基于节地的水库水源水厂设计：以湛江市麻章自来水厂工程为例

胡新立，司徒菲，张 明，余 军，简思凤

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

根据第七次全国人口普查结果，我国常住人口城镇化率已达63.89%。随着我国城市化的快速推进，城市建设用地日趋紧张，尽管城市各级规划预留了地表水厂建设用地，但普遍存在其他建设用地挤压地表水厂建设用地指标、实际征地困难、规划用地退缩条件要求高等问题，导致地表水厂实际建设用地不足。因此，针对这种局面，节地设计是切实可行的解决手段。目前，针对水厂节地设计的研究不多，基本采用的是节地工艺(如高密度沉淀池)和叠池设计[1-3]。水厂节地设计通常选用节地工艺，如斜管沉淀工艺等。本文以麻章水厂为例，该厂以合流水库为水源，该厂用地指标不足且水源属于低浊水，需考虑除藻需求，对该水厂从构筑物竖向叠池设计、池底刮泥机新设备应用减少浓缩池设置、生产建筑物近远期共建及生产建筑物二层设置等节地设计措施系统进行探讨，以期提供有益的参考和借鉴。

1 项目背景

麻章区位于湛江市区西部，东邻赤坎区，是湛江市区通往海南、广西以及西南、中南各省市的对外交通门户。全区南北长约为4.8 km，东西平均宽为4.3 km，东侧为黎湛铁路，西侧为粤海铁路和疏港大道。

原麻章水厂以合流水库为水源，厂址位于麻章区城区金川路，设计规模为2.5万m3/d，而麻章区实际需水量已达3.0万m3/d，原麻章水厂已处于超负荷运行状态。

原麻章水厂处理工艺为水力澄清池+无阀滤池，存在处理工艺陈旧、自用水水量大、水力澄清池排泥水和无阀滤池反冲洗水直接外排、地处城区征地扩建困难等问题。为彻底解决原麻章水厂供水不足现状，提升供水能力和安全保障，以满足未来不断增长的居民生活用水和工业生产用水需求，拓展麻章区城市发展空间，以合流水库为水源，异地新建麻章水厂势在必行，新麻章水厂建成投产后，原麻章水厂停产。

新建麻章水厂总设计规模为15.0万m3/d，近期设计规模为7.5万m3/d，厂址设在麻章区合流水库东北侧，靠近水源地，近期占地面积为34 905 m2，北侧南赤村规划预留远期建设用地，近期用地指标为0.465 m2·d/m3，远低于《城市给水工程规划规范》(GB 50282—2016)用地指标(0.650 m2·d/m3)，用地紧张，需采用节地设计。该厂于2017年12月28日竣工投产，水源地合流水库位于麻章西侧合流村附近，与雷州青年运河东海河相连成为结瓜水库，通过雷州青年运河承接鹤地水库的补水，2012年被麻章区人民政府设置为饮用水水源一级保护区，用水水质和水量可以得到很好的保证。

2 工艺方案

2.1 水源水水质

2010年—2012年，合流水库水源水水质数据最高值、最低值及平均值汇总统计如表1所示。分析可得，作为水厂水源的合流水库总体水质指标基本符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅱ～Ⅲ类水标准，但原水CODCr指标高于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中该项指标Ⅲ类限值(20 mg/L)，说明存在一定的有机污染。原水中浑浊度最高值仅为15.13 NTU，属低浊水，含藻量较高，大部分情况下藻类含量高于1.0×106个/L，属于含藻水。

表1 原麻章自来水厂原水水质

2.2 出水指标

供水水质近期要求达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《城市供水水质标准》(CJ/T 206—2005)，出厂水浑浊度在0.5 NTU以下，远期需满足《饮用净水水质标准》(CJ 94—2005)及欧盟饮用水水质指标要求。且排泥水经处理后，要求泥饼含水率≤75%。厂区污泥浓缩脱水滤液和厂区生活污水经收集后，由提升泵和排污专管排入疏港大道市政污水管网。

2.3 工艺流程

根据水源水水质分析，对比出水水质指标，原水中浑浊度、色度、耗氧量、BOD5、CODCr、TN、藻类、细菌学指标为麻章水厂处理工艺所需去除的主要目标。结合上述去除目标，考虑水源水的低浊、含藻性质，本工程选用成熟、适应性强的“网格絮凝池+平流沉淀池+气水反冲洗V型滤池+液氯消毒”处理工艺。针对原水存在一定的有机污染，本工程近期采用细格栅前预加氯措施去除原水中的藻类及微污染，同时设计生物预处理池(暂缓实施，待微污染进一步增强至影响出水水质时再行实施)；采用多点加氯措施保障出厂水细菌学指标达标；远期预留采用臭氧-活性炭深度处理工艺，以进一步降低AOC(可同化有机碳)和Ames(致突变)效应及耗氧量，使出厂水水质满足直饮要求。污泥脱水采用离心浓缩脱水一体化工艺。具体工艺流程如图1所示。

