某凈水廠設計規模為20萬m3/d，建設用地規模6.1 hm2，在充分滿足當地規劃部門景觀要求的前提下，方案采用半地下下沉式布置方式。針對原水水質，確定長流程多級屏障處理工藝。以水廠處理構筑物的設計優化及設計參數為主要內容，為相應工程設計提供思路。
#1 工程概況
某凈水廠是南水北調配套工程，設計規模為20萬m3/d，建設用地規模6.1 hm2。項目北側為景觀山體，位于其坡腳線上。當地規劃部門提出保留水廠附近“山景”景觀的要求，減少構筑物對山體的遮擋。凈水廠建設用地面積比《城市給水工程項目建設標準》（建標120-2009）中同規模采用預處理+常規處理+深度處理的凈水廠建設用地面積規定的7.55 hm2低20%。設計中采用了構筑物平面組合布置及豎向疊合布置、構筑物之間管線局部采用管溝布置。
凈水廠以南水北調中線來水為原水，經本市已運行水廠近3年的實測數據統計，原水溫度在12月~2月平均溫度低于5 ℃，最低1.6 ℃，年平均17.9 ℃；年平均濁度為1~2 ntu，汛期最大達到24 ntu；氨氮年平均0.04 mg/l，最高為0.08 mg/l；化學需氧量年平均2.3 mg/l，最高5.4 mg/l；夏季藻類季節性藻類爆發，藻類總數在9月初和10月中小幅增長，達到1 000萬個/l，11月中旬出現峰值，達到4 000萬個/l，而后開始驟減。
凈水廠設計出水水質符合國家現行的《生活飲用水衛生標準》（gb 5749-2006），其中出水濁度＜0.3 ntu，耗氧量≤2 mg/l，供水保證率>95%。
#2 工藝流程
凈水廠工藝主線采用預處理+強化常規處理+臭氧氧化+炭砂濾池+超濾膜+次氯酸鈉消毒工藝，為滿足應急需求，設置粉末活性炭、預留酸堿中和投加等應急處理設施。
排泥水處理采用廢水回收+泥線機械攪拌澄清池+排泥池+濃縮池+平衡池+調質池+板框脫水工藝，出水污泥含水率≤60％。該工藝可達到出水水質保障性高，水質優良，運行穩定的目標。工藝流程如圖1所示。
#3 布置形式
為避免對山體景觀遮擋，廠區構筑物布置形式考慮在半地下下沉式方案與全地下式方案之間選擇。結合本項目地勘報告廠區南側山前，淺層巖性為強風化玄武巖，其他范圍內土層從上到下為人工堆積土、混合土。如采用全地下式方案將增加玄武巖爆破量及支護難度。鑒于全地下式的構筑物頂端需要一定厚度的覆土用于綠化，增加的覆土荷載，對地下空間的支撐體系影響較大，消防安全設施較多，工程投資及運行成本較高。對比全地下式布置，半地下下沉式運行維護相對便捷，工程投資及運行費用較低，因此，經技術經濟比較后選用半地下下沉式方案。
水廠平面布置中，將相對較高的水線機械攪拌澄清、炭砂濾池、膜車間等車間盡量靠山一側布置，調整屋頂坡度，可減少路邊視覺對山體的遮擋。本項目的半地下下沉式布置方案是將水線機械攪拌澄清池的池頂走道板與廠平面基準標高持平，流程如圖2所示。
機械攪拌澄清池外頂高出設計地面6.5~7 m，生產構筑物標高較傳統地上式以清水池高液位為廠平設計基準總體下降7~5 m。
#4 主要處理構筑物設計
4.1 進水組團
（1）布置方式。將進水閥室與集水池、提升泵房、廢水回收池、次氯酸鈉預投加間、加藥間、變配電室組團式疊合布置。廢水回收池疊合于集水池上部，次氯酸鈉預投加間、加藥間疊合于廢水回收池上部。突破傳統功能分區，合理利用水力流程，使集水池頂板至地面的地下工程空間得到有效利用。
（2）優化回流方案。集水池可接納炭砂濾池初濾水、超濾膜反沖洗排水、排泥池溢流排水及上清液、濃縮池溢流排水、污泥車間上清液集水池出水，均為重力回流。為減少集水池回流管線接口，各種類別回流水在廠區設置的結合井進行匯流，經結合井出水管接至集水池進水管聯通閥后。
（3）設計參數。集水池分2個系列，有效容積按常水位停留時間20 min設計。廢水回收池設置兩格，單格容積滿足一格炭砂濾池一次沖洗流量。提升泵房設置4臺水泵，2用2備，全部變頻。聚氯化鋁（商品溶液10%）投加量10 mg/l，三氯化鐵（商品溶液40%）投加量50 mg/l，次氯酸鈉（商品溶液10%）預投加量40 mg/l。
