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【摘要】现在的城市水厂出水规模不能满足城市生活及工业等用水需求是常见问题，对水厂进行改扩建则成了势在必行的举措;本文以汨罗市二水厂改扩建工程设计为实例，旨在分析在设计过程中遇到的水源安全隐患、工艺处理流程的选择、如何做到不停产改建及电气设备选型等重难点问题，并提出了解决方案。
【关键词】水厂改扩建;除铁锰;工艺流程;节能设计
1、项目概况
汨罗市地处湖南省东北部，紧靠南洞庭湖东畔、汨罗江下游，为湖南岳阳下辖的县级市，现有人口约70万人。汨罗市城区现状有两座自来水厂，一座为汨罗市二水厂，一座为新市水厂。二水厂一期工程建于2001年，取水自汨罗江水源，设计规模为3×104m3/d，为整个汨罗市城区提供用水。为解决汨罗市用水供需矛盾以及汨罗江水源水质日益恶化的现状，本次设计对水厂进行改扩建，扩建至6×104m3/d。改扩建采用优质水源，引水自43km外的兰家洞水库，但由于水库存在着季节性铁锰超标的问题，在水厂处理工艺选择上应重点考虑，并对原设计不符合现行设计规范的部分进行改造。改扩建后工艺流程为：兰家洞水库水源→取水泵房→格栅曝气池→絮凝沉淀池→气水反冲洗砂滤池→清水池→送水泵房→城市配水管网。水厂经改扩建后，出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》。
2、重难点问题分析及应对
2.1解决用水隐患开辟另一水源
汨罗市原饮水水源为汨罗江，为汨罗市唯一的饮用水水源，近年来汨罗江连续出现砷超标的现象，目前作为城区供水的单一水源，应对突发水质污染事故能力较差，需加大对汨罗江流域综合治理保护力度和水厂处理工艺抗风险能力的建设。汨罗市“引兰入市”工程实施后，将兰家洞水库水引入到汨罗市城区，将兰家洞水库水源作为汨罗市主要水源，汨罗江作为汨罗市的第二水源，解决了汨罗市单一水源的问题。引兰入市二期水厂改扩建工程作为汨罗市“引兰入市”项目的重要组成部分，彻底解决了汨罗市水源安全隐患，保障了汨罗市城区饮水的安全。
2.2选择合适工艺重点去除铁锰
兰家洞水库水质基本满足《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》Ⅲ类标准，铁、锰指标季节性超标严重，在如何选择合适的工艺，确保出水达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）标准，是项目的重点和难点。本次改扩建工程在常規处理的基础上增加了除铁、除锰设施，经过对各项除铁锰工艺方案进行详细对比论证后，并结合水源水质特性和厂区现状用地限制，最终确定采用稳妥可靠的压缩空气曝气+除铁除锰滤池工艺同时去除铁锰污染。通过曝气氧化把易溶于水的二价铁氧化成难溶于水的三价铁，氧化生成的三价铁经水解后，生成氢氧化铁胶体。含铁锰的原水经过曝气后，再经滤层过滤，利用滤料表面生成催化活性滤膜达到稳定的除铁锰效果。同时，随着滤料的不断成熟，在滤料孔隙生成了铁细菌，对活性滤膜有促进作用。自投产运行以来，厂区去除铁锰效果良好，各项指标均满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）标准要求。
2.3协调竖向流程减少水头损失
水厂在改扩建过程中，首先应复核现有构筑物生产能力，满足现行规范要求，而如何协调两期工程的竖向流程也是重难点之一。经详细计算后，将现有一期絮凝沉淀池、滤池降低负荷运行，改造后负荷降低至2×104m3/d。二期工程设计中受一期已建构筑物水位标高限制，可利用水头富余极小，通过工艺流程详细计算，尽量减少二期构筑物水头损失，实现了两期工程竖向流程协调运行。除此之前设计中充分考虑了土石方平衡、厂区雨水收集和排除以及与周边地形的协调等情况。
2.4优化施工时序确保改建不停产
