大型水厂改造的集约化设计理念与应用

胡 翔

(深圳市水务<集团>有限公司，广东深圳 518033)

随着城市经济的高速发展以及人民生活水平的快速提高，城市供水系统面临更多的压力和更高的要求：水质达标和提升、节能降耗和减排、运行安全与可靠等[1]。根据2019年住房和城乡建设部水质专项调查统计结果，全国城市和县镇共有公共供水厂4 457个，其中，在2 714个地表水厂中，具有深度处理工艺的仅为2%[2]。一方面水厂工艺流程日益复杂，已扩展出预处理、强化常规处理、深度处理、膜处理和回收水及污泥处理，相应构筑物的种类和数量也不断增加，用地需求持续攀升[3]。另一方面，城市化快速推进和生态红线控制，使得大中城市的城区用地日趋紧张，且城市发展的历史原因，许多拟改扩建的水厂往往位于城区甚至中心城区，导致普遍存在建设用地不足、周边可征土地少，甚至无地可征的现象。因此，在现有常规处理工艺的基础上，为全面提升水质及满足减排要求，集约化设计是突破这种局面的必要手段。

基于南方城区某水厂改扩建工程的实践和设计经验，总结水厂集约化改造的设计理念和相关集约布置技术，为诸多类似水厂改扩建提供一定借鉴。

1 工程背景

某水厂始建于1961年，是当地第一座自来水厂。随着城市快速发展，水厂历经了多次改扩建，供水能力由最初的0.25万m3/d增加到现在的35万m3/d。主要采用“网格反应池+斜管沉淀池+砂滤池”的工艺流程，其中，砂滤池分为“双阀滤池”(22万m3/d)和“V型滤池”(13万m3/d)2种池型。水厂主要生产设施位于厂区中部和中北部，现状平面布置见如图1所示。目前，水厂制水能力已基本达到现有生产设施的极限，所在行政区长期存在供水缺口，主要依靠相邻行政区水厂的转供，且水厂现有的常规工艺流程，在城市对水质越来越高要求的今天，已面临越来越多的压力，应用新工艺和更有水质保障的流程是必然选择。

水厂现状占地约51 000 m3，本次改扩建规模为60万m3/d，制水采用“预氧化+高效沉淀+臭氧接触+上向流活性炭过滤+砂滤”的工艺流程，生产废水处理采用“分质回收+浓缩/预浓缩”方式，污泥处理采用“离心脱水+低温干化(预留)”方式。水厂所处位置空间受限较大，东侧毗邻水库，西侧大门出口即为市政道路，南侧紧靠公园的高边坡区域，北侧则和一宾馆相邻，可见周边可供利用土地资源十分紧张，基本难以通过向外大规模扩张用地方式完成改扩建(仅通过积极争取在水厂北边新征了约5 600 m3的土地)。因此，向现有土地挖潜、往内改造扩能是水厂唯一的出路。

水厂是所在行政区唯一的主力水厂，最高日供水量在33万m3/d左右。即使考虑到通过管网互联互通尽量增加转供水量，水厂在改造期间的供水量也不能低于30万m3/d，否则就会影响水厂服务区域内的正常用水。

图1 水厂现状平面布置示意图Fig.1 Existing Layout of Water Plant

2 用地现状与改造思路

在水厂现状用地中，生产相关用地约44 500 m2，南部一块非生产性用地约6 500 m2，即改扩建前，35万m3/d规模水厂的吨水用地指标为0.127(m2·d)/m3。而本市中心城区其他主力水厂的吨水用地指标一般在0.22～0.45 (m2·d)/m3，表明该水厂现状用地及布局也是较为紧张和集约的。考虑到水厂现有设施普遍较老旧，厂区平面布局几经改造较凌乱，地下管线也难以厘清，本着土地利用最大化和建设标杆水厂的原则，经研究决定，采用将水厂现状设施全部拆除再重建的方式。

本次新征的560 m2用地，加上厂内的非生产性用地6 500 m2，实际仅有12 000 m2用地能用于改扩建。以本次改扩建的规模来说，这些用地是远远不够的，即改扩建完成后，60万m3/d规模水厂吨水用地指标仅为0.094 (m2·d)/m3。不但远远低于现状的用地指标，而且一般传统的工艺形式也无法实现如此低的用地指标，加上还要保证水厂在施工期间必须有30万m3/d的制水能力，因此，必须另寻他径。

