2012年11月, 国务院正式批准规划建设郑州航空港经济综合实验区 (以下简称“港区”) , 战略定位是成为现代航空都市、中原经济区核心增长极、生态智慧航空大都市。供水系统作为市政基础设施, 应与港区的经济社会地位和发展战略相适应。因此, 港区第二水厂的定位是建设成为安全、绿色、生态、智慧的创新性现代化水厂。

　　 本文具体从全流程处理工艺的选择、构筑物高度集约化的布置、光伏发电新能源的利用、智慧现代水厂的配置、景观设计与海绵城市建设理念相结合这5个方面, 介绍其设计特点。

　　 港区第二水厂总规模为80万m³/d, 总占地面积为404亩 (1亩≈667 m²) 。水厂分三期建设, 其中一期建设规模是20万m³/d。该水厂的原水取自南水北调中线水和黄河水。

　　 南水北调中线水源自丹江口水库, 水质总体良好, 符合《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) I~II类标准。调水工程实施后, 陶岔渠首、水库坝上等主要断面COD有所增加, 但仍符合I类、II类水的标准。

　　 郑州段黄河原水一般为Ⅲ类水质, 但突发性水质污染事故时有发生。郑州段黄河原水经沉砂之后, 具有低温低浊、有机微污染特性, 有一定的藻类和臭味问题。

　　 针对南水北调中线水和黄河水双水源的原水水质特点, 为满足港区高标准供水系统要求以及人民对高品质水质的需求, 并可应对突发水质污染, 采用预臭氧接触池+机械混合折板絮凝平流沉淀池+V型砂滤池+提升泵房+臭氧接触池+下向流生物活性炭吸附池+超滤膜池的全流程处理工艺。处理工艺流程如图1所示。

　　 全流程处理工艺的各个工艺单元分工协作, 但侧重点不同。预臭氧一方面用于提高有机物的可生化性, 另一方面可以促使一些大颗粒有机物絮凝使之成为可沉淀过滤去除的物质, 有效去除色度、臭味、铁、锰和有机物^[1]。混凝、沉淀和过滤的常规处理, 以去除水中浊度为主要目的。臭氧工艺使水中有机污染物氧化降解, 将大分子有机物分解为中、小分子的中间产物, 活性炭表面的生物膜或微生物群落通过生物吸附和氧化降解等作用, 显著提高了活性炭去除有机物的能力^[1]。超滤膜工艺重点针对水中残留的胶体、悬浮物、细菌、病毒及大分子有机物的去除^[2]。

　　 厂区整个处理流程有机组合, 经过氧化、沉淀、砂滤、再氧化、活性炭吸附和膜滤层层递进, 最终达到工程设定的高品质供水的目标, 确保供水水质安全和提升饮用水口感。

　　 经预臭氧助凝的絮凝沉淀, 不仅去除了大部分浊度, 还去除了大分子有机污染物。砂滤一方面降低浊度, 去除氨氮, 减少后续臭氧的投加量, 保护后续活性炭吸附池和膜系统稳定运行;另一方面, 设计中将砂滤池出水作为水厂液氯投加和冷却系统用水, 节约经过全流程加工的产品水消耗。

　　 臭氧活性炭深度处理工艺可以进一步提高中、小分子有机物的去除率, 降低出水有机物总量, 降低臭味和色度, 改善口感。由于臭氧和活性炭的共同作用, 使活性炭与其表面生物膜互相协作延长了活性炭的使用寿命。同时也大大减轻膜滤池的处理负担, 延长了超滤膜池化学洗的周期。

　　 超滤膜作为全流程工艺中的最后一道工艺, 一方面重点去除水中的胶体、悬浮物、细菌、病毒及大分子有机物, 提升出厂水水质;另一方面对于出厂水的浊度具有把控全局的关键作用, 即使前序工艺出现故障, 也可以保障出厂水稳定达标。

　　 同时, 该工程还可以根据不同原水水质和运行工况要求, 实现不同工艺的超越运行:

　　 (1) 混凝沉淀+砂滤+中间提升+臭氧活性炭。由图1可知, 炭吸附池出水水头为0.10m, 清水池进水水位为-0.30m, 炭吸附池出水可以重力流入清水池, 实现超越超滤膜的工况。

