城市應急備用水源是飲用水安全保障的重要措施，《城鎮(zhèn)水務2035年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出加快應急或備用水源建設，做好地表地下、河流湖庫等多類水源統(tǒng)籌。目前，我國地下水資源量為8553.5億m ，地下水作為重要的水資源組成部分，經(jīng)科學評價和確定，合理的開發(fā)是可行并有必要的。為提升城市應對主水源突發(fā)污染等事件能力，保障供水安全，并緩解現(xiàn)階段中心城區(qū)高峰時段供需矛盾具有一定意義。
對于地下水作為應急備用水源應用及水廠，其水質往往伴隨鐵錳超標問題，為高效、穩(wěn)定去除鐵錳，國內外學者開展了大量的研究，并加以工程實踐，按照不同工程條件，可對各類技術進行靈活應用。與此同時，城市發(fā)展使得用地在某種程度上成為難以再生的寶貴資源，建設用地不足、用地指標遠低于國家或行業(yè)相關標準的情況正逐漸成為常態(tài)，更加緊湊的總圖布局也能因節(jié)約用地而為項目帶來較好的可實施性和經(jīng)濟性。
本文原標題《緊湊用地條件下西安東北郊應急備用水源地項目工程設計》，發(fā)表于《凈水技術》2021年第11期。
本文作者
AUTHORS
西安市自來水有限公司 雷春元，上海市政工程設計研究總院有限公司 鐘燕敏、倪木子
[作者簡介] 雷春元（1967— ），男，碩士，高級工程師，研究方向為城市供水系統(tǒng)及水處理技術。
[通信作者] 鐘燕敏（1977— ），女，碩士，正高級工程師，研究方向為城市供水系統(tǒng)及水處理技術。
本文基于西安東北郊應急備用水源地項目的水廠部分的設計經(jīng)驗，總結緊湊用地條件下，如何針對項目及地下水原水中錳離子微量超標等問題，采用簡潔工藝、高效設施、疊合布置等方式，實現(xiàn)在滿足生產、管理等要求的同時，做到運行管理便捷，為類似項目提供一定借鑒。
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項目背景及工程定位
西安市的城市供水，經(jīng)歷了“以地下水為主”向“以地表水為主，地下水調峰應急”的格局轉變。
東北郊水源地位于灞河東岸，根據(jù)《西安市城市總體規(guī)劃》和《西安市“十三五”城市供水規(guī)劃》，由于目前受水源限制，市區(qū)高峰供水水量緊張，東北郊水源地擔負著向市區(qū)東郊區(qū)域的備用供水任務；在遠期引漢濟渭及配套工程通水后，本水源地將轉變?yōu)榧婢叱鞘袘焙蛡溆霉δ艿乃垂こ�，在遭遇特大干旱、主水源突發(fā)污染事故等情況下，可作為城市供水的應急和備用水源，提高西安主城區(qū)供水安全保障程度。
西安東北郊應急備用水源地工程于2019年啟動，開發(fā)東北郊水源地這一地下水水源，并建設水廠以滿足應急供水和向市區(qū)調峰需求，充分發(fā)揮地下水源作為城市應急和備用水源的供水能力。
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工程規(guī)模及主要內容
根據(jù)供水規(guī)劃，本工程規(guī)模為10萬 m /d，包含新建地下水水源地以及凈水廠、原水輸水管線、清水管線等配套設施。
水源地分段村和東北郊兩處，其中東北郊水源地原水產水量占本工程原水量76%，段村水源地原水產水量占本工程原水量24%。水廠選址位于浐灞生態(tài)區(qū)，用地條件受限，僅15畝，遠小于同類工程用地面積和國家標準。
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原水水質及工藝路線
3.1
原水水質情況
本工程76%的原水量都來自東北郊水源地，因此，原水水質分析結論仍應以東北郊水源地為主。
根據(jù)東北郊水源地2015年—2016年枯、豐二期探采結合井的水樣檢測結果，總體來看，東北郊水源地的淺層和深層承壓井水質良好，基本符合國家《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類標準的要求，濁度最高為3.7 NTU，總大腸菌群最高為260 MPN/100 mL，淺層承壓井存在錳超標的情況。
