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摘要

       為適應(yīng)鄭州航空港區(qū)打造現(xiàn)代航空都市、中原經(jīng)濟(jì)區(qū)核心增長極、生態(tài)智慧航空大都市的發(fā)展需求，立足建設(shè)創(chuàng)新型現(xiàn)代化水廠為目標(biāo)，對(duì)港區(qū)第二水廠從全流程處理工藝的選擇、構(gòu)筑物高度集約化的布置、光伏發(fā)電新能源的利用、智慧水廠的配置、景觀設(shè)計(jì)與海綿城市建設(shè)理念相結(jié)合這5個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以期為國內(nèi)同類水廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

前言

本文具體從全流程處理工藝的選擇、構(gòu)筑物高度集約化的布置、光伏發(fā)電新能源的利用、智慧現(xiàn)代水廠的配置、景觀設(shè)計(jì)與海綿城市建設(shè)理念相結(jié)合這5個(gè)方面，介紹其設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1工程概況

港區(qū)第二水廠總規(guī)模為80萬m3/d，總占地面積為404畝（1畝≈667 m2）。水廠分三期建設(shè)，其中一期建設(shè)規(guī)模是20萬m3/d。該水廠的原水取自南水北調(diào)中線水和黃河水。

南水北調(diào)中線水源自丹江口水庫，水質(zhì)總體良好，符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）I～I(xiàn)I類標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)水工程實(shí)施后，陶岔渠首、水庫壩上等主要斷面COD有所增加，但仍符合I類、II類水的標(biāo)準(zhǔn)。

鄭州段黃河原水一般為Ⅲ類水質(zhì)，但突發(fā)性水質(zhì)污染事故時(shí)有發(fā)生。鄭州段黃河原水經(jīng)沉砂之后，具有低溫低濁、有機(jī)微污染特性，有一定的藻類和臭味問題。

2工程設(shè)計(jì)

2.1全流程處理工藝

針對(duì)南水北調(diào)中線水和黃河水雙水源的原水水質(zhì)特點(diǎn)，為滿足港區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)供水系統(tǒng)要求以及人民對(duì)高品質(zhì)水質(zhì)的需求，并可應(yīng)對(duì)突發(fā)水質(zhì)污染，采用預(yù)臭氧接觸池+機(jī)械混合折板絮凝平流沉淀池+V型砂濾池+提升泵房+臭氧接觸池+下向流生物活性炭吸附池+超濾膜池的全流程處理工藝。處理工藝流程如圖1所示。

 

廠區(qū)整個(gè)處理流程有機(jī)組合，經(jīng)過氧化、沉淀、砂濾、再氧化、活性炭吸附和膜濾層層遞進(jìn)，最終達(dá)到工程設(shè)定的高品質(zhì)供水的目標(biāo)，確保供水水質(zhì)安全和提升飲用水口感。經(jīng)預(yù)臭氧助凝的絮凝沉淀，不僅去除了大部分濁度，還去除了大分子有機(jī)污染物。砂濾一方面降低濁度，去除氨氮，減少后續(xù)臭氧的投加量，保護(hù)后續(xù)活性炭吸附池和膜系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，設(shè)計(jì)中將砂濾池出水作為水廠液氯投加和冷卻系統(tǒng)用水，節(jié)約經(jīng)過全流程加工的產(chǎn)品水消耗。

 

超濾膜作為全流程工藝中的最后一道工藝，一方面重點(diǎn)去除水中的膠體、懸浮物、細(xì)菌、病毒及大分子有機(jī)物，提升出廠水水質(zhì)；另一方面對(duì)于出廠水的濁度具有把控全局的關(guān)鍵作用，即使前序工藝出現(xiàn)故障，也可以保障出廠水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

 

同時(shí)，該工程還可以根據(jù)不同原水水質(zhì)和運(yùn)行工況要求，實(shí)現(xiàn)不同工藝的超越運(yùn)行：

（1）混凝沉淀+砂濾+中間提升+臭氧活性炭。由圖1可知，炭吸附池出水水頭為0.10 m，清水池進(jìn)水水位為-0.30 m，炭吸附池出水可以重力流入清水池，實(shí)現(xiàn)超越超濾膜的工況。

 

（2）混凝沉淀+砂濾+超濾。由圖1可知，砂濾池出水水頭為0.60 m，超濾膜池進(jìn)水水位為-0.40 m，砂濾池出水可以重力流入超濾膜池，實(shí)現(xiàn)超越臭氧活性炭的工況。

 

（3）混凝沉淀+砂濾。當(dāng)原水水質(zhì)較好或者后續(xù)工藝出現(xiàn)事故工況時(shí)，該工程可以將砂濾池出水直接重力流至清水池，實(shí)現(xiàn)超越后續(xù)深度處理工藝的工況。

 