经过多次深入现场分析、讨论，以及不同方案的比较，最终形成了较为一致的总体改造思路，归纳起来为以下几点：

(1)多采用集约、高效的工艺形式；

(2)借鉴地下空间开发经验，突破平面向空间要规模；

(3)以高效集约化布置为基础，结合水厂主要生产设施位于厂区中部和中北部的现状布局，以及30万m3/d保供规模的硬性要求，分阶段通过“拆工艺单体、建工艺流程”的“拆、建、拆、建”模式[4]来实现既定的保供目标。

3 集约化布置设施及设计特点

3.1 节地池型选择

(1)沉淀池选用处理效率高、占地面积小的高密度沉淀池，与同规模的平流沉淀池相比，可以节省60%～70%的用地面积。

(2)活性炭滤池选用上向流炭滤池，与下向流炭滤池相比，上向流滤速大，池体占地面积相对较小。同时，上向流炭滤池仅需气冲洗，还可节约反冲洗泵房所需面积，总的来说，上向流炭滤池可以节地30%以上。

3.2 单体组合设计

将部分功能相近或体量较小的单体组合在一起，各单体紧凑布置，单体间利用过水连渠及孔洞或者尽可能短的明敷管道连通[5]，可以大大缩短构筑物之间的距离，提高土地利用率。例如炭砂双侧滤池即是一种组合式布置，中间管廊共用，既节约用地，也方便管理。

(1)结合水厂南部区域地形，将V型滤池的反冲洗泵房、鼓风机房和加药间进行组合布置，同时，与新建的高效沉淀池贴临(图2)。在满足相关规范要求，且不影响进、出通道及管线布置的前提下，尽量组合布置，既整齐美观，又节约用地。

(2)考虑到污泥处理构筑物数量多、关系密切，且单座体量小，设计将浓缩池、平衡池、进料泵房、回收水池组合为污泥处理单元，即污泥处理单元成为一系列相关构筑物组合成的大构筑物，不仅节省占地，也降低了整体单元的施工量。

图2 部分设施组合集约化布置示意图Fig.2 Schematic Diagram of Integrated Layout of Some Facilities Combination

3.3 构筑物叠建设计

(1)清水池占地面积较大，设计将其部分叠建于活性炭滤池和V型滤池下(图3)。在保证水力流程衔接顺畅的条件下，可以节约用地，并通过合理设置人孔以方便人员进出、出水阀门井设置排水泵以方便放空等措施，将叠建构筑物对水厂运营管理的影响降至最低。

图3 某叠建构筑物(V型滤池下叠清水池)竖向示意图Fig.3 Vertical Schematic Diagram of a Overlayed Structure(Containing V-Filter and Clear Water Tank)

(2)在高效沉淀池下建设单独管道层，将主要生产管线纳入，可以减少管线在总平面上的占地。

(3)对于辅助生产的单元构筑物，设计采用加药间下叠排水池(图4)、平衡池上叠配电间、脱水机房上下层分置离心机和低温干化设备等方式，充分利用竖向空间。

图4 某叠建构筑物(综合加药间、反冲洗泵房下叠排水池)竖向示意图Fig.4 Vertical Schematic Diagram of a Overlayed Structure(Containing Comprehensive Dosing Room, Backwash Pump House and Drainage Basin)

构筑物叠建设计增加了结构的复杂性，也对结构的相关设计提出了较高要求，一般叠建在结构上会采取如下措施来加强工程质量：

(1)采用抗裂纤维混凝土，改善混凝土抗渗透性，提高其早期抗裂性能和抗变形能力，减少渗漏风险；

(2)加强变形缝处的防渗漏构造设计，选用高强耐久、质量可靠的变形缝止水材料；

(3)加强止水带周围混凝土浇注的质量控制。

3.4 V型滤池设计

(1)将砂滤池中每格进水溢流堰进行归并，统一设于滤池进水渠末端，并在溢流堰后设1根排水总管直通下部排水渠道(图5)。该设计既能避免进水渠末端死水，又便于下部渠道的施工及运行检修。

图5 V型砂滤池进水及溢流集约化布置示意图Fig.5 Schematic Diagram of Integrated Layout of Inlet and Overflow of V-Shaped Sand-Filter

