深圳市二次供水設施改造工程設計探討

彭小軍, 許擁軍, 楊 蕓

(深圳市利源水務設計咨詢有限公司, 廣東 深圳 518000)

2019 年12 月印發的《深圳市建設中國特色社會主義先行示范區的行動方案》(2019—2025 年)》提出,到2025 年率先實現自來水全市直飲。 城市直飲水全覆蓋的實現,需從源頭到用戶龍頭全流程管控,包括水源建設、供水集約化及水廠工藝升級、老舊市政管網更新、優質飲用水入戶工程(指小區埋地管、明裝主管、水表組及表后管改造工程)。 隨著市政供水設施及管網系統不斷升級,二次供水設施改造工程的實施,將重點解決供水系統“最后一公里”用戶龍頭水質安全及水壓保障問題。

為規范指導二次供水設施的設計及建設,2020年深圳印發的SJG 79—2020《二次供水設施技術規程》。 本文探討二次供水設施改造設計的關鍵技術要點,總結二次供水設施改造的難點,提出優化的合理性建議,為城市二次供水設施改造提供有意義的借鑒。

1 二次供水設施現狀分析

(1)建設標準低,供水短板凸顯

泵房空間小,環境悶濕,衛生條件差,設備標準低,噪音大,故障率高且穩定性差,用電成本高。

(2)供水設施老化,存在水質污染風險

泵房內管道多為鍍鋅鋼管,腐蝕嚴重,已引起“黃水”“紅水”等污染事件;供水水箱采用鋼筋混凝土材質,與水發生反應,影響水的酸堿度;余氯衰減導致微生物繁殖,增加水質污染風險。

(3)生消水池合建,水力停留時間長

生活和消防水池合建,水體流通性差,停留時間長,余氯衰減嚴重,抑制細菌生長能力的削弱。

(4)智慧化與自動化程度低,耗時耗力

泵房缺乏多參數水質在線監測、安防系統、自控平臺等管理措施,巡檢工作量大,管理效率低。

(5)責任單位缺乏專業管理人員,履職不到位

泵房管理職責在物業單位,而供水設施本身有其綜合性及復雜性,物業單位缺乏專業管理人員,大多數泵房無法有效管理,履職不到位情況普遍。

2 二次供水設施改造內容

通過對居民小區二次供水設施進行調查、評估,確定改造范圍。 二次供水改造的紅線范圍為泵房內所有供水設施,起點和終點為泵房進出水管道與二次供水設施的接駁處。 建設內容包括加壓水泵,存在水質安全隱患的水池(箱)及配套設施(溢流管、放空管、通氣管、玻璃管液位計、爬梯等),水泵進出水管道及其附屬設施(閥門、電接點壓力表、多功能止回閥、水錘消除器、壓力變送器等),電氣控制系統(水泵配套的雙電源柜、PLC 柜、變頻柜等控制系統),紫外線消毒設施增設,泵房裝飾環境提升(地面及墻體裝修優化、泵房隔音、吊頂裝飾等),智慧化平臺建設(增設數據采集與監視控制系統、安防視頻系統和門禁系統等安防及智慧管理系統等)。

3 工程設計技術重難點

3.1 “兩項工程”施工時序不同,系統銜接難

二次供水設施改造與優質飲用水入戶工程,簡稱“兩項工程”。 對泵房內二次供水設施進行改造時,已實施優質飲用水入戶工程的中高、高層小區的供水管網系統未分區,后續立項實施的二供泵房設計,加壓水泵組依據現狀樓層及用戶進行優化分區,會出現水泵分區與供水系統無法匹配的情況。 最典型的“低位水箱→工頻水泵→高位水池→居民用戶”供水模式,上行下給供水,減壓閥分區供水,是本次討論如何實現“兩項工程”銜接的重點。 二次供水工程需要優化設計思路,增加合理供水分區,新建低區或中區管道,實現獨立分區,降低能耗,同時可取消其屋頂水箱供水,僅保留消防供水功能。

