学习情境1.6　地表水处理工艺流程布置设计

作为地表水处理工程的基本设施，在进行处理厂的工程设计时，应遵循一定的设计程序。地表水处理厂阶段技术复杂、处理规模大、重要的项目设计一般包括初步设计和施工图设计，技术程度、处理规模、重要性均小的项目一般只包括施工图设计。

在地表水处理系统及处理厂规划、设计开始前，必须明确任务，进行充分的调查研究，收集所需的原始资料。在采用新的处理工艺时，应进行小型和中型的试验，取得可靠的设计参数，才能使规划、设计建立在适用、经济、可靠资料的基础上。

1.6.1　设计资料准备

1.6.1.1　设计前期的工作

设计前的准备工作十分重要。它要求设计人员必须明确任务，收集所需的所有原始资料、数据，并通过对这些数据、资料的分析、归纳，得出切合实际的结论。

1.有关设计任务的资料

（1）设计范围和设计题目。

（2）城镇（或工业企业）现状和总体发展规划的资料，如人口、建筑居住标准、道路、河流、输电网、工业分布与生成规模、农业和渔业等。

（3）近、远期的处理规模与处理标准。因为城镇或工业的发展需要一个过程，投资也有一定的限制，故设计时应考虑近、远期的分期建设，随着经济的发展，远期可适当提高处理规模及处理标准。

2.有关水量、水质的资料

设计地表水处理厂时，首先应确定采用何种水源，其水量和水质应有保证。

3.有关自然条件的资料

（1）气象资料。包括历年来最热月与最冷月的平均气温、多年土壤最大冰冻深度、多年平均风向玫瑰图和雨量资料等。

（2）水文资料。包括当地河流百年一遇的最大洪水量、洪水位，枯水期95%保证率的月平均最小流量和最低水位，水体水质及污染情况，水体在城镇给水、灌溉、景观、渔业等方面的用水资料等。

（3）水文地质资料。包括地下水的最高水位、最低水位、流动方向、运动状态及综合利用资料等；在喀斯特发育地区，特别应注意地下水和地面水的相互补给情况和地下水综合利用情况。

（4）地质资料。包括处理厂区的地基承载力、有无流沙、地震等级等。

（5）地形资料。处理厂区附近1：5000的地形图，厂址和废水排放或取水口附近的1：200或1：500的地形图。

4.有关编制预算和施工图方面的资料

（1）关于当地建筑材料、设备的供应情况和价格。

（2）关于施工力量（技术、设备、劳动力）的资料。

（3）关于编制概算、预算的定额资料，包括地区差价、间接费用定额、运输费等。

（4）租地、买地、征税、补偿等规章和费用。

1.6.1.2　初步设计

初步设计的主要目的如下：提供审批依据，进一步论证工程方案的技术先进性、可靠性和经济合理性；投资控制，提供工程概算表，其总概算值是控制投资的主要依据，预算和决算都不能超过此概算值；技术设计，包括工艺、建筑、变配电系统、仪表及自动化控制等方面的总体设计及部分主要单体设计，各专业所采用的新技术论证及设计；提供施工准备工作，如拆迁、征地并与有关部门签订合同；提供主要设备材料订货要求，即设备与主材招标合同的技术规格书的依据，包括电气与自控、化验等方面设备与主材的工艺要求、性能、技术规格、数量。

初步设计的任务包括确定工程规模、建设目的、投资效益，设计原则和标准、各专业各体设计及主要工艺构筑物设计、工程概算、拆迁征地范围和数量、施工图设计中可能涉及的问题及建议。

初步设计的文件应包括设计（计算）说明书、工程量、主要设备与材料、初步设计图纸、工程总概算表。初步设计文件应能满足审批、投资控制、施工图设计、施工准备、设备订购等方面工作依据的要求。

1.设计说明书

（1）设计依据。说明设计任务书（计划任务书），设计委托书及选厂报告等批准机关、文号、日期、批准的主要内容，设计委托单位的主要要求。

1）主要设计资料。资料名称、来源、编制单位及日期（除有关资料外），一般包括用水、用电协议，环保部门的批准同意书，流域或区域环境治理的可行研究报告书等。

2）城市（或区域）概况及自然条件。建设现状、总体规划、分期修建计划及有关情况，概述地表、地貌、水文地质、地下水位、气象等有关情况。

3）现有给排水工程概况。有关现有城镇供水现状和污水处理等现状，包括处理厂的水量、位置、处理工艺、设施的利用情况，水体及环境污染情况，以及存在问题。

（2）工程设计：

1）设计水处理的水质水量。在分析原来给排水系统中处理水的平均流量、高峰流量、现状流量、预期流量等水量资料基础上，并结合工程近、远期处理能力要求及工程是否采用分期建设，确定水处理厂设计规模。

