緊湊用地條件下西安東北郊應(yīng)急備用水源地項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)

雷春元，鐘燕敏，倪木子

(1.西安市自來水有限公司，西安 710082；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092)

城市應(yīng)急備用水源是飲用水安全保障的重要措施，《城鎮(zhèn)水務(wù)2035年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出加快應(yīng)急或備用水源建設(shè)，做好地表、地下、河流湖庫等多類水源統(tǒng)籌[1]。目前，我國地下水資源量為8 553.5億m3[2]，地下水作為重要的水資源組成部分，經(jīng)科學(xué)評價(jià)和確定，合理的開發(fā)是可行并有必要的[3]。對于地下水作為應(yīng)急備用水源應(yīng)用的水廠，其水質(zhì)往往伴隨鐵錳超標(biāo)問題，為高效、穩(wěn)定去除鐵錳，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，并加以工程實(shí)踐[4-6]，按照不同工程條件，可對各類技術(shù)進(jìn)行靈活應(yīng)用。與此同時(shí)，城市發(fā)展使得用地在某種程度上成為難以再生的寶貴資源，建設(shè)用地不足、用地指標(biāo)遠(yuǎn)低于國家或行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況正逐漸成為常態(tài)，更加緊湊的總圖布局也能因節(jié)約用地而為項(xiàng)目帶來較好的可實(shí)施性和經(jīng)濟(jì)性。本文基于西安東北郊應(yīng)急備用水源地項(xiàng)目的水廠部分的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)緊湊用地條件下，如何針對項(xiàng)目及水源特點(diǎn)，采用簡潔工藝、高效設(shè)施、疊合布置等方式，實(shí)現(xiàn)在滿足生產(chǎn)、管理等要求的同時(shí)，做到運(yùn)行管理便捷，為類似項(xiàng)目提供一定借鑒。

1 項(xiàng)目背景及工程定位

西安市的城市供水，經(jīng)歷了“以地下水為主”向“以地表水為主，地下水調(diào)峰應(yīng)急”的格局轉(zhuǎn)變。

東北郊水源地位于灞河?xùn)|岸，根據(jù)《西安市城市總體規(guī)劃》和《西安市“十三五”城市供水規(guī)劃》，由于目前受水源限制，市區(qū)高峰供水水量緊張，東北郊水源地?fù)?dān)負(fù)著向市區(qū)東郊區(qū)域的備用供水任務(wù)；在遠(yuǎn)期引漢濟(jì)渭及配套工程通水后，本水源地將轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢叱鞘袘?yīng)急和備用功能的水源工程，在遭遇特大干旱、主水源突發(fā)污染事故等情況下，可作為城市供水的應(yīng)急和備用水源，提高西安主城區(qū)供水安全保障程度。

西安東北郊應(yīng)急備用水源地工程于2019年啟動(dòng)，開發(fā)東北郊水源地這一地下水水源，并建設(shè)水廠以滿足應(yīng)急供水和向市區(qū)調(diào)峰需求，充分發(fā)揮地下水源作為城市應(yīng)急和備用水源的供水能力。

2 工程規(guī)模及主要內(nèi)容

根據(jù)供水規(guī)劃，本工程規(guī)模為10×104m3/d，包含新建地下水水源地以及凈水廠、原水輸水管線、清水管線等配套設(shè)施。

水源地分段村和東北郊兩處，其中東北郊水源地原水產(chǎn)水量占本工程原水量的76%，段村水源地原水產(chǎn)水量占本工程原水量的24%。水廠選址位于浐灞生態(tài)區(qū)，用地條件受限，用地面積僅為15畝(10 000 m2)，遠(yuǎn)小于同類工程用地面積和國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 原水水質(zhì)及工藝路線

3.1 原水水質(zhì)情況

本工程76%的原水量都來自東北郊水源地，因此，原水水質(zhì)分析結(jié)論仍應(yīng)以東北郊水源地為主。

根據(jù)東北郊水源地2015年—2016年枯、豐二期探采結(jié)合井的水樣檢測結(jié)果，總體來看，東北郊水源地的淺層和深層承壓井水質(zhì)良好，基本符合國家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的要求，渾濁度最高為3.7 NTU，總大腸菌群最高為260 MPN/(100 mL)，淺層承壓井存在錳超標(biāo)的情況。

