趙　靜

(延安市黃河引水工程建設(shè)管理處,陜西 延安 716000)

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延安黃河引水工程水處理工藝探析

趙靜

(延安市黃河引水工程建設(shè)管理處,陜西 延安 716000)

延安黃河引水工程是陜西省“十二五”規(guī)劃的重點(diǎn)水源工程，工程實(shí)施能夠解決延安市城區(qū)及周圍地區(qū)的生活和工業(yè)用水問(wèn)題。文章通過(guò)分析黃河延水關(guān)水質(zhì)水處理工藝，對(duì)黃河水質(zhì)污染特性及泥沙問(wèn)題行了探討。通過(guò)對(duì)高濁水及低溫低濁水的常規(guī)處理工藝、新型澄清池和“HPS澄清池”水處理工藝對(duì)比分析，提出采用HPS澄清池工藝解決延安黃河引水水質(zhì)難題。并通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)HPS水處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建了高泥沙黃河取水實(shí)際案例，為黃河引水工程建設(shè)提供了參考。

黃河引水；延水關(guān)；泥沙處理；水質(zhì)；凈水；工藝

1　基本概況

地處陜北南部的延安市，屬于黃河中游地區(qū)，地貌以黃土高原與丘陵為主，海拔在800～1400 m之間，全市總面積36 713 km2。延安屬陜北高原暖溫帶半干旱氣候區(qū)，是一個(gè)水資源貧乏的地區(qū)，多年平均降水量為536.9 mm，時(shí)空分布極不均勻，南部多，北部少。多年平均水面蒸發(fā)量為983.0 mm，多年平均氣溫9.4 ℃[1]。全市水資源總量少，缺乏控制性骨干水源工程，開(kāi)發(fā)利用難度大，區(qū)域水環(huán)境承載能力較差。

黃河沿延川縣眼岔寺鄉(xiāng)馬家騫村進(jìn)入延安市境內(nèi)，自北而南沿延安市東界流經(jīng)延川、延長(zhǎng)和宜川，至宜川縣猴兒川口出境，境內(nèi)河長(zhǎng)183 km。境內(nèi)由南到北分布著北洛河、仕望河、汾川河、延河和清澗河等五大河流，各河均具有支、毛溝發(fā)育，河網(wǎng)密度大，季節(jié)性強(qiáng)，洪枯流量懸殊，洪水頻多等特征，北洛河、延河與清澗河又具有含沙量高的特點(diǎn)。延安境內(nèi)黃河地處晉陜峽谷中段，深切于灰?guī)r、沙頁(yè)巖中，兩岸陡壁峭巖高出河床200～300 m，谷寬300～500 m，河寬200 m左右。沿岸耕地和村落稀少，山路多遠(yuǎn)離河道，交通不便。沿河有灘磧10多處，其中以壺口瀑布榜居險(xiǎn)首，河槽寬約30～50 m，深30 m，枯水期形成瀑布，洪水期急流而下，灘多水急，河床比降大。

近年來(lái)，隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的部署和陜北能源、石油、天然氣、化工基地建設(shè)，延安市城區(qū)和延長(zhǎng)、延川、子長(zhǎng)、清澗4縣城，及延川縣永坪鎮(zhèn)水資源供需矛盾日益突出，迫切須要開(kāi)辟新的水源，以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的用水需求。為此，陜西省確立了《陜西省延安市黃河引水工程規(guī)劃》。通過(guò)對(duì)取水線路和選址對(duì)比，制定了從黃河和清澗河聯(lián)合引水的供水方式，年取水量為8977萬(wàn)m3，工程日最大取水量(含充庫(kù)流量)即延水關(guān)泥沙處理站最大日取水量為36.29萬(wàn)m3/d[2]，以解決“一區(qū)(寶塔)四縣(延長(zhǎng)、子長(zhǎng)、延川、清澗縣)”的用水問(wèn)題。

從黃河引水最大的難題便是水質(zhì)問(wèn)題，而延安黃河引水工程地處黃河中游，其泥沙含量加大、水質(zhì)污染較重，使得水質(zhì)凈化難度加大。所以，研究黃河水質(zhì)處理方式及工藝，對(duì)于確保引水水質(zhì)安全、滿足延安市工業(yè)用水需求和引水工程的順利實(shí)施具有重要作用。

2　研究方法

2.1水質(zhì)分析

黃河取水口位于黃河延水關(guān)斷面的王家渠村東南約150 m[3]。黃河是多泥沙河流，多年平均含沙量為25.3 kg/m3，夏季洪水期含沙量較大，其水質(zhì)有以下特點(diǎn)。