地下水水源經(jīng)開采并長期運行后，水質可能會受補給的影響而發(fā)生變化，因此，參考西安市長期運行的地下水源水質情況，地下水源地的原水水質綜合狀況較好，細菌總數(shù)、大腸桿菌群、濁度、錳等指標存在超標現(xiàn)象，濁度最高可能接近10 NTU。水質受有機污染的風險較小，但錳、氨氮、亞硝氮等指標的污染風險較高，其中，氨氮可能升高至1.0 mg/L，并存在嗅味和生物絮體爆發(fā)的風險。
3.2
原水中主要目標污染物分析
通過原水水質分析，本工程主要特征污染物指標及設計取值如表1所示。
表1 主要特征污染物指標
3.3
凈水工藝分析及確定
綜上所述，本工程近期凈水工藝以去除錳、除濁度、殺滅微生物為主要目標。同時，隨著水源地長期運行，地下水氨氮、亞硝氮等指標存在升高風險，應留有適當預防措施。另外，工藝的選擇，也應適應工程用地條件，做到簡潔、節(jié)地。
由于地下水總體濁度較低，可直接采用砂濾進行除濁；細菌指標采用次氯酸鈉投加確保出水衛(wèi)生安全。對于錳的去除，是工藝選擇的要點。
工程上常用的除錳工藝有化學氧化法（氯或高錳酸鹽）、接觸氧化法和生物氧化法等。由于生物氧化法一般濾速在5~6 m/h，本工程用地受限不適用，故擬采用化學氧化法和接觸氧化法進行結合進行除錳，在接觸氧化前增加化學氧化工藝，可提升接觸除錳效果啟動速度，同時可保障穩(wěn)定的除錳效果。
化學氧化劑選擇了消毒副產物生成風險低、可加速錳質濾膜生成、存儲較為安全的高錳酸鹽。待濾料表面形成成熟的錳質濾膜后，可少加或不再投加高錳酸鹽氧化劑。
參考當?shù)仡愃频叵滤催\行經(jīng)驗，工藝預留了可能發(fā)生的原水氨氮、亞硝酸鹽氮升高的應對措施——曝氣單元遠期視需要可增加懸浮填料，以實現(xiàn)生物除氮。
綜上分析，適合于東北郊水廠的凈水處理工藝流程如圖1所示。
圖1 東北郊水廠凈水工藝流程示意圖
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水廠主要單體及設計參數(shù)
4.1
鼓風曝氣池
設曝氣接觸氧化池1座，分可獨立運行的2格，對稱布置，下疊清水池，如圖2、圖3所示。為應對今后地下水水質可能發(fā)生的惡化情況，曝氣池設計預留增加懸浮填料球填充的可能，以增強氨氮去除效果。接觸氧化時間約為30 min，有效水深為5.3 m，設計最大氣水比為0.5:1。曝氣接觸氧化池分為三道，設置上下翻水堰，分段曝氣。
圖2 曝氣接觸氧化池平面圖（下疊清水池）
圖3 曝氣接觸氧化池平面剖面圖（下疊清水池）
4.2
翻版濾池
由于翻板濾池采用翻板閥排水，濾格內不設中央排水渠，較V型濾池節(jié)地約10%，因此本工程過濾采用1座翻板濾池，下疊清水池，如圖4、圖5所示。濾池共分6格，單格過濾面積為96㎡，設計濾速為7.6 m/h，強制濾速9.1 m/h。濾料采用均質石英砂濾料，D10＝0.85 mm，不均勻系數(shù)K80=1.4，厚度為1.3 m；承托層采用3.0~12.0 mm分層礫石，厚度為0.45 m。沖洗水源來自屋頂水箱，水沖強度調節(jié)通過沖洗水總管及單格濾池進水管上的電動調流閥門聯(lián)合控制。
圖4 翻板濾池（下疊清水池）平面圖
圖5翻板濾池（下疊清水池）剖面圖
4.3
清水池
本工程共設有3座清水池，分別疊建于鼓風曝氣池、翻板濾池、綜合加藥間下方，串聯(lián)運行，總有效容積共14 600m ，達到設計水量的14.6%。為節(jié)約用地，下疊清水池采用了5.5~6.3 m的有效水深。清水池兼用于消毒接觸，內部廊道總長與單寬比不小于50。
3座清水池通過管路切換，可在任一座清水池進行清洗時對其進行超越。
4.4
吸水井及二級泵房
設吸水井和二級泵房1座，時變化系數(shù)1.3，與配電間合建，其中變頻器室上疊于吸水井上。泵房內設4組泵機，3用1備。單泵流量為1 810m /h，揚程為75 m，功率為560 kW，全變頻。
4.5
綜合加藥間
綜合加藥間內設置高錳酸鹽和加氯裝置，與機修倉庫、水質化驗間、水源熱泵機房合建，并下疊清水池。
高錳酸鹽投加采用外購的1%商品液，最大加注量1.0 mg/L；高錳酸鹽投加點設置在曝氣池前、后，可以切換運行；次氯酸鈉采用外購商品液稀釋至5%投加。水廠設前加氯、主加氯和后補氯，全廠最大總加氯量為2.5 mg/L。
4.6
綜合附屬車間
綜合附屬車間包含鼓風機房、脫水機房和排水池等。
鼓風機房位于綜合附屬車間北端，用于曝氣接觸池充氧和濾池反沖洗。
排水池下疊于鼓風機房和配電間下，分為獨立2格，用于收集濾池反沖洗水和初濾水，提升廢水至造粒流化床濃縮池處理。
