郭雯霞

　　【摘要】 本文針對(duì)長(zhǎng)江上游原水水質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合梁沱水廠工程實(shí)踐，對(duì)高濁度水沉淀工藝進(jìn)行了探討研究，提出了兩級(jí)沉淀工藝構(gòu)想。
　　【關(guān)鍵詞】 高濁度 含沙量 預(yù)沉 混合 絮凝 沉淀 整流

　　長(zhǎng)江上游流段包括其支流縱坡大、洪水流量形成時(shí)間短、水流急其強(qiáng)烈的沖涮作用使河水?dāng)y帶了大量的泥沙，加之八十年代以來(lái)上游植被的人為破壞，更加劇了雨季河水中泥沙的含量，形成長(zhǎng)江上游特有的高濁度原水，給水質(zhì)凈化帶來(lái)了難度，同時(shí)也對(duì)給水處理工藝提出了一個(gè)新的課題。長(zhǎng)期以來(lái)不少專家學(xué)者一直從事長(zhǎng)江上游高濁度水處理工藝的研究，不斷的尋求高效、經(jīng)濟(jì)的方法。
　　1988年我院接受了重慶市梁沱水廠30萬(wàn)m³／d水廠的設(shè)計(jì)任務(wù)，其水源正是長(zhǎng)江上游主要支流嘉陵江，是典型的高濁度水源，從而也使我們加入到研究長(zhǎng)江上游高濁度原水處理工藝的行列之中。

1 梁沱水廠工程水源概況

　　梁沱水廠位于重慶市江北區(qū)。江北區(qū)為重慶市的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)。為解決該地區(qū)用水嚴(yán)重不足并考慮今后該區(qū)的發(fā)展，重慶市政府決定興建梁沱水廠，該工程總規(guī)模為日供水30萬(wàn)m³，一期工程日供水20萬(wàn)m³。
　　嘉陵江為長(zhǎng)江上游（三峽以上）的主要支流，取水地點(diǎn)距兩江會(huì)合地點(diǎn)約十三、四公里。由于受季風(fēng)影響，每年5～10月長(zhǎng)江上游為多雨季節(jié)，常出現(xiàn)大面積降雨，此時(shí)取水地點(diǎn)江水逕流量最高可達(dá)44800m³／s，而在枯水季節(jié)（每年12月份至來(lái)年3月）取水地點(diǎn)逕流量最低也在242m³／s。嘉陵江水資源是比較豐富的，但逕流量在年內(nèi)分配極不均勻；洪水季節(jié)由于江水逕流量猛增，水位同時(shí)急劇上漲；枯水季節(jié)則相反，因此使嘉陵江原水水位變幅很大。在梁沱水廠工程取水地點(diǎn)，江水百年一遇高水位與97％保證率低水位水位之差達(dá)35.5m，形成水量水位季節(jié)性突長(zhǎng)陟降的特點(diǎn)。嘉陵江水的水量，水位的這種變化又引發(fā)了水質(zhì)變化大的特點(diǎn)：
　　①原水濁度變化大：嘉陵江原水汛期由于河流縱坡大，流量可在短期增長(zhǎng)，攜帶大量泥沙下泄，水位也隨之急劇升高。同時(shí)由于上游植被遭受人為的破壞，使江水的濁度及泥沙含量急劇升高，枯水季節(jié)流量減少，水位降低，江水的含沙量及渾濁度降低。重慶市高家花園水廠位于梁沱水廠工程下游約1Km左右，同樣以嘉陵江水為水源。從高家花園水廠的多年運(yùn)行資料可以看出，該段河流汛期源水渾濁度在1984年曾達(dá)到60000NTU，歷時(shí)20小時(shí)。每年發(fā)生的渾濁度大于10000NTU的時(shí)間，約在十幾天左右，每次發(fā)生可持續(xù)一、二天。渾濁度大于5000NTU以上的情況在汛期經(jīng)常發(fā)生。在枯水季節(jié)原水渾濁度大為降低，一般在幾十NTU至100NTU左右，最低可達(dá)10～20NTU。
　　嘉陵江原水渾濁度變化除汛期、枯水季節(jié)之間變化大外，在汛期中渾濁度變化波動(dòng)起伏也很急劇，有時(shí)一兩天內(nèi)可由幾百NTU升至幾千NTU，再升至萬(wàn)NTU以上。
　　原水中的渾濁度大多由上游沖涮下來(lái)的黃壤土構(gòu)成，但在洪水季節(jié)個(gè)別時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)較難處理的灰白色的原水。
　　②原水汛期泥沙量大：嘉陵江原水中含有一定的沙粒，經(jīng)常出現(xiàn)沙量大于泥量的情況。根據(jù)記載，原水最大含沙量年際均有起伏波動(dòng)，水廠工程取水地段含沙量最高可達(dá)32.8kg／m³，最大年平均含沙量為2.29kg／m³。
　　根據(jù)水文年鑒記載，嘉陵江原水中泥沙粒徑也比較大：泥沙顆粒粒徑一般小于0.5mm，其中粒徑小于0.25mm的占99％以上；小于0.1mm的占95％以上。
　　③由于上述原水的水質(zhì)特點(diǎn)，在凈水工藝流程的選擇中，考慮汛期源水中泥沙含量大；沙量大于泥量，且沙在水中因其粒徑較粘土等細(xì)微顆粒大，易于下沉；汛期源水濁度變化劇烈等特點(diǎn)，解決汛期高渾濁度原水的混凝，沉淀工藝及相關(guān)的工藝問(wèn)題使沉淀出水水質(zhì)達(dá)到濾池的進(jìn)水要求，是保證凈水廠出水水質(zhì)的至關(guān)重要問(wèn)題，也是保證供水水質(zhì)的關(guān)鍵所在。