(2)简化每格砂滤池进水布置，因溢流堰归并布置，每格滤池进水闸门后的布置由传统的堰前堰后2条分渠优化为1条通渠，进水堰两侧翻水后分别进入两侧的V型槽(图5)。在保证过滤面积的前提下，通过有效缩短进水渠宽度来节省占地。

(3)优化管廊布置，管廊与池体在结构上“一体化”处理，每格滤池清水井与滤池共壁。同时，优化管线排布，初滤水管及放空管在清水井内埋设穿越。排水沟遇出水井时，通过在井内埋设排水管形式穿越(图6)。

图6 滤池管廊集约化布置示意图Fig.6 Schematic Diagram of Integrated Layout of Pipe Gallery of Filter

4 供水保障与分阶段、分区施工

供水保障是本改扩建工程在实施过程中必须要满足的硬约束条件，因此，在设计策划阶段，需基本明确施工方案并确保可实施性，同时，即可明确整体的平面布局。

基于“拆工艺、建流程”的原则，本例通过“拆建-拆建”方式形成“两阶段”的分步施工方案：第一阶段，拆除南区对供水生产影响不大的设施，建造30万m3/d规模的常规处理，以及在北侧新增用地上建造配水提升井及新设的原水管，建成后给予调试稳定并投产运行，形成一条新的供水保障生产线；第二阶段，拆除北区现状所有生产设施，建造30万m3/d规模的常规处理、60万m3/d规模的深度处理以及60万m3/d规模的污泥处理，最终完成整个水厂的拆除重建。

由图7可知，“两阶段”有较清晰的施工界面。第一阶段，施工聚焦在南侧和新增用地区域，待施工完毕、相关设施投产运行后，南侧和新增用地区域新建生产设施交由水厂运维，从而新增30万m3/d规模的常规制水能力；第二阶段，施工区域转移至厂区的中北部，在相关区域进行施工直至完成改扩建。

图7 两阶段施工界面及改造后平面布置示意图Fig.7 Schematic Diagram of Two Stage Construction Interface and Layout after Reconstruction

这个方案对施工区和运行区进行了较为彻底的隔离，新、旧构筑物之间基本无相互交叉。工程临时接管工作量小且无须过多保护措施，施工期间水厂的生产管控也较为方便，大大提高了供水生产的安全性，从整体上降低了30万m3/d供水保障要求的实施难度。

5 经济分析

水厂通过高度集约化设计，实现了预定的改扩建目标，也在一定程度上增加了投资和运营成本，但分析表明，投资是可接受的。

5.1 吨水投资指标

水厂改扩建第一部分工程费用约为119 500万元，其吨水投资指标为1 991.67元/t。目前，国内采用全流程、同类型工艺大型水厂的吨水投资指标一般在1 500～1 700元/t，工程投资略有偏高，但剔除有关保护性及不可比的措施费用(合计约18 500万元)后的实际吨水投资指标为1 683.33元/t，结合不同年代建设费用稍有升高的规律，基本属于正常水平。

5.2 财务评价

以供水行业工程财务评价的通用原则及2.90元/t的分析水价为基础，可得出：本项目的财务内部收益率为7.55%、财务净现值为21 211.83万元(定税前财务基准收益率=6%)、投资回收期(所得税前)为12.56 年，均达到了行业标准，因此，在财务上是可行的。盈亏平衡分析显示，在供水规模达到38.58 m3/d时就可以达到盈亏平衡，说明本项目也具有相当的抗风险能力。

6 结语

(1)针对水厂原址改扩建的用地难题，通过“拆、建、拆、建”的方式，合理划分、分步实施，最大限度减少对现有生产的影响，并分阶段进行生产和施工的衔接，在维持水厂一定制水规模的同时，可实现规模扩能、水质提升、节能减排和安全可靠等多重建设目标。

(2)基于高效、集约的设计理念，“混凝沉淀”和“深度处理”单元使用了高效池型，并通过优化V型滤池设计、清水池叠建于活性炭滤池和V型滤池下部、排水池叠建于反冲洗泵房及加药间下部、部分生产辅助设施和污泥处理设施组合布置等措施，尽量减少占地，加之合理的平面布局，集约化布置将每一寸土地的潜力开发到极致。

(3)经济分析表明，水厂高度集约化设计虽然在一定程度上会增加投资和运营成本，但在投资及财务上也是可接受的。