溧陽市區域供水改造提升工程設計

汪 勇， 熊順華， 黃 皓， 王植林,2， 羅宏偉,2， 李鵬程,2

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司 南京分院， 江蘇 南京 210012； 2.南京工業大學城市建設學院， 江蘇 南京 211816)

1 項目概況

溧陽市域隨著區域供水的逐步推進，面臨著水廠出水難以滿足新的水質標準要求、水廠建設缺乏指導性、水質檢測手段落后、控制管理水平較低、應對水源水質變化的能力較差等問題。為解決現狀問題，根據《溧陽市區域供水工程規劃(修編)》建設天目湖水廠，規劃供水管網，區域供水范圍內總面積約為381.65 km2，規劃服務人口約為10.2萬人(常住)。通過水量預測，區域供水工程規模8.0×104m3/d(天目湖水廠范圍)，占地39 762.67 m2。

2 設計規模和進出、水水質

所建設的凈水廠設在天目湖鎮區，工程設計規模為近期供水規模4.0×104m3/d，遠期供水規模8.0×104m3/d，取用沙河水庫地表水作為原水。原水濁度較低，月平均濁度在10 NTU以下，呈典型的水庫低濁狀態。氨氮一般低于0.25 mg/L，高錳酸鹽指數基本在2.0～3.9 mg/L，化學需氧量和生化需氧量分別為10.4～13.9和1.4～3.0 mg/L， 總氮小于0.50 mg/L。

近年來，庫區水體藻類、生物類數量有所增加，水體向中度富營養化發展，總體上基本符合《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅱ～Ⅲ類水質標準，凈水廠出水水質達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)[1]。

3 區域供水提升工程設計

3.1 取水管網設計

取水管線的設計原則為：盡量縮短管線的長度，盡量避開不良地質構造處；減少拆遷，少占良田，少毀植被，保護環境；施工、維護方便，節省造價，運行安全可靠。本次供水管道設計時轉輸流量的時變化系數取1.2，沿線流量的時變化系數取1.4～2.5。根據取水頭部現狀和天目湖水廠的位置，按8.0×104m3/d的規模一次性設計建設沙河水庫取水口到天目湖水廠的取水管。天目湖凈水廠的取水管從現有DN1400取水管上接出，采用D1420×12鋼管，沿干渠渠底——天目路向南敷設至天目湖凈水廠，全長約1.3 km。

3.2 凈水廠工程設計

3.2.1 工藝設計

凈水工藝方案的設計應針對原水水質特點，以最低的基建投資和經常運行費用達到要求的出水水質。為了滿足安全可靠供水，工程采用化學預處理+常規處理+深度處理工藝。根據原水水質，預處理工藝采用預臭氧氧化技術，并采用高錳酸鉀預氧化技術作為應急處理；深度處理工藝采用臭氧-生物活性炭(BAC)技術；排泥水處理工藝采用沉淀池排泥水和反沖洗濾池廢水分別處理[2]。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 凈水工藝流程Fig.1 Flow chart of water purification process

3.2.2 構筑物設計

① 預臭氧接觸池

預臭氧處理的目的是利用臭氧的強氧化能力，對常規處理工藝進行強化，以提高出廠水水質。預臭氧可取代前加氯，減少氯消毒副產物，對原水中的藻類也有較好的去除作用。

設計預臭氧接觸池1座，規模為8.0×104m3/d，接觸池分為2格，平面尺寸為19.25 m×11.5 m，包括進水區、接觸區和出水區，有效水深為5.5 m。采用射流擴散器結合水射器方式投加臭氧，投加量為0.5～1.0 mg/L,臭氧接觸時間為4.24 min。設置5臺取水提升泵，近期安裝3臺，2用1備。

② 折板絮凝平流沉淀池

設計規模為4×104m3/d，共分為2組。單組規模為2×104m3/d，包括2座混合池、2座折板反應池、2座沉淀池。采用機械混合方式，混合池總停留時間32.4 s，攪拌速度梯度為976 s-1。考慮到工程原水為水庫水，冬季屬于低溫低濁水，采用三氯化鐵作為混凝劑，對濁度的去除效果較好。

絮凝采用折板反應池，每組反應池設2個通道，反應池型式為平行多廊道單通道折板反應池。設計流量為0.25 m3/s，絮凝時間取25.5 min，平面尺寸為16.23 m×6.8 m，反應池分為3個絮凝區，平均有效水深H=3.5 m。3個絮凝區折板間的水流速度和水流速度梯度如表2所示。為排除絮凝池以及末端配水渠中的沉泥，在每個廊道和配水渠內設有排泥放空管(穿孔排泥管)，管徑為DN200 mm，通過電磁閥控制排泥閥排泥。

