秦關(guān)喆，謝志誠，劉紫璇

（蘭州城市供水（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

蘭州城市供水（集團(tuán)）有限公司第二水廠不僅承擔(dān)著全市人民生活過濾水的供給重任，也是工業(yè)用戶用水的主要供水來源。工業(yè)在我國是作為農(nóng)業(yè)之后的第二大經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，可隨著全球生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)破壞，工業(yè)水資源供需之間的矛盾也日漸明顯，而提高工業(yè)水資源有效利用率則是解決這一矛盾的最有利途徑之一。工業(yè)水在能源化工行業(yè)的生產(chǎn)制造工序中發(fā)揮著循環(huán)、洗滌和冷卻等重要的作用[1]。工業(yè)水的供需要求仍然是保證水質(zhì)和水量，水質(zhì)需求主要為濁度方面，較低的濁度是在保證經(jīng)濟(jì)效益的前提下水中含有較少的雜質(zhì)，雜質(zhì)越少對于工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)工序和工業(yè)水管道的影響就越小。在實(shí)際生產(chǎn)中，工業(yè)水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)引起的后果也較為嚴(yán)重，對管道腐蝕或者結(jié)垢影響工業(yè)水的正常輸送，從而直接影響工業(yè)生產(chǎn)。工業(yè)水由第一水廠所供給的命名為工業(yè)一次水，經(jīng)輸水管道自流進(jìn)入第二水廠并由第二水廠二次集水井供給的命名為工業(yè)二次水。第二水廠二次工業(yè)水供水量約為50 000 m3/d。因臨時(shí)泵房工程存續(xù)期周邊需持續(xù)進(jìn)行降水工作，沉降水日排放量較大，沉降水經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)檢測，鑒定沉降水可作為工業(yè)二次水的來源完全符合用戶需求?；厥粘两邓┕I(yè)用戶使用，可達(dá)到節(jié)能降耗的目的，并能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

為保證第二水廠臨時(shí)泵房安全運(yùn)行，周邊5個(gè)沉降水井內(nèi)的潛水泵處于24 h的工作狀態(tài)，單泵流量為25 m3/h，揚(yáng)程為26 m，轉(zhuǎn)速為2 860 r/min，出水口管徑為65 mm。5臺潛水泵需日夜不間斷運(yùn)行，沉降水經(jīng)潛水泵抽出后匯入DN200排水總管進(jìn)入沉砂池，經(jīng)沉淀泥沙后流入清水池，再由DN250鋼制排水管直接進(jìn)入生產(chǎn)廢水渠，經(jīng)檢測該沉降水主要為地下水，濁度常年穩(wěn)定在2 NTU左右，日排水量為825 m3左右，而第二水廠供給工業(yè)用戶的工業(yè)二次水濁度標(biāo)準(zhǔn)為不超過50 NTU，因此其臨時(shí)泵房沉降水濁度完全滿足工業(yè)二次水水質(zhì)要求。

1 沉降水水質(zhì)分析

沉降水的來源實(shí)質(zhì)為臨時(shí)泵房建成后周邊地下水的聚集而形成的。有研究表明，近年來黃河流域地下水水位總體呈現(xiàn)增加的趨勢，流域的地下水水位變化形態(tài)穩(wěn)定。黃河流域地下水根據(jù)其賦存介質(zhì)主要有五大類，而第二水廠地下水歸屬于松散巖類孔隙地下水和凍結(jié)層地下水兩大類。前者有含水層富水性高，分布不均勻的特性。后者的分布面積受氣候變暖石化效應(yīng)影響，近年來冰川整體面積減少，冰川融水增加。原因主要是地表植被覆蓋度增加、降水量增加、灌溉入滲補(bǔ)給量增加，而地下水的開采活動減少等諸多因素，致使地下水存貯量較為豐富[2]。

地下水環(huán)境影響因素較多，引起污染的元素主要包括砷、氟、硒、碘四類，且以上四類元素能夠引起特定地區(qū)飲水型疾病。通過研究評價(jià)結(jié)果同時(shí)參考GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》能夠看到黃河流域大部分地下水中的砷、氟、硒、碘四類元素水平為人類活動適宜區(qū)間。

