南方城镇小型自来水厂设计探讨

韩佩君　胡新立　余军

摘要：采用絮凝、沉淀、过滤、消毒常规工艺即可有效去除青年运河水的浊度、色度及细菌，折板絮凝、斜管沉淀及V型滤池很好地解决了城镇小型水厂节能、节地、管理的问题。针对可能存在的有机污染和藻类暴发，在取水泵站设置高锰酸钾预氧化和活性炭投加系统，预留臭氧活性炭深度处理用地以备远期提标。为减少环境污染及降低自用水系数，对排泥水进行重力浓缩、板框压滤，对反冲洗水直接回用。实际运行出水水质满足国家生活饮用水卫生标准，其中浊度稳定在0.5 mg/L以下。

关键词：运河水；预处理；常规处理；浊度；自用水

为实现湛江市遂溪县岭北镇工业园区统一供水，改变岭北镇依靠地下水的现况，防止地陷、海水倒灌和政策原因导致的成本上涨，地表水厂的建设被提上日程。小城镇水厂由于投资有限，宜合理确定近、远期规模，分期建设避免浪费。工业园区划拨的建设用地有限，且运维管理人员缺乏，根据用地指标选择节省用地、运行稳定、操作简单的工艺至关重要。

1 水厂简介

1.1 总体情况

岭北镇某水厂总规模6万 m3/d，一期设计规模

2万 m3/d，包含取水工程、输水工程、净水工程及配水工程4个部分。水厂有效用地面积0.96 ha，用地指标为0.48 m2·d-1/m3，低于《城市给水工程规划规范》中0.70 m2·d-1/m3。水源为青年运河（鹤地水库来水），取水泵站设置高锰酸钾预氧化和臭氧活性炭投加系统；净水工程采用折板絮凝+斜管沉淀+V型砂滤+接触消毒的常规处理工艺，污泥处理工艺采用重力浓缩+板框脱水后外运。

1.2 规模及水源

1.2.1 设计规模

水厂最高日用水量可采用城市综合用水量指标法、综合生活用水比例相关法、不同类别用地用水量指标法[1]。

根据《广州黄埔（遂溪）产业转移工业园总体规划》，园区就业人口4万人，建成后园区内可解决0.4万人的居住问题，镇区解决3.6万人的居住问题。由于岭北镇某水厂主供工业园，故不适合采用以用水人口为计算基础的城市综合用水量指标法。同时暂无工业用水与综合生活用水比值数据，故综合生活用水比例相关法也不准确。根据控制性详细规划中规划用地平衡表，采用不同类别用地用水量指标法计算最高日用水量。结合入驻企业现状用水量调查并考虑节水技术发展，为避免投资浪费，工程分期建设，近期工程规模为2万 m3/d，远期规模为6万 m3/d。

1.2.2 水源选取

选择优质水源，是控制净水工艺成本的基础。岭北镇附近水源包括合流水库、罗马坛水库和青年运河。将3个水源水质与《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水水质标准作对比。

合流水库总氮超标，存在富营养化的风险；库容较小，水深浅，藻类平均高达1359万个/L。罗马坛水库粪大肠菌群超标，为周边养殖场污染所致；此外铁含量超标。青年运河水质较好，仅总磷偶尔微量超标，可在絮凝沉淀工艺中被去除。从水质角度看，青年运河最适合作为饮用水水源。

合流水库距离水厂约15km，穿越岭北镇中心；罗马坛水库和青年运河距离水厂约9km和12km，且沿途沒有成片聚集区，方便建设。从经济角度看，水源近不但使输水管道建设成本降低，而且减少了后续运营电费。

综上所述，选取距离较近、水质优良的青年运河作为本工程水源。

2 总体方案论证

2.1 工艺路线

工艺选择需考虑对青年运河水污染物去除效果好、符合出水水质的工艺，同时满足运管水平和经济条件，保留远期提标可能性。本工程也借鉴了周边类似水源的设计工艺[2]。遂溪县运河水厂和湛江市赤坎水厂均以青年运河为水源，采用水力絮凝+斜管（平流）沉淀+砂滤池+清水池；湛江市麻章水厂和霞山水厂均以合流水库为水源，采用生物接触氧化（预臭氧）+机械混合+网格絮凝+平流沉淀+砂滤池+清水池。

青年运河基本符合地表水环境质量标准Ⅲ类水质[3]，

考虑的重点是采取措施抑制藻类，降低出水浊度、色度和细菌学指标，以上目标采用常规絮凝、沉淀、过滤、消毒工艺即可实现。提标预留臭氧-活性炭深度处理用地，以进一步降低色、嗅、味和AOC、Ames，改善口感。鉴于运河自鹤地水库途经众多城镇，存在突发污染的可能，设置化学预氧化及物理吸附系统。