3.2 二次供水方式調整,衍生節能降耗問題

據深圳供水企業供水用戶信息統計,二次供水改造工程實施前,高位水箱供水方式占比約33%,變頻調速供水方式占比45%,疊壓供水方式占比22%,按照SJG 79—2020《二次供水設施技術規程》進行二次供水改造后的泵房,低位水箱(池)+變頻供水的方式占比90%,征得供水企業同意后實施疊壓供水的占比為10%。 加壓設備更新升級,水泵及電機效率提高,自控系統更加智能化,水泵切換運行更加靈活,但部分泵房加壓及配套電氣設施總耗電量并未降低,反而增加,其中水泵設備的用電量一般占比泵房總用電量的80%以上,二次供水方式的調整,帶來節能降耗問題,如何選擇合理的供水設計方案,是二次供水工程關聯能耗的關鍵點。

3.3 水力停留時間長短,影響供水水質

通過流體力學模擬水池的水力狀態可知[1],未設導流墻(板)的水池,水池內流態表現為紊流狀態,池內邊緣區水體流動緩慢,形成死水區,即便增設導流墻(板),當低位水箱(池)水體停留時間過長時,隨著水體中余氯的衰減,水質二次污染的風險明顯增加。 選擇合適的水力停留時間,確保水池出水滿足GB 5749—2022《生活飲用水衛生標準》規定的末梢水總余氯值不小于0.05 mg/L。

3.4 水池內部材質問題,存在水質風險

結合現場踏勘可知,現狀低位水池(箱)分混凝土水池和不銹鋼水箱兩種,其中混凝土水質內壁材質主要有瓷磚、水泥、涂料三種,不同內壁材質,對于余氯衰減及水體pH 值影響不同,余氯余值和pH 大小均會影響HOCl 濃度,消毒能力下降,池壁微生物滋生,出水水質存在二次污染的風險。

3.5 泵房設備運行,引發噪音污染

水泵房噪聲是由水泵運行噪聲和電機噪聲引起的綜合噪聲源,屬于低頻噪聲(頻率在500 Hz 以下的聲音),特點是穿透力極強、衰減緩慢、聲波較長、其衍射波能輕易繞過障礙物。 水泵房內的噪音應符合GB 3096—2008《聲環境質量標準》,居民住宅屬于1 類聲環境功能區,晝間環境噪聲限值為55 dB(A),夜間噪聲限值為45 dB(A)。 二次供水工程設計將降噪作為關鍵環節控制,避免帶來噪音污染。

3.6 泵房智慧化水平低,安防系統缺失

現狀泵房建設年代久,水質在線監測缺失,自控系統軟件需升級,智慧化水平低,與深圳二次供水工程智慧化、智能化的要求存在差距;建立二次供水數據化、信息化系統是智慧水務智控平臺的核心。

4 技術難點解決措施

4.1 優化供水分區,兩項工程契合

以深圳市某30 層小區為例,該小區優質飲用水入戶工程已竣工,二次供水改造前為上行下給的供水模式,即地下水池+工頻泵→屋頂水箱→用戶,見圖1。

4.1.1 合理分區,增設加壓設施

二次供水改造時,根據樓層及供水用戶情況重新分區,其中低區為2 ～10 層,中區為11 ～20 層,高區為21～30 層。 依據分區服務人口數量,新建管徑合理的中、低區加壓管道,連接中、低區泵,擬新建分區管道與主供水管道(現狀供至屋頂水箱的管道)沿著相同路線,埋地或明裝至管道井。

4.1.2 優化立管設計,實現分區獨立

保持現狀下行供水管,底部與管道井內中區加壓管相連,在設計高區與中區分區處(20 層)安裝干管減壓閥和分區閥門,20 層以上原下行供水管為高區立管,20 層以下原下行供水管為中區立管。 新建一根低區立管,底部與管井內低區加壓管接駁,頂部與中區管相連,連接處設減壓閥、分區閥門,各分區頂部設復合式微量排氣閥。 二次供水工程完成前,維持原上行下給供水模式,二次供水工程完成后,拆除分區閥門及主管減壓閥,三個分區實現獨立供水。