4.2 進水井、格柵間、預臭氧接觸池、機械混合井
（1）設備布置。進水井、格柵間、預臭氧接觸池、機械混合井采用集團式組合布置。預臭氧采用水射器投加方式，因預臭氧接觸池池體在室外地坪以下7 m深。傳統地面式設計可以利用格柵渠道底部架空空間放置水射器增壓泵，若仍將水射器增壓泵設置格柵渠道底部，將使得水射器增壓泵房的通風、采光較差，增加設備的安裝難度，運維管理不便，因此，將其調整至進水組團車間設置。
（2）設計參數。格柵間分2個系列，每系列設2條渠道，每條渠道設置回轉式格柵除污機1臺，共4臺，渠道寬b=1.1 m，細格柵間距為8 mm。預臭氧接觸池分2個系列，最大投加率1.0 mg/l。總接觸時間為5 min，有效水深6 m。機械混合井分2個系列，每系列分2格，單池混合時間30 s，速度梯度g=750~1 000 s-1。機械混合井設置聚氯化鋁及三氯化鐵投加點。
4.3 水線機械攪拌澄清池
（1）進水、加藥方式優化。本市已運行水廠的機械攪拌澄清池（見圖3和圖4）同一系列池體的進水總管設置相同管徑或是沿著水流方向進水總管逐漸減小的進水方式。實際運行反饋每座池體的進水不均勻，靠近總進水管進水端的池體進水流量多，處理效果不如位于總進水管末端的池體。為解決此問題，在每座機械攪拌澄清池進水管的手動蝶閥后設置進水堰，提高每座機械攪拌澄清池進水均勻性。
每池進水堰堰后設置三氯化鐵投加點并預留pam投加點，三氯化鐵投加量為50 mg/l。在加藥間預留pam投加系統，用于機械攪拌澄清池澄清區有大量礬花翻池時應急投加，pam配置濃度0.15%，最大設計投加量0.3 mg/l。每座機械攪拌澄清池進水堰堰后設置加藥斗便于觀察，并且可以實現不同池體可投加不同比例的藥劑，操作靈活，運維方便。
（2）優化排泥放空出路。水線機械攪拌澄清池排泥、放空保留3個出路的條件。出路一，放空及排泥進入排泥池。出路二，放空部分可重力回流至集水池。出路三，放空部分可排入廠區污水系統。在廠平面中設置閥門切換以滿足功能需求。
（3）設計參數。分2個系列，每個系列3座池體，東西向兩排機加池間距5 m，設置2座配泥井。設置6座單池，直徑d=25 m，清水區設置斜管，上升流速1 mm/s。
（4）傘板優化方案。傘板采用預制混凝土構件并通過埋鐵方式與斜支撐梁連接，其功能是在運行工況條件下形成導流面，使水中絮狀污泥沿傘板表面斜坡下滑至污泥回流縫，并由刮泥機收集導出。鑒于已運行水廠某池體發生的預制構件傘板變形、脫落現象，本項目考慮增加傘板的構造厚度，即將1號規格~4號規格傘板厚度由原國家標準圖60 mm，增加至80 mm，埋鐵及裙板尺寸隨之調整，調整后傘板抗荷載能力將提高。同時建議投產后每年停池檢修期間進行回流縫寬度的復驗工作。
4.4 主臭氧接觸池、炭砂濾池
（1）布置方式。設置炭砂濾池1座，分兩系列（見圖5）。在濾池進水渠道設置疊梁閘，一方面可實現一個系列濾池進水，另一系列濾池停池、檢修；另一方面在濾池進水渠道加藥，可實現兩個系列調試不同藥劑來觀察炭砂濾池出水水質。每格濾池進水設置疊梁閘，滿足單格檢修的條件。
（2）管路布置。濾池反沖洗設置兩根完全獨立的反沖洗水管以滿足兩個系列濾池獨立運行的需求。管廊下方疊合兩個獨立的出水渠，在渠道的東西兩側預留出閥門井室的位置，用于滿足兩格反沖洗水池多種運行工況的切換需求。
（3）設計參數。主臭氧接觸池分2個系列，采用曝氣盤曝氣方式投加臭氧，最大投加量0.5 mg/l。總接觸時間為12 min，有效水深6 m，三段投加量之比為2∶1∶1，接觸時間之比為1∶2∶2。炭砂濾池雙排布置，單格面積l×b=14 m×8 m，共10格，普通快濾池池型，設計濾速8 m/h，過濾水頭2.0 m。炭砂濾料層厚度：0.6 m炭層、1.2 m砂層，下炭層上砂層。采用煤質柱狀活性炭φ15 mm，砂層d10 =1.0 mm，k80 =1.4。
4.5 清水池及超濾膜車間