由于项目一期工程为整个汨罗市城区提供现状用水，在改扩建过程中做到不停产是项目设计中重点和难点之一。项目在设计中充分考虑了改造过程中不停产运行方案的可行性，通过协调厂区现有管线和新建管线减少了改造工程的难度，优化施工时序和工期，并制定了工程实施过程中各项应急处理措施。通过对现有构筑物进行改造和新建水处理构筑物，将本项目扩建至6×104m3/d，满足了汨罗市整个城区安全供水的要求。
2.5利用有限用地做好平面布置
厂址位于汨罗市东部，厂区现状征地面积为16281.45m2，除去一期已用面积，二期改扩建工程可用建设用地仅为10629.53m2（合15.94亩）。现状周围均为基本农田，新征用地困难，只能在原征地红线范围内进行改扩建工程，总平面布置应力求紧凑，以节省用地，故用地资源紧张也是项目设计难点之一。整个厂区平面布局在现有征地范围内，与一期工程相协调，工艺流程顺畅，单位水量占地为0.271 m2/m3，其占地指标低于《城市给水工程项目建设标准》（建标120-2009）中III类常规处理水厂用地0.35～0.41 m2/m3的标准。
汨罗市引兰入市二期水厂改扩建工程设计计算负荷618kW，计算视在负荷653kW，单位水量耗电量0.173kWh/m3，实际能耗为0.17kWh/m3，能耗指标处于国内先进水平。
2.6做好设备选型提升管控体系
如何做好电气设备选型及自动控制系统设计，使得项目改扩建之后达到设备先进、使用方便、管理简单、维护简便等也是需要重点考虑的问题。本水厂改扩建工程工艺、电气设备和材料多为国产一线品牌，先进可靠，主要耗电设备如水泵、风机等均配备变频调速装置，集中无功补偿装置等配备完善，各项节能措施落实到位，节能管理制度、人员齐全完整。自控系统先进，维护管理简便，整个厂区生产运行稳定可靠，生产人员劳动强度低，改扩建后未增加水厂劳动定员，实现了水厂的现代化生产管理，达到国内领先水平。
2.7合理控制能耗做好节能设计
新型水厂的改扩建工程在控制能耗节约资源等方面亦是重点。本项目从灯具、水泵、大型设备等都注重节能设计选型，达到合理降低能耗的目的。项目室外照明采用节能型照明灯具，照明电耗相比于传统白炽灯照明电耗节能达到30%以上。大功率潜水泵和鼓风机的控制方式采用变频控制，使得水泵和鼓风机电机的运行效率大大提高。根据水位高低变化，变频控制实现水泵电机的无级调速，控制电机的运行状态。水泵工作原理可知，P（功率）=Q（流量～）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为73KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为37.4KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为9.1KW，省电87.5%。
2.8协调周边环境达到风格统一
改扩建工程如何与原一期工程形成建筑风格融合，达到更高的标准要求也是重难点问题。本期建筑风格延续了一期建筑的风格，在建筑物满足水厂的特殊功能要求的前提下，平面布局吸纳园林式的风格布局，主体建筑采用坡屋顶，将细腻的园林布局平法与简法、大方的现代风格相结合，整个厂区建筑在绿化的衬托下，高低错落有致，造型富有生机，形成了自己独特的风格，体现厂区建筑独立的个性和文化气息。
结语：
汨罗市二水厂现状设计规模为3×104m3/d，本次改扩建规模为6×104m3/d，采用兰家洞水库原水重力自流进入厂区，采用除铁、锰+常规处理工艺，出水达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）106项标准。同时原有一期工程3.0×104m3/d规模降负荷至2.0×104m3/d运行，新建4.0×104m3/d常规处理生产线，新建6×104m3/d格栅及曝气池。汨罗市二水厂改扩建后的工艺流程选择较为优化，有针对性，处理效果较好，项目各项评价指标良好，社会效益显著，建设方案可行，本文也从八个方面探讨分析了水厂改扩建设计过程中遇到的常见重难点问题，提出的解决方案较有针对性且做了很多优化，对于同类型的水厂改扩建工程设计有较强的指导意义。
