河南省某城鎮自來水廠工藝設計典型案例分析

＊馬 浩

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司 河南 450003）

1.概述

河南省某城鎮供水工程設計最高日設計供水量為2萬噸，解決8個鄉鎮及附屬區域的居民安全引水問題。考慮占地，處理能力，工藝技術先進性和適應性，經綜合分析后，最終選定處理工藝為配水井-網格絮凝池-水平管沉淀池-濾池-消毒-等處理工藝，處理后出水水質滿足《生活飲用水衛生標準》GB 5749中的相關要求。水廠水源采用水庫水，經對原水水質檢測化驗后，在處理工藝上考慮原水中懸浮物質、膠體物質、細菌病毒等進行去除，同時增加水處理廠的供水能力。

圖1 水廠總平面布置圖

2.凈水工藝技術選擇

自來水廠凈水工藝種類較多，在凈水工藝選擇上，要考慮水源原水的水質特點，污染物的形成機理和發展趨勢，出水水質、水廠建設條件、管理人員的技術水平、工程資金來源等因素。

由于水源水為水庫水，對藻類的去除將有利于水質凈化，因此在配水井投藥前同時考慮投加殺藻的藥劑。混凝工藝主要采用向水中投加絮凝劑，通過一定的反應時間，使絮凝劑與水中的膠體顆粒充分反應，形成較大的絮粒然后沉淀的過程。沉淀工藝是自來水廠水處理工藝中將懸浮物與水分離的重要工藝，通過本工藝可以去除自來水原水中80%～90%的懸浮物質。現階段我國自來水廠常用的沉淀工藝主要有平流沉淀、斜管（斜板）沉淀，平流-斜管復合式沉淀，水平管沉淀等工藝。工程采用的水平管沉淀池，是由珠海九通水務在沉淀淺池理論的基礎上創新升級的沉淀分離技術，其核心是將菱形截面的管束水平放置在沉淀池內，使進水沿水平管呈水平方向流動，而絮體沉積后垂直下降，通過管內開設的排泥口落至滑泥道滑出。水與泥都通過各自的通道行進，有效避免常規斜管沉淀池泥水共用同一流道而引起的沉淀不徹底現象，解決了“淺池理論”中“排泥難”的問題，實現高效排泥。在材質上采用不銹鋼水平管，實用年限遠遠超過聚乙烯塑料管，且水流阻力小，運行穩定，產水能力較強[1]。

濾池過濾工藝通常是凈水廠的核心工藝，濾池的形式有普通快濾池、V型濾池、翻版濾池等，濾池從濾料的種類上分有石英砂濾池、活性炭濾池、多層濾料濾池（石英砂、活性炭、無煙煤等）。濾池工藝的選擇上考慮過濾和沖洗操作方式，城市現有水廠的操作運行技術水平等因素，最終采用V型濾池，工藝流程圖，如圖2所示。

圖2 凈水廠工藝流程圖

3.凈水工藝技術參數

（1）配水井。配水井是為了均勻分配水量至每組沉淀池的工藝構筑物，采用鋼筋混凝土結構。設計配水井分為3格，分別為進水格和兩個配水格。配水格設置溢流調節堰板均勻配水，堰上水頭13cm。在配水井的進水格增設機械攪拌混合設備，對加藥進行混合，混合時間約1.5～2min。配水井工藝尺寸為4.6m×3.4m，有效水深2.0m，超高0.5m。

（2）網格絮凝池。工程采用高效網格絮凝池1座，分為2組與沉淀池合建，單組設計流量0.123m3/s，有效水深4.05m，絮凝池廊道中設置篩板填料，通過篩板上下交錯開孔大小控制反應強度。篩孔流速從0.28m/s遞減至0.1m/s。絮凝池總尺寸（長、寬）7.5m×8.6m。

（3）水平管沉淀池。水平管沉淀池共1座分為2組，與絮凝反應池合建，中間通過整流段連接。水平管沉淀池平面尺寸為19.3m×14.8m，單組設計流量0.123m3/s，原水經過絮凝反應池反應后進入沉淀池，在水流進入水平管之前需要設施布水，保證整個沉淀斷面的水流速度一致，以便更好的將水中絮體沉淀去除。

沉淀池中央為水平管沉淀分離裝置。水平管裝置由槽鋼固定，水平管邊緣用螺栓與角鋼固定，保證水平管的安全穩定[2]。其設計參數為：水平管尺寸8000mm×2000mm×2500mm；水平管過水面積16m2，水平管水平流速7.6mm/s，水平管管徑當量直徑為42mm。

水平管沉淀池出水區由集水箱和集水槽組成。集水箱的作用是均勻收集水平管出水，減少出水對水平管中水流的擾動。出水經過集水箱流入集水槽，最終流入集水渠。集水裝置尺寸為8000mm×2500mm。

水平管沉淀池沖洗系統采用全自動沖洗裝置。沖洗過程不影響供水。沖洗裝置主要分為加壓裝置和沖洗設施兩部分。加壓裝置是小車通過電動機驅使，沿著鋪設的兩條8號鋼軌往復運動實現，沖洗部分是利用潛水泵加壓沖洗水平管裝置。設置兩根成90°的沖洗管，管上設若干噴頭，在垂直方向和水平方向同時全方位沖洗水平管，達到清洗水平管上沉泥目的。沖洗部分架設在動力部分上，通過控制柜實現自動沖洗控制。自動沖洗的運行速度1m/min，沖洗流量30～50m3/h，沖洗揚程為20～30m，沖洗周期根據運行實際情況控制為24～48h。