表1 絮凝區水流速度和速度梯度Tab.1 Water flow velocity and velocity gradient in flocculation area

沉淀池采用平流沉淀池，與反應池合建，每組沉淀池分為2座單池，單池設計流量Q=0.25 m3/s，沉淀時間為2.5 h，水平流速v=9.89 mm/s，單池平面尺寸為89 m×15.7 m，有效水深為3.65 m。沉淀池采用指形槽出水，指形槽伸入池內22 m，堰負荷為120 m3/(m·d)。

每座平流沉淀池上設有1臺桁車式虹吸排泥機，軌距Lk=7.15 m，沉淀污泥重力排至廠區內的排泥池。

③ 砂濾池

V型濾池采用粒徑較粗、厚度較大的濾層以增加過濾周期，由于反沖洗時濾層不膨脹，故整個濾層在深度方向的粒徑分布基本均勻，不發生水力分級現象，使濾層含污能力提高，出水水質好，運行管理經驗成熟可靠。砂濾池采用V型濾池，近期建設1座，設計規模為4.0×104m3/d。設計流量為1 833 m3/h，設計濾速為7.8 m/h,設計濾池格數為4格，總過濾面積為224 m2，砂濾池池體部分平面尺寸為30.55 m×20.20 m，砂濾池采用旁邊廊道式布置，管廊部分為二層建筑，上層為操作層，下層為管廊層。濾料采用單層石英砂均粒濾料，有效粒徑d10=0.9～1.2 mm，均勻系數K60<1.6，濾料層厚1.40 m。承托層采用礫石，粒徑為2～4 mm，厚100 mm。

反沖洗方式采用單氣沖—氣水共沖—單水沖，反沖洗時間為15 min，反沖洗周期為24～36 h，反沖洗系統采用長柄濾頭配水系統。反沖洗時間和強度如表2所示。

濾池的進水管、反沖洗進水管和濾池排水出水管上均設有氣動蝶閥，濾池出水管上設有氣動調節閥，反沖洗排水采用氣動閘板閥。在濾池內設有液位計和水頭損失儀。濾池運行由PLC控制，在過濾過程中根據濾池內的水位變化情況，自動調節濾池出水管上氣動調節閥的開啟度。當濾池過濾時間或水頭損失達到設定值時，濾池自動進行反沖洗。濾池反沖洗排水排入廠內回用水池，最終回流至混合池。

表2 反沖洗強度和時間Tab.2 Backwashing intensity and time

④ 后臭氧接觸池

設后臭氧接觸池1座，與炭濾池合建，建設規模4.0×104m3/d，平面尺寸為15.5 m×6.6 m，分為2格，有效水深6.0 m。臭氧投加量在1.5～2.0 mg/L，接觸時間為11.52 min。每池內設計成4段，并在第一、第二和第三段內設有陶瓷細泡擴散盤。為消除接觸池排到環境空氣中的尾氣中的臭氧，在臭氧接觸池安裝有臭氧破壞器，以使尾氣中的殘留臭氧濃度低于0.1 mg/L。

⑤ 活性炭濾池

活性炭濾池采用V型濾池，近期建設1座，設計規模為4.0×104m3/d。設計流量為1 833 m3/h，空床濾速為8.68 m/h，過濾面積為201.6 m2，共4個濾池，空床接觸時間為13.8 min。反沖洗方式采用單氣沖—單水沖，氣沖強度為15 L/(m2·s)，水沖強度為10 L/(m2·s)，反沖洗周期≥6 d。

炭吸附池濾料為活性炭和石英砂，采用煤質壓塊破碎活性炭，吸附池為單排布置，吸附池平面尺寸為30.55 m×19.2 m。

⑥ 清水池

工程近期新建1座清水池，清水池平面尺寸為71.1 m×42.03 m，有效水深為4.0 m，有效容積為1.07×104m3，為水廠設計規模的26.75%。在清水池前后投加次氯酸鈉作為消毒劑。

⑦ 送水泵房

工程送水泵房土建規模為8.0×104m3/d，設備安裝規模為4.0×104m3/d。送水泵房內設5套臥式離心泵，單排布置，近期安裝3套，2用1備，均配置變頻。單泵流量Q=1 361 m3/h，揚程H=55 m，配套電機功率N=280 kW。送水泵房為半地下式，水泵啟動方式為半自灌啟動。當清水池為低水位時水泵采用抽真空起動，故泵房內設有1套真空啟動系統。泵房內還設有排水泵和起吊設備[3]。