　　 (2) 混凝沉淀+砂滤+超滤。由图1可知, 砂滤池出水水头为0.60m, 超滤膜池进水水位为-0.40m, 砂滤池出水可以重力流入超滤膜池, 实现超越臭氧活性炭的工况。

　　 (3) 混凝沉淀+砂滤。当原水水质较好或者后续工艺出现事故工况时, 该工程可以将砂滤池出水直接重力流至清水池, 实现超越后续深度处理工艺的工况。

　　 港区第二水厂一方面要考虑全流程的处理工艺, 同时又要避免由于处理构筑物过多造成厂区整体散乱的平面布置, 因此该工程将厂区的构筑物进行整合, 从平面组合和空间叠合两个方面将构筑物集约化布置做到了优化, 使得厂区处理单元的预臭氧接触池、混凝沉淀池、V型滤池、中间提升泵房、V型滤池反冲洗泵房、臭氧接触池、活性炭吸附池、活性炭吸附池反冲洗房、超滤膜池、清水池、二级泵房共计11个单体整合为5个组合单元, 且注重巡视流线, 见图2。

　　 该工程组合重点体现在如下4个方面:

　　 (1) 平流沉淀池和清水池上下叠合 (见图3) 。沉清叠合池上部为混凝平流沉淀池, 下部叠合清水池, 均可分为独立的2格运行。折板絮凝池与平流沉淀池合建, 有效水深4.15~3.60m, 总絮凝时间19.6min。上部的平流沉淀池停留时间为105min。下部为清水池, 分为独立的2格, 单格总有效容积12 265m³, 可保证12%的调节容量。

　　 (2) 超滤膜池和排水池、中和池分为上、中、下3层叠合 (见图4) 。第一层为超滤膜池, 主要放置超滤膜装置;第二层为中和池, 用于超滤膜维护性清洗和恢复性清洗的废水排除;第三层为排水池, 主要用于超滤膜日常运行的反冲洗废水排放。膜池进水采用配水堰, 产水采用虹吸方式, 产水管接入膜池管廊下部的调节水池, 在产水管上设置调流阀, 膜池设有液位计, 调流阀前设置压力表, 在膜池下部设置产水总渠, 中间设置调节池以及提升水泵。近期水泵设3台, 2用1备, 远期再安装3台。采用潜水轴流泵, 单泵流量4 167 m³/h, 扬程7.5 m, 功率110kW。单侧超滤膜池下叠排水池和中和池, 中和池和排水池容积均为1 300m³。

　　 (3) 活性炭吸附池、臭氧发生器间和整个厂区的冲洗水箱进行叠合 (见图5) 。活性炭吸附池设计规模20万m³/d, 分为10格, 设计空床流速9.0m/h, 双排布置, 双排之间设管廊。管廊二层设置臭氧发生器间及配电间。管廊顶部设置2座屋顶水箱, 分别供炭池和超滤膜池反冲洗。屋顶水箱共2座, 其中供炭池反冲洗水箱容积650m³, 水深3m;供超滤膜池反冲洗水箱容积460m³, 水深3m。

　　 (4) V型滤池、反冲洗泵房、中间提升泵房进行平面整合为1个单体。V型滤池设1座, 规模20万m³/d, 分为10格, 双排布置。设计滤速8m/h, 强制滤速8.9 m/h, 滤层上水深1.2 m。辅助泵房包括中间提升泵房、反冲洗泵房及低配中心, 与V型滤池合建。中间提升泵房土建及设备安装规模均为20万m³/d, 配置混流泵3台, 2用1备, 单台流量4 583m³/h, 扬程7 m。调节水池叠在中间提升泵房下面, 有效容积为770m³。反冲洗泵房布置卧式离心泵、鼓风机、空压机、增压水泵。

　　 针对城市净水厂闲置空间大, 用电负荷较高且24h持续运行, 无需储能的特点, 比较适合进行光伏发电, 节约水厂电耗。根据国内其他净水厂运行经验, 城市净水厂内利用光伏发电每年最高可节约15%电费^[3]。

