叠合式设计在净水厂改造工程中的应用

林礼进

近几年来，在国家实施乡村振兴战略背景下，各地大力开展了城乡供水一体化建设，有效地解决农村饮水安全问题，有利于实现城市与农村共同发展的目标。为解决农村地区“急、难、愁、盼”的安全饮水问题，项目缩短施工周期、控制投资成本，在部分城乡供水一体化建设中充分利用了原建水厂，并加以改造建设。但在实际实施过程中发现，部分水厂建成较早，缺乏对排泥水系统的整体设计规划，未预留排泥水处理设施用地。在现行标准规范的要求下，必须增设排泥水处理系统，使得在项目改扩建的过程中难度增大。因此，针对已建自来水厂改扩建项目用地紧张问题，以福建霞浦县Z水厂改造工程为例，通过对部分构筑物进行竖向叠合设计，满足水厂设计功能的要求，以期供类似工程提供参考。

一、水厂总平设计条件

福建霞浦县Z水厂改造工程，水厂总规模20000t/d，根据《城市给水工程项目建设标准》，核算该水厂所需用地面积约为12.3亩。原厂区实际用地面积仅为8.5亩，且水厂厂区呈狭长形，北侧为市政道路、边坡挡墙，南侧为排洪渠道， 整体地形不利于建构筑物的布置。如图1所示：

图1 厂区用地分析图

二、工艺流程

该水厂现有的一期处理工艺为混合、絮凝、沉淀、过滤和消毒的常规处理工艺，具体为絮凝沉淀池+ 高纤维滤池，混凝剂采用PAC混凝剂，消毒采用成品次氯酸钠溶液，原厂区无排泥水处理设施，反冲洗废水均通过排水排泥水管直接排出厂外河道，对下游生态环境造成污染。

本项目原水取自水库水。根据水质报告，原水指标均能满足《地表水环境质量标准》GB3838—2002中Ⅲ类的标准限制。因此，本工程对原水厂进行改扩建，沿用常规处理工艺，拟新建1座配水井、1座无阀滤池、1座絮凝沉淀池、1座加氯加药房，具体制水工艺如图2所示：

图2 制水处理工艺

净水厂的沉淀和过滤环节会产生排泥水，为满足《污水综合排放标准》GB978，对沉淀池排泥水以及滤池反冲洗水进行处理，加设1套排泥水处理设施。具体排泥水处理工艺如图3所示：

图3 排泥水处理工艺流程

三、总平面设计

水厂总体布置将水厂内的各项构筑物进行合理的组合和布置，以满足工艺流程、生产管理和物料运输等方面的要求，合理综合布置厂内工程技术管线，使得各种管线的路径简捷，与总平及叠合布置相协调，总平面布置应综合考虑项目建设规模、工艺流程、厂址选择、厂区建构筑物平面布置、厂区综合管线布置及厂区道路交通、绿化、围墙大门等因素。

本工程地块整体呈长条形，厂区西侧为厂区道路，东侧集中摆放原有处理工艺构筑物，厂区北面为市政道路，北面内外高差4～10m，厂区南面为排洪河道，南面内外高差约为6m，考虑厂区地形地质条件限制，避免对南部河道护岸造成安全方面的影响，以及原有水处理构筑物的摆放位置。本次扩建的构筑物主要集中摆放于厂区北面并考虑距离挡墙的安全距离，将厂区内部消防及运泥通道设置于靠经河道护岸一侧。原水由东面水库引入，整体制水流程由东到西，排泥水处理设施整体布置在制水构筑物的西侧，方便泥饼的外运，厂区原加氯加药间现状是危房，需要拆除重建。另外根据甲方需求，厂区内原化验室改为停车场，需要另外新建化验室，具体总平面布置图如图4所示。

图4 霞浦县Z水厂建构筑物总平面布置图

四、工艺叠合设计

常规净水厂沉淀池与清水池占地面积最大，可优先考虑将沉淀池与清水池叠合叠合设计，由于本工程原水厂清水池厂区外设置，为了满足用地限制以及工艺流程上合理性，考虑将脱水机房、排水排泥池组合；加氯间、加药间组合叠合设计。

1.脱水机房、排泥排水池组合叠合设计

排泥水处理工艺主要包括调节、浓缩、平衡、脱水、处置这5个基本工序，通常情况下脱水和处置外运工序间接运行，以下介绍各工序的作用：

（1）调节工序的构筑物主要为排泥及排水池，通常把接纳滤池冲洗废水的调节池称为排水池，接纳沉淀池排泥水的称为排泥池。为了使浓缩池均衡运行以及水质的相对稳定，一般在浓缩池前设置。

（2）浓缩工序的构筑物主要为浓缩池，其目的是提高污泥浓度，缩小污泥体积，以减少后续处理设备的能力。

（3）平衡工序的构筑物主要指平衡池，一般设在浓缩池后，主要目的是满足脱水机的间断性运行要求。另外，还可以起到满足原水浊度大于设计值时起到缓冲和贮存浓缩污泥的作用。

（4）脱水工序主要为脱水机，设置在浓缩、平衡之后，目的是进一步降低含水率，减少容积，便于搬运和最后处置。当采用机械方法进行污泥脱水处理时，还需要投加石灰或者高分子絮凝剂（如聚丙烯酰胺）等。

