恩施市新第二水廠一期工程的設(shè)計與運(yùn)行

劉 臣， 袁 進(jìn)， 樊雪紅， 封 威

(1.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430010； 2.恩施市自來水有限責(zé)任公司， 湖北 恩施 445000)

山地水廠地形起伏大，水廠設(shè)計既要考慮流程上的順利，也要考慮各構(gòu)筑物的埋深；既可以采用同一地面高程的高架式布置，也可以依山就勢采用斜坡式或臺階式布置；甚至借助地勢高差，原水自流入廠、出廠水也采用重力自流供水，從而顯著節(jié)約電耗。因此，山地水廠的位置選擇、高程布置、構(gòu)筑物布置、排水系統(tǒng)設(shè)計等與常規(guī)水廠有別。從山區(qū)水庫引出優(yōu)質(zhì)原水，興建山地水廠作為第二水源工程，日益成為一些城市改善供水水質(zhì)、提高人民幸福感的一項(xiàng)長遠(yuǎn)目標(biāo)。

恩施市老第二水廠于1983年9月籌備建設(shè)，一期設(shè)計規(guī)模2×104m3/d。1990年3月對原二水廠進(jìn)行二期改造擴(kuò)建，擴(kuò)建后其總規(guī)模達(dá)到4×104m3/d，原水取自大龍?zhí)端畮欤瑑善跇?gòu)筑物均采用柵條絮凝斜管沉淀池+虹吸濾池的凈化工藝。原二水廠建成于1984年，水處理工藝和設(shè)備均已嚴(yán)重落后，制水工藝出水難以穩(wěn)定達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求。根據(jù)恩施市供水專項(xiàng)規(guī)劃，二水廠規(guī)劃總規(guī)模22×104m3/d，一期設(shè)計規(guī)模10×104m3/d，原二水廠現(xiàn)有土地?zé)o法滿足擴(kuò)建和管網(wǎng)改造要求，而現(xiàn)有廠地位于市中心地段，土地價值較高，因此擬對老二水廠進(jìn)行異地遷建新二水廠。

新二水廠廠址位于高旗大道與金山大道交匯處，臨近旗峰大道。場地東臨恩施土司城，原始海拔在445.52 m～444.00 m～461.32 m，相對高差15.80 m，周邊道路交叉點(diǎn)標(biāo)高分別為：西北側(cè)447.2 m、東北側(cè)443.7 m、東南側(cè)458.0 m、西南側(cè)445.3 m。由于廠區(qū)標(biāo)高由建設(shè)單位前期按454 m計已整平，廠區(qū)凈水構(gòu)筑物高程只能采用高架式布置[1]。

新二水廠近期水源仍為大龍?zhí)端畮欤h(yuǎn)期水源為車壩河水庫，水源均高于城市，屬典型山地水廠。新二水廠一期工程于2020年11月通水運(yùn)行，目前運(yùn)行良好。筆者反思了在該山地水廠設(shè)計中基于整個給水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的可能，對具體設(shè)計中從水源自由切換、采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉消毒和采用智能加礬裝置加藥，到山地水廠廠區(qū)排水系統(tǒng)的優(yōu)化等細(xì)部進(jìn)行了探討，并總結(jié)了山地水廠的設(shè)計實(shí)踐。

1 總體設(shè)計

大龍?zhí)端畮焓悄壳岸魇┏菂^(qū)唯一的飲用水水源。近年來隨著上游地市社會經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，自然災(zāi)害頻發(fā)，對其單一水源供水安全造成嚴(yán)重威脅。人群密集居住和工廠企業(yè)生產(chǎn)帶來水質(zhì)惡化，污染事件風(fēng)險加大，用水安全得不到保障，“水華”事件偶有發(fā)生。車壩河水庫水質(zhì)良好、水量充足，已被確定為未來恩施城區(qū)主力水源，但由于車壩河水庫引水工程仍在建設(shè)之中，而新二水廠急需建成通水，因此近期水源仍為大龍?zhí)端畮?車壩河引水工程建成后，其作為應(yīng)急水源)。新二水廠總規(guī)模為22×104m3/d，近期建設(shè)10×104m3/d，水廠出水水質(zhì)執(zhí)行現(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[2]，廠內(nèi)常規(guī)處理出水濁度≤0.5 NTU。工程內(nèi)容涵蓋原水工程、凈水廠工程以及清水輸水干管等，該城區(qū)給水系統(tǒng)見圖1。

