給水廠集約化設計對策

張 碩，王如華，王 晏，趙 暉，洪景濤，吳寶榮

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

為了保障居民的身體健康，水廠工藝流程已從單純的常規處理拓展出預處理、深度處理、膜處理和排泥水處理，構筑物的種類和數量不斷增加，土地占用、工程投資和運行成本也不斷攀升。水廠設計和建設需達到水質達標和提升、節能減排及運行安全與可靠的多重目標［1］。另一方面，受城市布局和發展的局限，許多新建和擴建的水廠位于城鎮城區，甚至是中心地帶。隨著城鎮化不斷加快，在耕地紅線控制的條件下，我國大中城市的城區用地趨于緊張，廠區征地或預留用地的面積往往受限。因此，在滿足水質提標、節能減排和安全可靠的前提下進行集約化設計已成為眾多改擴建工程亟須解決的難題之一。

基于近年多項重大工程的實踐和設計經驗，本研究系統提出了水廠集約化處理技術，為諸多給水廠改擴建工程提供支撐。

1 水廠的用地評價和運行評價

在工程中，需對用地現狀、預留用地和運行現狀等進行評估，分析用地合理性，核算可新增面積，確定拆建和改造目標。用地評估的主要內容包括:對預留用地面積進行統計，核實是否滿足新建工程用地;計算現有各單體構筑物的占地面積及比率，對總體布置和單體進行評價。運行現狀評估的主要內容包括:對出廠水水質、水量以及單體的處理效果等進行調研，并與設計參數進行核對，評價運行狀況和去除效率，尤其關注超負荷、富裕和經常故障等情況;對豎向設計進行綜合評價;分析運行現狀的薄弱環節。

2 免建中間提升的臭氧活性炭工藝

2．1 一次提升的凈水全流程

采取臭氧活性炭工藝時，一般將其置于砂濾之后，并需設中間提升。中間提升的揚程不高，流量較大，水泵效率較難高效，并需解決水量平衡和安全運行的問題。經過經濟技術比較后，可考慮水力高程上不設中間提升，采取一次提升的方法，將深度處理之前的預處理、常規處理構筑物整體提高，將加礬間、泥泵間、車庫、倉庫、廢水調節池、機修間、氯接觸池等構筑物布置在沉淀池、砂濾池下方。松江小昆山水廠一期工程(20萬m3/d)中，取消中間提升后減少水頭損失2．5 m，折合年節電48萬kW·h，節省土地10畝(1畝≈666．666 m2)，占總用地約10%。

2．2 上向流活性炭+砂濾的組合工藝

采用上向流活性炭，水頭損失可控制在50 cm之內，僅為下向流活性炭工藝的1/4。為了保障生物安全性，將砂濾置于上向流活性炭之后，從而工藝流程中可不設中間提升。嘉興市貫涇港水廠二期工程(15萬m3/d)應用該組合工藝，前置的臭氧活性炭去除有機物，后置的砂濾可保障生物安全。

3 新工藝及應用

3．1 集成污泥濃縮功能的沉淀工藝

在斜管加強(斜板)或平流沉淀池的池底，可采用持續推進式水下濃縮排泥設備替代傳統的虹吸式吸泥機，一方面取消為安裝虹吸式吸泥機而設置的大型橫梁，減少了無效過水面積。另一方面底部刮泥機在池底往返運動，堆厚污泥層，增大了污泥固體含量，泥斗內設置水下濃縮排泥設備，使積泥集中于排泥管入口，排泥濃度可提高到2%～3%，滿足污泥離心脫水機或板框壓濾機進泥要求，無需另設調節池、濃縮池。上海市南市水廠改造二期工程(20萬m3/d)應用了集成污泥濃縮功能的斜管加強沉淀工藝，松江小昆山水廠一期工程(20萬m3/d)采用了集成污泥濃縮功能的平流沉淀工藝。

3．2 高效沉淀技術

高效沉淀池具有分離效率高、占地少和集多功能于一體的特點，較平流沉淀池可節省用地40%～50%。并且，底部污泥濃度可達2%～3%，滿足污泥離心脫水機或板框壓濾機進泥要求，從而省去排泥水調節池和污泥濃縮池。近十年，國外的Densadeg和Actiglo等高效澄清池已引進和應用在上海市大型項目［2-3］。近幾年來，中置式高速沉淀池推廣于平湖古橫橋水廠三期工程(5萬m3/d)、紹興應急水廠(20萬 m3/d)、上海青浦第三水廠(10萬m3/d)、連云港三水廠二期工程(10萬m3/d)、山東勝利油田民豐水廠(6萬m3/d)、烏魯木齊紅雁池水廠(10萬m3/d)等一批工程。

3．3 組合沉淀與臭氧上向流活性炭集成技術

該技術將平流沉淀、斜管加強沉淀和上向流活性炭集成于一體，布置緊湊，可充分發揮集中沉淀、高效沉淀和活性炭吸附的協同功能，特別適用于平流沉淀池改造工程。上海市松江二水廠工藝改造工程(20萬m3/d)，在無新增用地可征的條件下，將原有平流沉淀池改造后增設深度處理的功能拓展，無需新建炭吸附池，總投資減少30%，并發揮了后續原有砂濾的生物安全保障作用，出廠水濁度0．25 NTU，色度小于 5，CODMn小于 1．7 mg/L，鐵和錳均小于0．05 mg/L。

