珠海某綠色高品質飲用水廠工程設計
我國部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)根據(jù)本地實際情況制定了更加嚴格的飲用水水質標準，珠海市某在建水廠作為珠海市第一座全流程水廠，出廠水水質標準除滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）外，還應符合《飲用凈水水質標準》（CJ 94—2005），同時出廠水濁度內部控制標準為0.1 NTU。
01.水源水質
西江是珠海市最主要的城市供水水源之一，市區(qū)水廠水源水在豐水期時均來自于西江，咸潮期則通過水庫調水，形成了“江水為主、庫水為輔、江庫聯(lián)動、江水補庫、庫水調咸”的供水模式。該水廠原水平時來自于西江磨刀門廣昌泵站取水點和平崗泵站取水點，咸潮期來源于竹銀水庫和作為備用水源的梅溪水庫和大境山水庫。
2015年—2018年水質指標每年最高值（取樣頻率每月不低于1次）：西江取水點高錳酸鹽指數(shù)為1.34～2.89 mg/L，氨氮為0.02～0.12 mg/L，藻類為（8.04～493）×104個/L，總氮為1.77～2.0 mg/L，總磷為0.044～0.099 mg/L。竹銀水庫高錳酸鹽指數(shù)為1.55～2.33 mg/L，氨氮為0.15～0.34 mg/L，藻類為（4320～7800）×104個/L，總氮為1.53～2.55 mg/L，總磷為0.046～0.101 mg/L?？梢钥闯?，西江水水質優(yōu)良，竹銀水庫水質比西江水略差，除了總氮、總磷指標偏高外，均適用于作為集中式生活飲用水水源。
02.中試研究及工藝選擇
2.1 中試研究成果
該水廠原水受到的有機微污染、氨氮污染不明顯，水質處理主要考慮咸潮期采用水庫水時可能存在藻類偶然暴發(fā)帶來的高藻和嗅味問題，同時考慮出水水質按照飲用凈水水質標準控制，濁度控制目標值為0.1 NTU。為了滿足用戶對飲用水水質安全和口感的更高要求，該水廠在設計之初，就進行了為期1年多的中試研究，試驗規(guī)模為5m3/h，工藝流程為“原水→預臭氧→混凝沉淀→砂濾→后臭氧→炭砂濾池→超濾”，試驗期間（2018年10月—2019年12月）沿流程實測進、出水水質如表1所示。
表1 沿流程實測進、出水水質
2.2 水廠工藝流程
水廠工藝：預臭氧→混凝沉淀過濾→臭氧活性炭→超濾→消毒，工藝流程如圖1所示。
圖1 水廠工藝流程
03.工藝設計3.1 工程設計規(guī)模
該水廠凈水處理主要構筑物土建規(guī)模按30×104m3/d一次建成，輔助生產(chǎn)構筑物土建規(guī)模按45×104m3/d一次建成，設備規(guī)模按照15×104m3/d分兩批安裝。污泥量處理原水濁度按70 NTU計算，遠期不投加粉炭時，總干泥量為57.3 t/d；投加粉炭時，總干泥量為70.8 t/d，污泥工程構筑物按正常不加粉炭情況設計，設備按應急投加粉炭情況校核。
3.2 凈水處理工程設計
3.2.1 預加氯投加點
工程設有兩根DN1800的原水進廠管，在配水井前500m處的原水管上設置了10%次氯酸鈉預加氯投加點，預加氯投加量1.0～2.5mg/L。
3.2.2 配水井
配水井按照遠期建設，設置配水井1座，尺寸為20m×12m×7.75m，共設3格配水堰，每格對應一條15×104m3/d的生產(chǎn)線，每格堰寬12.5 m，設計負荷下堰上水頭0.25 m。
3.2.3 細格柵及預臭氧接觸池
細格柵及預臭氧接觸池2座，細格柵與預臭氧接觸池合建，尺寸為9.5m×36.2m×7.25m，預臭氧接觸池旁還附帶排水池，尺寸為2.5m×15.4m×4.25m。單座細格柵分2格，格柵間隙5mm，柵前水深2.45m，格柵前后各設一個檢修閘門。預臭氧接觸池分為2格，單格有效水深6.35m，接觸時間7.4min，預臭氧投加量為0.5～1.0mg/L。
3.2.4 高效沉淀池
