摘 要：传统净水厂水处理建筑物（絮凝池、沉淀池和过滤池等）采用现浇钢筋混凝土结构形式，施工工艺复杂，养护周期长。集成式一体化水处理设备是将传统的钢筋混凝土池壁，集成为焊接厚钢板，或者钢框架与瓦楞钢板组合焊接。南水北调配套工程新建地表水厂多为中小型水厂，集成一体化水处理设备具有特定优势，具有广泛的应用前景。
关键词：一体化水处理设备；中小型水厂；设计；工程应用
南水北调中线一期工程分配河北省总水量约30.4亿m3，其覆盖范围主要包括石家庄、邯郸、邢台、沧州、衡水、保定、廊坊等市，总干渠于2014年12月建成通水，配套输水管道已基本建设完成，除各规模城市建设大中型水厂外，其余各县均建设中小型地表水厂。
随着水处理技术的发展，集成式一体化水处理设备应运而生，其作用是在原有成熟的处理工艺技术和保证出水水质的前提下，对各处理单元进行组合、优化，形成技术先进、运行可靠、管理方便、经济合理的集成式一体化产品。
1.净水厂工艺设计和选择
传统地表水厂处理工艺经过几十年发展，已基本形成“混合→絮凝→沉淀→过滤→消毒→二次加压”成熟的核心工艺。工作原理为：在原水中投加混凝剂，通过混合器使其与原水充分混合，在絮凝池内水中胶体物质脱稳并逐渐形成较大颗粒，经过沉淀池和过滤池将形成的大颗粒物质去除，从而达到水质净化的目的。
1.1 混合工艺选择
目前在给水处理中采用的水力混合多为管式静态混合器。管式静态混合器是在管道内安装一定形状的导流叶片，使水流产生分流或旋流，以达到混合效果。优点为：投资较低、安装容易、无需经常维修、混合效果显著，技术成熟；缺点为：混合强度受水力条件影响，要求具有一定的管内流速，当产水量小于设计流量时管内流速降低，将影响混合效果，进而影响后续反应沉淀效果。在设计流量下，管式静态混合器水头损失较大（一般不小于0.6m）。
1.2 絮凝工艺选择
网格絮凝池系传统穿孔旋流反应池的改进池型，在原池型的基础上减小每个竖井平面尺寸，增加了网格设备，使用该反应设备可以缩短反应时间，强化絮凝作用，形成的矾花密实度大，易于在沉淀池内沉淀。该反应池的优点为池体构造简单，施工比较方便，且设备较少，运行管理方便，适合水量变化不大的中小型水厂。
1.3 沉淀工艺选择
斜板（管）沉淀池的优点为具有沉淀时间短，沉淀效率高，占地省、出水水质稳定。因斜管沉淀池的水力半径较斜板大，故斜管沉淀池的水力条件比斜板沉淀池更为优越。当前，我国使用较多的是斜管沉淀池。
1.4 过滤工艺选择
过滤是达到出水浊度要求的重要保证，均质滤料滤池（V型滤池）是近年来应用十分广泛的一种池型，其优点为过滤周期长，滤料层利用率高，滤后水质好，采用气水反冲洗，耗水量少，出水水质好，滤池体积小，并可根据滤池水位的变化微量调节出水阀门的开启度，以达到恒水位恒速过滤的目的；缺点为自控要求较高，反冲洗设备较多，造价较无阀滤池稍高。
2.一体化水处理设备技术特点
一是自动化程度高。对于中小型净水厂工程，常规钢筋混凝土构筑物水处理技术自动化应用必要性较小，相对成本较高，本设备充分考虑技术的先进性、现代化、自动化。避免重复改造，规模扩大方便；水厂的设备全部自动控制，最大限度减少人员配置，并可实现远程操控。
二是系统模块化。一体化水处理设备日处理水量有 1200m3/d、2400m3/d、3600m3/d、5000m3/d以及10000m3/d等，设计过程中根据水厂规模不同，选择不同的设备组合方式，以保证选用设备总处理水量满足水处理构筑物日处理水量要求，同时最大限度提高检修时供水保障率。此外，由于城镇需水量随城镇化进程不断提高，且用水量会随时间、季节不同而变化，一体化水处理设备可以根据实际用水量的大小进行投入运行模块数量的增减，从而有效提高单模块水处理效率。