作者简介：
张翀（1988-02），女，工程师，主要从事给排水设计工作。
【关键词】水厂改扩建;除铁锰;工艺流程;节能设计
1、项目概况
汨罗市地处湖南省东北部，紧靠南洞庭湖东畔、汨罗江下游，为湖南岳阳下辖的县级市，现有人口约70万人。汨罗市城区现状有两座自来水厂，一座为汨罗市二水厂，一座为新市水厂。二水厂一期工程建于2001年，取水自汨罗江水源，设计规模为3×104m3/d，为整个汨罗市城区提供用水。为解决汨罗市用水供需矛盾以及汨罗江水源水质日益恶化的现状，本次设计对水厂进行改扩建，扩建至6×104m3/d。改扩建采用优质水源，引水自43km外的兰家洞水库，但由于水库存在着季节性铁锰超标的问题，在水厂处理工艺选择上应重点考虑，并对原设计不符合现行设计规范的部分进行改造。改扩建后工艺流程为：兰家洞水库水源→取水泵房→格栅曝气池→絮凝沉淀池→气水反冲洗砂滤池→清水池→送水泵房→城市配水管网。水厂经改扩建后，出厂水水质符合《生活饮用水卫生标准》。
2、重难点问题分析及应对
2.1解决用水隐患开辟另一水源
汨罗市原饮水水源为汨罗江，为汨罗市唯一的饮用水水源，近年来汨罗江连续出现砷超标的现象，目前作为城区供水的单一水源，应对突发水质污染事故能力较差，需加大对汨罗江流域综合治理保护力度和水厂处理工艺抗风险能力的建设。汨罗市“引兰入市”工程实施后，将兰家洞水库水引入到汨罗市城区，将兰家洞水库水源作为汨罗市主要水源，汨罗江作为汨罗市的第二水源，解决了汨罗市单一水源的问题。引兰入市二期水厂改扩建工程作为汨罗市“引兰入市”项目的重要组成部分，彻底解决了汨罗市水源安全隐患，保障了汨罗市城区饮水的安全。
2.2选择合适工艺重点去除铁锰
兰家洞水库水质基本满足《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》Ⅲ类标准，铁、锰指标季节性超标严重，在如何选择合适的工艺，确保出水达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）标准，是项目的重点和难点。本次改扩建工程在常規处理的基础上增加了除铁、除锰设施，经过对各项除铁锰工艺方案进行详细对比论证后，并结合水源水质特性和厂区现状用地限制，最终确定采用稳妥可靠的压缩空气曝气+除铁除锰滤池工艺同时去除铁锰污染。通过曝气氧化把易溶于水的二价铁氧化成难溶于水的三价铁，氧化生成的三价铁经水解后，生成氢氧化铁胶体。含铁锰的原水经过曝气后，再经滤层过滤，利用滤料表面生成催化活性滤膜达到稳定的除铁锰效果。同时，随着滤料的不断成熟，在滤料孔隙生成了铁细菌，对活性滤膜有促进作用。自投产运行以来，厂区去除铁锰效果良好，各项指标均满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）标准要求。
2.3协调竖向流程减少水头损失
水厂在改扩建过程中，首先应复核现有构筑物生产能力，满足现行规范要求，而如何协调两期工程的竖向流程也是重难点之一。经详细计算后，将现有一期絮凝沉淀池、滤池降低负荷运行，改造后负荷降低至2×104m3/d。二期工程设计中受一期已建构筑物水位标高限制，可利用水头富余极小，通过工艺流程详细计算，尽量减少二期构筑物水头损失，实现了两期工程竖向流程协调运行。除此之前设计中充分考虑了土石方平衡、厂区雨水收集和排除以及与周边地形的协调等情况。
2.4优化施工时序确保改建不停产
由于项目一期工程为整个汨罗市城区提供现状用水，在改扩建过程中做到不停产是项目设计中重点和难点之一。项目在设计中充分考虑了改造过程中不停产运行方案的可行性，通过协调厂区现有管线和新建管线减少了改造工程的难度，优化施工时序和工期，并制定了工程实施过程中各项应急处理措施。通过对现有构筑物进行改造和新建水处理构筑物，将本项目扩建至6×104m3/d，满足了汨罗市整个城区安全供水的要求。