2.2構(gòu)筑物高度集約化布置

港區(qū)第二水廠一方面要考慮全流程的處理工藝，同時(shí)又要避免由于處理構(gòu)筑物過多造成廠區(qū)整體散亂的平面布置，因此該工程將廠區(qū)的構(gòu)筑物進(jìn)行整合，從平面組合和空間疊合兩個(gè)方面將構(gòu)筑物集約化布置做到了優(yōu)化，使得廠區(qū)處理單元的預(yù)臭氧接觸池、混凝沉淀池、V型濾池、中間提升泵房、V型濾池反沖洗泵房、臭氧接觸池、活性炭吸附池、活性炭吸附池反沖洗房、超濾膜池、清水池、二級(jí)泵房共計(jì)11個(gè)單體整合為5個(gè)組合單元，且注重巡視流線，見圖2。

該工程組合重點(diǎn)體現(xiàn)在如下4個(gè)方面：

（1）平流沉淀池和清水池上下疊合（見圖3）。沉清疊合池上部為混凝平流沉淀池，下部疊合清水池，均可分為獨(dú)立的2格運(yùn)行。折板絮凝池與平流沉淀池合建，有效水深4.15～3.60 m，總絮凝時(shí)間19.6 min。上部的平流沉淀池停留時(shí)間為105 min。下部為清水池，分為獨(dú)立的2格，單格總有效容積12 265m3，可保證12％的調(diào)節(jié)容量。

（2）超濾膜池和排水池、中和池分為上、中、下3層疊合（見圖4）。第一層為超濾膜池，主要放置超濾膜裝置；第二層為中和池，用于超濾膜維護(hù)性清洗和恢復(fù)性清洗的廢水排除；第三層為排水池，主要用于超濾膜日常運(yùn)行的反沖洗廢水排放。膜池進(jìn)水采用配水堰，產(chǎn)水采用虹吸方式，產(chǎn)水管接入膜池管廊下部的調(diào)節(jié)水池，在產(chǎn)水管上設(shè)置調(diào)流閥，膜池設(shè)有液位計(jì)，調(diào)流閥前設(shè)置壓力表，在膜池下部設(shè)置產(chǎn)水總渠，中間設(shè)置調(diào)節(jié)池以及提升水泵。近期水泵設(shè)3臺(tái)，2用1備，遠(yuǎn)期再安裝3臺(tái)。采用潛水軸流泵，單泵流量4 167 m3/h，揚(yáng)程7.5 m，功率110 kW。單側(cè)超濾膜池下疊排水池和中和池，中和池和排水池容積均為1300 m3。

（3）活性炭吸附池、臭氧發(fā)生器間和整個(gè)廠區(qū)的沖洗水箱進(jìn)行疊合（見圖5）?；钚蕴课匠卦O(shè)計(jì)規(guī)模20萬m3/d，分為10格，設(shè)計(jì)空床流速9.0 m/h，雙排布置，雙排之間設(shè)管廊。管廊二層設(shè)置臭氧發(fā)生器間及配電間。管廊頂部設(shè)置2座屋頂水箱，分別供炭池和超濾膜池反沖洗。屋頂水箱共2座，其中供炭池反沖洗水箱容積650m3，水深3 m；供超濾膜池反沖洗水箱容積460 m3，水深3 m。

 

（4）V型濾池、反沖洗泵房、中間提升泵房進(jìn)行平面整合為1個(gè)單體。V型濾池設(shè)1座，規(guī)模20萬m3/d，分為10格，雙排布置。設(shè)計(jì)濾速8 m/h，強(qiáng)制濾速8.9 m/h，濾層上水深1.2 m。輔助泵房包括中間提升泵房、反沖洗泵房及低配中心，與V型濾池合建。中間提升泵房土建及設(shè)備安裝規(guī)模均為20萬m3/d，配置混流泵3臺(tái)，2用1備，單臺(tái)流量4 583 m3/h，揚(yáng)程7 m。調(diào)節(jié)水池疊在中間提升泵房下面，有效容積為770 m3。反沖洗泵房布置臥式離心泵、鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、增壓水泵。

 

2.3光伏發(fā)電清潔能源的利用

針對(duì)城市凈水廠閑置空間大，用電負(fù)荷較高且24 h持續(xù)運(yùn)行，無需儲(chǔ)能的特點(diǎn)，比較適合進(jìn)行光伏發(fā)電，節(jié)約水廠電耗。根據(jù)國內(nèi)其他凈水廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，城市凈水廠內(nèi)利用光伏發(fā)電每年最高可節(jié)約15%電費(fèi)。

 

該工程一期由2路10 kV電源供電，遠(yuǎn)期由3路10 kV電源供電。發(fā)電總裝機(jī)容量約1.5 MW，采用分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，自發(fā)自用，不設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)原則采用220/380 V低壓等級(jí)并網(wǎng)，各自接入就近的低配中心。配電中心進(jìn)線處設(shè)防逆流裝置，防止逆流上網(wǎng)。廠區(qū)照明亦采用太陽能路燈。

 

