南方城鎮小型自來水廠設計探討

韓佩君　胡新立　余軍

摘要：采用絮凝、沉淀、過濾、消毒常規工藝即可有效去除青年運河水的濁度、色度及細菌，折板絮凝、斜管沉淀及V型濾池很好地解決了城鎮小型水廠節能、節地、管理的問題。針對可能存在的有機污染和藻類暴發，在取水泵站設置高錳酸鉀預氧化和活性炭投加系統，預留臭氧活性炭深度處理用地以備遠期提標。為減少環境污染及降低自用水系數，對排泥水進行重力濃縮、板框壓濾，對反沖洗水直接回用。實際運行出水水質滿足國家生活飲用水衛生標準，其中濁度穩定在0.5 mg/L以下。

關鍵詞：運河水；預處理；常規處理；濁度；自用水

為實現湛江市遂溪縣嶺北鎮工業園區統一供水，改變嶺北鎮依靠地下水的現況，防止地陷、海水倒灌和政策原因導致的成本上漲，地表水廠的建設被提上日程。小城鎮水廠由于投資有限，宜合理確定近、遠期規模，分期建設避免浪費。工業園區劃撥的建設用地有限，且運維管理人員缺乏，根據用地指標選擇節省用地、運行穩定、操作簡單的工藝至關重要。

1 水廠簡介

1.1 總體情況

嶺北鎮某水廠總規模6萬 m3/d，一期設計規模

2萬 m3/d，包含取水工程、輸水工程、凈水工程及配水工程4個部分。水廠有效用地面積0.96 ha，用地指標為0.48 m2·d-1/m3，低于《城市給水工程規劃規范》中0.70 m2·d-1/m3。水源為青年運河（鶴地水庫來水），取水泵站設置高錳酸鉀預氧化和臭氧活性炭投加系統；凈水工程采用折板絮凝+斜管沉淀+V型砂濾+接觸消毒的常規處理工藝，污泥處理工藝采用重力濃縮+板框脫水后外運。

1.2 規模及水源

1.2.1 設計規模

水廠最高日用水量可采用城市綜合用水量指標法、綜合生活用水比例相關法、不同類別用地用水量指標法[1]。

根據《廣州黃埔（遂溪）產業轉移工業園總體規劃》，園區就業人口4萬人，建成后園區內可解決0.4萬人的居住問題，鎮區解決3.6萬人的居住問題。由于嶺北鎮某水廠主供工業園，故不適合采用以用水人口為計算基礎的城市綜合用水量指標法。同時暫無工業用水與綜合生活用水比值數據，故綜合生活用水比例相關法也不準確。根據控制性詳細規劃中規劃用地平衡表，采用不同類別用地用水量指標法計算最高日用水量。結合入駐企業現狀用水量調查并考慮節水技術發展，為避免投資浪費，工程分期建設，近期工程規模為2萬 m3/d，遠期規模為6萬 m3/d。

1.2.2 水源選取

選擇優質水源，是控制凈水工藝成本的基礎。嶺北鎮附近水源包括合流水庫、羅馬壇水庫和青年運河。將3個水源水質與《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類水水質標準作對比。

合流水庫總氮超標，存在富營養化的風險；庫容較小，水深淺，藻類平均高達1359萬個/L。羅馬壇水庫糞大腸菌群超標，為周邊養殖場污染所致；此外鐵含量超標。青年運河水質較好，僅總磷偶爾微量超標，可在絮凝沉淀工藝中被去除。從水質角度看，青年運河最適合作為飲用水水源。

合流水庫距離水廠約15km，穿越嶺北鎮中心；羅馬壇水庫和青年運河距離水廠約9km和12km，且沿途沒有成片聚集區，方便建設。從經濟角度看，水源近不但使輸水管道建設成本降低，而且減少了后續運營電費。

綜上所述，選取距離較近、水質優良的青年運河作為本工程水源。

2 總體方案論證

2.1 工藝路線

工藝選擇需考慮對青年運河水污染物去除效果好、符合出水水質的工藝，同時滿足運管水平和經濟條件，保留遠期提標可能性。本工程也借鑒了周邊類似水源的設計工藝[2]。遂溪縣運河水廠和湛江市赤坎水廠均以青年運河為水源，采用水力絮凝+斜管（平流）沉淀+砂濾池+清水池；湛江市麻章水廠和霞山水廠均以合流水庫為水源，采用生物接觸氧化（預臭氧）+機械混合+網格絮凝+平流沉淀+砂濾池+清水池。

青年運河基本符合地表水環境質量標準Ⅲ類水質[3]，

考慮的重點是采取措施抑制藻類，降低出水濁度、色度和細菌學指標，以上目標采用常規絮凝、沉淀、過濾、消毒工藝即可實現。提標預留臭氧-活性炭深度處理用地，以進一步降低色、嗅、味和AOC、Ames，改善口感。鑒于運河自鶴地水庫途經眾多城鎮，存在突發污染的可能，設置化學預氧化及物理吸附系統。