水厂沉淀池排泥水的悬浮固体浓度高出滤池冲洗废水十数倍，若将沉淀池排泥水和滤池反冲洗废水按合并处理工艺一起排入综合调节池，虽可比分别处理工艺省去排水池，减少了该部分的基建投资和占地，但沉淀池排泥水却被滤池反冲洗水极大稀释，极不利于后续污泥浓缩[4]。因此本工程考虑排泥池和排水池分建。反洗废水考虑直接回用，可在一定程度上改善原水低浊状况下的絮凝条件，节省矾耗。

2.2 工艺选择

取水泵站应急加药选择安全的氧化剂—高锰酸钾，可除铁锰、有机物和藻类，同时相比氯氧化，不产生有毒副产物，可降低氯化水的致突变性。粉末活性炭作为吸附剂，利用其发达的孔隙和比表面积，应对突发性或季节性污染（如农药、重金属或有机物）。

建设初期相当长时间内用水量较少，静态混合器效果难以保证，故选用对水量变化适应性好的机械混合。国内水厂中机械絮凝应用较少，主要以水力絮凝为主；折板絮凝颗粒碰撞机会大，能量消耗省，絮凝效果较网格絮凝更优。为确保附壁紊流效应，提高对水量水质变化适应性，采用多通道竖流折板。平流沉淀池是国内大中型水厂采用最广泛的池型，占地面积大是其主要缺点。对于小型水厂，特别是用地不充裕的情况，选用斜管沉淀池更加合适，故采用上向流斜管沉淀池，占地小，运行也较稳定。滤池选用技术成熟、生产管理方便、使用广泛的V型滤池。考虑到紫外线和臭氧无持续消毒能力，液氯货源紧张、运输不便，次氯酸钠易挥发分解，不宜久贮，选用可现场制备、安全可靠的ClO2作为消毒剂，且其适用于有一定有机污染的原水。

反冲洗废水经排水池潜水泵提升直接回用至絮凝沉淀池前端。采用简单稳定的重力浓缩池；脱水至含水率60%后更易处置，故选择板框压滤机脱水。

3 工程设计

3.1 取水泵站应急加药间

（1）高锰酸钾投加系统

采用1套三腔连续制备系统，制备能力2200 L/h。湿式投加，溶液浓度2%，投加量采用0.5～2.5 mg/L。

（2）活性炭投加系统

活性炭料仓体积10 m3，溶液罐体积5 m3，采用煤质粉末活性炭，炭浆浓度5%，投加量为5～30 mg/L。

3.2 输、配水工程

一般路段采用DN600离心球墨铸铁管，T型承插接口，开挖施工，覆土深度保持在1.2 m左右，可有效减少与其他管线冲突。管顶以上500mm中央压实度略小于两侧，贯彻“中松侧实法”以保护管道。过路段采用牵引管施工，管材为HDPE实壁牵引管。

3.3 净水工程

3.3.1 水处理系统

（1）混合絮凝沉淀池

1座2组；混合时间一般为10～30s，最多不超过2 min。水量较小，土建尺寸无法减少时，可填充素砼；搅拌器N=7.5 kW，保证G在500～1000 s-1。絮凝池折板夹角90°，依次为异波、同波和直板[5]，总絮凝時间30min，三段絮凝时间分别为10.7min、10.7min和8.6min，流速为0.28m/s、0.17m/s、0.13m/s，GT在104～105之间。为防止絮体破碎，出水经过渡区设置整流栅条。

沉淀池液面负荷6.2 m3/（m2·h）。采用多头静压排泥，排泥角阀分组控制，以免水量过大溢出排泥渠。排泥角阀和排泥管可分别按照管嘴出流[6]和长管计算得出分组最大控制个数。

（2）汽水反冲洗V型滤池

1座4组，设计滤速7.1 m/h。双排布置，滤层厚度1.20 m，出水管上设置气动调节阀控制滤池恒水位运行，滤料上水深不得小于1.2 m。滤池反冲洗按运行周期、出水浊度、水头损失等自控进行。先气冲洗，再汽水同时冲洗，最后水漂洗，同时增设表面扫洗。正常过滤时滤池反冲洗周期24～36 h。V型槽配水孔关系到表面扫洗的均匀性，土建施工混凝土振捣易带动表扫管位移，故采用不锈钢V型槽；且表扫孔高程应与排水槽顶标高一致以防止表扫效果差或滤料面倾斜。滤板采用钢筋砼整浇，可有效防止预制小块滤板接缝漏气漏水和滤板坍塌现象。