脫水機房布置有用于濃縮的造粒流化床和離心脫水機等設備。脫水機房內設造粒流化床設備2套、離心脫水機1臺。
4.7
自控系統(tǒng)
水廠自動化系統(tǒng)為以PLC控制為基礎的集散型控制系統(tǒng)，水廠設備的軟硬件及系統(tǒng)配置按現(xiàn)場無人值守，水廠中心控制室集中管理運行的標準設計。水源地自動化系統(tǒng)按分散控制、集中管理進行考慮。
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水廠總平設計及用地
水廠占地面積15畝，因此，水廠總平采用了緊湊布置方式，布置如圖6、圖7所示。生產區(qū)曝氣池、濾池及送水泵房位于廠區(qū)正中央，東側為綜合輔助車間，西北角上為加藥間，清水池疊建于各單體下方。管理區(qū)為于西南角，設綜合管理樓。
為滿足廠區(qū)內管線埋設需求和方便運行檢修，在二級泵房南側道路下設地下管溝，用于安裝大口徑生產管路及控制閥門。
圖6 水廠總平面布置圖
圖7 水廠高程布置圖
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經(jīng)濟分析
水廠通過高度集約化設計，實現(xiàn)了應急備用水源地項目水廠制水規(guī)模目標，也在一定程度上增加了投資和運營成本，但分析表明，投資是可接受的。
6.1
噸水投資指標
本次工程直接費用合計48 097.02萬元，建設項目總投資為65 238.53萬元。其中，水廠部分工程費用為18 033.04萬元，折合噸水投資指標為1 803.20元/m 。
6.2
財務評價
根據(jù)測算，東北郊水廠達產后，單位制水成本為2.123元/m 。其中，單位制水可變成本為0.64元/m 。
6.3
用地指標
水廠在1.0×104㎡用地條件下布置了10×104m /d規(guī)模具備曝氣、過濾、消毒、調蓄功能的地下水水廠，用地指標為0.1㎡/（m d-1），僅是《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB 50282—2016）表7.0.6中地下水廠指標0.30㎡/（m d-1）的三分之一，并充分滿足了凈水、調蓄、運行、管理等要求，實現(xiàn)了土地和地下空間的高效利用。
6.4
經(jīng)濟性評價
對水廠部分不同用地條件的經(jīng)濟性進行了比較，由表2可知由于緊湊用地條件下水廠雖然工程費用有所增加，但征地及拆遷費用顯著降低，且埋深增加對年運行費用影響有限，故在經(jīng)濟性方面，考慮到日益緊張的土地資源成本，緊湊用地形式的布置具有顯著優(yōu)勢。
表2 不同用地條件水廠經(jīng)濟性比較
*注: 年經(jīng)營費用按年運行3個月折算
7
結語
（1）作為重要的水資源組成，西安以東北郊和段村地下水作為城市常規(guī)水源的補充，作為應急水源和備用水源，既符合限制地下水資源開發(fā)的方針，又可提升城市應對常用水源突發(fā)事件能力、緩解現(xiàn)階段地表水在高峰時段的不足，可供其他城市應急或備用水源建設作為借鑒。
（2）結合原水水質特點和當?shù)氐叵滤畯S運行經(jīng)驗，水廠工藝選用了“高錳酸鹽預氧化/曝氣氧化池+砂濾池+氯消毒”，并為遠期可能產生的原水水質變化，預留了將曝氣氧化池轉變?yōu)樯锝佑|氧化池的工程措施。
（3）由于用地限制，以及項目定位為城市供水的應急和備用，單體設計采取了疊建和加大池深等方式，土建投資和日常運行費用較常規(guī)的水廠略有增高，但考慮征地費用后經(jīng)濟性較為顯著，工程建設項目總投資65238.53萬元，單位制水成本為2.123元/m ，其中單位制水可變成本0.64元/m 。
（4）本工程用地指標僅0.1㎡/（m d-1），遠低于國家規(guī)范要求的用地指標。在緊湊用地條件下，設計采用以下多重措施，實現(xiàn)在滿足生產、管理等要求的同時，做到運行管理便捷，真正做到“空間疊合，功能完備”。在保障供水及水質安全的前提下采用簡潔工藝；采用翻板濾池、造粒流化床、疊螺機等節(jié)地高效池型和設備設施；采用加大池深、單體疊建方式進行地下空間高效利用；借鑒綜合管廊思路，在管線密集區(qū)域設置地下管溝，便于施工、檢修；設備及控制采用較高自動化水平，適應疊建設施運行需求，并提升控制效率。