4.1.3 改造前后系統銜接,確保供水穩定與安全

現狀供水方式為上行下給,主供水管到達水箱后,由水箱出水下行至各層用戶。 在水箱進水管和出水管之間安裝連通管及閥門,在水箱進水管(連通管三通后)加裝計量水表及倒流防止器,水箱出水管后安裝閥門。 二次供水實施前,連通管閥門關閉,水箱出水管閥門開啟,保障用水安全與穩定;二次供水實施后,水箱出水管閥門關閉或法蘭封堵,連通管閥門開啟,取消水箱生活功能,僅保留消防功能。

4.2 拓寬設計思路,深挖降耗空間

4.2.1 優化水泵選型,合理參數配置

全面收集現狀供水數據,準確計算水泵流量及揚程,確保水泵參數與實際用水變化曲線貼切,確保水泵效率可滿足水泵規定最低點效率,保障同型號多臺水泵并聯時,可在高效區的末端運行。 結合泵房全天供水水量曲線及效率值可知[2],夜間低峰用水時段,水泵效率較低,單位供水量能耗數值較高,水泵運行不在高效區間,此時,二供設計應合理配置輔助加壓水泵,增強因需水量變化靈活調整供水能力。 目前,“全流量高效變頻調速方法”相比較常見的變頻調速供水設備節約能耗約40%。

4.2.2 復核供水條件,疊壓供水再研究

根據《二次供水設施技術規程》,疊壓供水的技術要求需滿足:市政供水管徑不小于300 mm,高峰期市政供水壓力值不小于0.28 MPa,市政供水管為引入管管徑2 倍以上,啟動或切換疊壓設備,市政供水管網壓力瞬間變動值小于0.02 MPa 等。 同等供水條件下,高峰期頻繁進水時,低位水池(箱)自由水頭進水時的流量引起的波動,對市政管網的瞬間壓力影響大于疊壓供水。

當市政供水條件均符合技術要求,能保證連續供水,高保障率,且征求供水企業同意后,可通過管網數學模型對擬采用疊壓設備周邊區域的供水情況進行水力模擬,分析不同工況下水力條件,適當考慮疊壓供水在二次供水中的使用,依據《給排水設計手冊》第二冊《建筑給水排水》表1—40,疊壓變頻供水的能耗小于1,可達到較理想的節能降耗目的。

4.2.3 借力市政壓力,推廣應用新技術

水泵吸水管分兩路,一路是低位水池(箱),一路是市政壓力直供。 射流輔助裝置安裝在水泵吸水管道上,市政來水經過射流裝置,產生負壓,負壓處聯通水池來水,水泵進水即可利用市政壓力供水,又可使用水池貯存清水。 當供水系統運行時,帶壓的市政供水與低位水池(箱)供水經過射流輔助裝置,混合后以定量揚程供至水泵吸水口,充分利用市政壓力,降低泵房水泵揚程,市政供水與低位水池(箱)并聯供水,降低低位水池(箱)二次污染風險,該技術已在工程實踐中使用,節能效果約20%。

4.3 水力停留時間

根據朱玉蘭等[3]試驗表明,當水體中的微生物生長指數GI＜0 時,微生物可被余氯滅活;當水體中的微生物生長指數GI＞0 時,微生物有繁殖趨勢,水箱出水存在微生物超標風險。 許擁軍[4]研究表明,按照完全推流式水箱進水余氯濃度最不利工況0.05 mg/L 的情況下,通過研究在一定的衰減系數下,余氯不斷衰減,GI先降低后不斷上升,水力停留時間臨近7.2 h,水體中的微生物生長指數GI接近于0,水質開始存在二次污染的風險。

依據GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》3.8.3 章節:“生活用水低位貯水池的有效容積,當資料不足時,宜按建筑物最高日用水量的20%～25%確定?！痹谑姓芫W無法正常補水的情況下,為保障貯水池水量充足,按照最高日用水量的25%確定有效容積,平均水力停留時間為6 h,既符合國標參數要求,又可確保停留時間內微生物生長指數GI＜0,保障水質安全。

同時,為加快自來水在水箱(池) 中的流動性[5],大幅度減少死水區,確保水箱各處水體都可在6 h 內得以換活,應優化水箱(池)內部結構,首選進水口與出水口成對角布局,提高水力效率,避免短流或回流出現,設置導流板,導流板長度應大于水池長度的3/4,根據需要適時增加導流板數量。