圖1 給水系統(tǒng)示意

經(jīng)論證，確定水廠采用常規(guī)水處理工藝，并對混凝、過濾采取強(qiáng)化措施，保證出廠水濁度達(dá)到要求，工藝流程見圖2。

圖2 水廠處理工藝流程

2 原水工程

原水近期取自大龍?zhí)端畮欤簖執(zhí)端畮熘晾隙畯S輸水管道由發(fā)電引水隧洞取水。通過長380 m、直徑1 400 mm的輸水干管，將水送至距電站廠房東端約40 m的配水罐，再從直徑3 m、長14 m的配水罐，將水通過長約7 km的DN1000球墨鑄鐵管輸送至老二水廠。

新二水廠近期自大龍?zhí)端畮烊∷堪?.27 m3/s考慮。自金山大道和旗峰大道交叉口現(xiàn)有DN1000輸水管道上開口通過管道引至新二水廠，通過繪制自取水點(diǎn)至新二水廠原水管道水壓線，為保證管道正壓運(yùn)行，經(jīng)與建設(shè)方溝通，在金山大道與旗峰大道交叉口附近設(shè)置原水加壓泵房1座。

為充分利用水庫水頭，降低能耗，同時節(jié)約泵站用地，加壓泵房不設(shè)置敞口吸水井，采用在原水管道上設(shè)置水泵直接加壓將原水供至新二水廠，吸水總管的管徑按其設(shè)計流速不大于與其相連的水泵吸水管設(shè)計流速的50%控制[3]。

3 凈水廠主要構(gòu)建筑物工藝設(shè)計

3.1 配水井

為了使進(jìn)水均勻分配至每個處理構(gòu)筑物，在絮凝池前設(shè)配水井1座。配水井按22×104m3/d設(shè)計，考慮未來雙水源供水格局，配水井分別設(shè)置DN1600和DN1200進(jìn)水管。配水井由進(jìn)水室、配水室和溢流室組成，進(jìn)水經(jīng)配水井分配后變?yōu)?根DN1200和1根DN1400出水管，分別對應(yīng)近、遠(yuǎn)期兩組絮凝池，使每座絮凝池進(jìn)水量相同。

配水井采用矩形布置，平面總尺寸為12.85 m×10.90 m，總深度為10.80 m。

3.2 折板絮凝池

絮凝池設(shè)1座2組，每組按5×104m3/d規(guī)模設(shè)計，設(shè)計流量為2 250 m3/h，單座絮凝池平面尺寸為117.10 m×18.65 m。

絮凝池采用多通道進(jìn)出水，以使沉淀池布水均勻；折板絮凝池排泥采用穿孔排泥管，設(shè)置氣動快開排泥角閥，排泥徹底、無堵塞，且可實(shí)現(xiàn)自動排泥?？傂跄龝r間為20 min，總GT值為5.4×104。

3.3 平流沉淀池

一組絮凝沉淀池總平面尺寸為96.45 m×39.50 m，平流沉淀池池深3.50 m，有效水深為3.00 m，沉淀時間為1.95 h，水平流速為10.60 mm/s，沉淀池排泥采用泵吸式刮泥機(jī)排泥。為減少風(fēng)力的影響，避免水流擾動，提高沉淀效果，沉淀池內(nèi)設(shè)二道導(dǎo)流墻。

平流沉淀池與絮凝池合建，每座沉淀池總集水槽長264 m，溢流率為199 m3/(m·d)。

單座沉淀池平面尺寸為88.00 m×17.70 m，長寬比約為4.5 ∶1，長深(有效水深)比約為24 ∶1。

3.4 Ⅴ型濾池

濾池按10×104m3/d規(guī)模設(shè)計1座。濾池采用均質(zhì)濾料、氣水反沖濾池，濾池總平面尺寸為39.50 m×27.88 m，池深4.40 m。濾池設(shè)計流量為4 500 m3/h，正常設(shè)計濾速為8.00 m/h，強(qiáng)制濾速為9.60 m/h，總過濾面積為546 m2。濾池單元數(shù)為6，每個單元面積為91 m2。