2 長(zhǎng)江上游高濁度水沉淀工藝的比選

　　采用常規(guī)的一般混凝、沉淀工藝的不同池型，出水濁度一般可達(dá)10NTU，能夠滿足濾池的進(jìn)水要求，適應(yīng)原水濁度的范圍值約在2000～3000NTU左右。當(dāng)原水濁度高于5000NTU時(shí)，無(wú)論任何形式的一級(jí)混凝，沉淀池出水都難以達(dá)到濾池進(jìn)水10NTU的要求。對(duì)于梁沱水廠，含沙量高達(dá)32.8kg／m³，最高濁度超過(guò)60000NTU的原水，必須尋求多級(jí)沉淀的有效方式。
2.1 長(zhǎng)江上游高濁度水處理的典型工藝
　　長(zhǎng)江上游高濁度水在處理過(guò)程中一般設(shè)預(yù)沉構(gòu)筑物，洪水季節(jié)源水通過(guò)預(yù)沉運(yùn)行，非高濁期間源水跨越預(yù)沉直接進(jìn)入混凝、絮凝、沉淀、過(guò)濾達(dá)到凈水廠出水水質(zhì)要求。
　　預(yù)沉工藝根據(jù)藥劑投加情況區(qū)分為兩種方式，即自然沉淀和混凝沉淀。高濁度水的自然沉淀是依靠水中顆粒自重及泥沙顆粒之間的接觸碰撞自然絮凝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。高濁度水中泥沙在水介質(zhì)中的自然沉降運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能去除粗沙和部分中沙、細(xì)沙，也能去除少量粘土。但是高濁水的泥沙自然沉淀，包括泥沙自絮凝狀態(tài)下的自凝沉淀，由于絮體小、結(jié)構(gòu)松散、密度較低等原因，泥沙的自然沉降速度很小，濁度的去除率低，沉淀效果不理想。重慶市自來(lái)水公司曾對(duì)嘉陵江沙坪壩河段（臨近梁沱水廠取水地點(diǎn)）于1964年作過(guò)含沙量顆粒分析和自然沉降試驗(yàn)其結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