2）厂址选择说明。结合城市现状和总体规划，具体说明厂址选择的原则和理由，并说明已选厂址的地形、地质、用地面积及外围条件（三通一平）。

3）工艺流程的选择说明。主要说明所选工艺方案的技术先进性、合理性，尤其要说明所采用新技术的优越性（技术经济方面）和可靠性（技术方面）。

4）工艺设计说明。说明所选工艺方案初步设计的总体设计（平面和高程布置）原则，并说明主要工艺构筑物的设计（技术特征、设计数据、结构形式、尺寸）。

5）主要处理设备说明。说明主要设备的性能构造、材料及主要尺寸，尤其是新技术设备的技术特征、构造形式、原理、施工及维护使用注意事项等。

6）处理厂内辅助建筑（办公、化验、控制、变配电、药库、机修等）和公用工程（供水、排水、道路、绿化）的设计说明。

7）处理厂自动控制和监测设计说明。

8）存在的问题及对策建议。

2.工程量

列出本工程各项构筑物及厂区总图所涉及的混凝土量、挖土方量、回填土方量、钢筋混凝土土量、建筑面积等。

3.设备和主要材料量

列出本工程的设备和主要材料清单（名称、规格、材料、数量）。

4.工程概算书

说明概算书编制依据、设备和主要建筑材料市场供应价格、其他间接费情况等；列出总概算表和各单元概算表；说明工程总概算投资及其构成。

5.设计图纸

各专业（工艺、建筑、电气与自控）总体设计图（总平面图、系统图），比例尺（1：200～1：1000）；主要工艺构筑物设计图（平面、竖向），比例尺（1：100～1：200）。

1.6.1.3　施工图设计

施工图设计是在初步设计的基础上作进一步补充和深化，施工图设计在初步设计或方案设计批准之后进行，其任务是以初步设计的说明书和图作为依据，根据土建施工、设备安装、组（构）件加工及管道（线）安装所需的程度将初步设计精确具体化，除水处理厂总平面布置图与高程布置、各处理构筑物的平面和竖向设计之外，所有构筑物的各个节点构造、尺寸都用图纸表达出来，每张图均应按一定比例与标准图例精确绘制。施工图设计的深度，应满足土建施工、设备与管道安装、构件加工、施工预算编制的要求。施工图设计文件以图纸为主，还包括说明书、主要设备材料表。

1.设计说明书

（1）设计依据。初步设计或方案设计批准文件，设计进出水水质。

（2）设计方案。扼要说明水处理的设计方案，与原初步设计比较有何变更，并说明其理由，设计处理效果。

（3）图纸目录、引用标准图目录。

（4）主要设备材料表。

（5）施工安装注意事项及质量、验收要求和主要工程施工方法设计。

2.设计图纸

（1）总体设计：

1）水处理厂总平面图。比例尺（1：100～1：500），包括风向玫瑰图、坐标轴线、构筑物与建筑物、围墙、道路、连接绿地等的平面位置，注明厂界四角坐标及构（建）筑物对角坐标或相对距离，并附构（建）筑物一览表、总平面设计用地指标表、图例。

2）工艺流程图。又称水处理系统高程布置图，反映出工艺处理过程及构（建）筑物的高程关系，应反映出各处理单元的构造及各种管线方向，应反映出各构（建）筑物的水面、池底或地面标高、池顶或屋顶标高，应较准确地表达构（建）筑物进出管渠的连接形式及标高。绘制高程图应有准确度横向比例，竖向比例可不统一。高程图应反映原地形、设计地坪、设计路面、建筑物室内地面之间的关系。

3）水处理厂综合关系平面布置图。应表示出管线的平面布置和高程布置，即各种管线的平面位置、长度及相关尺寸、管线埋深及管径（断面）、坡度、管材、节点布置（必要时做详图）、管件及附属构筑物（闸门井、检查井）。必要时可分别绘制管线平面布置图和纵断面图，图中应附管道（渠）、管件及辅助构筑物一览表。

（2）单体构（建）筑物设计图。各专业（工艺、建筑、电气）总体设计之外，单体构（建）筑物设计图也应由工艺、建筑、结构（土建与钢）电气与自控、非标机械设备、公用工程（供水、排水、采暖）等施工详图组成。