沖洗方式為先以空氣沖洗，再同時以空氣和水低速反洗，最后以水低速沖洗。其氣沖強(qiáng)度為13～15 L/(s·m2)，水沖強(qiáng)度為4～5.0 L/(s·m2)，水掃洗強(qiáng)度為2.0 L/(s·m2)。反沖洗時間為氣沖2～3 min，氣水混沖4～6 min，水反沖3～5 min。低濁度取低值，高濁度取高值，過濾周期為24～36 h。

Ⅴ型濾池的出水閥隨水位變化調(diào)節(jié)開啟度，池內(nèi)水位在一個過濾周期內(nèi)保持不變，濾層不會出現(xiàn)負(fù)壓。

3.5 清水池

清水池按1.0×104m3/d規(guī)模設(shè)1座，單座清水池平面尺寸為63.0 m×43.0 m，有效水深為3.80 m，有效調(diào)節(jié)容積為10 290 m3，調(diào)節(jié)比例為10%，池內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流墻。

池內(nèi)設(shè)有放空管和溢流管，兩管出水均排入排水池回收利用。

3.6 反沖洗泵房

反沖洗泵房平面尺寸為22.95 m×5.70 m，水泵間布置成半地下式，以保證快速自灌啟動。

反沖洗泵房按一次最多沖洗1格濾池設(shè)計。泵房內(nèi)設(shè)反沖洗離心水泵3臺(2用1備)，單泵額定流量Q=1 000 m3/h，揚(yáng)程H=8.5 m，配套電機(jī)功率N=37 kW。鼓風(fēng)機(jī)采用螺桿風(fēng)機(jī)3臺(2用1備)，風(fēng)量Q=43.5 m3/min，出風(fēng)壓力為45 kPa。

泵房內(nèi)設(shè)置壓縮空氣系統(tǒng)2套(1用1備)，單臺空壓機(jī)Q=1.66 m3/min，P=0.69 MPa，為反應(yīng)池和濾池氣動閥門提供壓力氣源?？諝庀到y(tǒng)另配儲氣罐2套(單套容積1 m3)，排漬泵1臺，流量Q=25 m3/h，揚(yáng)程H=10 m，配套電機(jī)功率為1.5 kW。

3.7 送水泵房

水廠設(shè)置送水泵房1座，土建按22×104m3/d一次建成，設(shè)備按10×104m3/d配置，采用大小泵搭配方式，大泵3臺(2用1備，其中1臺電機(jī)變頻)，小泵1臺(電機(jī)變頻)，大泵Q=2 700 m3/h，H=34.5～45.5 m；小泵Q=900～1 260 m3/h，H=37～42 m。

3.8 加藥間

水廠設(shè)置1座加藥間，分加礬、加氯兩個系統(tǒng)。土建按22×104m3/d一次建成，設(shè)備按10×104m3/d配套。

① 加礬系統(tǒng)

混凝劑為液體堿式氯化鋁，混凝劑濃度為10%(原液含量)，采用原液和水按1 ∶2稀釋后投加，設(shè)計平均投加量為20 mg/L(市售商品質(zhì)量，Al2O3)。采用數(shù)字計量泵2臺(1用1備)投加，單臺流量為940 L/h，出口壓力為0.4 MPa，在運(yùn)行過程中可根據(jù)進(jìn)水流量自動調(diào)節(jié)加藥泵的流量。

② 加氯系統(tǒng)

濾前加氯：在原水水質(zhì)較差時，使用濾前加氯，最大投氯量為0.5～1.0 mg/L(有效氯)，投氯點(diǎn)設(shè)在配水井上。

濾后加氯：最大投氯量為1.0～2.0 mg/L(有效氯)，投氯點(diǎn)設(shè)在清水池進(jìn)水管上。

該工程采用次氯酸鈉消毒，現(xiàn)場制備次氯酸鈉溶液，有效濃度約為0.8%。

設(shè)置次氯酸鈉發(fā)生器2套(1用1備)，每套含發(fā)生器主機(jī)及重要關(guān)聯(lián)配套設(shè)備(氫氣檢測裝置、差壓開關(guān)、超聲波液位計、軟水器及軟水加熱器等)。單套次氯酸鈉額定制備量為10 kg/h，常用1套、備用1套、二期增加1套，可滿足廠內(nèi)峰值制水量的每天需氯量。

