恩施市新第二水厂一期工程的设计与运行

刘 臣， 袁 进， 樊雪红， 封 威

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司， 湖北 武汉 430010； 2.恩施市自来水有限责任公司， 湖北 恩施 445000)

山地水厂地形起伏大，水厂设计既要考虑流程上的顺利，也要考虑各构筑物的埋深；既可以采用同一地面高程的高架式布置，也可以依山就势采用斜坡式或台阶式布置；甚至借助地势高差，原水自流入厂、出厂水也采用重力自流供水，从而显著节约电耗。因此，山地水厂的位置选择、高程布置、构筑物布置、排水系统设计等与常规水厂有别。从山区水库引出优质原水，兴建山地水厂作为第二水源工程，日益成为一些城市改善供水水质、提高人民幸福感的一项长远目标。

恩施市老第二水厂于1983年9月筹备建设，一期设计规模2×104m3/d。1990年3月对原二水厂进行二期改造扩建，扩建后其总规模达到4×104m3/d，原水取自大龙潭水库，两期构筑物均采用栅条絮凝斜管沉淀池+虹吸滤池的净化工艺。原二水厂建成于1984年，水处理工艺和设备均已严重落后，制水工艺出水难以稳定达到《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求。根据恩施市供水专项规划，二水厂规划总规模22×104m3/d，一期设计规模10×104m3/d，原二水厂现有土地无法满足扩建和管网改造要求，而现有厂地位于市中心地段，土地价值较高，因此拟对老二水厂进行异地迁建新二水厂。

新二水厂厂址位于高旗大道与金山大道交汇处，临近旗峰大道。场地东临恩施土司城，原始海拔在445.52 m～444.00 m～461.32 m，相对高差15.80 m，周边道路交叉点标高分别为：西北侧447.2 m、东北侧443.7 m、东南侧458.0 m、西南侧445.3 m。由于厂区标高由建设单位前期按454 m计已整平，厂区净水构筑物高程只能采用高架式布置[1]。

新二水厂近期水源仍为大龙潭水库，远期水源为车坝河水库，水源均高于城市，属典型山地水厂。新二水厂一期工程于2020年11月通水运行，目前运行良好。笔者反思了在该山地水厂设计中基于整个给水系统进行优化的可能，对具体设计中从水源自由切换、采用现场制备次氯酸钠消毒和采用智能加矾装置加药，到山地水厂厂区排水系统的优化等细部进行了探讨，并总结了山地水厂的设计实践。

1 总体设计

大龙潭水库是目前恩施城区唯一的饮用水水源。近年来随着上游地市社会经济迅速发展，自然灾害频发，对其单一水源供水安全造成严重威胁。人群密集居住和工厂企业生产带来水质恶化，污染事件风险加大，用水安全得不到保障，“水华”事件偶有发生。车坝河水库水质良好、水量充足，已被确定为未来恩施城区主力水源，但由于车坝河水库引水工程仍在建设之中，而新二水厂急需建成通水，因此近期水源仍为大龙潭水库(车坝河引水工程建成后，其作为应急水源)。新二水厂总规模为22×104m3/d，近期建设10×104m3/d，水厂出水水质执行现行《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)[2]，厂内常规处理出水浊度≤0.5 NTU。工程内容涵盖原水工程、净水厂工程以及清水输水干管等，该城区给水系统见图1。

图1 给水系统示意

经论证，确定水厂采用常规水处理工艺，并对混凝、过滤采取强化措施，保证出厂水浊度达到要求，工艺流程见图2。

图2 水厂处理工艺流程

2 原水工程

原水近期取自大龙潭水库，原大龙潭水库至老二水厂输水管道由发电引水隧洞取水。通过长380 m、直径1 400 mm的输水干管，将水送至距电站厂房东端约40 m的配水罐，再从直径3 m、长14 m的配水罐，将水通过长约7 km的DN1000球墨铸铁管输送至老二水厂。

