摘要

       為適應鄭州航空港區打造現代航空都市、中原經(jīng)濟區核心增長(cháng)極、生態(tài)智慧航空大都市的發(fā)展需求，立足建設創(chuàng )新型現代化水廠(chǎng)為目標，對港區第二水廠(chǎng)從全流程處理工藝的選擇、構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(chǎng)的配置、景觀(guān)設計與海綿城市建設理念相結合這5個(gè)方面進(jìn)行了設計，以期為國內同類(lèi)水廠(chǎng)的設計和運行提供參考。

前言

本文具體從全流程處理工藝的選擇、構筑物高度集約化的布置、光伏發(fā)電新能源的利用、智慧現代水廠(chǎng)的配置、景觀(guān)設計與海綿城市建設理念相結合這5個(gè)方面，介紹其設計特點(diǎn)。

1工程概況

港區第二水廠(chǎng)總規模為80萬(wàn)m3/d，總占地面積為404畝（1畝≈667 m2）。水廠(chǎng)分三期建設，其中一期建設規模是20萬(wàn)m3/d。該水廠(chǎng)的原水取自南水北調中線(xiàn)水和黃河水。

南水北調中線(xiàn)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)量標準》（GB 3838-2002）I～II類(lèi)標準。調水工程實(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(lèi)、II類(lèi)水的標準。

鄭州段黃河原水一般為Ⅲ類(lèi)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、有機微污染特性，有一定的藻類(lèi)和臭味問(wèn)題。

2工程設計

2.1全流程處理工藝

針對南水北調中線(xiàn)水和黃河水雙水源的原水水質(zhì)特點(diǎn)，為滿(mǎn)足港區高標準供水系統要求以及人民對高品質(zhì)水質(zhì)的需求，并可應對突發(fā)水質(zhì)污染，采用預臭氧接觸池+機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(chǎng)區整個(gè)處理流程有機組合，經(jīng)過(guò)氧化、沉淀、砂濾、再氧化、活性炭吸附和膜濾層層遞進(jìn)，最終達到工程設定的高品質(zhì)供水的目標，確保供水水質(zhì)安全和提升飲用水口感。經(jīng)預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污染物。砂濾一方面降低濁度，去除氨氮，減少后續臭氧的投加量，保護后續活性炭吸附池和膜系統穩定運行；另一方面，設計中將砂濾池出水作為水廠(chǎng)液氯投加和冷卻系統用水，節約經(jīng)過(guò)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、細菌、病毒及大分子有機物，提升出廠(chǎng)水水質(zhì)；另一方面對于出廠(chǎng)水的濁度具有把控全局的關(guān)鍵作用，即使前序工藝出現故障，也可以保障出廠(chǎng)水穩定達標。

 

同時(shí)，該工程還可以根據不同原水水質(zhì)和運行工況要求，實(shí)現不同工藝的超越運行：

（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)現超越臭氧活性炭的工況。

 

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

 

2.2構筑物高度集約化布置

港區第二水廠(chǎng)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筑物過(guò)多造成廠(chǎng)區整體散亂的平面布置，因此該工程將廠(chǎng)區的構筑物進(jìn)行整合，從平面組合和空間疊合兩個(gè)方面將構筑物集約化布置做到了優(yōu)化，使得廠(chǎng)區處理單元的預臭氧接觸池、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、二級泵房共計11個(gè)單體整合為5個(gè)組合單元，且注重巡視流線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

該工程組合重點(diǎn)體現在如下4個(gè)方面：

（1）平流沉淀池和清水池上下疊合（見(jiàn)圖3）。沉清疊合池上部為混凝平流沉淀池，下部疊合清水池，均可分為獨立的2格運行。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，分為獨立的2格，單格總有效容積12 265m3，可保證12％的調節容量。

（2）超濾膜池和排水池、中和池分為上、中、下3層疊合（見(jiàn)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，用于超濾膜維護性清洗和恢復性清洗的廢水排除；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節水池，在產(chǎn)水管上設置調流閥，膜池設有液位計，調流閥前設置壓力表，在膜池下部設置產(chǎn)水總渠，中間設置調節池以及提升水泵。近期水泵設3臺，2用1備，遠期再安裝3臺。采用潛水軸流泵，單泵流量4 167 m3/h，揚程7.5 m，功率110 kW。單側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(chǎng)區的沖洗水箱進(jìn)行疊合（見(jiàn)圖5）?；钚蕴课匠卦O計規模20萬(wàn)m3/d，分為10格，設計空床流速9.0 m/h，雙排布置，雙排之間設管廊。管廊二層設置臭氧發(fā)生器間及配電間。管廊頂部設置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1座，規模20萬(wàn)m3/d，分為10格，雙排布置。設計濾速8 m/h，強制濾速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備安裝規模均為20萬(wàn)m3/d，配置混流泵3臺，2用1備，單臺流量4 583 m3/h，揚程7 m。調節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、空壓機、增壓水泵。