地下水水源經(jīng)開采并長期運(yùn)行后，水質(zhì)可能會(huì)受補(bǔ)給的影響而發(fā)生變化。因此，參考西安市長期運(yùn)行的地下水源水質(zhì)情況，地下水源地的原水水質(zhì)綜合狀況較好，細(xì)菌總數(shù)、大腸桿菌群、渾濁度、錳等指標(biāo)存在超標(biāo)現(xiàn)象，渾濁度最高可能接近10 NTU。水質(zhì)受有機(jī)污染的風(fēng)險(xiǎn)較小，但錳、氨氮、亞硝氮等指標(biāo)的污染風(fēng)險(xiǎn)較高，其中，氨氮可能升高至1.0 mg/L，并存在嗅味和生物絮體暴發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 原水中主要目標(biāo)污染物分析

通過原水水質(zhì)分析，本工程主要特征污染物指標(biāo)及設(shè)計(jì)取值如表1所示。

表1 主要特征污染物指標(biāo)Tab.1 Indicators of Main Characteristic Pollutants

3.3 凈水工藝分析及確定

綜上所述，本工程近期凈水工藝以去除錳、去除渾濁度、殺滅微生物為主要目標(biāo)。同時(shí)，隨著水源地長期運(yùn)行，地下水氨氮、亞硝氮等指標(biāo)存在升高風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)留有適當(dāng)預(yù)防措施。另外，工藝的選擇，也應(yīng)適應(yīng)工程用地條件，做到簡潔、節(jié)地。

由于地下水總體渾濁度較低，可直接采用砂濾進(jìn)行除濁；細(xì)菌指標(biāo)采用次氯酸鈉投加確保出水衛(wèi)生安全。對于錳的去除，是工藝選擇的要點(diǎn)。

工程上常用的除錳工藝有化學(xué)氧化法(氯或高錳酸鹽)、接觸氧化法和生物氧化法等[4,6-8]。由于生物氧化法一般濾速在5～6 m/h[4-5]，本工程用地受限不適用，故擬采用化學(xué)氧化法和接觸氧化法結(jié)合進(jìn)行除錳。在接觸氧化前增加化學(xué)氧化工藝，可提升接觸除錳效果啟動(dòng)速度，同時(shí)可保障穩(wěn)定的除錳效果。

化學(xué)氧化劑選擇了消毒副產(chǎn)物生成風(fēng)險(xiǎn)低、可加速錳質(zhì)濾膜生成、存儲(chǔ)較為安全的高錳酸鹽。待濾料表面形成成熟的錳質(zhì)濾膜后，可少加或不再投加高錳酸鹽氧化劑。

參考當(dāng)?shù)仡愃频叵滤催\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，工藝預(yù)留了可能發(fā)生的原水氨氮、亞硝酸鹽氮升高的應(yīng)對措施——曝氣單元遠(yuǎn)期視需要可增加懸浮填料，以實(shí)現(xiàn)生物除氮。

綜上分析，適合于東北郊水廠的凈水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 東北郊水廠凈水工藝流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Process Flow of Northeast WTP Water Purification Plant

4 水廠主要單體及設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 鼓風(fēng)曝氣池

設(shè)曝氣接觸氧化池1座，分可獨(dú)立運(yùn)行的2格，對稱布置，下疊清水池，如圖2、圖3所示。為應(yīng)對今后地下水水質(zhì)可能發(fā)生的惡化情況，曝氣池設(shè)計(jì)預(yù)留增加懸浮填料球填充的可能，以增強(qiáng)氨氮去除效果。接觸氧化時(shí)間約為30 min，有效水深為5.3 m，設(shè)計(jì)最大氣水比為0.5∶1。曝氣接觸氧化池分為3道，設(shè)置上下翻水堰，分段曝氣。

圖2 曝氣接觸氧化池平面圖 (下疊清水池)Fig.2 Plan View of Aeration Contact Oxidation Tank (Clear Water Reservoir Overlapped)

圖3 曝氣接觸氧化池平面剖面圖 (下疊清水池)Fig.3 Section View of Aeration Contact Oxidation Tank (Clear Water Reservoir Overlapped)