水平管沉淀池排泥系統分為3個部分。①布水區的排泥系統：單邊排泥，共設置排泥渠2個。②水平管沉淀分離區的排泥系統：在水平管沉淀裝置下面設置排泥渠，高0.8m，單邊排泥，共設置1根排泥管，管徑為DN200。根據水質的情況，進行自動或手動排泥。③集水區的排泥系統：單邊排泥，設置排泥渠2個。

（4）V型濾池。V型濾池設計采用1座，共分4格，單格尺寸為9.0m×3.5m，排水渠寬1m，單排布置，設計參數：設計流量245.4L/s；設計濾速6.8m/h；強制濾速9.3m/h；總過濾面積126m2；單獨氣反沖洗強度約14L/s·m2，時間約3min；氣水聯合反沖洗中水反沖洗強度約為3.2L/s·m2,時間約5min；單獨水反沖強度約6.4L/s·m2，時間約2min；表面掃洗強度：1.8L/s·m2；濾料為石英砂，體積152m3，有效粒徑0.9～1.2mm，K80≤1.40，濾層厚度1.20m，下部礫石承托層厚度100mm，長柄濾頭6050個。

（5）清水池。依據《村鎮供水工程設計規范》，單獨設置清水池或高位水池的有效容積，1型工程可為最高日用水量的15%～25%。同時設置清水池和高位水池，清水池和高位水池沿線的配水管線同時兼顧沿線居民的配水作用，同時考慮村鎮供水的安全性，可靠性，凈水廠清水池總容積3000m3，總2座，單座平面尺寸為32.00m×12.50m，清水池有效水深為3.8m，單座有效調節容積為1500m3，調節比例約為15%。高位水池容積3000m3，調節比例約為15%。清水池安裝超聲波液位計，水位信號傳至中控室。

（6）加藥加氯間。①加藥間。凈水廠混凝劑采用PAC，設計最大投加量為30mg/L，藥劑投加采用隔膜計量泵自動投加，計量泵共3臺，2用1備。單泵流量170L/h，揚程0.63MPa，電機功率0.37kW。②加氯間。前加氯最大投加量為2.0mg/L，投加點設在進廠管道上，前加氯最大投加量為2kg/h；濾后最大加量為1mg/L，投加點設在清水池進水管上，濾后加氯量為1kg/h。

（7）凈水廠主要工藝技術參數。凈水廠主要工藝技術參數如表1所示。

表1 凈水廠主要工藝技術參數表

4.凈水廠工藝重點難點分析及對策

（1）凈化工藝系統。給水處理工藝選擇的目的是把含有不同雜質的原水處理成符合使用要求的自來水。對于水源存在污染突發事件的工況，要考慮應急投加裝置應對水質污染事件的發生；針對農村分散且用水不均勻的工況，要考慮制水能力的變化應對措施和水廠調蓄構筑物設施[3]。

在沉淀工藝選擇上，考慮對原水適應性強，出水水質穩定的水平管沉淀池工藝。該工藝是淺池理論的創新應用，對高濁度原水，低溫低濁、季節性、氣候性變化較大的原水，均有較好的適應性，可以減輕凈水廠后續過濾負荷，保證出水水質更加穩定，水平管沉淀池抗沖擊負荷能力強，沖擊流量能提升15%～35%。設計水量滿負荷運行的前提下，出水水質可長周期穩定達標，出水濁度穩定在0.5～3.0NTU。池體為鋼筋混凝土水池，“水平管”裝置矩形結構，采用模塊化車間生產，可根據池體尺寸定制，制水規模可以由多個同樣的模塊組合而成，因地制宜靈活安裝，施工非常方便。

圖3 施工中的水平管沉淀池

在沉淀池排泥方式上，優化傳統排泥方式，避免跑礬現象的發生。常規的斜管沉淀池一般采用斗式重力排泥，多個泥斗共用一條排泥管，導致遠離排泥閥的泥斗集泥現象。水平管沉淀池采用水平放置的菱形管束，兩端封閉后形成獨立滑泥道，泥與水流分離時，采用各自的流道，避免了斜管沉淀池沉淀后污泥下滑時與水流共用同一流道，導致跑礬及堵塞等現象的發生。

在水處理工藝對占地面積的要求上，考慮水平管沉淀池池體簡單，占地面積小的優勢。由于水平管沉淀池是采用淺池理論進行創新升級，將菱形截面的管束水平放置在沉淀池內，使進水沿水平管呈水平方向流動，相同條件下可以增大沉淀面積，減少征占地，其占地面積是平流池的1/25。

（2）排泥水處理系統。排泥水的處理主要目的是減少凈水廠泥的排放對環境的污染。污泥主要來自濾池的沖洗廢水和沉淀池的排泥水。其污泥成分一般為污水中的懸浮物質、部分溶解物質和凈水過程中投加的各種藥劑。排泥水處理系統通常包括調節池、污泥濃縮池、污泥平衡池、污泥脫水機房和泥餅處置等。排泥水的處理是比較成熟的工藝，但是在實際設計凈水廠時，要考慮布置、高程的影響，運行的節能和節約用地等因素。工程設計中充分利用凈水廠的地形高差優勢，將排泥水處理系統布置在凈水廠的農南角地勢較低的位置，達到節能降耗、減少處理成本的目的。

5.結論

（1）凈水工藝采用“配水井+網格絮凝+水平管沉淀池+V型濾池”的處理工藝，具有較強的抗水質、水量沖擊負荷的能力，對于供水時變化系數較大的村鎮供水更為適合。（2）在水平管沉淀工藝上，創新優化傳統排泥方式，泥與水流分離時采用獨立滑泥道，避免跑礬及沉淀裝置堵塞現象，保證排泥更順暢。（3）從運行維護方面看，水廠工藝運行維護方便，沉淀池、濾池具有自清洗功能，占地省，出水水質穩定，滿足城鄉居民供水時段用水不均勻的問題，保障管網供水系統穩定運行。