水廠沉淀池排泥水的懸浮固體濃度高出濾池沖洗廢水十數倍，若將沉淀池排泥水和濾池反沖洗廢水按合并處理工藝一起排入綜合調節池，雖可比分別處理工藝省去排水池，減少了該部分的基建投資和占地，但沉淀池排泥水卻被濾池反沖洗水極大稀釋，極不利于后續污泥濃縮[4]。因此本工程考慮排泥池和排水池分建。反洗廢水考慮直接回用，可在一定程度上改善原水低濁狀況下的絮凝條件，節省礬耗。

2.2 工藝選擇

取水泵站應急加藥選擇安全的氧化劑—高錳酸鉀，可除鐵錳、有機物和藻類，同時相比氯氧化，不產生有毒副產物，可降低氯化水的致突變性。粉末活性炭作為吸附劑，利用其發達的孔隙和比表面積，應對突發性或季節性污染（如農藥、重金屬或有機物）。

建設初期相當長時間內用水量較少，靜態混合器效果難以保證，故選用對水量變化適應性好的機械混合。國內水廠中機械絮凝應用較少，主要以水力絮凝為主；折板絮凝顆粒碰撞機會大，能量消耗省，絮凝效果較網格絮凝更優。為確保附壁紊流效應，提高對水量水質變化適應性，采用多通道豎流折板。平流沉淀池是國內大中型水廠采用最廣泛的池型，占地面積大是其主要缺點。對于小型水廠，特別是用地不充裕的情況，選用斜管沉淀池更加合適，故采用上向流斜管沉淀池，占地小，運行也較穩定。濾池選用技術成熟、生產管理方便、使用廣泛的V型濾池?？紤]到紫外線和臭氧無持續消毒能力，液氯貨源緊張、運輸不便，次氯酸鈉易揮發分解，不宜久貯，選用可現場制備、安全可靠的ClO2作為消毒劑，且其適用于有一定有機污染的原水。

反沖洗廢水經排水池潛水泵提升直接回用至絮凝沉淀池前端。采用簡單穩定的重力濃縮池；脫水至含水率60%后更易處置，故選擇板框壓濾機脫水。

3 工程設計

3.1 取水泵站應急加藥間

（1）高錳酸鉀投加系統

采用1套三腔連續制備系統，制備能力2200 L/h。濕式投加，溶液濃度2%，投加量采用0.5～2.5 mg/L。

（2）活性炭投加系統

活性炭料倉體積10 m3，溶液罐體積5 m3，采用煤質粉末活性炭，炭漿濃度5%，投加量為5～30 mg/L。

3.2 輸、配水工程

一般路段采用DN600離心球墨鑄鐵管，T型承插接口，開挖施工，覆土深度保持在1.2 m左右，可有效減少與其他管線沖突。管頂以上500mm中央壓實度略小于兩側，貫徹“中松側實法”以保護管道。過路段采用牽引管施工，管材為HDPE實壁牽引管。

3.3 凈水工程

3.3.1 水處理系統

（1）混合絮凝沉淀池

1座2組；混合時間一般為10～30s，最多不超過2 min。水量較小，土建尺寸無法減少時，可填充素砼；攪拌器N=7.5 kW，保證G在500～1000 s-1。絮凝池折板夾角90°，依次為異波、同波和直板[5]，總絮凝時間30min，三段絮凝時間分別為10.7min、10.7min和8.6min，流速為0.28m/s、0.17m/s、0.13m/s，GT在104～105之間。為防止絮體破碎，出水經過渡區設置整流柵條。

沉淀池液面負荷6.2 m3/（m2·h）。采用多頭靜壓排泥，排泥角閥分組控制，以免水量過大溢出排泥渠。排泥角閥和排泥管可分別按照管嘴出流[6]和長管計算得出分組最大控制個數。

（2）汽水反沖洗V型濾池

1座4組，設計濾速7.1 m/h。雙排布置，濾層厚度1.20 m，出水管上設置氣動調節閥控制濾池恒水位運行，濾料上水深不得小于1.2 m。濾池反沖洗按運行周期、出水濁度、水頭損失等自控進行。先氣沖洗，再汽水同時沖洗，最后水漂洗，同時增設表面掃洗。正常過濾時濾池反沖洗周期24～36 h。V型槽配水孔關系到表面掃洗的均勻性，土建施工混凝土振搗易帶動表掃管位移，故采用不銹鋼V型槽；且表掃孔高程應與排水槽頂標高一致以防止表掃效果差或濾料面傾斜。濾板采用鋼筋砼整澆，可有效防止預制小塊濾板接縫漏氣漏水和濾板坍塌現象。