新二水厂近期自大龙潭水库取水量按1.27 m3/s考虑。自金山大道和旗峰大道交叉口现有DN1000输水管道上开口通过管道引至新二水厂，通过绘制自取水点至新二水厂原水管道水压线，为保证管道正压运行，经与建设方沟通，在金山大道与旗峰大道交叉口附近设置原水加压泵房1座。

为充分利用水库水头，降低能耗，同时节约泵站用地，加压泵房不设置敞口吸水井，采用在原水管道上设置水泵直接加压将原水供至新二水厂，吸水总管的管径按其设计流速不大于与其相连的水泵吸水管设计流速的50%控制[3]。

3 净水厂主要构建筑物工艺设计

3.1 配水井

为了使进水均匀分配至每个处理构筑物，在絮凝池前设配水井1座。配水井按22×104m3/d设计，考虑未来双水源供水格局，配水井分别设置DN1600和DN1200进水管。配水井由进水室、配水室和溢流室组成，进水经配水井分配后变为1根DN1200和1根DN1400出水管，分别对应近、远期两组絮凝池，使每座絮凝池进水量相同。

配水井采用矩形布置，平面总尺寸为12.85 m×10.90 m，总深度为10.80 m。

3.2 折板絮凝池

絮凝池设1座2组，每组按5×104m3/d规模设计，设计流量为2 250 m3/h，单座絮凝池平面尺寸为117.10 m×18.65 m。

絮凝池采用多通道进出水，以使沉淀池布水均匀；折板絮凝池排泥采用穿孔排泥管，设置气动快开排泥角阀，排泥彻底、无堵塞，且可实现自动排泥。总絮凝时间为20 min，总GT值为5.4×104。

3.3 平流沉淀池

一组絮凝沉淀池总平面尺寸为96.45 m×39.50 m，平流沉淀池池深3.50 m，有效水深为3.00 m，沉淀时间为1.95 h，水平流速为10.60 mm/s，沉淀池排泥采用泵吸式刮泥机排泥。为减少风力的影响，避免水流扰动，提高沉淀效果，沉淀池内设二道导流墙。

平流沉淀池与絮凝池合建，每座沉淀池总集水槽长264 m，溢流率为199 m3/(m·d)。

单座沉淀池平面尺寸为88.00 m×17.70 m，长宽比约为4.5 ∶1，长深(有效水深)比约为24 ∶1。

3.4 Ⅴ型滤池

滤池按10×104m3/d规模设计1座。滤池采用均质滤料、气水反冲滤池，滤池总平面尺寸为39.50 m×27.88 m，池深4.40 m。滤池设计流量为4 500 m3/h，正常设计滤速为8.00 m/h，强制滤速为9.60 m/h，总过滤面积为546 m2。滤池单元数为6，每个单元面积为91 m2。

冲洗方式为先以空气冲洗，再同时以空气和水低速反洗，最后以水低速冲洗。其气冲强度为13～15 L/(s·m2)，水冲强度为4～5.0 L/(s·m2)，水扫洗强度为2.0 L/(s·m2)。反冲洗时间为气冲2～3 min，气水混冲4～6 min，水反冲3～5 min。低浊度取低值，高浊度取高值，过滤周期为24～36 h。

Ⅴ型滤池的出水阀随水位变化调节开启度，池内水位在一个过滤周期内保持不变，滤层不会出现负压。

3.5 清水池

清水池按1.0×104m3/d规模设1座，单座清水池平面尺寸为63.0 m×43.0 m，有效水深为3.80 m，有效调节容积为10 290 m3，调节比例为10%，池内设有导流墙。

池内设有放空管和溢流管，两管出水均排入排水池回收利用。

3.6 反冲洗泵房

反冲洗泵房平面尺寸为22.95 m×5.70 m，水泵间布置成半地下式，以保证快速自灌启动。

反冲洗泵房按一次最多冲洗1格滤池设计。泵房内设反冲洗离心水泵3台(2用1备)，单泵额定流量Q=1 000 m3/h，扬程H=8.5 m，配套电机功率N=37 kW。鼓风机采用螺杆风机3台(2用1备)，风量Q=43.5 m3/min，出风压力为45 kPa。