2.5利用有限用地做好平面布置
厂址位于汨罗市东部，厂区现状征地面积为16281.45m2，除去一期已用面积，二期改扩建工程可用建设用地仅为10629.53m2（合15.94亩）。现状周围均为基本农田，新征用地困难，只能在原征地红线范围内进行改扩建工程，总平面布置应力求紧凑，以节省用地，故用地资源紧张也是项目设计难点之一。整个厂区平面布局在现有征地范围内，与一期工程相协调，工艺流程顺畅，单位水量占地为0.271 m2/m3，其占地指标低于《城市给水工程项目建设标准》（建标120-2009）中III类常规处理水厂用地0.35～0.41 m2/m3的标准。
汨罗市引兰入市二期水厂改扩建工程设计计算负荷618kW，计算视在负荷653kW，单位水量耗电量0.173kWh/m3，实际能耗为0.17kWh/m3，能耗指标处于国内先进水平。
2.6做好设备选型提升管控体系
如何做好电气设备选型及自动控制系统设计，使得项目改扩建之后达到设备先进、使用方便、管理简单、维护简便等也是需要重点考虑的问题。本水厂改扩建工程工艺、电气设备和材料多为国产一线品牌，先进可靠，主要耗电设备如水泵、风机等均配备变频调速装置，集中无功补偿装置等配备完善，各项节能措施落实到位，节能管理制度、人员齐全完整。自控系统先进，维护管理简便，整个厂区生产运行稳定可靠，生产人员劳动强度低，改扩建后未增加水厂劳动定员，实现了水厂的现代化生产管理，达到国内领先水平。
2.7合理控制能耗做好节能设计
新型水厂的改扩建工程在控制能耗节约资源等方面亦是重点。本项目从灯具、水泵、大型设备等都注重节能设计选型，达到合理降低能耗的目的。项目室外照明采用节能型照明灯具，照明电耗相比于传统白炽灯照明电耗节能达到30%以上。大功率潜水泵和鼓风机的控制方式采用变频控制，使得水泵和鼓风机电机的运行效率大大提高。根据水位高低变化，变频控制实现水泵电机的无级调速，控制电机的运行状态。水泵工作原理可知，P（功率）=Q（流量～）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为73KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为37.4KW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为9.1KW，省电87.5%。
2.8协调周边环境达到风格统一
改扩建工程如何与原一期工程形成建筑风格融合，达到更高的标准要求也是重难点问题。本期建筑风格延续了一期建筑的风格，在建筑物满足水厂的特殊功能要求的前提下，平面布局吸纳园林式的风格布局，主体建筑采用坡屋顶，将细腻的园林布局平法与简法、大方的现代风格相结合，整个厂区建筑在绿化的衬托下，高低错落有致，造型富有生机，形成了自己独特的风格，体现厂区建筑独立的个性和文化气息。
结语：
汨罗市二水厂现状设计规模为3×104m3/d，本次改扩建规模为6×104m3/d，采用兰家洞水库原水重力自流进入厂区，采用除铁、锰+常规处理工艺，出水达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）106项标准。同时原有一期工程3.0×104m3/d规模降负荷至2.0×104m3/d运行，新建4.0×104m3/d常规处理生产线，新建6×104m3/d格栅及曝气池。汨罗市二水厂改扩建后的工艺流程选择较为优化，有针对性，处理效果较好，项目各项评价指标良好，社会效益显著，建设方案可行，本文也从八个方面探讨分析了水厂改扩建设计过程中遇到的常见重难点问题，提出的解决方案较有针对性且做了很多优化，对于同类型的水厂改扩建工程设计有较强的指导意义。
作者简介：
张翀（1988-02），女，工程师，主要从事给排水设计工作。