2.1.1含沙量高

黃河吳堡站多年平均懸移質(zhì)輸沙量4.05億t，龍門站多年平均懸移質(zhì)輸沙量7.04億t，采用直線內(nèi)插的方法推求得黃河延水關(guān)站即取水樞紐斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量5.82億t ，多年平均含沙量為23.5 kg/m3。

2.1.2泥沙顆粒中數(shù)粒徑較大

經(jīng)過(guò)黃河中游龍門、吳堡水文站與黃河上游蘭州、石嘴山段大量泥沙粒徑分析可知，黃河上游段泥沙含量較中游小，但泥沙顆粒中數(shù)粒徑也較小，黃河中游段泥沙含量較上游大，泥沙顆粒中數(shù)粒徑也較大，相應(yīng)泥沙顆粒中數(shù)粒徑較大時(shí)，泥沙沉降性能好，易于處理。

2.1.3冬季低溫低濁

黃河冬季溫度較低，黃河延水關(guān)河段每年冬季有流凌現(xiàn)象。在低溫情況下，藥劑的絮凝、反應(yīng)較差，當(dāng)濁度<100 NTU，處理要求在出水水質(zhì)<1 NTU時(shí)，對(duì)處理技術(shù)難度應(yīng)該有足夠重視。

2.1.4黃河水體微污染

根據(jù)黃河中游來(lái)水及冬春時(shí)節(jié)水污染較重的特點(diǎn)，特選定11月、2月、4月三個(gè)時(shí)間段對(duì)水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。根據(jù)陜西省城市供水地表水水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目和延安市疾病預(yù)防控制中心要求，延安水質(zhì)監(jiān)測(cè)站特對(duì)黃河延水關(guān)取水口水樣的主要30項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了檢測(cè)。黃河延水關(guān)斷面水質(zhì)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　黃河取水口河段水質(zhì)常規(guī)檢驗(yàn)報(bào)告

從檢測(cè)報(bào)告可以看出，黃河取水口斷面水質(zhì)除泥沙、總氮較高之外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，是可以滿足取水要求的。因此，在黃河延水關(guān)水處理工藝中，必須充分考慮黃河水濁度高、冬季低溫低濁、微污染的特點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)處理。

2.2水質(zhì)檢測(cè)方法

常用的凈水工藝主要有自然沉淀、混凝沉淀或澄清、過(guò)濾、消毒，以及針對(duì)不同原水性質(zhì)而采用的氣浮、氧化及吸附等。但我國(guó)目前凈廠大都采用的工藝是混凝沉淀或澄清、過(guò)濾、消毒，也就是通常說(shuō)的常規(guī)水處理工藝。目前，在黃河水質(zhì)處理中有以下幾種水處理工藝。

2.2.1高濁水及低溫低濁水的常規(guī)處理工藝

高濁度水系指濁度較高，有清晰的界面分選沉降的含砂水體，其含砂量為10～100 kg/m3。

當(dāng)原水溫度、濁度低時(shí)，顆粒碰撞速率大大減小，混凝效果較差。為提高低濁原水的處理效果，通常投加高分子助凝劑或投加礦物顆粒，以增加混凝劑水解產(chǎn)物的凝結(jié)中心，提高顆粒碰撞速率并增加絮凝密度，一般可采用澄清工藝。

2.2.2新型澄清池

常規(guī)水處理工藝對(duì)于黃河水質(zhì)來(lái)說(shuō)，難以達(dá)標(biāo)，這便產(chǎn)生了新型澄清池水處理工藝。澄清池池體除反應(yīng)筒、導(dǎo)流室的導(dǎo)流板，以及擋泥板、集水槽等部件為鋼板外，其余均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝室錐形坡度為45°，導(dǎo)流室壁坡度為55°～60°。其工作原理及流程如下。

