供水工程中凈水工藝和高揚程泵站設計及運行改進措施

馬　浩　張　樂　王全鋒

（1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南　鄭州　450000，2.駐馬店市市政工程勘測設計處，河南　駐馬店　463000）

供水工程中凈水工藝和高揚程泵站設計及運行改進措施

馬浩1張樂2王全鋒1

（1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州450000，2.駐馬店市市政工程勘測設計處，河南駐馬店463000）

以甘肅省慶陽市某縣城凈水處理工藝和高揚程泵站設計及對運行過程出現問題的改進措施為例，從凈水工藝中對冬季低溫低濁、汛期高泥沙含量、自沖洗無閥濾池的工藝改進，300m高揚程泵站水錘防護及設計難點，水廠運行中出現問題的改進措施入手，分析典型工程案例中設計重難點及經驗，為類似的工程提供借鑒。關鍵詞：凈水工藝；高揚程泵站；無閥濾池；平流沉砂池；低溫低濁

1　項目概況

本供水工程項目于2009年3月開始勘測設計工作，于2011年4月建成試運行。供水工程設計規模8 000m3/d，主要由水庫取水口、輸配水管道、凈水處理廠、高揚程泵站等組成。凈水處理系統采用地表水強化常規處理工藝措施，選擇平流沉砂池、微絮凝網格絮凝池、斜管沉淀、改進型自沖無閥濾池等處理工藝，解決該縣城及周邊群眾生活用水困難問題。

2　凈水工藝設計分析

2.1冬季低溫低濁水工藝處理措施

根據該縣氣象觀測資料統計分析，該區域多年平均氣溫9.0℃，極端最高氣溫35.5℃，極端最低氣溫-20.9℃，最大凍土層91cm。因此，除了常規處理外，低溫低濁水處理成了設計中的關鍵問題之一。

針對冬季低溫低濁水源，在絮凝池設計時采用高效箱式網格反應器［1］，使水流產生高頻譜渦旋，為藥劑與水中的顆粒充分接觸提供微水動力學條件，產生密實的礬花，絮凝時間為16.2min。

針對冬季低溫低濁水源，將絮凝沉淀池建在廠房內，冬季增設供暖設施，采暖面積熱指標設計按90W/m2進行設計計算。保溫廠房下部結構采用框架結構，上部采用輕型鋼屋架，屋面采用壓型鋼板。絮凝池廠房長27.0m、寬21.0m，建筑高度為11.1m，建筑面積552.3m2。

由于該地區屬于寒冷地區，極端最低氣溫-21℃，通過采取上述措施后，出水水質較好。

2.2汛期平流沉砂池處理泥沙工藝設計

針對在汛期原水泥沙含量高，不便于凈水工藝的后續處理，在混凝沉淀工藝之前增設沉沙池，對原水中的懸浮物和細沙有一定的去除作用。同時，在沉砂池前預加氯，投加量為2mg/L，在水流經過沉砂池時充分混合，增加液氯與水體的接觸時間，從而增強預氧化和殺菌的效果。平流沉沙池池長30.0m，單格寬5.0m（共2格），有效水深3.0m，流速為3.0mm/s，沉降時間為2.0h。

2.3自沖洗式無閥濾池改進型工藝設計

無閥濾池是一種不需設置閥門，運行完全由水力自動控制的濾池，反沖洗等依靠虹吸管段自動完成，操作管理方便，運行穩定，土建設備投資低，出水水質好，特別對于中小型水廠，無閥濾池是一種理想的選擇池型。本項目共設置4格，設計處理規模8 000m3/d，設計濾速8m/s；單格面積10.3m2；池型尺寸3.30m×3.30m×4.75m。本項目在傳統無閥濾池的基礎上進行改良，以減少基建投資，改善出水水質，便于運行管理。