嘉陵江沙坪壩段含沙量粒徑分析表　　表1 采樣日期 小于某粒徑（mm）沙重的百分比（％） 嘉陵江原水 0.01 0.025 0.05 0.10 0.25 濁度（NTU） 懸浮物
（mg／ｌ） PH值 1964，7，17 46.1 67.2 81.8 99.9 100 2000 1910 8.4 1964，7，23 31.6 68.8 88.9 99.9 100 9000 8512 8.1

嘉陵江原水自然沉降去除濁度試驗(yàn)（靜置沉降）　　表2 試驗(yàn)日期 原水濁度（NTU） 靜置沉降時(shí)間 1h 1.50h 2h 3h 4h 1964，7，17 2000 沉降后上層水 1800 1800 1750 1770 1600 1964，7，23 9000 樣剩余濁度 3000 3100 2800 1900 1500

　　因高濁水自沉效果差，采用自沉方式去濁，在構(gòu)筑物容積計(jì)算時(shí)，停留時(shí)間往往需以天計(jì)才能達(dá)到預(yù)沉效果，因此自然沉淀具有池容積大、占地面積大、容積利用率低、工程量大、清除沉沙（泥）難以機(jī)械化等缺點(diǎn)，難于在實(shí)際工程中應(yīng)用。此后，一些水廠在沉淀前加沉沙池靠自然沉淀作用去除大部分的含沙量，然后進(jìn)入混凝沉淀池或機(jī)械攪拌澄清池，形成了初級(jí)的二級(jí)沉淀。隨著原水含沙量的升高和對(duì)出水濁度要求的更加嚴(yán)格，逐步形成了典型的兩級(jí)沉淀工藝處理高濁度原水。
　　但是一些水廠（如四川維尼綸水廠，重慶黃桷渡水廠等）雖一級(jí)采用了斜管沉沙，在高濁期投加混凝劑，但由于沒(méi)有完善的混合、反應(yīng)裝置，所以對(duì)濁度的去除率不高。重慶和尚山水廠是80年代末修建的水廠，采用了二級(jí)均投加混凝劑的完善混合、反應(yīng)、沉淀工藝。代表了現(xiàn)代的二級(jí)混凝、沉淀水平。
2.2 梁沱水廠沉淀工藝的選擇
　　在處理高濁度原水的工程設(shè)計(jì)中，工藝流程的選擇是設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題之一，它對(duì)工程本身的節(jié)省投資，減少占地，提高表面負(fù)荷降低運(yùn)行費(fèi)用，保證出水水質(zhì)以及供水安全性方面均有直接的影響。
　　在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)針對(duì)原水水質(zhì)條件及該廠出廠水濁度一般情況下不大于1NTU的較高水質(zhì)要求，結(jié)合重慶地區(qū)采用嘉陵江原水水廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)沉淀或澄清后的水在進(jìn)入濾池前的渾濁度一般不宜超過(guò)10NTU，遇高濁水或低溫低濁原水時(shí)，不宜超過(guò)15NTU，確定該廠的工藝流程為兩級(jí)混合、絮凝、沉淀及過(guò)濾工藝。
　　在方案設(shè)計(jì)中對(duì)兩級(jí)混凝、沉淀池型進(jìn)行了認(rèn)真的研究比選，為保證出水濁度小于10NTU，最后確定在該工程中采用帶有平流預(yù)沉區(qū)的兩級(jí)斜管沉淀池。兩級(jí)沉淀的工藝流程和主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)圖1、圖2。

