高志強(qiáng)¹，忻德華²
(1.中國市政工程中南設(shè)計研究院廈門分院，福建廈門361006；2.沙市自來水公司，湖北沙市　434000)

　　摘　要：除對沙市東區(qū)水廠擴(kuò)建工程除砂的必要性和除砂方式的選擇等進(jìn)行分析之外，還對取水泵船除砂裝置進(jìn)行了生產(chǎn)性運行的測試。此外，對工程中采用的節(jié)能設(shè)計也作了介紹。
　　關(guān)鍵詞：除砂；節(jié)能；取水泵船；斜管沉淀池
　　中圖分類號：TU991.02
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)11-0059-03

　　沙市東區(qū)水廠擴(kuò)建工程(處理規(guī)模由10×10⁴m³/d增至30×10⁴m³/d)于1994年7月投入運行。在取水泵船施工圖設(shè)計前，于長江取水河段進(jìn)行了1∶1的除砂裝置模型試驗，泵船建成投產(chǎn)后又進(jìn)行了生產(chǎn)運行的測定。以下分別介紹除砂裝置和高效節(jié)能工藝設(shè)計的特點。

1　取水泵船的除砂效果

1.1　除砂的必要性
　　根據(jù)荊江實驗站提供的1986年東區(qū)水廠取水口附近47號斷面上靠近取水點河床的泥砂顆粒資料(粒徑＜0.1mm的極細(xì)砂為2%～5%，粒徑＜0.2mm的細(xì)砂為50%～65%，粒徑＜0.25mm 的細(xì)砂為85%～93%，粒徑＜0.5mm的中砂為100%)及水廠的運行經(jīng)驗，凈化工藝流程中需考慮除砂措施。
1.2　除砂方式的選擇
　　為避免對泵軸造成磨損及粗重泥砂隨原水進(jìn)入廠內(nèi)，一般考慮在大堤外灘臨江處設(shè)高架沉砂池截除粗重泥砂。由于沙市河段的河床不穩(wěn)定，不宜設(shè)固定式岸邊取水泵房，故擬設(shè)計鋼質(zhì)取水泵船，將除砂裝置設(shè)在水泵吸水管進(jìn)口處(與船體連成一體)。
1.3　除砂試驗
　　為取得泵船設(shè)計水力參數(shù)及除砂效果等實測資料，在長江取水河段進(jìn)行了1∶1的除砂裝置模型試驗，其結(jié)果如下：
　　①采用異向流(上向流)斜管去除0.1mm的砂粒時，控制管內(nèi)垂直上升流速v≤3mm/s是可行的。
　?、陔m然斜管濕周和阻力系數(shù)大，但斜管及其支架形成的總水頭損失有限。
　　③斜管的除砂效果優(yōu)于斜板。
　?、茉Ｐ驮O(shè)計中0.1mm砂粒的沉速按靜水中的沉速(6.12mm/s)計算，顯然不符合動態(tài)沉降規(guī)律。斜管中砂粒的有效沉降速度vs≤3mm/s。?
1.4　生產(chǎn)運行測試
　　1995年2月和8月分別進(jìn)行了兩個季度的生產(chǎn)運行情況測定，結(jié)果見表1。
　　1994年9月2日由荊江實驗站配合對取水泵船除砂裝置進(jìn)行了生產(chǎn)運行測試。當(dāng)日長江水位為37.90m，流量為16700m³/s，水溫為22℃，在泵船外側(cè)斜管沉砂區(qū)上游(船頭)水下2m處取水樣，再分別于1＃、3＃、5＃泵位水下0.3m處取水樣進(jìn)行泥砂顆粒對比分析，測試結(jié)果見表2。
　　原水取樣點在1＃泵位上游10m處，其間經(jīng)過11.8m²的斜管沉砂區(qū)；1＃泵位在3＃ 泵位上游9.5m處，其間經(jīng)過18.05m²的斜管沉砂區(qū)；3＃泵位在5＃泵位上游9.5m處，其間經(jīng)過18.05m²的斜管沉砂區(qū)。從1＃、3＃、5＃泵位上游斜管滑入江中的懸浮砂粒隨江水下移會改變該處江水的含砂量及顆粒組成，對下游泵位的斜管沉砂去除率會產(chǎn)生一定影響。從5＃泵位下游29.4m²斜管滑入江中的砂?？呻S長江水流帶往泵船下游。