1）工艺图。比例尺（1：50～1：100），表示出工艺构造与尺寸、设备与管道安装位置与尺寸、高程。通过平面图、剖面图、局部详图或节点构造详图、构件大样图等表达，应附设备、管道及附件一览表，必要时对主要技术参数、尺寸标准、施工要求、标准图引用等作说明。

2）建筑图。比例尺（1：50～1：100），表示出水平面、立面、剖面的尺寸、相对高程，表明内、外装修材料，并有各种分构造详图、节点大样、门窗表及必要的设计说明。

3）结构图。比例尺（1：50～1：100），表达构（建）筑物整体及构件的结构构造、地基处理、基础尺寸及节点构造等，结构单元和汇总工程量表，主要材料表，钢筋表及必要的设计说明，要有综合埋件及预留洞详图。钢结构设计图应有整体装配、构件构造与尺寸、节点详图，应表达设备性能，加工及安装技术要求，应有设备及材料表。

4）主要建筑物给水排水，采暖通风、照明及配电安装图。

（3）电气与自控设计图：

1）厂（站）区高低压变配电系统图和一、二次回路连线原理图。

2）各种控制和保护原理图与接线图，包括系统布置原理图。

3）各构筑物平、剖面图，包括变电所、配电间、操作控制间电气设备位置、供电控制线路铺设、接地装置、设备材料明细表和施工说明及注意事项。

4）电气设备安装图，包括材料明细表、制作或安装说明。

5）厂（站）区室外线路照明平面图，包括系统布置、安装位置及尺寸、控制电缆线路和设备材料明细表以及安装调试说明。

6）非标准配件加工详图。

7）仪表自动化控制安装图，包括系统布置、安装位置及尺寸、控制电缆线路和设备材料明细表，以及安装调试说明。

（4）辅助设备设计图。辅助与附属建筑物建筑、结构、设备安装及公用工程，如办公、仓库、机修、食堂、宿舍、车库等施工设计图。

（5）非标设备设计图。某些简单金属构件的设计详图可附于工艺设计图中。但有几种不同形式的零配件、构件组成的成套设备，又没有现成的设备可使用，其功能较独立，构造较复杂，加工不简单的设备或大型钢结构处理装置，应视为非标设备，专门进行施工（制作、安装）图设计。

1.6.2　地表水处理厂厂址选择

在进行地表水处理厂设计时，选择厂址是非常重要的环节，应充分重视。厂址的选择应结合城镇或工厂的总体规划、地形、管网布置、环保要求等综合因素，进行多方案的经济技术比较，选择出适用可靠、工程造价低、管道及总输水费用省、施工及管理条件好的厂址。

在厂址的选择中一般应考虑下面几个因素：

（1）少占农田和尽可能不占良田。

（2）厂址应选择在工程地质条件较好的地方；在有抗震要求的地区还应考虑地震、地质条件。目的是减少基础处理和排水费用，降低工程造价并有利于施工。一般应选在地下水位较低，地基承载力较大，岩石无断裂带，以及对工程抗震有利的地段。

（3）考虑周围环境卫生条件，地表水处理厂应布置在城镇上游，并满足《生活饮用水水质标准》（GB 5749—2006）中的卫生防护要求。

（4）应使管网的基建费用最低。当取水地点离配水管网较近时，厂址多选在取水地点附近或连在一起；当距用水区较远时，地表水处理厂选址应能通过经济技术比较后确定；对于高浊度的原水，常需进行预处理，通常是将预处理设施设在取水地点附近或与取水构筑物建在一起，而地表水处理厂则设在配水管网附近。

（5）要充分利用地形，应选择有适当坡度的地区，以满足地表水处理构筑物高程布置的需要，减少土方工程量。

（6）厂址应尽量选在交通方便的地方，以有利于施工运输和运行管理。

（7）厂址应尽量选在靠近供电电源的地方，以有利于安全运行和降低输电线路费用。

（8）应考虑有发展扩建的余地。

地表水处理厂占地面积大小与处理方法、水量的关系，列于表1.20中供选址时参考。

1.6.3　地表水处理工艺流程选择

地表水处理厂处理工艺流程的选择指对给水处理所采用的一系列处理单元的组合方式。

水质随不同的水源而变化，因此当确定取用某一水源后，必须十分清楚该水源的水质情况。根据用水要求达到的水质标准，分析研究原水水质中哪些项目是必须进行处理的，哪些项目通过净水厂解决，哪些项目需要单独处理解决。根据需要处理的内容，选择净化工艺流程。

