體負荷為2.88kg/(m2.h)，最大液面負荷為2.36m3/(m2·h)。

2.7.2 污泥平衡池

污泥平衡池接納濃縮污泥，使?jié)饪s污泥含固率保持相對均衡，在濃縮池及機械脫水設備之間起調(diào)質(zhì)，以及平衡高濁度時來水量和污泥處理系統(tǒng)處理能力作用，其有效容積按不小于遠期后續(xù)脫水機日處理水量的50%來考慮，有效容積約為360m3。

2.7.3 污泥脫水間

污泥脫水采用板框壓濾機，泥餅含水率≤60%。

2.7.4 回用水池

回用水池用于收集砂濾池、炭濾池反沖洗水以及污泥濃縮池上清液?；赜盟赜行莘e為2 000m3，分兩格?？傆行莘e大于2格均質(zhì)濾料濾池或炭濾池連續(xù)反沖洗排水量[4]。

3 工程難點及解決方案

3.1 取水泵房設計創(chuàng)新

現(xiàn)狀取水泵房土建按15×104m3/d建成，筒體僅有17m內(nèi)徑，無法滿足遠期 30×104m3/d規(guī)模的臥式離心泵機組的布置。若新建取水泵房，需配套建設取水頭部、原水輸水管及原水自流管，投資較大且工期較長。因此本工程設計將取水泵房臥式離心泵機組改造為特制立式離心泵機組，可有效減少水泵機組占地，保證遠期達到30×104m3/d供水規(guī)模時無需新建取水泵房。這一方案能夠極大的降低投資、縮短施工周期。

3.2 深度處理和污泥處理系統(tǒng)集約化布置，應對廠區(qū)建設用地緊張的現(xiàn)狀

根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB50282～2016)，采用“預處理+常規(guī)處理+深度處理工藝”的地表水水廠，規(guī)模為30×104m3/d時，其建議用地面積為135 000m2，望城水廠可用面積僅為推薦值的一半，改擴建用地極為緊張。本工程設計通過以下幾個方面的措施解決水廠用地不足的問題：①將絮凝沉淀池與清水池合建；②將中間提升泵站、后臭氧接觸池、活性炭濾池合建為深度處理綜合池；③將排泥水處理系統(tǒng)集約化布置，將斜板濃縮池與排泥水調(diào)節(jié)池疊合建設。

3.3 污泥濃縮方式的優(yōu)化

根據(jù)平流式沉淀池去除分散性顆粒的沉淀原理，一個池子在一定的流量Q和一定的顆粒沉降流速u0的條件下，其沉淀效率E與池子的平面面積A成正比。為此，在同一池子中，按高度分成N個間隔，使水平面積增加N倍，在理論上可以提高沉淀能力N倍(實際上由于各種其他因素的影響不可能達到)。池子分成許多水平淺格后，雖可以提高沉淀效率，但增加排泥困難，為此將水平板改為斜板，一方面使得水平投影面積增加，一方面積泥可以自動落入池底，便于排除。為了排泥方便，傾斜角為50°～60°。斜板濃縮池是基于此原理開發(fā)的池型。

望城水廠改擴建工程污泥濃縮池采用上向流的斜板濃縮池。根據(jù)國內(nèi)外運行經(jīng)驗，斜板間距取60～80mm，濃縮效果最佳，因此本工程斜板間距設計為70mm。

望城水廠斜板安裝形式參照了國外Lamella斜板沉淀池和Parkson公司斜板濃縮池的經(jīng)驗，斜板安裝有部分露出水面，這種安裝形式對傳統(tǒng)斜板(斜板全部在水下)的安裝方式進行了優(yōu)化，使得上向流水流必須經(jīng)過斜板最后通過出水堰出水，延長了水流流線，避免短流，出水效果更為理想。

經(jīng)過污泥濃縮方式的優(yōu)化，污泥負荷達到2.88kg/(m2·h)時仍能保證污泥含固率的要求，極大的減少了污泥處理系統(tǒng)的占地面積。

3.4 消毒方式的更新

望城水廠改擴建工程設計采用電解食鹽水現(xiàn)場制備次氯酸鈉消毒的方式，打破了傳統(tǒng)方式，為湖南省水廠的消毒方式提供了新的思路。電解食鹽水現(xiàn)場制備次氯酸鈉的方式，原料食鹽不屬于危險化學品，運輸安全，無需在公安局備案，消毒效果穩(wěn)定，徹底解決了液氯和二氧化氯消毒原料安全隱患的問題。

3.5 優(yōu)化加藥間設計和施工方案，實現(xiàn)不停水改造

由于新建加藥間利用原有加藥間和機修間的位置，為避免加藥受施工的影響，在建設時，先行拆除現(xiàn)有機修間，利用該用地建成加藥間的一部分，安裝相應的加藥設備，然后再拆除現(xiàn)有老舊投藥間，新建另一部分加藥間。兩部分加藥間通過伸縮縫分隔，實則為一個整體。通過該設計方案和施工時序，可保證廠區(qū)制水不受新建加藥間的影響，實現(xiàn)不停水改造。

4 結 論

4.1 水廠平面布局緊湊有序，工藝流程順暢，分區(qū)明確。通過對新建構筑物進行合理組合及集約化布置，大大節(jié)省了廠區(qū)用地，單位建設用地僅0.216m2/(m3·d)，僅為《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB50282～2016)建議用地指標的48%。通過采用特制的水泵設備，避免了避免征地拆遷和重新建設取水泵房，該設計可節(jié)省工程投資約5 000萬元，并縮短了建設工期。

4.2 水廠采用“預臭氧+折板絮凝/平流沉淀+氣水反沖洗砂濾池+臭氧—生物活性炭工藝”，有效降低了出水有機物、氨氮指標，以及感官指標中的濁度、色度、嗅和味，保證了出水水質(zhì)。采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉消毒的方式，為湖南省水廠的消毒方式提供了新的思路。

4.3 水廠濃縮池斜板間距設計為70mm，斜板安裝采用部分露出水面的型式，使得上向流水流必須經(jīng)過斜板最后通過出水堰出水，延長了水流流線，避免短流，出水效果較理想。

4.4 通過優(yōu)化加藥間設計方案和施工時序，保證了廠區(qū)制水不受新建加藥間的影響，實現(xiàn)了不停水改造。

4.5 望城水廠改擴建工程完成后，滿足了望城地區(qū)水質(zhì)水量的要求。本工程設計中的創(chuàng)新和設計經(jīng)驗可供其它水廠項目參考。