表1　沙市東區(qū)水廠擴(kuò)建工程生產(chǎn)運行測定結(jié)果 測定日期 1995年2月18日 1995年2月18日 1995年8月24日 原水濁度(NTU) 100 100 1100 水溫(℃) 11 11 26.5 pH值 7 7 7.8 鋁鹽(Al₂O₃計)投量(mg/L) 1.3 1.3 1.4 單元絮凝池處理水量(m³/d) 25 626 20 399 26 500 混合方式 管式快速擴(kuò)散混合器 絮凝能耗及反應(yīng)時間 前段 水頭損失h₁(kPa) 0.69 0.46 0.72 流速v₂～v₁(m/s) 0.125～0.216 0.099～0.216 0.129～0.28 停留時間t₁(s) 127.38 158.05 126.44 速度梯度G₁(s^-1) 63.7 46.7 80.44 柵條層距L、層數(shù)n L=0.6m,n=14 中?段 水頭損失h₂(kPa) 0.31 0.14 0.25 流速v₂～v₁(m/s) 0.125～0.167 0.099～0.167 0.129～0.2 16 停留時間t₂(s) 127.84 158.68 123.96 速度梯度G₂(s^-1) 42.6 25.7 47.87 柵條層距L、層數(shù)n L=0.6m,n=9 末段 水頭損失h³(kPa) 0.13 0.06 0.16 流速v₂(m/s) 0.125～0.03 0.099～0.025 0.129～0.064 停留時間t₃(s) 229.75 286.61 227.87 速度梯度G₃(s^-1) 20.58 12.5 28.24 向沉淀池配水段G₄(s^-1) h₄=0.4cm，G₄=15.6 h₄=0.5cm，G₄=7.5 h₄=0.5cm，G₄=30.9 總水頭損失∑h(kPa) 1.17 0.71 1.23 總反應(yīng)時間(min) 12.67 15.75 12.43 總G(s^-1) 38 26.5 48.39 GT值 2.3×10⁴ 2.0×10⁴ 2.9×10⁴ 5min靜沉后濁度(NTU) 8 8 21.4 沉淀池上升流速(mm/s) 2.74 2.18 2.84 沉淀池出水濁度(NTU) 5 4 8.6 濾池出水濁度(NTU) 0.157 0.157 0.24 注：①v₂表示豎井平均流速，v₁表示過柵流速。
　?、诒碇?min靜沉后濁度為絮凝池出口取樣靜置5min測定的上清液剩余濁度。
　?、劭偡磻?yīng)時間包括絮凝池配水段的停留時間。
　　④絮凝池有8個進(jìn)水單元，設(shè)計規(guī)模為20×10⁴m³/d。

表2 除砂裝置生產(chǎn)運行測試結(jié)果 項目 1＃泵位(開機(jī)) 3＃泵位(停機(jī)) 5＃泵位(開機(jī)) 生產(chǎn)負(fù)荷 斜管垂直上升流速(mm/s) 29.9/34.7 斜管斜向上升流速(mm/s) 34.5/40.0 技術(shù)參數(shù) 砂粒在斜管中的最大沉降距離(mm ) 37 砂粒垂直沉降速度的理論值(mm/s) 2.79/3.2 砂粒在斜管中所需的沉降時間(s) 13.3/11.5 原水在斜管中的停留時間(s) 29/25 除砂效果 0.1mm砂粒去除率(%)(與船頭原水樣對比) 70 30 0 0.1mm砂粒去除率(%)(考慮上游沉砂下移影響) 73.4 55.6 63.3 0.25mm砂粒去除率(%)(與船頭原水樣對比) 60 80 20 0.25mm砂粒去除率(%)(考慮上游沉砂下移影響) 64.6 85.6 45.7 注：“生產(chǎn)負(fù)荷”和“技術(shù)參數(shù)”欄的數(shù)值是分別在設(shè)計流量(2.32m³/s)和實測流量(2.7m³/s)下測得的。