4.2 翻板濾池

由于翻板濾池采用翻板閥排水，濾格內(nèi)不設(shè)中央排水渠，較V型濾池節(jié)地約10%，因此，本工程過濾采用1座翻板濾池，下疊清水池，平剖面如圖4、圖5所示。濾池共分6格，單格過濾面積為96 m2，設(shè)計(jì)濾速為7.6 m/h，強(qiáng)制濾速為9.1 m/h。濾料采用均質(zhì)石英砂濾料，D10=0.85 mm，不均勻系數(shù)K80=1.4，厚度為1.3 m；承托層采用3.0～12.0 mm分層礫石，厚度為0.45 m。沖洗水源來自屋頂水箱，水沖強(qiáng)度調(diào)節(jié)通過沖洗水總管及單格濾池進(jìn)水管上的電動(dòng)調(diào)流閥門聯(lián)合控制。

圖4 翻板濾池平面圖 (下疊清水池)Fig.4 Plan View of Shutter Filter (Clear Water Reservoir Overlapped)

圖5 翻板濾池(下疊清水池)剖面圖Fig.5 Section View of Shutter Filter (Clear Water Reservoir Overlapped)

4.3 清水池

本工程共設(shè)有3座清水池，分別疊建于鼓風(fēng)曝氣池、翻板濾池、綜合加藥間下方，串聯(lián)運(yùn)行，總有效容積共14 600 m3，達(dá)到設(shè)計(jì)水量的14.6%。為節(jié)約用地，下疊清水池采用了5.5～6.3 m的有效水深。清水池兼用于消毒接觸，內(nèi)部廊道總長與單寬比不小于50。

3座清水池通過管路切換，可在任一座清水池進(jìn)行清洗時(shí)對其進(jìn)行超越。

4.4 吸水井及二級泵房

設(shè)吸水井和二級泵房1座，時(shí)變化系數(shù)為1.3，與配電間合建，其中變頻器室上疊于吸水井上。泵房內(nèi)設(shè)4組泵機(jī)，3用1備。單泵流量為1 810 m3/h，揚(yáng)程為75 m，功率為560 kW，全變頻。

4.5 綜合加藥間

綜合加藥間內(nèi)設(shè)置高錳酸鹽和加氯裝置，與機(jī)修倉庫、水質(zhì)化驗(yàn)間、水源熱泵機(jī)房合建，并下疊清水池。

高錳酸鹽投加采用外購的1%商品液，最大加注量為1.0 mg/L；高錳酸鹽投加點(diǎn)設(shè)置在曝氣池前、后，可以切換運(yùn)行；次氯酸鈉采用外購商品液稀釋至5%投加。水廠設(shè)前加氯、主加氯和后補(bǔ)氯，全廠最大總加氯量為2.5 mg/L。

4.6 綜合附屬車間

綜合附屬車間包含鼓風(fēng)機(jī)房、脫水機(jī)房和排水池等。

鼓風(fēng)機(jī)房位于綜合附屬車間北端，用于曝氣接觸池充氧和濾池反沖洗。

排水池下疊于鼓風(fēng)機(jī)房和配電間下，分為獨(dú)立2格，用于收集濾池反沖洗水和初濾水，提升廢水至造粒流化床濃縮池處理。

脫水機(jī)房布置有用于濃縮的造粒流化床和離心脫水機(jī)等設(shè)備。脫水機(jī)房內(nèi)設(shè)造粒流化床設(shè)備2套、離心脫水機(jī)1臺(tái)。

4.7 自控系統(tǒng)

水廠自動(dòng)化系統(tǒng)為以PLC控制為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)，水廠設(shè)備的軟硬件及系統(tǒng)配置按現(xiàn)場無人值守，水廠中心控制室集中管理運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。水源地自動(dòng)化系統(tǒng)按分散控制、集中管理進(jìn)行考慮。

5 水廠總平設(shè)計(jì)及用地

水廠占地面積15畝(10 000 m2)，因此，水廠總平采用了緊湊布置方式，布置如圖6、圖7所示。生產(chǎn)區(qū)曝氣池、濾池及送水泵房位于廠區(qū)正中央，東側(cè)為綜合輔助車間，西北角上為加藥間，清水池疊建于各單體下方。管理區(qū)位于西南角，設(shè)綜合管理樓。

圖6 水廠總平面布置圖Fig.6 General Plan of the WTP

注：標(biāo)高單位為m圖7 水廠高程布置圖Fig.7 Elevation Plan of the WTP

為滿足廠區(qū)內(nèi)管線埋設(shè)需求和方便運(yùn)行檢修，在二級泵房南側(cè)道路下設(shè)地下管溝，用于安裝大口徑生產(chǎn)管路及控制閥門。