三是运行成本低。运行成本是净水厂能否持续正常运营的重要指标，本设备在工艺设计中尽力减少动力费用，节约药剂投加量，生产过程完全实现自动化控制，缩小人员配置，以降低运行成本。
四是占地少。传统的钢筋混凝土水厂构筑物繁多、结构尺寸和间距较大，占地较多。随着建筑用地和工业用地的急增，土地资源越来越宝贵，采用新型的集成式一体化净水厂技术，使空间利用率大幅提高，大大节约了占地面积。
五是投资小、建设周期短。传统自来水厂常见钢混结构较多，大面积土方开挖、支护模板、绑扎钢筋及混凝土养护等使得施工周期长，投资大。而新型的集成式一体化净水设备采用钢结构制作，工业化批量生产，生产成本低、速度快，有效缩短了工期和经费。
3.一体化水处理设备设计参数
一体化水处理设备将传统钢筋混凝土结构的絮凝池、沉淀池和过滤池集成到一组钢结构设备中，其处理池工艺形式分别采用网格絮凝池、斜管沉淀池和V型滤池。以5000m3/d一体化水处理设备为例，其外结构尺寸 （长×宽×深）为18600mm×4000mm×5100mm，工艺设计参数如下。
3.1 絮凝区
设备絮凝区有效尺寸（长×宽×深）为4050mm×3700mm×4900mm，有效容积为 73.4265m3。反应絮凝时间 T为21.1min，满足规范要求絮凝时间。
絮凝池穿孔旋流分格数为12格，起点孔口流速为0.9～1.0m/s，末端孔口流速为0.1～0.2m/s。
3.2 沉淀区
设备沉淀区有效尺寸（长×宽×深）为8025mm×3700mm×4650mm。
斜管沉淀区内选用六角形蜂窝斜管，边距采用35mm，长度为1000mm，与水平面成60°安装，设计表面负荷为7.5m3/(m2·h)，进水采用穿孔墙整流布水，使水流均匀分配，斜管与池壁间隙处也设有阻流挡板，防止水流短路。
排泥管采用穿孔管结构，沿污泥区底部设置，利于污泥的彻底排净。排泥时间为1min，排泥周期为12h。
3.3 过滤区
设备过滤区有效尺寸（长×宽×深）为6000mm×3700mm×4400mm。
均质粗砂滤料滤床厚度为1200mm，粒径0.9～1.2mm，砾石承托层厚度为100mm，粒径2～4mm，过滤速度为8.8m/h。
反冲洗时首先单独气洗，气洗强度15L/m2·s，时间2min；然后气水同时冲洗，气洗强度15L/m2·s，水洗强度3.5L/ m2·s，时间4min；最后单独水洗，水洗强度7L/m2·s，时间6min。
4.推广和应用
截至目前，集成式一体化水处理设备已经广泛应用于河北省南水北调配套地表水厂建设中，其中新河县南湖水厂一期工程和泊头市东辛阁地表水厂设计规模均为1.5万m3/d，设备选用4 组5000m3/d一体化水处理设备。在南水北调配套其它地表水厂中，还有魏县、肥乡、鸡泽、南大港、藁城以及馆陶等均使用集成式一体化水处理设备。
此外，平山县西柏坡水厂设计规模为1500m3/d，取水水源为上游石板水库地表水，供水对象为西柏坡镇各村居民生产和生活用水，选用2组1200m3/d一体化水处理设备，由于该工程建设于山区，厂区占地面积极为有限，且建设工期较短，因此一体化设备可充分发挥其优势和特点。
5.结论
集成一体化水处理设备具有集成化程度高、施工周期短、运行成本低、建设投资少、占地面积小、自动化程度高等诸多优点，且由于单组模块水处理量各有不同，可以根据水厂设计规模选择不同的模块组合。在县级及以下中小规模（建设规模小于5万m3/d，尤其是小于3万m3/d）的地表水厂中具有较高的推广和应用价值。