①混凝劑經(jīng)管道混合器與原水充分混合后，沿切線旋流進(jìn)入中筒，在I區(qū)混合反應(yīng)。視原水濁度確定是否投加助凝劑(聚丙烯酰胺)。進(jìn)入的部分懸浮物經(jīng)過(guò)混合反應(yīng)后在Ⅱ、Ⅲ區(qū)完成沉淀分離。②I區(qū)完成旋流后的渾水經(jīng)中筒上部導(dǎo)流板進(jìn)行流態(tài)穩(wěn)定后翻出，進(jìn)入中筒與導(dǎo)水板之間的絮凝區(qū)，隨過(guò)水?dāng)嗝嬖黾?、流速逐漸變小，在此過(guò)程完成絮體成長(zhǎng)。③渾水出導(dǎo)水板進(jìn)入外側(cè)污泥懸浮區(qū)，懸浮區(qū)由底部濃縮區(qū)上部45°的斜壁，分離室55°的導(dǎo)流壁、導(dǎo)水板、傘形板構(gòu)成錐底式泥渣懸浮區(qū)域，在次區(qū)域完成接觸絮凝。④水流進(jìn)入澄清區(qū)Ⅵ后，因上升流速驟減，挾絮體渾水在此完成固液分離。⑤在澄清區(qū)Ⅵ上部增設(shè)斜管，進(jìn)一步控制水中殘余絮體。⑥澄清池底部、中筒以下設(shè)45°錐體泥斗，底部設(shè)排泥管，由于靜水壓強(qiáng)很大，當(dāng)打開(kāi)排泥閥時(shí)，底部產(chǎn)生很高的流速，使積泥通暢地排出。

新型澄清池工藝與傳統(tǒng)工藝相比，壓縮了工藝流程，節(jié)省了投資，減少了占地面積，而且提高了流程運(yùn)行的安全可靠性，保證了出水水質(zhì)及運(yùn)行的穩(wěn)定性，完全適用于高濁度水和低溫低濁水的處理。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展到第三代池型，但只適宜小型水廠建設(shè)。

2.2.3旋流造粒高濁度水處理技術(shù)即 HPS澄清池水處理技術(shù)

旋流造粒高濁度水處理技術(shù)即HPS澄清池水處理技術(shù)是通過(guò)對(duì)新型澄清池進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn)，將第Ⅲ代池型上部斜管區(qū)的圓形結(jié)構(gòu)改為上方下圓型結(jié)構(gòu)，形成了獨(dú)特的水處理技術(shù)，既能處理高濁度水，也能處理低溫低濁水的澄清技術(shù)，適應(yīng)大規(guī)模水廠的建設(shè)。其技術(shù)核心及原理：在有機(jī)高分子混凝劑的混凝過(guò)程中，通過(guò)控制混合和攪拌條件，生成密實(shí)的顆粒狀絮凝體的技術(shù)。通過(guò)合理控制無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)高分子混凝劑的投加和混合條件，使水中顆粒物微脫穩(wěn)；在上向流體中，通過(guò)控制水力旋流條件形成高濃度、大粒徑的顆粒懸浮層；在穩(wěn)態(tài)下，新進(jìn)入微小顆粒與懸浮層顆粒通過(guò)逐一附著，形成致密型絮凝體。適用范圍為懸浮物含量1000～20 000 mg/L的天然原水和污廢水。

HPS澄清池與原新型澄清池相比具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：占地面積進(jìn)一步減小，運(yùn)用水力旋流造粒技術(shù)，減小了投藥量，進(jìn)一步提高了工藝。進(jìn)水含沙量范圍從1～70 kg/m3，既能夠處理高濁度水，也能處理低溫低濁水，出水達(dá)到5 NTU左右，適用于大型規(guī)模的水處理工程， 便于模塊化設(shè)計(jì)施工。池體高度下降5 m，水泵揚(yáng)程減小，節(jié)電降耗，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。 沉淀區(qū)容積增大，增加了水處理能力，有效保證了出水水質(zhì)。

3　結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)對(duì)3種黃河水質(zhì)處理工藝比對(duì)，HPS澄清池水處理工藝更適宜于延水關(guān)水質(zhì)處理。雖然該工藝在黃河上游的許多工程中已經(jīng)應(yīng)用，現(xiàn)在黃河延水關(guān)泥沙處理站進(jìn)行水質(zhì)處理生產(chǎn)裝置試驗(yàn)，根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》的要求，本裝置的泥沙預(yù)處理規(guī)模按實(shí)際設(shè)計(jì)單池的1/10設(shè)計(jì)(日出水量1300 m3/d，每小時(shí)出水量54.2 m3/h)。本裝置的設(shè)計(jì)壽命為15 a，采用鋼結(jié)構(gòu)，達(dá)到永臨結(jié)合的目的。