　　 该工程一期由2路10kV电源供电, 远期由3路10kV电源供电。发电总装机容量约1.5 MW, 采用分布式并网发电技术, 自发自用, 不设储能系统。光伏并网原则采用220/380V低压等级并网, 各自接入就近的低配中心。配电中心进线处设防逆流装置, 防止逆流上网。厂区照明亦采用太阳能路灯。

　　 太阳能电池板安装在构筑物的屋顶上以及二期空置绿地上 (见图6和图7) 。为获取全年最大的太阳辐射量, 根据该项目所处的纬度及软件模拟分析, 光伏系统的光伏组件电池表面和地面水平方向呈30°的最佳倾角朝阳安装。

　　 港区第二水厂定位为国内领先的智慧现代化水厂, 充分运用自动化、信息化、物联网等先进技术, 紧密贴合智慧城市的建设大环境及工业4.0的发展趋势, 是公司智慧水务战略的重要组成部分。

　　 智慧水厂控制系统总览, 是根据水厂实际布局建模, 同时将水厂各控制模块 (Scada、门禁系统、视频监控、周界防护等) 集成厂区3D效果图, 使得整个场景逼真、同时系统一目了然。根据水厂实际情况, 在BIM上1∶1建模, 与SCADA数据采集结合, 1∶1真实模拟现场实时情况, 同时结合在线视频监控, 远程监控生产工况。

　　 自控系统分为3层结构:信息层、控制层、设备层。信息层:由控制中心的操作站、工程师站、数据采集服务器、应用服务器、千兆以太网交换机、大屏幕显示系统等监控操作设备及局域网组成。控制层:由分散在各主要构筑物内的现场PLC主站、子站及运行数据采集服务器、工业以太环网交换机及全厂光纤以太网环网、控制子网等组成。设备层:由现场运行设备、检测仪表、高低压电气柜上智能单元、专用工艺设备附带的智能控制器以及现场总线网络等组成。

　　 景观设计采用多层植被营造多样化的生态景观, 同时充分结合海绵城市的技术手段, 如规模绿地透水铺装、生态集水沟、下凹式绿地、景观调蓄水池、人工湿地等, 雨水回收利用后用于浇洒道路和绿化, 体现海绵理论的六字方针———“渗、蓄、滞、净、用、排”, 进一步充分体现水厂绿色生态理念。

　　 渗:通过透水砾石铺地、透水广场铺地、停车场铺地以及透水木铺地, 将雨水尽快渗入, 减少地表径流。同时, 涵养地下水, 补充地下水的不足, 还能通过土壤净化水质, 改善水厂的微气候 (见图8) 。

　　 蓄:在厂区综合楼的西侧结合景观设置雨水调蓄池, 以达到调蓄和错峰。为避免该水池由于长时间降雨稀少导致水池无水从而影响景观效果, 设计中将水厂的超滤膜池反冲洗水接入该水池, 作为蓄水池的补水水源 (见图9) 。

　　 滞:通过微地形调节, 让雨水慢慢汇集到一个地方, 用时间换空间, 通过“滞”, 可以延缓形成径流的高峰。工程具体设计形式为生态滞留池以及人工湿地。

　　 净:通过植被、绿地系统、水体等, 对水质产生净化作用。该工程通过在蓄水池岸边以及水中设置叠水沉淀池、潜流+表流湿地、挺水和沉水植物对雨水进行净化 (见图1100) 。

　　 用:雨水调蓄池中的水可以用作厂区的道路清洗和绿化浇洒。

　　 排:若雨水量较大, 雨水调蓄池设置了溢流措施, 直接接入厂区雨水排放系统。

　　 为了匹配港区建设发展的高标准, 实现建设的高标准和发展的高目标, 将港区第二水厂建设成为新型现代化水厂。该工程的优势集中体现在如下五个方面:

　　 (1) 全流程的净水处理工艺保证水质的安全。

　　 (2) 采用高度集约化的布置保证厂区总平面整齐大气。

　　 (3) 采用光伏发电清洁能源节约水厂电耗。

　　 (4) 充分运用自动化、信息化、物联网等先进技术将该水厂打造成为智慧现代化水厂。

　　 (5) 将厂区的景观设计利用海绵城市的“渗、滞、蓄、净、用、排”6大要素充分进行融合, 打造花园式海绵水厂。