在傳統的無閥濾池基礎上，對無閥濾池進水分配箱進行優化設計，將斜管沉淀池出水管道直接同無閥濾池的進水管道相連，在均勻進水的基礎上，減少土建工程量，而且運行管理方便。

在傳統的無閥濾池基礎上，對無閥濾池進水方式進行優化設計，將進水方式改為濾料層上部側向進水，避免了上方進水對濾料的沖擊，保持濾層平整，同時側向進水還能減少反沖洗用水量，節約水資源；增加進水分配器，提高布水均勻性，減少濾池堵塞，提高出水水質。

在傳統的無閥濾池基礎上，對無閥濾池反沖洗系統進行優化，改進虹吸輔助管的接管方式，減少形成虹吸時間，減少水量損耗；將虹吸破壞斗改為小孔眼虹吸破壞器，有利于不同粒徑濾料分層沉降，從而提高過濾后出水水質。

通過上述改良措施，濾池在運行過程中更加穩定，出水水質較好，管理更加方便。

2.4清水池的冬季保溫措施

水廠內共布置2座清水池，總容積1 600m3，占凈水廠設計規模的20%。單座清水池有效容積為800m3，兩池并排布置，池外壁間隔50mm，采用聚乙烯泡沫板填塞。清水池采用現澆鋼筋混凝土無梁板結構，混凝土標號為C25，平面尺寸19.30m×11.70m，壁厚0.25m，頂板厚0.18m，底板厚0.25m，池體總高4.43m，有效水深3.80m。清水池基礎為挖方基礎，水池底板下墊0.10m厚C10素混凝土墊層，基礎設計地基承載力為12t/m2。基礎底面以下1.00m深度范圍內濕陷性黃土采用翻夯處理。

清水池外砌二四保溫磚墻，墻頂高出水池頂板頂面1.20m，磚墻與水池頂之間采用預制混凝土板搭接，磚墻和水池外壁之間形成0.50m的空氣隔熱保溫層。池頂覆土厚1.00m。

3　高揚程泵站設計分析

3.1高揚程泵站的設計

由于加壓泵站地面高程1 110.80m，高位水池地面高程1 386.30m，高位水池和凈水廠加壓泵站間地形高差起伏較大，且此段輸水管道距離為5.73km，經過技術、經濟和現狀分析，最終采用一級加壓方案為推薦方案。加壓泵站主水泵采用單吸多級離心泵，單泵設計流量155m3/h，揚程300.00m，配套功率220kW，共4臺多級離心泵，3用1備。

由于輸水管道的工作壓力較大、沿線線路復雜，水錘的防護措施成為安全供水的關鍵因素之一。因此，泵站和輸水線路的設計方案，主要采用防止正水錘和負水錘相結合的措施進行水錘防護。

3.2高揚程泵站的水錘防護

對正水錘的防護，主要在水泵的出口安裝液控止回蝶閥。當水泵斷電，水倒流，閥門在重錘作用下，先快關截斷大部分水流，防止水泵倒轉，然后在動水力和重錘力混合作用下緩慢關至全關，減免水錘現象引起的水壓增高。泵出口設分段關閉的液控止回蝶閥，其關閉規律為快關2.5s（閥門開度由90°關至15°），慢關5.0s（閥門開度由15°關至0°），拐點開度15°。

對于負水錘的防護，主要采取在泵房內安裝防水錘氣壓罐和輸水管道沿線安裝復合式進排氣閥的措施。在管道沿線的凸起點或管道輸水一定距離（約1.0km設置1個）時設置復合式進排氣閥。在泵站內設置1個防水錘氣壓罐，空氣壓力罐有效容積約為20m3，直徑2.5m，高4.0m。空氣罐壓縮氣體初始容積V0≥10m3，方能滿足全管線無負壓。