泵房内设置压缩空气系统2套(1用1备)，单台空压机Q=1.66 m3/min，P=0.69 MPa，为反应池和滤池气动阀门提供压力气源。空气系统另配储气罐2套(单套容积1 m3)，排渍泵1台，流量Q=25 m3/h，扬程H=10 m，配套电机功率为1.5 kW。

3.7 送水泵房

水厂设置送水泵房1座，土建按22×104m3/d一次建成，设备按10×104m3/d配置，采用大小泵搭配方式，大泵3台(2用1备，其中1台电机变频)，小泵1台(电机变频)，大泵Q=2 700 m3/h，H=34.5～45.5 m；小泵Q=900～1 260 m3/h，H=37～42 m。

3.8 加药间

水厂设置1座加药间，分加矾、加氯两个系统。土建按22×104m3/d一次建成，设备按10×104m3/d配套。

① 加矾系统

混凝剂为液体碱式氯化铝，混凝剂浓度为10%(原液含量)，采用原液和水按1 ∶2稀释后投加，设计平均投加量为20 mg/L(市售商品质量，Al2O3)。采用数字计量泵2台(1用1备)投加，单台流量为940 L/h，出口压力为0.4 MPa，在运行过程中可根据进水流量自动调节加药泵的流量。

② 加氯系统

滤前加氯：在原水水质较差时，使用滤前加氯，最大投氯量为0.5～1.0 mg/L(有效氯)，投氯点设在配水井上。

滤后加氯：最大投氯量为1.0～2.0 mg/L(有效氯)，投氯点设在清水池进水管上。

该工程采用次氯酸钠消毒，现场制备次氯酸钠溶液，有效浓度约为0.8%。

设置次氯酸钠发生器2套(1用1备)，每套含发生器主机及重要关联配套设备(氢气检测装置、差压开关、超声波液位计、软水器及软水加热器等)。单套次氯酸钠额定制备量为10 kg/h，常用1套、备用1套、二期增加1套，可满足厂内峰值制水量的每天需氯量。

投加系统采用数字计量泵3台(2用1备)，1台用于预加氯，1台用于滤后加氯，1台备用，单泵加注能力Q=940 L/h, 加注压力3 bar。另设有电动单梁悬桂起重机等辅助设备。

加药间总平面外包尺寸为55.50 m×15.70 m。

3.9 浓缩池

浓缩池按22×104m3/d规模设计，其作用为清浊分流，即将含水率为99.0%～99.9%的排泥水通过浓缩，使底泥含水率达到95.5%～97.5%，满足脱水机对进泥固体含量的要求。

浓缩池采用圆形辐流式，固体通量范围为0.5～1.0 kg干固体/(m2·h)，该工程取0.75 kg干固体/(m2·h)。

浓缩池设2座，每座直径为18 m。排泥水从浓缩池中央进入，经导流筒沿径向以逐渐变慢的速度流向周边，完成固液分离。池底部设置刮泥机和集泥装置，分离后的上清液从周边溢流堰引出。

3.10 脱水间

污泥脱水车间土建按22×104m3/d规模设计，近期设置2台离心脱水机，单台脱水机最大处理能力为20 m3/h，主电动机功率为30 kW。近期离心脱水机设计工作时间按16 h/d计算，脱水机具有转鼓与螺旋推料器，转鼓长径比为4.4，转速差可以自动无极调节，在进料污泥参数发生变化时，能够自动调节转速差，差速调节精度小于0.1 r/min。

污泥工艺参数：进料含固率2%～3%，出泥含固率≥20%，絮凝剂耗量3～5 kg/t干泥。

脱水间设螺旋输送机2台，单台泥饼输送量为6 m3/h，脱水后的泥饼运至垃圾填埋场填埋。

4 运行效果

恩施市新第二水厂于2020年11月建成投产，目前已运行1年有余，未发生停产检修维护现象，各单项构筑物和机电设备一直处于正常工作状态。运行以来的平均日供水量达7.0×104m3/d，出厂水最高浊度为0.30 NTU，最低浊度为0.08 NTU，平均浊度为0.15 NTU。经取样分析，出厂水中的各项指标完全优于《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的要求。千吨水平均电耗费用为158 kW·h，在同行业中处于较低水平。