图1 麻章水厂工艺流程

2.4 总平面布置

该厂用地红线面积为34 905 m2，按7.5万m3/d规模布置，用地指标为0.465 m2·d/m3[根据《城市给水工程规划规范》(GB 50282—2016)，地表水水厂(预处理+常规处理+深度处理工艺)用地指标为0.65 m2·d/m3]，用地紧张，需采用节地设计。平面布置如图2所示，设计厂区分为厂前区、生产区及预留区，各区相互独立，又通过厂区道路有机联系。厂前区位于厂区南部，进厂道路位于厂前区与生产区之间，与东侧紧邻现状道路相连；生产区工艺构筑物基本按流程自西向东呈直线型布置以减少水头损失；生产区公共部分如加药间、排水池、贮泥池、污泥浓缩脱水机房、二级泵房等布置在近期用地和远期预留发展用地之间，可兼顾近远期，远期工程施工时对近期生产基本没有影响；预留区用地位于厂区中部南侧，充分考虑常规处理与深度处理管道的有机衔接，近期用作绿化用地。另外，通过采取清水池与网格絮凝池和平流沉淀池合建、取消浓缩池、污泥浓缩脱水机房二层等措施节约占地。

图2 麻章水厂总平面布置图

3 主体工艺设计

3.1 净水构(建)筑物

3.1.1 中格栅间及生物预处理池(暂缓实施)

本工程近期设生物预处理池1座，以应对原水微污染及水体富营养化等水质问题，目前预留建设用地，先行设计并暂缓实施，根据进水水质需求另行启动该池建设。设计规模为 7.5万m3/d，自用系数取1.05，设计停留时间为50 min，设计气水比为0.75∶1～1.5∶1，设计生物填充量为35%。该构筑物分为2组，总尺寸L×B=31.75 m×21.60 m，池深为7.00 m，有效水深为6.50 m，池内采用流化填料，材质选用Φ=50 mm×40 mm的PP料，填充量为1 280 m3。

中格栅采用不锈钢材质的弧形格栅，共设4台，单台规格为1 800 mm×5 000 mm，电机功率N=1.1 kW，过栅间隙为10 mm。

3.1.2 细格栅间及配水混合井

细格栅间及配水混合井合建，设计规模为 7.5万m3/d，自用系数取1.05。细格栅间设2条进水渠道，尺寸为3.30 m×7.15 m×1.95 m，设置2台循环齿耙式清污机，栅前水深为1.50 m，栅隙为5 mm。设计过栅流速v=1 m/s，最大过栅水头损失为0.2 m，电机功率N=1.1 kW。

配水井分为2格，采用溢流堰配水，尺寸为4.65 m×5.50 m×5.30 m，有效水深为4.30 m。配水井采用机械搅拌的混合方式，搅拌机转速可调，以适应进水流量和浑浊度变化，安装2台折桨搅拌机(2用)，单台搅拌直径为0.8 m，电机功率N=3.5 kW。

为节约用地，取样监测间设置于细格栅下方。

3.1.3 网格絮凝池、平流沉淀池与清水池(叠池设计)

为节约用地，网格絮凝池、平流沉淀池与清水池合建，叠池设计，设计规模为 7.5万m3/d，自用系数取1.05。

根据规范规程[1-3]，同时参考以往多项同类工程的经验，网格絮凝池设计絮凝时间取27 min；平流沉淀池设计水平流速取10 mm/s，设计停留时间取2.6 h；清水池调节容积按设计规模7.5万m3/d的15%设计。

网格絮凝池设2座，单座设计流量为0.46 m3/s，总平面尺寸L×B=18.80 m×10.70 m，采用穿孔管排泥和斗底排泥结合的方式排泥。根据规范，对于一般原水网格絮凝池，絮凝12～20 min即可获得较好的絮凝效果[1]，但由于本工程原水浑浊度较低，絮凝体形成十分困难，絮凝时间应采用20～30 min[2]，同时参考以往多项同类工程的经验，设计絮凝时间最终采用27 min。每组网格絮凝池分为21格，其平面布置及水流方向如图3所示，其中单格面积为5.52 m2，前15格布置网格，每5格为一段，3段中每格布置的网格层数分别为3、2、1层，开孔比分别为0.28、0.33、0.37。每组网格絮凝池设置16根D219×6穿孔排泥管，排泥阀选用DN200液动角型排泥阀。