太陽能電池板安裝在構(gòu)筑物的屋頂上以及二期空置綠地上（見圖6和圖7）。為獲取全年最大的太陽輻射量，根據(jù)該項(xiàng)目所處的緯度及軟件模擬分析，光伏系統(tǒng)的光伏組件電池表面和地面水平方向呈30°的最佳傾角朝陽安裝。

2.4智慧現(xiàn)代化水廠的配置

港區(qū)第二水廠定位為國內(nèi)領(lǐng)先的智慧現(xiàn)代化水廠，充分運(yùn)用自動(dòng)化、信息化、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，緊密貼合智慧城市的建設(shè)大環(huán)境及工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢(shì)，是公司智慧水務(wù)戰(zhàn)略的重要組成部分。

 

智慧水廠控制系統(tǒng)總覽，是根據(jù)水廠實(shí)際布局建模，同時(shí)將水廠各控制模塊（Scada、門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、周界防護(hù)等）集成廠區(qū)3D效果圖，使得整個(gè)場(chǎng)景逼真、同時(shí)系統(tǒng)一目了然。根據(jù)水廠實(shí)際情況，在BIM上1∶1建模，與SCADA數(shù)據(jù)采集結(jié)合，1∶1真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況，同時(shí)結(jié)合在線視頻監(jiān)控，遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)工況。

 

自控系統(tǒng)分為3層結(jié)構(gòu)：信息層、控制層、設(shè)備層。信息層：由控制中心的操作站、工程師站、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、千兆以太網(wǎng)交換機(jī)、大屏幕顯示系統(tǒng)等監(jiān)控操作設(shè)備及局域網(wǎng)組成。控制層：由分散在各主要構(gòu)筑物內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)PLC主站、子站及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)及全廠光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)、控制子網(wǎng)等組成。設(shè)備層：由現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備、檢測(cè)儀表、高低壓電氣柜上智能單元、專用工藝設(shè)備附帶的智能控制器以及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)等組成。

 

2.5景觀設(shè)計(jì)和海綿城市理論相結(jié)合

景觀設(shè)計(jì)采用多層植被營造多樣化的生態(tài)景觀，同時(shí)充分結(jié)合海綿城市的技術(shù)手段，如規(guī)模綠地透水鋪裝、生態(tài)集水溝、下凹式綠地、景觀調(diào)蓄水池、人工濕地等，雨水回收利用后用于澆灑道路和綠化，體現(xiàn)海綿理論的六字方針——“滲、蓄、滯、凈、用、排”，進(jìn)一步充分體現(xiàn)水廠綠色生態(tài)理念。

 

滲：通過透水礫石鋪地、透水廣場(chǎng)鋪地、停車場(chǎng)鋪地以及透水木鋪地，將雨水盡快滲入，減少地表徑流。同時(shí)，涵養(yǎng)地下水，補(bǔ)充地下水的不足，還能通過土壤凈化水質(zhì)，改善水廠的微氣候（見圖8）。

蓄：在廠區(qū)綜合樓的西側(cè)結(jié)合景觀設(shè)置雨水調(diào)蓄池，以達(dá)到調(diào)蓄和錯(cuò)峰。為避免該水池由于長時(shí)間降雨稀少導(dǎo)致水池?zé)o水從而影響景觀效果，設(shè)計(jì)中將水廠的超濾膜池反沖洗水接入該水池，作為蓄水池的補(bǔ)水水源（見圖9）。

滯：通過微地形調(diào)節(jié)，讓雨水慢慢匯集到一個(gè)地方，用時(shí)間換空間，通過“滯”，可以延緩形成徑流的高峰。工程具體設(shè)計(jì)形式為生態(tài)滯留池以及人工濕地。

 

凈：通過植被、綠地系統(tǒng)、水體等，對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生凈化作用。該工程通過在蓄水池岸邊以及水中設(shè)置疊水沉淀池、潛流+表流濕地、挺水和沉水植物對(duì)雨水進(jìn)行凈化（見圖10）。

用：雨水調(diào)蓄池中的水可以用作廠區(qū)的道路清洗和綠化澆灑。

 

排：若雨水量較大，雨水調(diào)蓄池設(shè)置了溢流措施，直接接入廠區(qū)雨水排放系統(tǒng)。

3結(jié)語

為了匹配港區(qū)建設(shè)發(fā)展的高標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)的高標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展的高目標(biāo)，將港區(qū)第二水廠建設(shè)成為新型現(xiàn)代化水廠。該工程的優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在如下五個(gè)方面：

（1）全流程的凈水處理工藝保證水質(zhì)的安全。

（2）采用高度集約化的布置保證廠區(qū)總平面整齊大氣。

（3）采用光伏發(fā)電清潔能源節(jié)約水廠電耗。

（4）充分運(yùn)用自動(dòng)化、信息化、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)將該水廠打造成為智慧現(xiàn)代化水廠。

（5）將廠區(qū)的景觀設(shè)計(jì)利用海綿城市的“滲、滯、蓄、凈、用、排”6大要素充分進(jìn)行融合，打造花園式海綿水廠。