选择净水工艺流程时最好根据同一水源或参照水源水质条件相似的已建净水厂运行经验来确定。有条件时并辅以模拟试验加以验证；当无经验可参考，或拟采用某一新工艺时，则应通过试验，经试验证明能达到预期效果后，方可采用。

但在确定工艺流程过程中，常常会遇到同时有两个或几个方案都能达到净化处理的目的，此时除需进行技术经济比较外，还应考虑施工、管理、维护及其他方面的条件，加以综合比较，择优确定工艺流程。

混凝、沉淀、过滤等过程主要是通过其相应的净化构筑物来完成的。同一过程有着不同型式的净水构筑物，而且都具有各自的特点，包括它的工艺系统、构造形式，适应性能、设备材料要求、运行方式、管理和维护要求等。同时，其建造费用和运行费用也是有差异的。因此，当确定净水工艺流程后，应进行净水构筑物型式的选择，并通过技术经济比较确定。

地表水处理厂的设计规模往往受到投资等各种因素的限制，而忽略了生产挖潜的需要，在选型及其工艺设计参数的选用上，没有考虑留有适当的余地。实际上，城镇或工业用水量是随着国民经济的不断发展，人民生活水平的不断提高而增长的。由于上述原因，不少地表水处理厂刚建成不久，生产能力与所需供应的水量就不相适应，很快需要进行扩建或考虑新建地表水处理厂。因此，在地表水处理厂构筑物的选型及其工艺参数的选用上，应考虑适当留有生产挖潜的余地。

1.6.4　地表水处理厂平面布置

地表水处理厂平面布置原则上应该做到按功能分区，配置得当；功能明确，布置紧凑；顺流排列，流程简捷；充分利用地形；力求重力排水；还要适当留有余地，考虑扩建和施工的可能；建筑物布置还应该注意朝向和风向。

经过设计计算，当各构筑物和建筑物的型式、平面图形、平面尺寸、平面面积、个数等确定之后，就可以根据工艺流程特点、构筑物和建筑物的功能要求，结合水厂所选厂址的地形和地质条件，开始进行水厂平面布置。

（1）首先对生产构筑物和建筑物进行组合安排，在位置、操作条件、走向、面积等方面通盘考虑。安排时应注意高程、距离、管线和道路等。

一般来说，反应池和沉淀池应设在地形较高处，滤池与沉淀池应尽量靠近。清水池的标高对水厂高程设计来说是很关键的因素。从平面上看，清水池应尽量靠近滤池，特别应与二级泵站靠近。从高程上考虑，清水池有地下式、半地下式、地面式三种类型，一般都按深入地下3～4m左右考虑，并置于地形的最低处。如果分期建造，应考虑到以后的施工对结构的影响，同时应预留一定的间距。

二级泵站应与清水池接近，其位置应考虑到出水管布置方便。高压变电所应在二级泵站附近，使进出线方便，低压变电所则应靠近滤池冲洗水泵。

构筑物间的净距离，按它们中间的道路宽度和铺设管线所需要的宽度，或者按其他特殊要求确定，一般可取10～20m，最小净距不得小于5m。

加药间应设置在加药点附近，如果水厂分期建设，加药间只建一座即可，加药管道应能接到几处加药地点，加药间尽量与药剂仓库靠近。

为了便于管理和节省用地，避免平面上的分散和零乱，往往可以考虑把几个构筑物、建筑物在平面上或高程上组合起来，形成组合体布置。构筑物的组合原则如下：①对工艺过程有利或者无害，同时从结构、施工角度看也是允许的构筑物，可以组合，如隔板反应池与沉淀池可连在一起；②从生产上看，关系密切的构筑物，可组合成一座构筑物，例如变电室与二泵站建造在一起，加药间与药剂仓库可以组合，消毒间、快滤室、冲洗设备及化验室等也可以进行组合；③为了集中管理和控制，有时对于小型水厂还可以进一步扩大组合范围，例如把处理构筑物、加药间、消毒间、冲洗泵房、化验室、控制室及办公室等全部组合成一个整体建筑物，称为滤站。

实际操作中组合体布置已被广泛应用，如上海市某些水厂把清水池设在快滤池的底下，南京某些水厂把清水池设在沉淀池的底下，东北地区如长春、哈尔滨、旅大等水厂，把清水池设在二级泵站底下。南京有些水厂把冲洗水塔的底部空间分为三层，二、三层作化验室，底层作泵房和小仓库。