 

2.3光伏發(fā)電清潔能源的利用

針對城市凈水廠(chǎng)閑置空間大，用電負荷較高且24 h持續運行，無(wú)需儲能的特點(diǎn)，比較適合進(jìn)行光伏發(fā)電，節約水廠(chǎng)電耗。根據國內其他凈水廠(chǎng)運行經(jīng)驗，城市凈水廠(chǎng)內利用光伏發(fā)電每年最高可節約15%電費。

 

該工程一期由2路10 kV電源供電，遠期由3路10 kV電源供電。發(fā)電總裝機容量約1.5 MW，采用分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，自發(fā)自用，不設儲能系統。光伏并網(wǎng)原則采用220/380 V低壓等級并網(wǎng)，各自接入就近的低配中心。配電中心進(jìn)線(xiàn)處設防逆流裝置，防止逆流上網(wǎng)。廠(chǎng)區照明亦采用太陽(yáng)能路燈。

 

太陽(yáng)能電池板安裝在構筑物的屋頂上以及二期空置綠地上（見(jiàn)圖6和圖7）。為獲取全年最大的太陽(yáng)輻射量，根據該項目所處的緯度及軟件模擬分析，光伏系統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(yáng)安裝。

2.4智慧現代化水廠(chǎng)的配置

港區第二水廠(chǎng)定位為國內領(lǐng)先的智慧現代化水廠(chǎng)，充分運用自動(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大環(huán)境及工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢，是公司智慧水務(wù)戰略的重要組成部分。

 

智慧水廠(chǎng)控制系統總覽，是根據水廠(chǎng)實(shí)際布局建模，同時(shí)將水廠(chǎng)各控制模塊（Scada、門(mén)禁系統、視頻監控、周界防護等）集成廠(chǎng)區3D效果圖，使得整個(gè)場(chǎng)景逼真、同時(shí)系統一目了然。根據水廠(chǎng)實(shí)際情況，在BIM上1∶1建模，與SCADA數據采集結合，1∶1真實(shí)模擬現場(chǎng)實(shí)時(shí)情況，同時(shí)結合在線(xiàn)視頻監控，遠程監控生產(chǎn)工況。

 

自控系統分為3層結構：信息層、控制層、設備層。信息層：由控制中心的操作站、工程師站、數據采集服務(wù)器、應用服務(wù)器、千兆以太網(wǎng)交換機、大屏幕顯示系統等監控操作設備及局域網(wǎng)組成?？刂茖樱河煞稚⒃诟髦饕獦嬛飪鹊默F場(chǎng)PLC主站、子站及運行數據采集服務(wù)器、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機及全廠(chǎng)光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)、控制子網(wǎng)等組成。設備層：由現場(chǎng)運行設備、檢測儀表、高低壓電氣柜上智能單元、專(zhuān)用工藝設備附帶的智能控制器以及現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等組成。

 

2.5景觀(guān)設計和海綿城市理論相結合

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

 

滲：通過(guò)透水礫石鋪地、透水廣場(chǎng)鋪地、停車(chē)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)，涵養地下水，補充地下水的不足，還能通過(guò)土壤凈化水質(zhì)，改善水廠(chǎng)的微氣候（見(jiàn)圖8）。

蓄：在廠(chǎng)區綜合樓的西側結合景觀(guān)設置雨水調蓄池，以達到調蓄和錯峰。為避免該水池由于長(cháng)時(shí)間降雨稀少導致水池無(wú)水從而影響景觀(guān)效果，設計中將水廠(chǎng)的超濾膜池反沖洗水接入該水池，作為蓄水池的補水水源（見(jiàn)圖9）。

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

 

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

用：雨水調蓄池中的水可以用作廠(chǎng)區的道路清洗和綠化澆灑。

 

排：若雨水量較大，雨水調蓄池設置了溢流措施，直接接入廠(chǎng)區雨水排放系統。

3結語(yǔ)

為了匹配港區建設發(fā)展的高標準，實(shí)現建設的高標準和發(fā)展的高目標，將港區第二水廠(chǎng)建設成為新型現代化水廠(chǎng)。該工程的優(yōu)勢集中體現在如下五個(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(chǎng)區總平面整齊大氣。

（3）采用光伏發(fā)電清潔能源節約水廠(chǎng)電耗。

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

（5）將廠(chǎng)區的景觀(guān)設計利用海綿城市的“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(chǎng)。