图3 网格布置及水流方向

平流沉淀池设2座，单池设计流量为0.46 m3/s，平面尺寸为93.68 m×18.80 m，有效水深为2.85 m。沉淀池每座分为2格，每格共3个廊道，每个廊道宽为2.80 m，每座平流沉淀池末段设置7条单出水堰槽，尺寸为15.40 m×0.40 m。每池安装4台池底刮泥机，单台规格B=8.88 m，L=45.00 m，N=4.0 kW。对于一般原水，沉淀时间宜为1.5～3.0 h，水平流速可采用10～25 mm/s[1]，但由于本工程原水为浑浊度较低的含藻水，沉淀时间应采用2.5～3.5 h，设计水平流速采用8～10 mm/s[2-3]。一般在不造成底泥冲刷的前提下，适当加快沉淀池的水平流速，有利于提高沉淀池的容积利用系数，同时可使水流的稳定性增加，以减少温差、异重流以及风力等对水流的影响。但水平流速也不宜过高，否则会增加水的紊动性，影响颗粒沉降，同时还易造成底泥冲刷，尤其是对浑浊度很低的水库水以及含藻较多的湖水，影响尤为明显。根据设计经验，对于浑浊度较高的江河水，水平设计流速宜取较高值；而对于浑浊度较低或含藻较多的水库水，水平流速宜取较低值，沉淀时间不低于2.0 h。综合考虑，本厂平流沉淀池设计水平流速取10 mm/s，设计停留时间取2.6 h。

清水池叠于网格絮凝池和平流沉淀池之下，设2座，每座有效容积为5 625 m3，尺寸为L×B×H=93.68 m×18.80 m×3.85 m，超高为0.20 m，每座清水池独立运行方便运营管理。

3.1.4 气水反冲洗V型滤池及反冲洗泵房

本工程原水为浑浊度较低的含藻水，采用强化过滤工艺，措施一是增加滤层厚度至1.20 m，二是降低滤速，考虑将滤池初滤水纳入废水回收系统，不让其进入清水池。根据规范规程[4-6]，考虑到原水性质并结合以往多项同类工程的经验，本工程滤池设计滤速采用6.7 m/h，设计强制滤速采用8.1 m/h。

气水反冲洗V型滤池设1座，按双排布置，平面尺寸为L×B=29.60 m×34.12 m，单池设计流量为3 281.25 m3/h。滤池总过滤面积为488.43 m2，共分为6个单池，单池面积为81.405 m2，正常过滤时滤池反冲洗周期为24～36 h。滤料为石英砂均质滤料，粒径为1.0 mm，不均匀系数K80≤1.25，滤层厚度为1.20 m，每格滤池出水管上设置气动调节阀控制滤池恒水位运行。

反冲洗泵房内设置反冲洗水泵3台(2用1备)，单泵流量Q=880 m3/h，扬程H=10 m。气水冲洗时开启1台，单独水冲时开启2台。设置罗茨鼓风机2台(1用1备)，单台风量Q=83.0 m3/min，出风压力为39.2 kPa，功率为90.0 kW。考虑到节约用地，反冲洗泵房服务远期规模为15.0万m3/d的气水反冲洗V型滤池进行气水反冲。

3.1.5 加药间

加药间由加矾间和加氯间合建而成，考虑到节约用地，土建按远期规模(15.0万m3/d)一次建成，设备按近期规模(7.5万m3/d)安装。

混凝剂采用固体碱式氯化铝(Al2O3含量为45%)，湿式投加，最大投加量为30 mg/L，平均投加量为10 mg/L，投加点在配水混合井堰前。加矾间内设隔膜式计量泵2台(1用1备，预留1台隔膜计量泵机位)，单泵加注能力Q=1 200 L/h，扬程为40 m，功率为1.1 kW。

考虑水库水源水中含有较高的藻类及细菌(大肠杆菌等)微污染，同时为保证生活出厂水的余氯达到要求，液氯投加采用多点投加的形式[7]，即分滤前、滤后、二级泵房吸水井三点三次投配，投加点分别位于进水泵房吸水井、滤池出水堰、二级泵房吸水井，最大投加量分别为3.0、2.0、1.5 mg/L。前加氯系统、后加氯系统、吸水井补氯系统近期分别设流量比例式全真空自动加氯机各2台，1用1备，单台加氯量分别为10、7、5 kg/h。

考虑到原水pH偏低，本工程设置石灰投加系统调整pH，以确保出厂水水质稳定，同时提高了Al2O3的效能，创造良好的絮凝条件。投加点设置在水厂细格栅间前，投加量为6～10 mg/L，石灰投加系统设置计量泵2台，1用1备，单泵流量为430 L/h，扬程为100 m，功率为1.5 kW。