⑧ 儲液池及加藥間

工程新建儲液池1座，用于存放成品藥劑，分為4格，每格可以獨立運行和放空。其中2格儲存次氯酸鈉原液，有效氯濃度為5%，按遠期規模7 d藥劑用量設計；另2格儲存三氯化鐵原液，濃度為30%～40%，按遠期規模14 d藥劑用量設計。每格內設置耐腐蝕自吸泵2套，1用1備。儲液池有效水深為2.5 m，單格平面尺寸為5.0 m×3.0 m，有效池容約為37.5 m3。

次氯酸鈉采用成品原液稀釋后投加，投加濃度為1%。加藥間(次氯酸鈉投加單元)設次氯酸鈉溶液池2座，單座平面尺寸為2.2 m×2.2 m，有效水深約為2.0 m，超高0.5 m，單座有效容積約9.68 m3，每座溶液池內設置攪拌機1套，N=1.1 kW。水廠共設2個加氯點，分為前加氯和補氯。

混凝劑加藥間(混凝劑投加單元)設混凝劑溶液池2座，單座平面尺寸為2.2 m×2.2 m，有效水深約為2.0 m，超高0.5 m，單座有效容積約為9.68 m3。每座溶液池內設置攪拌機1套，N=1.1 kW。絮凝劑投加點位于混合池，投加濃度為5%～10%。

⑨ 臭氧發生器間

臭氧發生器間及液氧站設計土建規模8.0×104m3/d，設備安裝規模4.0×104m3/d。臭氧發生器間包括臭氧發生器設備間、配電間等，平面尺寸為25.0 m×11.4 m。預臭氧設2個投加點，分別設在2組預臭氧接觸池內，采用水射器投加；后臭氧共設2個投加點，分別設在2組后臭氧接觸池內。

臭氧產量為5 kg/h，臭氧濃度為148 g/Nm3，露點≤-65℃。臭氧發生器的冷卻采用閉式循環冷卻系統，在發生器間內設置2臺熱交換器，2用。在水泵間內設置2臺循環冷卻水泵，1用1備。臭氧發生器的產量可以根據水廠中控室提供的水流量信號確定，也可以通過事先設定的水中余臭氧濃度進行反饋控制。

3.2.3 供水管網設計

供水管線的設計原則同取水管道，對輸水方式、管道根數按不同的工況進行技術經濟分析論證，選擇安全可靠的運行系統，根據工程具體情況進行管材設備比選優化，通過計算經濟流速確定管徑等。溧陽市南部山區供水工程管網按8×104m3/d規模一次建設到位。供水管道設計中轉輸流量的時變化系數取1.2，沿線流量的時變化系數取1.4～2.5。主管網供水管線總長為39.33 km，具體見表3。

表3 區域供水工程清水主管網Tab.3 Main clear water supply pipeline network of regional water supply project

工程區域供水主管網均采用球墨鑄鐵管，穿越障礙物如省道、高速公路、鐵路、較大河流等處或地質條件復雜處時，采用螺旋埋弧焊鋼管。二、三級管網管徑大于DN200(含DN200)均采用球墨鑄鐵管，小于DN200管道均采用實壁PE管。供水增壓站采用無負壓增壓供水形式，增大管道直徑和壁厚或者采用防止水錘能力較好的止回閥，以防止水錘的發生，增壓站消毒補氯方式采用次氯酸鈉。

4 工程概算

項目總投資為52 249.63萬元，供水規模為4×104m3/d，根據供水成本的估算，項目單位經營成本為0.92元/m3，單位總成本為1.28元/m3。

5 結語

凈水廠采用預處理+常規處理+深度處理工藝，預處理工藝為預臭氧，常規處理工藝為機械混合折板絮凝平流沉淀池+V型濾池，深度處理工藝為

臭氧-生物活性炭聯用工藝。排泥水處理采用重力濃縮+機械脫水，泥餅外運處置。區域供水工程新建渾水管線1根，管徑DN1400，總長約1.3 km；新建清水主管網39.33 km，管徑為DN300～DN800；新建二級管網292.15 km，區域供水三級管網788.6 km，鎮區管網改造23.5 km；設置供水增壓站27座。溧陽市南部山區供水改造提升工程的實施，響應了省政府區域供水號召，提高了城鄉人民生活水平，有助于確保農村生活飲用水安全，促進社會經濟的可持續發展和和諧社會的構建。