疊合式設計在凈水廠改造工程中的應用

林禮進

近幾年來，在國家實施鄉村振興戰略背景下，各地大力開展了城鄉供水一體化建設，有效地解決農村飲水安全問題，有利于實現城市與農村共同發展的目標。為解決農村地區“急、難、愁、盼”的安全飲水問題，項目縮短施工周期、控制投資成本，在部分城鄉供水一體化建設中充分利用了原建水廠，并加以改造建設。但在實際實施過程中發現，部分水廠建成較早，缺乏對排泥水系統的整體設計規劃，未預留排泥水處理設施用地。在現行標準規范的要求下，必須增設排泥水處理系統，使得在項目改擴建的過程中難度增大。因此，針對已建自來水廠改擴建項目用地緊張問題，以福建霞浦縣Z水廠改造工程為例，通過對部分構筑物進行豎向疊合設計，滿足水廠設計功能的要求，以期供類似工程提供參考。

一、水廠總平設計條件

福建霞浦縣Z水廠改造工程，水廠總規模20000t/d，根據《城市給水工程項目建設標準》，核算該水廠所需用地面積約為12.3畝。原廠區實際用地面積僅為8.5畝，且水廠廠區呈狹長形，北側為市政道路、邊坡擋墻，南側為排洪渠道， 整體地形不利于建構筑物的布置。如圖1所示：

圖1 廠區用地分析圖

二、工藝流程

該水廠現有的一期處理工藝為混合、絮凝、沉淀、過濾和消毒的常規處理工藝，具體為絮凝沉淀池+ 高纖維濾池，混凝劑采用PAC混凝劑，消毒采用成品次氯酸鈉溶液，原廠區無排泥水處理設施，反沖洗廢水均通過排水排泥水管直接排出廠外河道，對下游生態環境造成污染。

本項目原水取自水庫水。根據水質報告，原水指標均能滿足《地表水環境質量標準》GB3838—2002中Ⅲ類的標準限制。因此，本工程對原水廠進行改擴建，沿用常規處理工藝，擬新建1座配水井、1座無閥濾池、1座絮凝沉淀池、1座加氯加藥房，具體制水工藝如圖2所示：

圖2 制水處理工藝

凈水廠的沉淀和過濾環節會產生排泥水，為滿足《污水綜合排放標準》GB978，對沉淀池排泥水以及濾池反沖洗水進行處理，加設1套排泥水處理設施。具體排泥水處理工藝如圖3所示：

圖3 排泥水處理工藝流程

三、總平面設計

水廠總體布置將水廠內的各項構筑物進行合理的組合和布置，以滿足工藝流程、生產管理和物料運輸等方面的要求，合理綜合布置廠內工程技術管線，使得各種管線的路徑簡捷，與總平及疊合布置相協調，總平面布置應綜合考慮項目建設規模、工藝流程、廠址選擇、廠區建構筑物平面布置、廠區綜合管線布置及廠區道路交通、綠化、圍墻大門等因素。

本工程地塊整體呈長條形，廠區西側為廠區道路，東側集中擺放原有處理工藝構筑物，廠區北面為市政道路，北面內外高差4～10m，廠區南面為排洪河道，南面內外高差約為6m，考慮廠區地形地質條件限制，避免對南部河道護岸造成安全方面的影響，以及原有水處理構筑物的擺放位置。本次擴建的構筑物主要集中擺放于廠區北面并考慮距離擋墻的安全距離，將廠區內部消防及運泥通道設置于靠經河道護岸一側。原水由東面水庫引入，整體制水流程由東到西，排泥水處理設施整體布置在制水構筑物的西側，方便泥餅的外運，廠區原加氯加藥間現狀是危房，需要拆除重建。另外根據甲方需求，廠區內原化驗室改為停車場，需要另外新建化驗室，具體總平面布置圖如圖4所示。

圖4 霞浦縣Z水廠建構筑物總平面布置圖

四、工藝疊合設計

常規凈水廠沉淀池與清水池占地面積最大，可優先考慮將沉淀池與清水池疊合疊合設計，由于本工程原水廠清水池廠區外設置，為了滿足用地限制以及工藝流程上合理性，考慮將脫水機房、排水排泥池組合；加氯間、加藥間組合疊合設計。

1.脫水機房、排泥排水池組合疊合設計

排泥水處理工藝主要包括調節、濃縮、平衡、脫水、處置這5個基本工序，通常情況下脫水和處置外運工序間接運行，以下介紹各工序的作用：

（1）調節工序的構筑物主要為排泥及排水池，通常把接納濾池沖洗廢水的調節池稱為排水池，接納沉淀池排泥水的稱為排泥池。為了使濃縮池均衡運行以及水質的相對穩定，一般在濃縮池前設置。

（2）濃縮工序的構筑物主要為濃縮池，其目的是提高污泥濃度，縮小污泥體積，以減少后續處理設備的能力。

（3）平衡工序的構筑物主要指平衡池，一般設在濃縮池后，主要目的是滿足脫水機的間斷性運行要求。另外，還可以起到滿足原水濁度大于設計值時起到緩沖和貯存濃縮污泥的作用。

（4）脫水工序主要為脫水機，設置在濃縮、平衡之后，目的是進一步降低含水率，減少容積，便于搬運和最后處置。當采用機械方法進行污泥脫水處理時，還需要投加石灰或者高分子絮凝劑（如聚丙烯酰胺）等。