（3）清水池

1座2組，有效容積按近期規模10%設計。清水池的最低水位，應保證消毒有效接觸時間t10不小于30 min（ClO2）[5]。

（4）二級泵房

平面尺寸L×B=15.9×7.6 m，地下深4.05 m，地上高7.60 m。高濕系數1.40，大小泵搭配。

（5）加藥間

平面尺寸L×B=22.0×7.9 m，PAC設計最大投加量20 mg/L（有效成分Al2O3含量28%）。采用隔膜式計量泵2臺，交替使用。ClO2預加氯最多2.0 mg/L，投在進水總管電磁流量計井后；主加氯1.5 mg/L，投在濾池集水池；補氯投在二級泵房吸水井，控制出廠二氧化氯余量為0.1 mg/L。ClO2發生器3套，2用1備。單套制備能力2 kg/h。

3.3.2 泥處理系統

（1）回收水池

1座，平面尺寸L×B=8.8m×5.8 m，有效水深為

3 m，內設功率2.2 kW的潛水攪拌器1臺。處理水量332.8 m3/d，經潛水泵提升回流至混合池。

（2）排泥池

1座，平面尺寸L×B=8.8×6.2 m，有效水深為

2.65 m，內設功率為2.2 kW潛水攪拌器1臺。貯泥量按1天計，污泥含固率以0.8%計，污泥泵提升后輸泥至濃縮池。

（3）污泥濃縮池

1座，φ=9 m，固體通量取0.75 kg/（m2·h），液面負荷0.1 m3/（m2·h），設置中心傳動污泥濃縮機。進泥含水率99.2%，出泥含水率降到97.5%。

（4）污泥平衡池及脫水機房

平衡池1座2格，單格尺寸L×B =3 m×3 m，水深5.15 m，每格設置一臺1.5 kW攪拌機，貯存高濃度污泥的同時兼作調理池。隔膜式板框壓濾機1用1備，單機過濾面積100 m2，進泥含水率≤98%，泥餅含水率≤60%，運行時間12 h；PAM投加量不超過5 kg/tDS。脫水機附屬設備還包括進料泵、絮凝劑制備裝置及輸送泵、電動污泥斗、壓榨水箱及壓榨泵、清洗水箱及清洗泵、儀表氣罐、工藝氣罐、冷干機及空壓機等。

設計絕干污泥量為1.1噸/d，泥量公式采用S=（K1C0+K2D）×Q×10-6，參考周邊水源水廠運行數據計算，其中Q為水量（m3/d），K1為濁度與SS的換算系數，一般為0.7～2.2，本工程取1.5；K2為藥劑轉化泥量系數，對于PAC而言為1.53；D為投藥量（mg/L）。C0為一定保證率對應的濁度值，本工程按照95%保證率對應統計濁度；K1跟水源、濁度范圍有關，應取較長時間水樣實測，建議國家規范調研不同流域、不同類型、不同特點的水源水K1值。

3.4 工程投資

本工程一期規模2萬 m3/d，包括完整取水、輸水、凈水和配水工程。概算總投資8012.23萬元，建安費5975.28萬元，其中凈水工程3241.15萬元，凈水環節噸水指標1620元/m3。

4 結語

（1）小城鎮自來水廠由于投資有限，宜合理確定近、遠期規模，分期建設。

（2）對于確定新建工業園區的供水規模，宜根據規劃用地平衡表使用不同類別用地用水量指標法。

（3）對于水源較好的城鎮小型水廠而言，主要目標為降低濁度、色度和細菌學指標，僅采用絮凝、沉淀、過濾、消毒工藝即可實現。預留深度處理用地用于遠期提標。對于存在有機污染、藻類暴發可能的水源水，可設置化學預氧化及活性炭投加系統。

（4）小城鎮自來水廠建設用地有限且運管人員缺乏，應選擇節省用地、運行穩定、操作簡單的工藝。折板絮凝、斜管沉淀及V型濾池很好地解決了節能、節地、管理的問題。反洗水回用可降低自用水系數。

（5）由于采用常規處理工藝中節地、穩定的成熟工藝，凈水環節噸水指標1620元/m3，低于廣東省常規自來水廠1800-2000元/m3噸水造價；用地指標為0.48 m2·d-1/m3，低于《城市給水工程規劃規范》中

0.70 m2·d-1/m3。

（6）運行期間出廠水濁度穩定在0.5 mg/L以下，二氧化氯余量0.1 mg/L以上；管網末梢二氧化氯余量0.02 mg/L以上；出水水質滿足國家生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）[7]。

參考文獻

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市給水工程規劃規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[2] 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司.給水排水設計手冊.第3冊，城鎮給水[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[3] GB 3838-2002，地表水環境質量標準[S].北京：中國環境科學出版社，2002.

[4] GB 50013-2018，室外給水設計標準[S].北京：中國計劃出版社，2021.

[5] 崔玉川.給水廠處理設施設計計算[M].北京：化學工業出版社，2013.

[6] 金建華，王烽.水力學[M].長沙：湖南大學出版社，2004.

[7] GB 5749-2006，生活飲用水衛生標準[S].北京：中國標準出版社，2007.