　　 設(shè)計(jì)選用的兩級(jí)混凝沉淀工藝首先加強(qiáng)了混合、絮凝的環(huán)節(jié)：機(jī)械混合可以確保在流量的任何變動(dòng)情況下都能獲得理想混合效果；網(wǎng)格反應(yīng)和豎流隔板反應(yīng)則對(duì)于長(zhǎng)江水具有成熟的使用經(jīng)驗(yàn)。兩級(jí)沉淀設(shè)計(jì)中的新意之處在于平流預(yù)沉區(qū)的加設(shè)。
2.2.1 沉沙是一級(jí)平流預(yù)沉區(qū)的主要功能
　　一般來(lái)說(shuō)泥沙分類粒徑大于0.05mm的稱為沙，小于0.05mm的為“±”形成濁度。
　　嘉陵江原水含沙量歷史記錄高達(dá)32.8kg／m³最大年平均含沙量為2.29kg／m³，高含沙量的原水如果直接進(jìn)入斜管沉淀會(huì)加大斜管的固液分離負(fù)荷，影響斜管的去濁功能。在斜管沉淀前加設(shè)平流預(yù)沉區(qū)，則可以充分利用沙的良好沉淀性能，將80～90％的粒徑0.05mm以上沙在該區(qū)沉淀下來(lái)。沙的沉淀主要是重力的自然沉淀過(guò)程。水廠進(jìn)水雖然投加了混凝劑，但由于混凝劑水解后，主要作用是中和電荷相對(duì)攜帶量較多的是粘土顆粒和膠體顆粒。而沙粒的容積電荷率很小，幾乎不消耗混凝劑，或者說(shuō)混凝劑對(duì)其基本上不起絮凝作用。所以沙粒主要是靠重力的自然沉淀。與此同時(shí)，在平流預(yù)沉區(qū)還可以將顆粒構(gòu)成較粗，礬花密度較大的那部分濁度沉下來(lái)。在沙粒自然級(jí)配的情況下，實(shí)踐測(cè)定證明池底泥沙的分布規(guī)律如圖3。