（5）處置作為最后一道工序，主要是對脫水后的泥餅進行外運填埋或作為垃圾場的覆蓋土以及作為建筑材料的原料、摻加料等。

排水池尺寸計算：經計算單格每天每次反沖洗水量為91.125 m3，排水池平面尺寸7.8m×7.5m，有效水深2.45m。因排水調節池廢水需回流至絮凝池，考慮不對絮凝池造成沖擊，回流比應不大于5%，則回流泵選型為Q=40 m3/h，H=20m，P=3.0kW，2臺，1用1備。

排泥池尺寸計算：單座沉淀池干泥量0.515t/d。絮凝沉淀池排泥水含水率考慮為99.5%，則沉淀池每天每次排泥量為0.515/（1-99.5%）=103m3。排泥水調節池平面有效尺寸為7.45m×7.45m，有效水深2.45m。排泥水需泵至污泥濃縮池，為盡量減少對污泥濃縮池濃縮污泥造成擾動，污泥排放需盡量均勻連續，則污泥泵選型為Q=25m3/h，H=15m，P=3.0kW，共計2臺，1用1備。

潛水攪拌機選型計算：根據池子平面尺寸及有效深度，參考潛水攪拌機流場分布，潛水攪拌機選型為P=3kW，D=400mm，n=740r/min，共設2套。

脫水機選型計算：脫水機采用離心脫水機，濃縮后的污泥含固率為2%，濃縮后的污泥量51.5m3/d，脫水機考慮工作時間為每天12h，設置2臺，互為備用，每小時工作量2.51m3/h，污泥螺桿泵設置2臺，1用1備，單泵參數選擇2.51 m3/h，揚程取30m。同時設置一套一體化PAM加藥設備。

結合工藝高程設計，下層設置排泥排水池、一層設置脫水機房、脫水機房上方設置化驗室。具體布置如圖5、6所示：

圖6 脫水機房、排泥排水池組合剖面圖

2.加氯加藥間組合疊合設計

依據源水濁度變化，本工程混凝劑采用適用范圍廣、適應性好、用量較省的聚合氯化鋁（PAC），消毒采用成品次氯酸鈉。

（1）加藥系統（PAC混凝劑）

常年投加濃度5%，最大投加濃度15%，平均投加量10mg/L，最大投加量30mg/L。本工程設計采用固體藥劑，配藥次數為每天1次。經計算，溶液池所需容積為4.2m3，尺寸取1.8×1.8×2m（H），其中超高取0.5m，有效水深取1.5m。溶解池體積按溶液池容積30%考慮，取1.4m3，尺寸1.2×1.2×1.3m（H），其中超高取0.3m，有效水深取1.0m。溶液池、溶解池各設2個，1用1備。投藥方式：采用隔膜計量泵投加?；炷齽┦褂昧繛?10kg/d。存儲藥劑天數按10d考慮，則需存藥劑量為2.1t/月。

（2）加氯系統（成品次氯酸鈉）

本工程采用次氯酸鈉作為消毒劑，考慮采用成品次氯酸鈉溶液。設置2個投加點，前加氯設1個加氯點，位于配水井前管道，最大加氯量1mg/L。后加氯設1個加氯點，位于濾池出水總管位置，最大加氯量2mg/L。由上，NaClO總投加量為3mg/L，則藥劑總用量為63kg/d。儲存濃度按5%考慮，儲存7天，則次氯酸鈉儲存量為8.82m3，儲罐設置2個，1用1備，單個10m3。

為方便成品次氯酸鈉卸料、PAC藥劑投加，下層布置成品次氯酸鈉儲罐、卸料泵、加氯投加泵、PAC儲藥臺、PAC溶解池；上層布置PAC溶液池、投藥計量泵。

五、其他工藝組合疊合設計形式

本工程采用脫水機房+排泥排水池、加氯加藥間疊合組合設計的方案，解決場地限制的問題。除此之外，各工程可根據現狀廠區條件以及標高關系，還可以采用其他形式的疊合組合方式，例如贛州某水廠擴建工程采用疊合式反應沉淀+清水池工藝；南安市某水池采用疊合式V型濾池+清水池工藝；重慶某自來水廠根據高程關系將排水池和濃縮池疊合起來，組成排水、濃縮組合池以滿足用地約束下水廠功能。實際工程設計中可根據地形地質條件，結合工程特性加以選用。

六、疊合設計可能存在的問題及措施

疊合式設計主要是對建構筑物的疊加堆放，在疊加設計時要充分考慮各工藝構筑物間的標高關系，否則可能造成制水線避免無法重力自流的情況，增加提升設備導致水廠運行成本上升，制水保障性無法滿足。

疊合式設計往往需要采用地下或半地下下沉式布置，處理構筑物整體加深，在工藝設計時首要考慮廠區運行安全問題，構筑物的溢流以及放空能否重力自流排入規劃出路，如不滿足重力排出設置機械提升，通過移動泵提升或在池體預留集水坑依靠移動泵放空排除系統。

疊合式設計可能導致設備之間的間隔變小，使得設備的安裝及日常維護、檢修和清潔變得困難。因此在設計時應充分考慮設備的安裝間隔并充分預留設備維護以及人員安全疏散通道。

七、結束語

在用地條件限制的情況下可以加強對水廠疊合設計，同時需要注重整體性和協調性。水廠的疊合設計不僅僅是為了實現土地資源的有效利用，還要考慮到運行效率、安全可靠以及水廠后期運行使用效果。因此，在設計水廠的疊合結構時，需要從多個方面綜合考慮，分析不同的因素，從水廠的布局規劃、管線的鋪設、設備的布置、照明和通風等各方面充分考慮，根據具體情況進行科學合理的設計，以提高水廠的整體功能和使用價值。最終，通過精細的疊合設計，提高水廠的實用性和美觀性。