3．4 炭吸附砂過濾一體化集成技術

該技術將活性炭吸附和石英砂過濾這兩種獨立的工藝集成于一個單獨的新池型池體，并通過優化濾料級配、濾層厚度、反沖洗方式和強度等，協同完成除濁和去除有機物的功能的同時，保障生物安全性，既明顯節省用地和減少工程投資，又避免了中間水力提升。杭州清泰水廠飲用凈水改造工程(30萬m3/d)應用該池型和集成技術，與常規獨立建設砂濾池相比，用地節省50%，投資減少30%，并取得了良好的出廠水水質，在原址上實現了升級提標的目的。

3．5 高效沉淀和超濾膜組合工藝

膜分離技術是一種精細過濾技術，其主要的特征是能對水中不溶解的細小顆粒物和微生物作較徹底截留，從而可顯著提高出水濁度和衛生安全性。此外，在一定的條件下，可替代傳統沉淀或砂濾工藝，在提升出廠水水質和保障生物安全的同時，設施建設所需的用地也有較大節省。烏魯木齊市紅雁池水廠改擴建項目(10萬m3/d)、上海市青浦第三水廠一期工程(10萬m3/d)等一批工程以高效沉淀技術保障沉后水濁度低于0．8 NTU，應用浸沒式超濾膜，免建了砂濾池。

4 單體集約化設計及應用

構筑物單體之間和單體可采用疊合式、組團式、合建式等進行集約布置。例如，綜合污泥處理設施集水量調節、濃縮、加藥調質、濃縮等多種功能。疊合式是構筑物單體以上層和下層的方式集成。除了傳統的沉淀池下疊清水池，還包括沉淀池下疊加藥間等附屬設施、砂濾池(或活性炭吸附池)下疊清水池或排泥水設施或消毒接觸池、脫水機房下疊污泥平衡池、濃縮池下疊排泥水池和回用水池。組團式是將功能相近的設備布置于同一個構筑物內部，主要包括綜合加藥間(集成預氧化、混凝、絮凝、調質、消毒、應急等的存儲、制備、溶藥、加注系統等)、沖洗泵房(集合生物預氧化、砂濾池、活性炭濾池等沖洗水泵和中間提升泵)、鼓風機房(集成生物預氧化、砂濾池、活性炭濾池等氣沖和曝氣鼓風機)、脫水機房(集合收集、調蓄、提升、脫水、儲存、加藥等)、變配電間(將各個單體的配電裝置布置于一處)等。合建式針對相鄰工藝的單體，除了傳統的絮凝沉淀池，還包括配水井和預臭氧接觸池、后臭氧和中間提升泵房與活性炭濾池、濃縮池和脫水機房。杭州南星水廠飲用凈水技術改造及擴建二期工程(40萬m3/d)包括取水、凈水和排泥水工程，凈水工藝為預臭氧+混凝平流沉淀+砂濾+后臭氧炭吸附+氯氨消毒接觸+清水池，以總體布局優化和密集型疊合集成布置方式，實現原址升級改造，占地僅96畝，用地比同類水廠節省30%，其部分構筑物平剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 砂濾池和炭吸附池綜合構筑物平面圖Fig．1 Layout of Sand Filtration Integrated with GAC Adsorption Pools

圖2 排泥水綜合構筑物剖面圖Fig．2 Section of Integrated Pools for Sludge Water Treatment

5 三維輔助優化

水廠集約化設計中，可借助三維設計，進行創新疊合式集成構筑物、總體布置和豎向設計驗證、碰撞檢查與管線綜合、各專業協同作業等。圖3為某水廠進行改造和擴建工程的基于Autodesk@Revit@三維模型，其中廠區下半部分為一期工程，上半部分為二期工程。

圖3 二期工程的三維模型Fig．3 3D Model of the Second Stage Project

6 結語

(1)針對我國水廠構筑物種類和數量較多的特點，可基于豎向強化、緊湊疊合、平面模塊制定出全流程、全立體、全廠界的給水廠集約化處理設計對策;

(2)凈水流程一次提升、炭吸附砂過濾一體化、現有平流沉淀池升級改造為強化組合沉淀及臭氧上向流活性炭集成技術等多項專有技術能有效實現集約化設計，實現水質提標、節能減排和安全可靠等多重建設目標;

(3)利用三維技術進行可視化集約布置，豐富了傳統凈水處理的低碳理念設計體系，可便捷進行方案驗證與優化。

［1］王如華．現有城鎮水廠技術升級改造面臨的主要問題及對策［J］．凈水技術，2012，31(4):4-6．

［2］周軍，李鐘颯，王晏，等．高效澄清池(Densadeg)用于老水廠工藝改造［J］．中國給水排水，2008，24(18):40-46．

［3］陳艷麗，沈裘昌，王如華，等．臨江水廠擴建工程設計［J］．給水排水，2006，32(1):2-5．