　　沉沙（泥）峰值約在全池長(zhǎng)的1／4處，前池長(zhǎng)1／3去除率可達(dá)80～90％左右，是沉淀的高效區(qū)，較大顆粒均在該時(shí)段沉淀下來(lái)，剩余的小顆粒沉速低，則需要較長(zhǎng)時(shí)間（較小的表面水力負(fù)荷）才能沉至池底被截留。平流預(yù)沉區(qū)就是利用了自然級(jí)配顆粒的這一特點(diǎn)：以較小的停留時(shí)間（大的表面水力負(fù)荷）去除大多數(shù)沙粒，起到沉沙功能，同時(shí)在這段時(shí)間也可以將在絮凝作用下形成的密度較大的較易沉淀的那部分由濁度形成的礬花沉淀下來(lái)。一般根據(jù)水中濁度的顆粒構(gòu)成不同，在平流預(yù)沉區(qū)對(duì)濁度的截留率可在30％～60％之間，所以平流預(yù)沉區(qū)主要是除沙兼有去濁的功能，起到對(duì)原水中固體物的消峰作用，從而大大減輕了其后斜管的固體負(fù)荷率。
　　一級(jí)沉淀中的斜管沉淀區(qū)，即使有了前面的預(yù)沉區(qū)，去除了大部分沙和一部分濁度，高濁時(shí)如30000NTU；預(yù)沉區(qū)除濁60％進(jìn)入斜管的濁度還有12000NTU，無(wú)疑斜管的工作情況仍處于擁擠沉淀的范圍之內(nèi)，一級(jí)斜管的擁擠沉淀特點(diǎn)，決定了只能利用表面固體負(fù)荷做為主要參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，表面水力負(fù)荷已失去意義。當(dāng)處理水量一定時(shí)（即表面水力負(fù)荷一定時(shí)），斜管擁擠沉淀的效果取決于表面固體負(fù)荷，表面固體負(fù)荷率越高出水濁度也隨之升高，固體負(fù)荷率與進(jìn)水濁度（加上含沙量）成正比。所以斜管沉淀的出水濁度和進(jìn)水濁度可以近似地引為一次相關(guān)關(guān)系，而混凝自然沉降在一般濁度下（如1000NTU以內(nèi)）沉淀效果主要決定于表面水力負(fù)荷，在表面水力負(fù)荷一定的情況下，進(jìn)水濁度從幾十NTU到幾百NTU時(shí)，混凝、沉淀出水濁度變化不大，這種混凝自然沉降與擁擠沉降具有完全不同的特征，平流預(yù)沉區(qū)的消峰功能，大大降低了斜管沉淀的固體負(fù)荷率，對(duì)一級(jí)斜管沉淀出水小于1000NTU保證后續(xù)二級(jí)處理效果起到重要作用。
2.2.2 絮凝沉淀是第二級(jí)沉淀的主要特征
　　一級(jí)絮凝沉淀后的出水濁度不大于1000NTU經(jīng)過(guò)混合和反應(yīng)進(jìn)行二次絮凝，使細(xì)小顆粒再次絮凝成沉淀性能好的礬花，在二級(jí)沉淀池中去除。
　　二級(jí)沉淀池中的平流預(yù)沉區(qū)，接受的是1000NTU左右的混合絮凝后的進(jìn)水，其工作原理宏觀上屬于絮體的自由沉降，在30分鐘的時(shí)間里大約有50％的去除率，確定進(jìn)入斜管區(qū)水的濁度在500NTU以內(nèi)，使斜管區(qū)在宏觀上處于絮體的自由沉降范圍，只要表面水力負(fù)荷設(shè)計(jì)合理，就可以得到小于10NTU的濁度，從而保證濾池的正常工作和濾后水小于1NTU的出廠水的要求。如上所述兩級(jí)混凝沉淀，對(duì)于處理含沙量20～30kg／m³，濁度30000NTU原水，使出水在10NTU左右的要求有了多級(jí)保證，平流預(yù)沉區(qū)確切的說(shuō)已經(jīng)可以形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)具有部分絮凝除濁作用的沉沙池了，這是我們構(gòu)思梁沱水廠處理嘉陵江高濁度原水的主要新意之處。
2.3 沉淀構(gòu)筑物選型
　　梁沱水廠工程地處山區(qū)，地形條件較差，為節(jié)省工程用地和工程投資，沉淀構(gòu)筑物選型時(shí)考慮采用高效，占地少的池型。
梁沱水廠的沉淀構(gòu)筑物分為兩級(jí)混合絮凝沉淀。一級(jí)沉淀池及二級(jí)沉淀的預(yù)沉區(qū)后均為斜管沉淀區(qū)，而矩形池適合于斜管的布設(shè)。設(shè)計(jì)時(shí)為減少工程用地，凈水構(gòu)筑物采用的是密集型、集團(tuán)布置的原則：即一級(jí)混合絮凝、沉池池二級(jí)混合、絮凝、沉淀池及氣水反沖濾池組成一整體。池與池之間利用廊道連接，廊道的上部為渠道，中間為管廊及人行檢修、巡視通道、底部為排泥及溢流渠道。為各構(gòu)筑物連接方便，并結(jié)合沉淀池排泥方式的選擇，一級(jí)沉淀池與二級(jí)沉淀池選型均采用矩型。
　　為使進(jìn)水水流平緩，池進(jìn)口處設(shè)進(jìn)水花墻整流，預(yù)沉區(qū)采用方形，預(yù)沉區(qū)出口再設(shè)過(guò)水花墻整流。通過(guò)二次整流后的原水進(jìn)入上向流斜管沉淀區(qū)，斜管沉淀區(qū)上部為清水區(qū)，沉淀后的水經(jīng)過(guò)集水支槽至集水總槽進(jìn)入氣、水反沖濾池配水總渠。
　　一級(jí)沉淀池、二級(jí)沉淀池布置形式相同，但根據(jù)兩級(jí)沉淀除濁的特征采用的數(shù)據(jù)不同，一級(jí)沉淀池預(yù)沉區(qū)停留時(shí)間為0.2小時(shí)，斜管沉淀池表面水力負(fù)荷為8.95m³／m²·h，二級(jí)沉淀池預(yù)沉區(qū)的停留時(shí)間為0.33小時(shí)，斜管沉淀區(qū)的表面水力負(fù)荷為7.07m³／m²·h。
2.4 排泥設(shè)備的選擇
　　高濁度原水處理中，凈化構(gòu)筑物泥渣的濃縮與排除，是保證凈水工藝正常運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題，沉淀池能否通暢有效的排泥更是沉淀池正常運(yùn)行的關(guān)鍵，尤其高濁度水泥沙含量高，沉降到池底的泥沙，堆積到一定厚度不能及時(shí)排除將減少池子的有效容積，如斜管區(qū)底部積泥過(guò)高，會(huì)影響出水水質(zhì)使出水濁度升高。所以在池型選擇時(shí)慎重地考慮了排泥方式及效果。
　　設(shè)計(jì)考慮一般水平行走的刮泥機(jī)，從刮泥量和結(jié)構(gòu)上，難以負(fù)擔(dān)高沉泥負(fù)荷要求的巨大動(dòng)力，所以設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合池型，選擇了能承擔(dān)大刮泥負(fù)荷和大拖動(dòng)力的中心傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)式刮泥機(jī)，運(yùn)行時(shí)刮泥機(jī)將沉至池底的泥，刮至池中心排泥斗，再通過(guò)排泥管排至池外。
　　由于原水中的泥沙，主要在預(yù)沉池中去除，預(yù)沉池池底的泥具有量大且易于板結(jié)，并且沖擊負(fù)荷大的特點(diǎn)。針對(duì)上述特點(diǎn)，預(yù)沉池刮泥機(jī)設(shè)有過(guò)扭保護(hù)裝置，同時(shí)為了防止沖擊負(fù)荷對(duì)刮泥機(jī)造成損害，并能在過(guò)扭后繼續(xù)工作，刮泥機(jī)還設(shè)有過(guò)扭后可以自動(dòng)提耙的裝置，運(yùn)行時(shí)刮泥機(jī)過(guò)扭時(shí)會(huì)自動(dòng)將刮耙提起一定高度，降低了刮泥負(fù)荷，然后再繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)扭矩降至一定數(shù)值時(shí)，泥耙會(huì)自動(dòng)下落，直至將沖擊負(fù)荷造成的泥沙逐步清除，刮泥機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
　　在二級(jí)沉淀池中考慮沉淀池池底的沉泥主要由絮體構(gòu)成，且泥量較小，刮泥機(jī)不設(shè)自動(dòng)提耙裝置；為充分利用池容積，沉淀池刮泥機(jī)設(shè)自動(dòng)掃角裝置。
　　為使刮泥機(jī)正常運(yùn)行時(shí)池底不積泥，預(yù)沉池及沉淀池平流區(qū)及斜管區(qū)底部均用水泥沙漿抹角，預(yù)沉池成天方地園，沉淀池僅抹成弧形加導(dǎo)軌，使刮泥機(jī)掃角裝置順利工作。