布置水厂管线时，管线之间及与其他构（建）筑物之间，应留出适当的距离。给水管或排水管距离构（建）筑物不小于3m；给水管与排水管的水平距离，当d≤200mm时，不得小于15m，当d＞200mm时不应小于3m；当给排水管线交叉时，给水管应在上面，排水管在下面，其最小垂直净距离不应小于0.5m。

（2）生产辅助建筑物的布置。修理间和材料库可放在一起、位置靠近二级泵站，堆砂和翻砂场应靠近滤池，车库、值班室宜放在厂前区。

（3）预留面积的考虑。主要指生产设施的扩建用地。

（4）生活辅助建筑物的布置。宜放在厂前区内，如办公楼尽量结合有关建筑物，位置应在水厂进门处，便于联系工作，化验室一般设在二楼上；水厂内的厕所应远离水池等生产构筑物，按护防带距离规定应不小于10m等。

（5）道路、围墙及绿化带的布置。通向一般构（建）筑物应设置人行道，宽度1.5～2.0m；通向仓库、检修车间、堆砂场、堆煤场、泵房、变电所等时应设车行道，其路面宽为3～4m，转弯半径为6m，纵坡一般不大于3%，且应有回车的可能。水厂应设围墙，墙高一般为2.5m。水厂布置除应保证生产安全和整洁卫生外，还应注意美观、充分绿化，在构筑物的建筑处理上，应因地制宜，与周围情况相称，在色调上做到活泼、明朗和清洁。

图1.55和图1.56所示为典型的地表水给水处理厂平面布置示例。

1.6.5　地表水处理厂高程布置

地表水处理厂的高程布置主要解决净化构筑物和建筑物的高程设计问题，其成果集中反映在高程（或工艺流程）布置图上，它是沿净水工艺流程线的纵断面图，图中表示主要控制点的标高。高程布置图的范围，一般从水源到清水池（或二级泵站）。构（建）筑物之间的连接管长度可不按实际长度绘出，仅为示意。高程图上的垂直向和水平向比例尺也可不同，一般垂直向比例尺可取大些（1：10），而水平向比例尺可取小些（1：500），使图纸显得醒目。

在进行高程布置时，所依据的主要技术参数是构筑物高度和水头损失。图1.57所示为平流沉淀池加普通快滤池给水处理厂高程布置图示例。

1.水头损失的确定

在净水流程中，相邻净化构筑物的相对高差，决定于这两个构筑物之间的水面高差，这个水面高差的数值就是流程中的水头损失，它主要由三部分组成，即构筑物本身的、连接管道的以及计量设备的水头损失等。所以在高程布置时，应首先计算这些水头损失，而且计算所得的数值应考虑一些安全因素，以便留有余地。处理构筑物中的水头损失，与构筑物的种类、型式和构造有关，估算时可采用表1.21数据。

另外，在选用某些连接管（渠）的允许流速时，应考虑水厂的地形情况，即当地形有适当坡度可以利用时，可选用较大流速，以减小管（渠）及相应配件和阀门的尺寸；当地形平坦时，为避免增加填、挖土方量和构筑物造价，宜采用较小的流速。同时，在选定管（渠）内流速时，还应适当考虑留有水量发展的余地。

计量设备的水头损失。关于文氏管流量计、孔板式流量计、流量记录仪表等计量设备水头损失的计算公式及图表，可参见《给水排水设计手册》。一般水厂进、出水管上计量仪表中的水头损失可按0.2m计算，流量指示器中的水头损失可按0.1～0.2m计算。

2.高程布置时应注意的问题

当各项水头损失确定后，就可以进行构筑物的高程布置。进行高程布置，要注意处理好下列问题：①原水只需经过一次提升就应靠重力通过各净化构筑物，而中间不应再次加压提升；②沉淀池（澄清池）的排泥和放空，滤池冲洗水的排除均应靠重力进行；③应使水厂土方的填挖量趋于平衡。

所以构筑物高程布置与厂区的地形、地质条件及所采用的构筑物型式有密切关系。当地形有自然坡度时，就有利于高程布置、当地形比较平坦时，既要避免清水池埋入地下过深，又应避免反应池、沉淀池在地面上架得过高，这样就会导致构筑物造价的增加，尤其是地质条件较差、地下水位较高时。例如当采用普通快滤池时，其出水管在底部，故主要考虑清水池的地下埋深。当采用无阀滤池时，其出水管在上面，故应考虑前处理构筑物是否会在地面上架高。另外，高程设计时最后应定出每个构筑物的绝对标高。