本試驗(yàn)按照進(jìn)水條件的不同分為兩個(gè)工況。工況一：以試驗(yàn)階段的現(xiàn)狀黃河水為原水，根據(jù)檢測(cè)，含沙量在2.85～10.96 kg/m3范圍之間，濁度在2000～9000 NTU范圍之間。工況二：為了考察延安黃河引水工程提出的最大設(shè)計(jì)進(jìn)水泥沙含量60 kg/m3以內(nèi)的處理效果，試驗(yàn)組向黃河水中投加岸邊泥沙提高進(jìn)水含沙量。與此同時(shí)，在本工況下，試驗(yàn)組重點(diǎn)考察了異常情況下(含沙量在60～90 kg/m3)下處理裝置的抗沖擊負(fù)荷能力。因此，本工況的含沙量在30～90 kg/m3范圍之間，濁度在11 700～26 500 NTU范圍之間。

本試驗(yàn)歷時(shí)25 d，共采集各類水樣700多個(gè)，處理各類數(shù)據(jù)1000多個(gè)，完全滿足黃河水質(zhì)處理要求，后形成了《延安黃河引水工程延水關(guān)泥沙預(yù)處理試驗(yàn)報(bào)告》，經(jīng)陜西省水利廳組織有關(guān)專家對(duì)試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行審查，認(rèn)為黃河水含沙量在20～60 kg/m3時(shí)，HPS高效澄清池技術(shù)的處理能力、處理效率、出水水質(zhì)、排泥耗水量、藥劑用量等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足工程設(shè)計(jì)要求，完全適用于延安黃河引水工程的泥沙預(yù)處理。結(jié)合延安黃河引水工程沿線的地形情況、取水水源的位置、以及遠(yuǎn)期該地段黃河水利樞紐的建設(shè)，現(xiàn)對(duì)延水關(guān)泥沙處理站水質(zhì)試驗(yàn)處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為推薦方案，原方案為比選方案，工藝流程圖分別如下。

(1)延水關(guān)水質(zhì)處理推薦方案工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1　優(yōu)化設(shè)計(jì)推薦方案工藝流程圖

推薦方案擬在延水關(guān)泥沙處理站設(shè)HPS澄清池2座共計(jì)4組，進(jìn)水含沙量≤60 kg/m3,出水濁度≤10 mg/L，出水水質(zhì)直接達(dá)到工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),泥沙全部排至取水口附近堆泥庫(kù)，進(jìn)行處理。

(2)比選工藝流程框圖

比選方案在延水關(guān)泥沙處理站設(shè)3座直徑為φ100 m幅流沉淀池，進(jìn)水含沙量≤60 kg/m3,出水含沙量≤0.5 kg/m3，經(jīng)過(guò)延水關(guān)二級(jí)、三級(jí)泵站加壓進(jìn)入高家灣水廠絮凝、沉淀池處理后，出水濁度≤10 mg/L，達(dá)到工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2種預(yù)處理工藝最大的不同點(diǎn)是：推薦方案HPS澄清池出水水質(zhì)可直接達(dá)到工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即出水濁度≤10 mg/L，處理流程短。HPS澄清池出水不須再做任何處理，可直接超越處理設(shè)施直接進(jìn)入高家灣清水池，供工業(yè)園區(qū)及東川水廠用水，投資少，運(yùn)行成本低，使得運(yùn)行管理更加簡(jiǎn)便。

比選方案輻流沉淀池出水水質(zhì)不能直接達(dá)到工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，即出水含沙量為0.5 kg/m3，若要滿足工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，必須經(jīng)過(guò)高家灣水廠沉淀池進(jìn)一步處理，處理流程長(zhǎng)。

通過(guò)研究延安黃河引水水質(zhì)處理方案，表明在黃河中游引水采用HPS澄清池水處理工藝可以解決劣五類水質(zhì)問(wèn)題，具有開(kāi)創(chuàng)性，為提高黃河水利用率提供了參考。該技術(shù)成果已列入陜西省科技廳13 115科技創(chuàng)新工程重大科技產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，已獲得國(guó)家專利技術(shù)。

[1]苗磊. 延安市水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及供需平衡分析[J].陜西水利，2011(4)：33-36.

[2]薛長(zhǎng)青.延安黃河引水工程康家溝事故應(yīng)急水庫(kù)輸水方案探討[J].地下水，2014(5)：163-166.

[3]劉健. 延安黃河引水工程水保防治措施效益分析[J].陜西水利，2015(4)：121-122.

趙靜(1983-)，女，工程師，主要從事水利土木工程方面的工作。

TU991.2

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2096-0506(2016)08-0060-04