4.4 水池內部材質問題

結合相關研究實驗數據[6],選取混凝土、涂料、食品級瓷磚、不銹鋼作為水池內部材質,同樣進水水溫、余氯、pH 環境下,余氯衰減系數及pH 變化由大到小依次為:混凝土＞涂料＞食品級瓷磚＞不銹鋼;混凝土及涂料在水體中釋放耗氯性物質,加速余氯衰減。 在使用加氯消毒的自來水中,消毒劑有效成分是HOCl,pH 升高會使得HOCl 的比例下降,造成壁面附近的消毒能力下降[7]。

在其它條件相同的情況下,從控制微生物角度考慮,混凝土最差,不銹鋼最為理想,若不銹鋼貼片與混凝土池壁無法嚴絲合縫,則效果不佳。 涂料為高分子材料,長期在飽和水體浸泡有脫落、水解風險,在溫差變化、干濕交替時出現的熱脹冷縮現象,由此會產生漆膜開裂導致防護層缺陷。 符合GB 4806.4—2016《食品安全國家標準陶瓷制品》食品級瓷磚為混凝土水池內部貼片材料,是較為合適的選擇,水池內各項水質指標滿足《深圳市生活飲用水衛生規范》(2018 年版)規定的限值要求,安全衛生、感官愉悅、品質優良,可直接飲用的自來水。

根據深圳供水企業水質監測數據,對二次供水監測數據進行了分析。 二次供水設施改造后對濁度、游離氯、鐵離子有較大改善效果,水質綜合達標率提升4.49%。

4.5 多重降噪,提高聲環境質量

首先,水泵隔振:根據水泵功率大小,在水泵機組與基礎之間安裝JSD 型橡膠減震墊或ZD 型阻尼彈簧復合減震器。 其次,管道隔振:跟水泵連接管道的所有支、吊架用彈性連接代替剛性連接,水泵的進出水口、穿墻處采用可曲撓單球或雙球合成橡膠接頭。 再次,物理吸音:借助珍珠巖或巖棉吸音材料,當聲波進入吸聲材料孔隙后,立即引起孔隙中的空氣和材料的細小纖維振動,由于磨擦和粘滯阻力,聲能轉變為熱能被吸取和耗散掉。 最后,消音止回:水泵出水管道安裝靜音式止回閥,除防止水體倒流,也可消除停機等突發事故下液體流速的急劇變化,引發水錘現象,導致管道和設備振動。

4.6 大數據時代,智慧化集成平臺

建立二次供水信息管理系統,利用通信網絡集成泵房自動化控制、數據采集、監視控制系統、安防視頻系統和門禁系統等,通過電腦端及移動端實現數據采集和監控、設備運行維護以及系統管理的自動化、信息化,通過數據建模分析優化運行管理流程。 深圳市鹽田區2018 年率先啟動居民小區二次供水設施提標改造工作,實現智能供水、智能識別、人機互動、能耗管理等一系列系統進行有效集成,作為全國首個自來水直飲示范區,改造后運行數據顯示,減少人力成本的投入約80%,規避水質污染的風險95%以上,降低漏水率達到90%,延長二次加壓設備使用壽命1.5 倍,“智慧水務+大數據”系統集成多維度管理,將供水運維數據化、可視化、智慧化,實現少人或者無人值守管理模式。

5 結論與建議

通過對二次供水設施改造工程現狀分析,了解到本工程存在的問題以及改造的必要性,梳理需要改造內容,從中發現設計階段應注意的重難點,主要涉及到兩項工程銜接、設備合理選型、混凝土水池內壁貼片材質選擇、水力停留時間設計,噪音污染控制、智慧化泵房建設;確保泵房內外供水系統流暢,設備高效節能運行,水質安全得以保障,運維狀態無擾民,同時基于二次供水信息管理系統,實現“智慧水務+大數據”集成化、智能化,實現少人或者無人值守管理模式,提高管理效率。

上述技術措施討論,是基于深圳二次供水設施改造工程實施過程中積累的部分經驗,可為后續的同類工程的實施提供一定的參考,同時部分技術措施也需結合實際水泵運行進一步商榷與研究,以便于更好的提供科學的依據,更廣泛的推廣應用。