（5）处置作为最后一道工序，主要是对脱水后的泥饼进行外运填埋或作为垃圾场的覆盖土以及作为建筑材料的原料、掺加料等。

排水池尺寸计算：经计算单格每天每次反冲洗水量为91.125 m3，排水池平面尺寸7.8m×7.5m，有效水深2.45m。因排水调节池废水需回流至絮凝池，考虑不对絮凝池造成冲击，回流比应不大于5%，则回流泵选型为Q=40 m3/h，H=20m，P=3.0kW，2台，1用1备。

排泥池尺寸计算：单座沉淀池干泥量0.515t/d。絮凝沉淀池排泥水含水率考虑为99.5%，则沉淀池每天每次排泥量为0.515/（1-99.5%）=103m3。排泥水调节池平面有效尺寸为7.45m×7.45m，有效水深2.45m。排泥水需泵至污泥浓缩池，为尽量减少对污泥浓缩池浓缩污泥造成扰动，污泥排放需尽量均匀连续，则污泥泵选型为Q=25m3/h，H=15m，P=3.0kW，共计2台，1用1备。

潜水搅拌机选型计算：根据池子平面尺寸及有效深度，参考潜水搅拌机流场分布，潜水搅拌机选型为P=3kW，D=400mm，n=740r/min，共设2套。

脱水机选型计算：脱水机采用离心脱水机，浓缩后的污泥含固率为2%，浓缩后的污泥量51.5m3/d，脱水机考虑工作时间为每天12h，设置2台，互为备用，每小时工作量2.51m3/h，污泥螺杆泵设置2台，1用1备，单泵参数选择2.51 m3/h，扬程取30m。同时设置一套一体化PAM加药设备。

结合工艺高程设计，下层设置排泥排水池、一层设置脱水机房、脱水机房上方设置化验室。具体布置如图5、6所示：

图6 脱水机房、排泥排水池组合剖面图

2.加氯加药间组合叠合设计

依据源水浊度变化，本工程混凝剂采用适用范围广、适应性好、用量较省的聚合氯化铝（PAC），消毒采用成品次氯酸钠。

（1）加药系统（PAC混凝剂）

常年投加浓度5%，最大投加浓度15%，平均投加量10mg/L，最大投加量30mg/L。本工程设计采用固体药剂，配药次数为每天1次。经计算，溶液池所需容积为4.2m3，尺寸取1.8×1.8×2m（H），其中超高取0.5m，有效水深取1.5m。溶解池体积按溶液池容积30%考虑，取1.4m3，尺寸1.2×1.2×1.3m（H），其中超高取0.3m，有效水深取1.0m。溶液池、溶解池各设2个，1用1备。投药方式：采用隔膜计量泵投加。混凝剂使用量为210kg/d。存储药剂天数按10d考虑，则需存药剂量为2.1t/月。

（2）加氯系统（成品次氯酸钠）

本工程采用次氯酸钠作为消毒剂，考虑采用成品次氯酸钠溶液。设置2个投加点，前加氯设1个加氯点，位于配水井前管道，最大加氯量1mg/L。后加氯设1个加氯点，位于滤池出水总管位置，最大加氯量2mg/L。由上，NaClO总投加量为3mg/L，则药剂总用量为63kg/d。储存浓度按5%考虑，储存7天，则次氯酸钠储存量为8.82m3，储罐设置2个，1用1备，单个10m3。

为方便成品次氯酸钠卸料、PAC药剂投加，下层布置成品次氯酸钠储罐、卸料泵、加氯投加泵、PAC储药台、PAC溶解池；上层布置PAC溶液池、投药计量泵。

五、其他工艺组合叠合设计形式

本工程采用脱水机房+排泥排水池、加氯加药间叠合组合设计的方案，解决场地限制的问题。除此之外，各工程可根据现状厂区条件以及标高关系，还可以采用其他形式的叠合组合方式，例如赣州某水厂扩建工程采用叠合式反应沉淀+清水池工艺；南安市某水池采用叠合式V型滤池+清水池工艺；重庆某自来水厂根据高程关系将排水池和浓缩池叠合起来，组成排水、浓缩组合池以满足用地约束下水厂功能。实际工程设计中可根据地形地质条件，结合工程特性加以选用。

六、叠合设计可能存在的问题及措施

叠合式设计主要是对建构筑物的叠加堆放，在叠加设计时要充分考虑各工艺构筑物间的标高关系，否则可能造成制水线避免无法重力自流的情况，增加提升设备导致水厂运行成本上升，制水保障性无法满足。

叠合式设计往往需要采用地下或半地下下沉式布置，处理构筑物整体加深，在工艺设计时首要考虑厂区运行安全问题，构筑物的溢流以及放空能否重力自流排入规划出路，如不满足重力排出设置机械提升，通过移动泵提升或在池体预留集水坑依靠移动泵放空排除系统。

叠合式设计可能导致设备之间的间隔变小，使得设备的安装及日常维护、检修和清洁变得困难。因此在设计时应充分考虑设备的安装间隔并充分预留设备维护以及人员安全疏散通道。

七、结束语

在用地条件限制的情况下可以加强对水厂叠合设计，同时需要注重整体性和协调性。水厂的叠合设计不仅仅是为了实现土地资源的有效利用，还要考虑到运行效率、安全可靠以及水厂后期运行使用效果。因此，在设计水厂的叠合结构时，需要从多个方面综合考虑，分析不同的因素，从水厂的布局规划、管线的铺设、设备的布置、照明和通风等各方面充分考虑，根据具体情况进行科学合理的设计，以提高水厂的整体功能和使用价值。最终，通过精细的叠合设计，提高水厂的实用性和美观性。