（1）布置方式。清水池疊合壓力式超濾膜車間布置，壓力式超濾膜車間的管廊層位于南側清水池上部，膜堆層位于管廊層上方（首層,見圖6）。清水池導流墻采用鋼筋混凝土材質，充分考慮上部膜車間設備荷載，l/w布置結合超濾膜車間柱網間距布置。
（2）設計參數。清水池設置1座，分2格，北側清水池上覆土約為1.75 m，南側清水池上疊合膜車間布置。單格清水池凈空尺寸l×b=80 m×40 m，有效水深6.3 m，調蓄能力20%。主加氯設置在清水池進水側，最大次氯酸鈉（商品溶液10%）投加量為20 mg/l；補氯點設置在清水池出水的吸水井中，最大次氯酸鈉（商品溶液10%）投加量為5 mg/l。壓力式超濾膜采用雙排布置，運行膜組數按單個膜堆處理1.0萬m3/d考慮，預留2組土建位置，最大設計膜通量為60 lmh。
4.6 排泥水處理
（1）處理工藝優化。較本市接納南水已運行的水廠排泥水處理工藝，增加泥線機械攪拌澄清池及污泥調質池處理單元的設置，由于泥線機械攪拌澄清池具有較好的泥水分離功能，可去除沖洗水中的藻類、細菌、兩蟲，可避免微生物富集，降低回流水對水線機械攪澄清池的沖擊負荷。設置調質池，用于對脫水前的污泥進行加藥預處理，可保證板框壓濾系統進泥濃度及絮凝劑混合的均勻性。
（2）車間布局。機械攪澄清池與浮動槽排泥池、濃縮池合建，平衡池與調質池、脫水機房合建。泥棚采用輕型外挑式設計，避免出現設置混凝土柱子造成運泥車進出不便利的問題。
（3）設計參數。泥線機加池直徑9.8 m，池深5.7 m。浮動槽排泥池、濃縮池分別設置2座，單座平面尺寸l×b=14 m×14 m，有效水深h=4 m，固體負荷0.85 kg/（m2·h）。平衡池設置1座分2格，單格停留時間12 h。調質池設置1座分2格，每座容積可以調理單臺脫水機1批次處理的泥量。脫水機房設置2臺板框壓濾機，1用1備，12 h工作制，干泥量8 tds/d。
#5 構筑物之間局部管溝設計
炭砂濾池與清水池（疊合超濾膜車間）凈距約20 m，其中包括6 m濾池門頭及6 m寬的廠區道路，設置長度約40 m，凈空斷面尺寸（3.4 m+3.3 m+4.5 m）×（2.6 m+4 m）兩層的三倉管溝。管溝內布置dn1 200濾池出水管、dn1 200濾池反沖洗排水管、dn400初濾水管、dn1 600膜池進水管、dn1 600膜池產水管、2×dn600膜池反沖洗進水管、2×dn1 200清水池進水管、dn300廠區自用水管等管道，管溝設置吊裝孔、檢修孔、通風、照明。充分利用管溝的縱向空間，合理布置廠區管線。
#6 結論及思考
針對周邊景觀有特殊要求的凈水廠工程，可采用集約型半地下下沉式布置方式。在水廠建設用地范圍受限時，需將推薦工藝的廠平豎向與構筑物平面布置統籌考慮，可采用集團疊合式、組合式布置方式，以緩解長流程多級屏障處理工藝與用地面積緊張的矛盾，合理利用工程占地、降低投資。
區別于傳統地上式水廠以清水池設計液位為廠區地坪設計標高基準，半地下下沉式布置，處理構筑物整體加深，工藝設計上首要考慮廠區運行安全問題，常規設置溢流的構筑物（如清水池、集水池、進水井等）能否重力自流排入規劃出路，如不滿足重力排出需設置泵站提升。另外，水線處理構筑物的放空能否重力接入廠區的雨水排除系統、泥線處理構筑物的放空能否重力接入廠區的污水排除系統，如不能設置放空濕井由移動泵提升或在池體預留集水坑依靠移動泵放空排除系統（本項目溢流管能重力自流排入規劃出路，部分不滿足重力放空進入廠區雨水系統的單體設置放空濕井）。
建設過程中，在尋求節約用地和環境友好平衡的同時，也發現了一些值得思考的地方：建構筑布置緊湊，必然帶來各類管線、溝渠的緊密貼合，給施工及運行維護增加一定的難度。半地下下沉式的布置也造成了施工中大量深基坑的出現，施工難度和建設投資較傳統地上式布置有一定程度的增加（本項目工程單價約2 357元/m3，較同類型工藝傳統地上式水廠增加18%）。今后運行中也會增加大量的有限空間作業要求；針對這些問題，在項目建設的各階段要需取一些區別于傳統地上式水廠的措施和方法，才能保證集約型半地下下沉式式水廠建設目標更好的實現。
來源：給水排水