6 經(jīng)濟(jì)分析

水廠通過高度集約化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)急備用水源地項(xiàng)目水廠制水規(guī)模目標(biāo)，也在一定程度上增加了投資和運(yùn)營成本，但分析表明，投資是可接受的。

6.1 噸水投資指標(biāo)

本次工程直接費(fèi)用合計(jì)48 097.02萬元，建設(shè)項(xiàng)目總投資為65 238.53萬元。其中，水廠部分工程費(fèi)用為18 033.04萬元，折合投資指標(biāo)為1 803.20元/m3。

6.2 財(cái)務(wù)評價(jià)

根據(jù)測算，東北郊水廠達(dá)產(chǎn)后，單位制水成本為2.123元/m3。其中，單位制水可變成本為0.64元/m3。

6.3 用地指標(biāo)

水廠在1.0×104m2用地條件下布置了10×104m3/d規(guī)模具備曝氣、過濾、消毒、調(diào)蓄功能的地下水水廠，用地指標(biāo)為0.1 m2/(m3·d)，僅是《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》(GB 50282—2016)表7.0.6中地下水廠指標(biāo)0.30 m2/(m3·d)的1/3，并充分滿足了凈水、調(diào)蓄、運(yùn)行、管理等要求，實(shí)現(xiàn)了土地和地下空間的高效利用。

6.4 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

對水廠部分不同用地條件的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，由表2可知,由于緊湊用地條件下水廠雖然工程費(fèi)用有所增加，但征地及拆遷費(fèi)用顯著降低，且埋深增加對年運(yùn)行費(fèi)用影響有限，故在經(jīng)濟(jì)性方面，考慮到日益緊張的土地資源成本，緊湊用地形式的布置具有顯著優(yōu)勢。

表2 不同用地條件水廠經(jīng)濟(jì)性比較Tab.2 Economic Comparison of the WTP under Different Land Use Conditions

7 結(jié)語

(1)作為重要的水資源組成，西安以東北郊和段村地下水作為城市常規(guī)水源的補(bǔ)充，作為應(yīng)急水源和備用水源，既符合限制地下水資源開發(fā)的方針，又可提升城市應(yīng)對常用水源突發(fā)事件能力、緩解現(xiàn)階段地表水在高峰時(shí)段的不足，可供其他城市應(yīng)急或備用水源建設(shè)作為借鑒。

(2)結(jié)合原水水質(zhì)特點(diǎn)和當(dāng)?shù)氐叵滤畯S運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水廠工藝選用了“高錳酸鹽預(yù)氧化/曝氣氧化池+砂濾池+氯消毒”，并為遠(yuǎn)期可能產(chǎn)生的原水水質(zhì)變化，預(yù)留了將曝氣氧化池轉(zhuǎn)變?yōu)樯锝佑|氧化池的工程措施。

(3)由于用地限制，以及項(xiàng)目定位為城市供水的應(yīng)急和備用，單體設(shè)計(jì)采取了疊建和加大池深等方式，土建投資和日常運(yùn)行費(fèi)用較常規(guī)的水廠略有增高，但考慮征地費(fèi)用后經(jīng)濟(jì)性較為顯著，工程建設(shè)項(xiàng)目總投資為65 238.53萬元，單位制水成本為2.123元/m3，其中單位制水可變成本為0.64元/m3。

(4)本工程用地指標(biāo)僅為0.1 m2/(m3·d)，遠(yuǎn)低于國家規(guī)范要求的用地指標(biāo)。在緊湊用地條件下，設(shè)計(jì)采用以下多重措施，實(shí)現(xiàn)在滿足生產(chǎn)、管理等要求的同時(shí)，做到運(yùn)行管理便捷，真正做到“空間疊合，功能完備”：在保障供水及水質(zhì)安全的前提下采用簡潔工藝；采用翻板濾池、造粒流化床、疊螺機(jī)等節(jié)地高效池型和設(shè)備設(shè)施；采用加大池深、單體疊建方式進(jìn)行地下空間高效利用；借鑒綜合管廊思路，在管線密集區(qū)域設(shè)置地下管溝，便于施工、檢修；設(shè)備及控制采用較高自動(dòng)化水平，適應(yīng)疊建設(shè)施運(yùn)行需求，并提升控制效率。