3.1.6 二级泵房

考虑到节约用地，二级泵房土建按远期规模(15万m3/d)一次建成，设备按近期规模(7.5万m3/d)安装。二级泵房采用半地下式，平面尺寸为42.48 m×12.00 m，地下部分深为5.80 m，钢筋混凝土框架结构。近期工程时变化系数K时=1.40，设计流量Q=4 375 m3/h。

二级泵房近期配备4台卧式离心水泵，2大2小。大泵单泵流量Q=2 187.5 m3/h，水泵扬程H=45 m，配套电机功率为355 kW、10 kV；小泵单泵流量Q=1 093.75 m3/h，水泵扬程H=45 m，配套电机功率为200 kW、380 V，1台变频。

3.2 废水构(建)筑物

考虑到节约用地，废水系统土建按远期规模(15.0万m3/d)一次建成，设备按近期规模(7.5万m3/d)安装。近期污泥干泥量按设计规模(7.5万m3/d)设计，近期设计总干泥量为3.07 t DS/d。

平流沉淀池采用池底刮泥机新设备，池底刮泥机新设备对沉淀污泥有预浓缩作用，考虑用地紧张因素，本工程废水处理取消了污泥浓缩池，根据实际运营结果，贮泥池内污泥含水率达97.9%。

(1)排水池

V型滤池反冲洗水通过排水池直接流入工艺前端进行回用，排水池内设置搅拌器以确保泥水不分离。反冲洗废水的回用一方面减少了水厂排泥水的处理量，另一方面充分利用了泥水中残留的聚合氯化铝(PAC)，改善了絮凝池的反应条件[8]。

排水池为钢筋砼结构，分2格，平面尺寸为20.90 m×10.80 m，有效水深为3.00 m，总深为4.70 m，有效容积为600 m3。

排水池内设提升泵(潜污泵)2台(1用1备，1台变频)，泵的流量按照均匀提升至配水混合井的原则进行选择。潜污泵的流量Q=130 m3/h，扬程H=13.5 m，功率N=7.5 kW。

(2)贮泥池

网格絮凝池及平流沉淀池底泥通过重力排入贮泥池，贮泥池内设搅拌装置确保泥水充分混合，进一步送往污泥浓缩脱水机房并通过离心浓缩脱水一体机浓缩脱水，泥饼外运。

贮泥池贮存的污泥浓度按1.5%计，平面尺寸为20.85 m×8.80 m，有效水深为3.00 m，池深为5.30 m，总容积约为250 m3。

贮泥池内设2台污泥进料泵(1用1备)，单泵流量Q=15 m3/h，扬程为40 m，功率为5.5 kW。

为防止池内积泥，内设功率为1.5 kW的潜水搅拌器2台。

(3)污泥浓缩脱水机房

为进一步节约用地，污泥浓缩脱水机房设2层，近期安装2台离心浓缩脱水一体机，平时1用1备，单台Q=11 m3/h，功率分别为22.0、5.0 kW，高峰时2台同时使用。进泥含水率为98.5%，泥饼含水率≤75%(实测泥饼含水率为74.5%)，聚合物投加量≤5 kg/t干泥，运行时间为18.6 h。

4 运行情况

2018年1月—2019年12月该厂实际运行的平均进、出水水质汇总如表 2所示。

表2 平均实际进、出水水质

该水厂自建成投产以来，构筑物和机电设备工作正常，2018年1月—2019年12月实际平均日供水量为38 151 m3/d，出水水质稳定，水质监测结果表明出水各项指标完全符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)标准。

5 结论

(1)湛江市麻章自来水厂的水源水来自合流水库，进水水质按低浊含藻水设计指标进行设计。该厂采用了“网格絮凝池+平流沉淀池+气水反冲洗V型滤池+液氯消毒”处理工艺，预留了生物预处理和深度处理工艺用地，各构筑物设计参数均按照相应设计规范和规程针对原水特点进行选取，水厂投产后运行稳定，出水水质符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。

(2)对构筑物网格絮凝池、平流沉淀池和清水池采用叠池设计以有效节约用地。

(3)平流沉淀采用池底刮泥机新设备可以起到污泥预浓缩作用以减少污泥浓缩池，从而减少用地面积。

(4)加药间、反冲洗泵房、二级泵房、贮泥池、污泥浓缩脱水机房土建按远期一次建成，设备按近期安装，集约布置，以节约用地面积。

(5)采用污泥浓缩脱水机房二层设置、取样监测间设置于细格栅下方的措施以充分利用竖向空间，可有效节约用地。