投加系統(tǒng)采用數(shù)字計量泵3臺(2用1備)，1臺用于預(yù)加氯，1臺用于濾后加氯，1臺備用，單泵加注能力Q=940 L/h, 加注壓力3 bar。另設(shè)有電動單梁懸桂起重機(jī)等輔助設(shè)備。

加藥間總平面外包尺寸為55.50 m×15.70 m。

3.9 濃縮池

濃縮池按22×104m3/d規(guī)模設(shè)計，其作用為清濁分流，即將含水率為99.0%～99.9%的排泥水通過濃縮，使底泥含水率達(dá)到95.5%～97.5%，滿足脫水機(jī)對進(jìn)泥固體含量的要求。

濃縮池采用圓形輻流式，固體通量范圍為0.5～1.0 kg干固體/(m2·h)，該工程取0.75 kg干固體/(m2·h)。

濃縮池設(shè)2座，每座直徑為18 m。排泥水從濃縮池中央進(jìn)入，經(jīng)導(dǎo)流筒沿徑向以逐漸變慢的速度流向周邊，完成固液分離。池底部設(shè)置刮泥機(jī)和集泥裝置，分離后的上清液從周邊溢流堰引出。

3.10 脫水間

污泥脫水車間土建按22×104m3/d規(guī)模設(shè)計，近期設(shè)置2臺離心脫水機(jī)，單臺脫水機(jī)最大處理能力為20 m3/h，主電動機(jī)功率為30 kW。近期離心脫水機(jī)設(shè)計工作時間按16 h/d計算，脫水機(jī)具有轉(zhuǎn)鼓與螺旋推料器，轉(zhuǎn)鼓長徑比為4.4，轉(zhuǎn)速差可以自動無極調(diào)節(jié)，在進(jìn)料污泥參數(shù)發(fā)生變化時，能夠自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速差，差速調(diào)節(jié)精度小于0.1 r/min。

污泥工藝參數(shù)：進(jìn)料含固率2%～3%，出泥含固率≥20%，絮凝劑耗量3～5 kg/t干泥。

脫水間設(shè)螺旋輸送機(jī)2臺，單臺泥餅輸送量為6 m3/h，脫水后的泥餅運(yùn)至垃圾填埋場填埋。

4 運(yùn)行效果

恩施市新第二水廠于2020年11月建成投產(chǎn)，目前已運(yùn)行1年有余，未發(fā)生停產(chǎn)檢修維護(hù)現(xiàn)象，各單項(xiàng)構(gòu)筑物和機(jī)電設(shè)備一直處于正常工作狀態(tài)。運(yùn)行以來的平均日供水量達(dá)7.0×104m3/d，出廠水最高濁度為0.30 NTU，最低濁度為0.08 NTU，平均濁度為0.15 NTU。經(jīng)取樣分析，出廠水中的各項(xiàng)指標(biāo)完全優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求。千噸水平均電耗費(fèi)用為158 kW·h，在同行業(yè)中處于較低水平。

5 水廠的設(shè)計特點(diǎn)與設(shè)計優(yōu)化探討

5.1 近遠(yuǎn)期水源切換問題

近期水廠原水來自大龍?zhí)端畮?，需通過水泵提升至廠區(qū)；遠(yuǎn)期原水來自車壩河水庫，由于車壩河水庫所在地與新二水廠位置高差約260 m，原水由加壓進(jìn)廠改為重力自流進(jìn)廠。

廠區(qū)位置選擇和高程布置本可充分利用高程，進(jìn)行多方案論證，以便獲得最佳方案。但由于前期規(guī)劃及廠區(qū)平整和后期設(shè)計由不同單位完成，整個供水系統(tǒng)未能達(dá)到最佳布局，這在類似山地水廠設(shè)計中應(yīng)充分考慮。