（3）清水池

1座2组，有效容积按近期规模10%设计。清水池的最低水位，应保证消毒有效接触时间t10不小于30 min（ClO2）[5]。

（4）二级泵房

平面尺寸L×B=15.9×7.6 m，地下深4.05 m，地上高7.60 m。高湿系数1.40，大小泵搭配。

（5）加药间

平面尺寸L×B=22.0×7.9 m，PAC设计最大投加量20 mg/L（有效成分Al2O3含量28%）。采用隔膜式计量泵2台，交替使用。ClO2预加氯最多2.0 mg/L，投在进水总管电磁流量计井后；主加氯1.5 mg/L，投在滤池集水池；补氯投在二级泵房吸水井，控制出厂二氧化氯余量为0.1 mg/L。ClO2发生器3套，2用1备。单套制备能力2 kg/h。

3.3.2 泥处理系统

（1）回收水池

1座，平面尺寸L×B=8.8m×5.8 m，有效水深为

3 m，内设功率2.2 kW的潜水搅拌器1台。处理水量332.8 m3/d，经潜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，有效水深为

2.65 m，内设功率为2.2 kW潜水搅拌器1台。贮泥量按1天计，污泥含固率以0.8%计，污泥泵提升后输泥至浓缩池。

（3）污泥浓缩池

1座，φ=9 m，固体通量取0.75 kg/（m2·h），液面负荷0.1 m3/（m2·h），设置中心传动污泥浓缩机。进泥含水率99.2%，出泥含水率降到97.5%。

（4）污泥平衡池及脱水机房

平衡池1座2格，单格尺寸L×B =3 m×3 m，水深5.15 m，每格设置一台1.5 kW搅拌机，贮存高浓度污泥的同时兼作调理池。隔膜式板框压滤机1用1备，单机过滤面积100 m2，进泥含水率≤98%，泥饼含水率≤60%，运行时间12 h；PAM投加量不超过5 kg/tDS。脱水机附属设备还包括进料泵、絮凝剂制备装置及输送泵、电动污泥斗、压榨水箱及压榨泵、清洗水箱及清洗泵、仪表气罐、工艺气罐、冷干机及空压机等。

设计绝干污泥量为1.1吨/d，泥量公式采用S=（K1C0+K2D）×Q×10-6，参考周边水源水厂运行数据计算，其中Q为水量（m3/d），K1为浊度与SS的换算系数，一般为0.7～2.2，本工程取1.5；K2为药剂转化泥量系数，对于PAC而言为1.53；D为投药量（mg/L）。C0为一定保证率对应的浊度值，本工程按照95%保证率对应统计浊度；K1跟水源、浊度范围有关，应取较长时间水样实测，建议国家规范调研不同流域、不同类型、不同特点的水源水K1值。

3.4 工程投资

本工程一期规模2万 m3/d，包括完整取水、输水、净水和配水工程。概算总投资8012.23万元，建安费5975.28万元，其中净水工程3241.15万元，净水环节吨水指标1620元/m3。

4 结语

（1）小城镇自来水厂由于投资有限，宜合理确定近、远期规模，分期建设。

（2）对于确定新建工业园区的供水规模，宜根据规划用地平衡表使用不同类别用地用水量指标法。

（3）对于水源较好的城镇小型水厂而言，主要目标为降低浊度、色度和细菌学指标，仅采用絮凝、沉淀、过滤、消毒工艺即可实现。预留深度处理用地用于远期提标。对于存在有机污染、藻类暴发可能的水源水，可设置化学预氧化及活性炭投加系统。

（4）小城镇自来水厂建设用地有限且运管人员缺乏，应选择节省用地、运行稳定、操作简单的工艺。折板絮凝、斜管沉淀及V型滤池很好地解决了节能、节地、管理的问题。反洗水回用可降低自用水系数。

（5）由于采用常规处理工艺中节地、稳定的成熟工艺，净水环节吨水指标1620元/m3，低于广东省常规自来水厂1800-2000元/m3吨水造价；用地指标为0.48 m2·d-1/m3，低于《城市给水工程规划规范》中

0.70 m2·d-1/m3。

（6）运行期间出厂水浊度稳定在0.5 mg/L以下，二氧化氯余量0.1 mg/L以上；管网末梢二氧化氯余量0.02 mg/L以上；出水水质满足国家生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）[7]。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市给水工程规划规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司.给水排水设计手册.第3册，城镇给水[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3] GB 3838-2002，地表水环境质量标准[S].北京：中国环境科学出版社，2002.

[4] GB 50013-2018，室外给水设计标准[S].北京：中国计划出版社，2021.

[5] 崔玉川.给水厂处理设施设计计算[M].北京：化学工业出版社，2013.

[6] 金建华，王烽.水力学[M].长沙：湖南大学出版社，2004.

[7] GB 5749-2006，生活饮用水卫生标准[S].北京：中国标准出版社，2007.