5 水厂的设计特点与设计优化探讨

5.1 近远期水源切换问题

近期水厂原水来自大龙潭水库，需通过水泵提升至厂区；远期原水来自车坝河水库，由于车坝河水库所在地与新二水厂位置高差约260 m，原水由加压进厂改为重力自流进厂。

厂区位置选择和高程布置本可充分利用高程，进行多方案论证，以便获得最佳方案。但由于前期规划及厂区平整和后期设计由不同单位完成，整个供水系统未能达到最佳布局，这在类似山地水厂设计中应充分考虑。

由于前期规划原因，水厂一期与二期规模分别为10×104和12×104m3/d(两期规模的不同造成主要构筑物不对称布置)。为均匀配水设置配水井1座，配水井通过薄壁堰均匀配水，远期原水管至配水井设置了调流调压阀，以确保水厂安全运行。调流调压阀为锥型活塞阀，其流量与开度基本成线性比例关系，近期阀门开度为44%，远期阀门开度为60%，阀门选型应避免产生气蚀现象。

5.2 消毒方式选择和智能加矾系统

厂区位于武陵山深处，若采用传统的液氯消毒，液氯在运输、存储方面存在安全隐患，并且在水厂的运行管理过程中，需要经常进行漏氯演练、安全审批及运行管理等繁琐的工作。次氯酸钠消毒因其自身优势逐渐被广泛使用，在大型水厂(规模≥10×104m3/d)现场制备次氯酸钠的消毒成本和传统液氯消毒成本基本持平[4-5]，因此该项目中净水厂采用现场制备次氯酸钠代替液氯进行消毒。

加矾系统采用一体化集成设备，混凝剂为液体碱式氯化铝，采用原液在线稀释成工艺要求投加浓度，利用设备控制系统中预设的数学模型，可根据进水参数(浊度、流量)通过PLC计算出相对应的投药量(也可以手动设定投药量)。经过一段时间运行后，系统可通过自控系统自动计算寻找到最科学的投加量，大大降低了投药的劳动强度，同时有效节省了药耗。

5.3 跌水井型式选择

山地城市排水管道系统的高差处理既是特色也是难点，在国标设计图集中跌水井有竖管式、竖槽式、阶梯式三种类型，其中竖管式适于跌落管径D≤200 mm、高差1～6 m的污水管；竖槽式适于跌落管径D=200～600 mm、高差为1～4 m的雨、污水管；阶梯式适于跌落管径D=700～1650 mm、高差为1～2 m的雨、污水管。新二水厂厂区所在地与周边道路地势高差大，最大高差超过10 m，在实际设计中，除了按照国家标准采用常规跌水井，还采用了改进的竖槽式跌水井[6]：跌水井井室分为2个孔室，即人孔和水孔，水孔底低于管底0.2 m处向下设置厚0.8 m的卵石，以缓解水流冲刷对井底的破坏。

6 结语

① 山地水厂能否利用水库部分高水位以节约供水能耗，是此类水厂设计中必须认真考虑的问题。可从原水自流入厂的调流调压阀设置、配水井的合理布局、厂区有效用地的合理利用等方面加以考虑，山地水厂的特点决定了其整个平面布置、工艺流程设计的特殊性。山地水厂的设计应充分利用原水水头进行给水系统高程布置。结合恩施市新第二水厂的具体设计和运行情况，在尽量利用水库高程(近期原水加压泵房取消吸水井，远期原水自流入厂)以节约能源的情况下，采用配水井配水可以有效解决水厂水源切换问题。

② 因地制宜采用现场制备次氯酸钠消毒和智能加矾装置，避免了液氯在山区运输、存储方面存在的安全隐患，并提高了水厂运行的自动化程度，大大降低了工人的劳动强度。建议山地水厂的选址、土方平衡和整个厂区工艺设计要统筹考虑，避免大填大挖，在减少工程投资的同时，尽量利用原水水头以降低电耗。