高效沉淀池2組，單組設3座高效沉淀池，單座高效沉淀池設2格前混合池、1格后混合池、1格絮凝池和1格沉淀池。單格前混合池停留時間1.25min，單格后混合池停留時間0.6min，每格均設置1臺機械攪拌器，攪拌器配備調速電機，單格絮凝池停留時間12.1min，單格沉淀池斜管區(qū)平均液面負荷13.0m3/(m2·h)，峰值液面負荷14.4 m3/(m2·h)。PAC投加量15～25mg/L（有效含量10%），PAM投加量0.2～0.5mg/L。
3.2.5 氣水反沖洗濾池及下疊排水池
氣水反沖洗濾池及下疊排水池2組，單組濾池分10格，單格過濾面積99.63m2，正常濾速7.5m/h，強制濾速7.9m/h。采用粒徑0.9～1.35mm的均勻級配石英砂濾料，濾料層厚1.25m，承托層厚0.1m，濾層以上水深1.2m。沖洗方式為氣沖、氣水沖和水沖三個階段，氣沖強度為17L/(m2·s)，沖洗時長2 min；氣、水聯(lián)合沖洗時氣沖強度為15L/(mm2·s)，水沖強度為2.0L/(m2·s)，沖洗時長4min；單獨水沖強度為4L/(m2·s)，沖洗時長8 min；表面掃洗強度為2.0L/(m2·s)，反洗周期24～48h。反沖洗結束后靜置1min，然后投入運行同時進行初濾水排放。
設置2個排水池，1號排水池設在北側氣水反沖洗濾池下方，有效水深3.85m，有效容積7303m3，用于收集砂濾池的沖洗廢水和初濾水，可滿足遠期連續(xù)沖洗30格砂濾池廢水的調蓄。池內設3臺潛污泵，單泵Q=315m3/h，H=130 kPa。當原水含藻量低時，直接提升至配水井回用；當原水含藻量高時，先提升送至一體化氣浮處理設備集中處理后，再送至配水井回用；當水質不適合回用時，可直接外排廠區(qū)截洪溝。2號排水池設于南側氣水反沖洗濾池的下方，有效水深2.1m，有效體積3169m3，用于收集炭砂濾池的反沖洗廢水和初濾水，可滿足遠期連續(xù)沖洗18格炭砂濾池廢水的調蓄。內設3臺潛污泵，單泵Q=315m3/h，H=130kPa。正常情況下直接提升至配水井回用；緊急狀態(tài)下亦可考慮提升排放至廠區(qū)截洪溝。2個排水池池底布置有穿孔氣管，排水池運行時同時曝氣以防止泥砂沉積。
3.2.6 后臭氧接觸池
后臭氧接觸池2座，單座尺寸為15.2m×24.6m×7.8m，分2格，有效水深6.3m，接觸時間13.1min，臭氧投加量為1.0～2.0mg/L，分三段投加，依次為50%、30%、20%。
3.2.7 炭砂濾池
炭砂濾池2組，單組尺寸27.55m×48.7m×8.5m，池型為翻板濾池，每組濾池分6格，單格過濾面積112.5m2，空床濾速11.1m/h，空床接觸時間11min。濾池內顆?；钚蕴繛V料層厚為2.0m，采用8×30目煤質顆?；钚蕴?，石英砂濾層厚度0.5m，粒徑范圍0.45～1.25mm，承托層厚度0.3m，濾層以上水深2.0m。采用氣沖和水沖兩階段沖洗，氣沖強度為15L/(m2·s)，沖洗時長3min，水沖強度為8L/(m2·s)，沖洗時長不超過4min。定期大強度水沖強度為15～17L/(m2·s)，沖洗時長<2min。
3.2.8 超濾膜車間
設置2座浸沒式超濾膜池，池深7.9m，高6.5m，單座膜池內共設16套膜組件，每套總有效膜面積1680m2，設計通量23.3L/(m2·h)，峰值通量26.9L/(m2·h)，產(chǎn)水率>95%。膜車間內配備變電間、加藥間、反沖洗廢水池、中和水池、鼓風機房等。
3.2.9 紫外消毒井
超濾膜池出水總管上設置紫外消毒管，采用中高壓管式紫外消毒方式，消毒井尺寸為1.3m×15.1m×5.3m，內設4根DN800的并聯(lián)管道，近期設置2臺管式消毒及其配套設備，遠期采用4臺管式消毒(3用1備)。管式紫外設備單管峰值流量16.65×104m3/d，紫外穿透率≥90%，最低紫外劑量40mJ/cm2。
3.2.10 清水池