3 運(yùn)行的實(shí)際效果

　　①重慶市梁沱水廠95年8月份開(kāi)始試運(yùn)行至今已三年多時(shí)間，外管網(wǎng)至今尚未全部形成，故水廠供水量未達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷。凈水廠凈水構(gòu)筑物20萬(wàn)m³／d時(shí)分兩系列運(yùn)行，每系列又設(shè)兩組池，可5萬(wàn)m³／d單獨(dú)運(yùn)行，在運(yùn)行中單組池可達(dá)設(shè)計(jì)負(fù)荷。在試運(yùn)行中進(jìn)水曾達(dá)10000多NTU，預(yù)沉池出水小于1000NTU，沉淀池出水4～5NTU（該時(shí)未投加助凝劑），投藥量約為20mg／1，在一般濁度情況下沉淀池出水均達(dá)到小于10NTU的設(shè)計(jì)要求。
　　②運(yùn)行三年來(lái)刮泥機(jī)運(yùn)行正常未出現(xiàn)故障。
　　③通過(guò)梁沱水廠三年多的運(yùn)行情況，可以確定兩級(jí)有預(yù)沉區(qū)的斜管沉淀池，配以預(yù)沉可自動(dòng)提耙的中心傳動(dòng)式刮泥機(jī)，設(shè)計(jì)及運(yùn)行是成功的，為處理長(zhǎng)江上游高濁度原水提供了成功的范例。