由于前期規(guī)劃原因，水廠一期與二期規(guī)模分別為10×104和12×104m3/d(兩期規(guī)模的不同造成主要構(gòu)筑物不對稱布置)。為均勻配水設(shè)置配水井1座，配水井通過薄壁堰均勻配水，遠(yuǎn)期原水管至配水井設(shè)置了調(diào)流調(diào)壓閥，以確保水廠安全運(yùn)行。調(diào)流調(diào)壓閥為錐型活塞閥，其流量與開度基本成線性比例關(guān)系，近期閥門開度為44%，遠(yuǎn)期閥門開度為60%，閥門選型應(yīng)避免產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

5.2 消毒方式選擇和智能加礬系統(tǒng)

廠區(qū)位于武陵山深處，若采用傳統(tǒng)的液氯消毒，液氯在運(yùn)輸、存儲方面存在安全隱患，并且在水廠的運(yùn)行管理過程中，需要經(jīng)常進(jìn)行漏氯演練、安全審批及運(yùn)行管理等繁瑣的工作。次氯酸鈉消毒因其自身優(yōu)勢逐漸被廣泛使用，在大型水廠(規(guī)模≥10×104m3/d)現(xiàn)場制備次氯酸鈉的消毒成本和傳統(tǒng)液氯消毒成本基本持平[4-5]，因此該項(xiàng)目中凈水廠采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉代替液氯進(jìn)行消毒。

加礬系統(tǒng)采用一體化集成設(shè)備，混凝劑為液體堿式氯化鋁，采用原液在線稀釋成工藝要求投加濃度，利用設(shè)備控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型，可根據(jù)進(jìn)水參數(shù)(濁度、流量)通過PLC計算出相對應(yīng)的投藥量(也可以手動設(shè)定投藥量)。經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，系統(tǒng)可通過自控系統(tǒng)自動計算尋找到最科學(xué)的投加量，大大降低了投藥的勞動強(qiáng)度，同時有效節(jié)省了藥耗。

5.3 跌水井型式選擇

山地城市排水管道系統(tǒng)的高差處理既是特色也是難點(diǎn)，在國標(biāo)設(shè)計圖集中跌水井有豎管式、豎槽式、階梯式三種類型，其中豎管式適于跌落管徑D≤200 mm、高差1～6 m的污水管；豎槽式適于跌落管徑D=200～600 mm、高差為1～4 m的雨、污水管；階梯式適于跌落管徑D=700～1650 mm、高差為1～2 m的雨、污水管。新二水廠廠區(qū)所在地與周邊道路地勢高差大，最大高差超過10 m，在實(shí)際設(shè)計中，除了按照國家標(biāo)準(zhǔn)采用常規(guī)跌水井，還采用了改進(jìn)的豎槽式跌水井[6]：跌水井井室分為2個孔室，即人孔和水孔，水孔底低于管底0.2 m處向下設(shè)置厚0.8 m的卵石，以緩解水流沖刷對井底的破壞。

6 結(jié)語

① 山地水廠能否利用水庫部分高水位以節(jié)約供水能耗，是此類水廠設(shè)計中必須認(rèn)真考慮的問題。可從原水自流入廠的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)置、配水井的合理布局、廠區(qū)有效用地的合理利用等方面加以考慮，山地水廠的特點(diǎn)決定了其整個平面布置、工藝流程設(shè)計的特殊性。山地水廠的設(shè)計應(yīng)充分利用原水水頭進(jìn)行給水系統(tǒng)高程布置。結(jié)合恩施市新第二水廠的具體設(shè)計和運(yùn)行情況，在盡量利用水庫高程(近期原水加壓泵房取消吸水井，遠(yuǎn)期原水自流入廠)以節(jié)約能源的情況下，采用配水井配水可以有效解決水廠水源切換問題。

② 因地制宜采用現(xiàn)場制備次氯酸鈉消毒和智能加礬裝置，避免了液氯在山區(qū)運(yùn)輸、存儲方面存在的安全隱患，并提高了水廠運(yùn)行的自動化程度，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。建議山地水廠的選址、土方平衡和整個廠區(qū)工藝設(shè)計要統(tǒng)籌考慮，避免大填大挖，在減少工程投資的同時，盡量利用原水水頭以降低電耗。