清水池按照規(guī)模一次建成，分4格，總尺寸為111.6m×109.6m×5.2m。清水池頂部覆土1m，并設有環(huán)形廊道，通氣管避開廊道布置，采用高、低錯落布置。
3.2.11 吸水井及送水泵房
吸水井和送水泵房土建規(guī)模按照遠期規(guī)模一次建成，平面尺寸為63.1m×14m，地下深7.5m，地上高10.3m。內設8臺泵位，大泵Q=6950m3/h，H=360kPa，采用工頻；小泵Q=2500m3/h，H=360kPa，采用變頻。各期的配泵方案如下：
近期（一期）配泵2大+2小，開啟工況為：1臺大泵常開，1臺小泵（用水高峰時）變頻搭配調節(jié)使用，1臺大泵和1臺小泵備用。
近期（二期）配泵3大+2小，開啟工況為：2臺大泵常開，2臺小泵（用水高峰時）變頻搭配調節(jié)使用；1臺大泵備用。
遠期（三期）配泵4大+2小，開啟工況為：3臺大泵常開，2臺小泵（用水高峰時）變頻搭配調節(jié)使用，1臺大泵備用。
3.3 污泥處理工程設計
3.3.1 儲泥池
儲泥池用于接收高效沉淀池的剩余污泥（含水率98%），該池在儲存污泥的同時兼具一定的濃縮功能，出泥（含水率97%）送往污泥平衡池。工程遠期設3座儲泥池，近期建設2座。單座儲泥池內徑19.6m，池邊水深4.5m。一期運行1座，二期運行2座，固體負荷2.6kg/(m2·h)，液面負荷0.13m3/(m2·h)，設計停留時間34.6h。單座池內配套安裝中心傳動刮泥機，設上清液溢流管至廠區(qū)雨水井。為避免泥水在儲泥池內停留時間過長，在池體不同高度設置有上清液排放口，可根據(jù)實際情況靈活控制。
3.3.2 污泥平衡池
污泥平衡池1座，分兩格，用于平衡儲泥池與污泥脫水機房之間污泥量。總尺寸12.7m×6.5m×5.2m，有效水深4m。設放空管至廠區(qū)污水管。
3.3.3 污泥脫水車間
污泥脫水車間1座，土建按遠期規(guī)模一次建成，尺寸為12.6m×30m×12.1m，內設5臺離心機位，單臺處理量為30m3/h。進泥含水率97%，出泥含水率80%。污泥脫水車間內還設有配套的PAM投藥系統(tǒng)、配電及自控操作間、進泥泵、污泥切割機、干泥泵等。車間外設有2套污泥料倉，單座容量150m3。工程近期安裝1套，預留1套料倉位。
04.技術經(jīng)濟指標
本項目第一部分工程費用67088.02萬元，第二部分工程建設其他費用12165.67萬元，預備費3962.68萬元，總投資87348.81萬元。該水廠運行單位總成本為1.78元/m3，單位經(jīng)營成本為0.82元/m3。
05.工程特點
?。?）智慧水務在水廠工程的廣泛應用
本項目按生產(chǎn)流程分解為BIM設計、施工應用及運維平臺應用三部分。BIM設計有利于各專業(yè)之間的高效協(xié)同設計，避免管線、構（建）筑物空間沖突與碰撞，實現(xiàn)最優(yōu)的設計方案。在工程施工中利用BIM模型可以分別生成梁、板、柱各構件混凝土詳細的工程量清單，通過與實際工程消耗量對比，做到現(xiàn)場的實時掌控，為本項目帶來經(jīng)濟效益。利用BIM可視化的特點，進行復雜節(jié)點施工模擬以及施工過程中管線的安裝綜合應用，對施工現(xiàn)場的安裝管理起到協(xié)調、指導作用。
此外，還為該水廠搭建了智慧運維管理平臺，實現(xiàn)水廠工藝的可視化展示，支持全景360°自由瀏覽，或切換到行走模式，以第三人稱視角進行場景漫游，同時伴有小地圖與當前所在的位置信息。系統(tǒng)支持實時查看，點擊相應的系統(tǒng)及子系統(tǒng)名稱，對應的管線與設備模型都可以快速的呈現(xiàn)。平臺能對水廠工藝設備進行資產(chǎn)管理，主要包括設備臺賬、維修和養(yǎng)護管理。平臺還能在平板電腦、智能手機等移動終端使用，開發(fā)了供水運維系統(tǒng)的微信小程序，實現(xiàn)GIS展示，設備信息查詢，維養(yǎng)工單發(fā)起、工單派送、工單統(tǒng)計，關鍵信息推送與查詢等主要功能。