4　供水工程運行過程改進措施

4.1水泵出口金屬軟管弊端及改進措施

水泵出口伸縮傳力接頭與水泵進行硬性連接，有時水泵廠家為了減少水泵泵體受力，在水泵的出口增加金屬軟管，由于金屬軟管同出水管的連接處在泵房內設置鎮墩較為困難，因此將為水泵的打壓實驗和后期運行帶來危險。由于是高壓管道，水泵出口的閥門應采用硬性連接，考慮到檢修的方便，可安裝伸縮傳力接頭。

4.2無閥濾池持續反洗問題解決方案

本供水工程項目自2012年4月試運行至今，已經運行近4a，期間無閥濾池出現了一直反沖洗無法自動停止的現象。經對無閥濾池放空排查原因發現，濾池內濾料略有板結，造成濾池水頭損失增大；虹吸破壞管內銹蝕嚴重，影響了虹吸破壞管進水進氣。針對上述現象，對無閥濾池虹吸破壞管管頂增加三通和閥門作為虹吸強制破壞閥，對銹蝕的虹吸破壞管進行更換，同時對濾料進行更換或者清洗，絮凝沉淀池進行正常加藥。

經過上述措施，解決了濾池持續反沖洗問題，從而保證水廠的正常運行。

4.3自動控制與定期巡檢

自動控制系統本著技術先進、性能可靠、自動化水平高、兼容性強與性能價格比優的原則進行設計，采用計算機監控管理，分散就地控制和集中控制相結合的方式，由主控層（上位計算機）、現地控制單元、監測儀表、執行元件組成一個完整的自動化控制系統。現地控制單元的運行自成系統，控制本系統的運行和數據的采集，并且可通過網絡系統將數據傳到中控室的上位計算機。

水廠內進水水質、出水水質、各個構筑物內的液位、水泵的運行及停止等均實行了自動化檢測與控制裝置，這在運行管理上可以節省人力成本。但是，由于自動化檢測原件的準確度及設備老化等，要定期對檢測設備進行校對和巡檢，以防止因水廠內檢測設備的不能使用而造成生產事故的發生。

5　結論與建議

①本凈水工程采用絮凝、沉淀、過濾等工藝設計，工程施工及運行管理已經將近4a，為該縣城提供了安全的飲用水，經過運行及管理實踐，水廠工藝較為穩定，出水水質較好。因此，本凈水工藝及運行管理過程中出現的問題可以供相關專業人員交流學習之用。

②本凈水工程泵站一次加壓300m揚程，輸水線路5.73km，屬于高揚程復雜線路供水泵站。運行實踐表明，水錘防護措施是安全的、可靠的，可以供相關專業進行交流。

③水廠運行管理中發現的濾池反沖洗及泵站出口金屬軟管問題得到了有效的解決，這也說明設計完成后要提供后續跟蹤服務，以彌補設計及施工過程中的不足。

Water Purification Process and High Lift Pumping Station Design and Operation Improvement Measures in Water Supply Project

Ma Hao1Zhang Le2Wang Quanfeng1
（1.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450000；
2.Zhumadian Municipal Engineering Survey and Design Office，Zhumadian Henan 463000）

Taking a county town of qingyang city，gansu province water purification treatment technology and high-lift pump station design and the improvement measures as an example，from the operation process problems from water purification process on the winter low temperature and low turbidity and high sediment concentration，since the flush valve filter process improvement and 300 m high lift pumping water hammer protection and the design difficulty，the improvement measures of problems in the operation of the plant，the typical case difficult point in the design and engineering experience was analyzed，to provide reference for similar projects.

water purification technology；high-lift pumping station；non valve filter；flat flow grit chamber；low temperature and low turbidity

TU991.22

A

1003-5168（2016）05-0092-03

2016-04-12

馬浩（1982-），男，碩士，工程師，研究方向：供水、排水及海綿城市建設項目的設計及科研工作。

［1］王鶴立，肖樹宏，赫俊國，等.常規混凝沉淀給水處理工藝的強化［J］.給水排水，1999（6）：1-4.