　　因斜管底部的江水流速一般為1m/s，故從處在上游的斜管滑入江中的泥砂很快就會使下游江水的含砂量增加并被泵船吸入。表中1＃泵位水樣的除砂率因受上游斜管沉砂下移影響較小，對去除0.1mm砂粒的效果與模型試驗相近(模型去除率為73%，生產(chǎn)運行時的去除率為70%)，但處在下游的3＃、5＃泵位的江水含砂量及其顆粒組成，因受上游斜管沉砂的影響綜合去除率只能達(dá)60%以上。
　　通過對泵船除砂裝置的研究，從理論和實踐上對常用規(guī)格的斜板、斜管的沉淀效果進(jìn)行了比較，認(rèn)為異向流斜管比斜板沉淀性能好，但斜管除砂如何能減小上游沉砂隨江水下移對下游除砂效果的不利影響則有待進(jìn)一步研究。
　　由于采用了泵船吸前除砂和絮凝池前配水池沉砂兩級除砂措施，使原水中的粗重泥砂不進(jìn)或少進(jìn)入絮凝池和沉淀池，這為絮凝池、沉淀池利用靜水壓力通過穿孔管排泥創(chuàng)造了較好的條件，投產(chǎn)后對池子很少進(jìn)行放空清洗，方便了管理、保證了系統(tǒng)的正常運行。

2　擴(kuò)建工程的節(jié)能設(shè)計

　　該工程采用高效節(jié)能型的設(shè)計工藝，按流程順序依次為投藥混合裝置→斜管沉砂池(兼作向絮凝池配水)→柵條絮凝斜管沉淀池→氣水反沖洗濾池，其中投藥混合裝置和柵條絮凝裝置于1988年獲國家發(fā)明專利。
　　沙市東區(qū)水廠擴(kuò)建工程本著簡化流程、緊湊布置和方便管理的原則，將沉砂、配水、絮凝、沉淀等工序合理地組合在一起，整個流程的水頭損失僅為10 kPa左右(40%用于藥劑的快速混合，12%用于絮凝反應(yīng)，其余的消耗于各工序間的水力銜接)。用裝在多功能組合池型前面與進(jìn)水管相連的快速擴(kuò)散混合器代替了混合池，可充分利用進(jìn)水管中的水流動能。若取水泵房較近而有條件利用水泵混合，則這個管式擴(kuò)散混合器的水頭損失(2.8～4 kPa)也可以節(jié)省下來。
　　沙市東區(qū)水廠擴(kuò)建工程于1994年投產(chǎn)后耗電僅為0.195 (kW·h)/m³，比擴(kuò)建前節(jié)電10%左右，比長江下游相近規(guī)模水廠的電耗低20%左右；礬耗比擴(kuò)建前節(jié)約20%左右；
　　廠內(nèi)用水量降低3%；工程占地為0.68hm²(包括沉砂池、反應(yīng)池、沉淀池、濾池)，與擴(kuò)建前相比節(jié)省用地60%。在自控方面，通過4個PLC站可實現(xiàn)全廠主要工藝參數(shù)的遙測、遙訊及遙控，部分工藝(排泥、過濾、反沖洗、排水、加氯)已實現(xiàn)自控。取水、送水亦可實現(xiàn)自控，加藥系統(tǒng)在安裝膠體電荷檢測儀后亦可實現(xiàn)自控，微機(jī)系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。工程全部建成總投資約為8384萬元(包括取水、凈化、城市輸配水管道、附屬設(shè)施及利息等)，按20×10⁴m³/d綜合投資費用計算，則基建投資僅為419元/m³，比其他同等規(guī)模的水廠節(jié)省了建設(shè)投資約30%～50%。

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　　收稿日期：2002-05-09