?。?）采用全流程多級屏障高品質凈水工藝
通過選擇優(yōu)質水源，并將取水設施設置在上游，盡量避免咸潮上溯的影響。工藝強化各凈水環(huán)節(jié)的風險管控能力，各凈水單元具備不同功能。通過臭氧預氧化改善濁度、色度、嗅味等感官指標，殺滅致病微生物及藻類，去除消毒副產(chǎn)物前驅物的同時還有助凝作用，減少后續(xù)混凝劑投加帶來的二次污染；通過強化混凝沉淀過濾工藝進一步去除藻類和有機物；通過臭氧、炭砂濾池工藝降低藥品和個人護理品、內分泌干擾物等新興污染物帶來的未知風險；通過超濾膜工藝穩(wěn)定保持出水濁度在0.1NTU以內，提高“兩蟲”的去除率，提高后續(xù)紫外消毒透光率和降低消毒劑劑量。美國水行業(yè)協(xié)會（AWWA）對濁度去除表現(xiàn)達到最高水平的水廠提供認可，要求所有申請第四階段“水處理卓越獎”的水廠濾后水濁度≤0.1NTU，韓國“水質安全計劃”的五星級水質管理標準以及我國浙江省現(xiàn)代化水廠的評價標準，都要求出水濁度≤.1NTU，可見出水濁度≤0.1NTU已成為各國水廠努力追求的控制目標。通過紫外和氯組合消毒二者聯(lián)合產(chǎn)生協(xié)同效應，降低消毒劑投加量，減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，又能保障余氯達標；通過調節(jié)出水pH值至8.0～8.5，改善飲用口感，防止輸水管道腐蝕。工藝整體系統(tǒng)性地提升了水廠水質安全裕度，提供出水水質優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749—2006）和《飲用凈水水質標準》（CJ94—2005）要求的高品質飲用水。
（3）工程體現(xiàn)綠色和環(huán)保理念
該水廠廠區(qū)利用采石場廢坑建設，變廢為寶，充分利用山地地形，減少挖填方土石量，優(yōu)化凈水構筑物水力高程布置，減少水頭損失，全流程沒有設置中間提升泵房。
廠區(qū)構筑物采用了集約化布置，選用設備簡單緊湊、占地面積省的高效沉淀池，采用了炭砂濾池工藝，大幅減少工程占地和節(jié)省投資。采用氣水反沖洗濾池下疊排水池的立體布置方式，并設置回用系統(tǒng)，可選擇性回用或外排，減少了水量損耗。
本工程考慮了海綿設計，大車間及綜合樓屋頂進行覆綠設計，區(qū)域路牙采用開口式路牙，道路雨水通過路緣石開口流入轉輸型植草溝，導流至雨水花園及下凹式綠地，并通過下凹式綠地/雨水花園的溢流口將超量雨水排入雨水管網(wǎng)，下凹式綠地溝底標高比周邊地面低30cm，主要布置在綠化面積較小、地下管線較多的區(qū)域。
工藝上還采用了超濾和炭砂濾池等環(huán)境友好型綠色凈水技術。
?。?）設計細節(jié)的考慮
在廠區(qū)平面豎向設計時，廠區(qū)地面高程從15.50、15.85、17.45、21.50m至24.50m變化，呈豎向階梯型布置，與周邊環(huán)境融合，沒有很大的落差感，拾級而上，同時不給人明顯的爬坡感；將污泥處理、輔助生產(chǎn)等構筑物布置在了廠區(qū)邊邊角角的地方，充分利用紅線邊的區(qū)域，又不太突兀；沿著中軸線設置了巡檢廊道，以便于在一個較高的高度巡檢全廠的核心生產(chǎn)線；每格濾池后均設置質量控制點和取樣點，便于取樣檢測，隨時了解單格濾池的運行狀況。
（5）靈活設置多種運行模式
可采用多種運行模式，以適應不同水質條件，包括：長流程運行模式，高品質供水時全部單元運行；短流程運行模式，在進水水質很好時，超越深度處理單元，采用常規(guī)處理運行；應急運行模式，突發(fā)原水水質惡劣時，設置粉末活性炭的投加，投加量為5～25mg/L，以減輕后續(xù)臭氧活性炭的處理負荷。
作者為中國市政工程中南設計研究總院有限公司的吳艷華、張明、鎮(zhèn)祥華、司徒菲、劉向榮、萬年紅、陳燕波，推文為刪減版。
來源：《中國給水排水》