1.1 水質(zhì)測定

濁度是標(biāo)志水質(zhì)最直觀的參數(shù)之一，通常水體中所包含的有機(jī)物濃度高低、膠體顆粒的數(shù)量、微生物、藻類和泥沙等其他雜質(zhì)均影響濁度的高低。水質(zhì)檢測時(shí)濁度使用哈希臺式濁度儀進(jìn)行測定，測定時(shí)需要提前預(yù)熱儀器，在清潔容器中裝入水樣并搖勻以防發(fā)生沉降，再將水樣裝入儀器樣瓶至刻度線，擦拭干凈沒有水漬和雜質(zhì)后放入儀器樣池，進(jìn)行測定讀取示數(shù)。

pH顯示的水質(zhì)的酸堿性會直接影響在工業(yè)生產(chǎn)中投加混凝劑或者其他藥劑所發(fā)揮的效果。pH利用雷茲PHSJ-3F型號的復(fù)合電極進(jìn)行測定，把水樣裝入清潔50 mL燒杯中，用蒸餾水沖洗電極探頭尤其是電極珠，再用干凈的濾紙輕緩地擦拭干凈電極上殘留的蒸餾水以保證結(jié)果準(zhǔn)確，然后將電極放入水樣中觀測示數(shù)并讀取記錄。

水溫主要影響水中膠體粒子做布朗運(yùn)動，水溫高低同布朗運(yùn)動快慢成正相關(guān)，而膠體布朗運(yùn)動則影響藥劑投入后作用的發(fā)揮。水溫由量程為0～100℃的玻璃棒溫度計(jì)測定，溫度計(jì)示數(shù)在水樣中穩(wěn)定后方可讀取記錄。

總硬度通過滴定法加入乙二胺四乙酸二鈉標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行測定水源水的總硬度。測定時(shí)首先加入緩沖液和滴定指示劑，緩沖液一般只需要加入1～2 mL，指示劑為鉻黑T加入5 mL，然后迅速加入標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行滴定，待指示劑顏色從紫紅色變?yōu)樗{(lán)色且顏色穩(wěn)定不再變化為止，記錄滴定所需要的標(biāo)準(zhǔn)液用量，進(jìn)行計(jì)算可以得出水樣中的總硬度[3]。

水質(zhì)檢測結(jié)果和合格范圍均需符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5750.4—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 感官性狀和物理指標(biāo)》中規(guī)定的相關(guān)內(nèi)容。

1.2 水質(zhì)測定結(jié)果分析

目前第二水廠所供工業(yè)用戶對水質(zhì)的要求為供水濁度小于或等于50 NTU，為保證工業(yè)用戶對供水水質(zhì)的要求，確定水質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)，水質(zhì)中心經(jīng)過連續(xù)5 d對沉降水的取樣化驗(yàn)、分析檢測，所得水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 沉降水水質(zhì)檢測值

可以看到，沉降水的濁度、pH、水溫、總硬度等指標(biāo)均按照GB/T 5750.1—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》測定，測定值顯示平均濁度1.35 NTU，平均pH為8.28，平均水溫15℃，平均總硬度305.8 mg/L。在GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定濁度在10 NTU以下，pH小于9，大于5.5，總硬度不大于550 mg/L則為合格，以上數(shù)據(jù)表明沉降水完全符合工業(yè)用戶的供水要求。

2 沉降水自動回收裝置技術(shù)改造

2.1 利用原有沉砂池改造為集水井

改造之前集水井收集沉降水并經(jīng)過簡單泥沙初步沉淀后直接接入廠區(qū)生產(chǎn)廢水渠排出，沒有做到對水資源的有效合理利用。原沉砂池尺寸為長×寬×高=2 m×1.5 m×2 m，被分為兩格，第一格為進(jìn)水間，主要作用為收集5個(gè)沉降井抽送的地下水并預(yù)沉水中泥沙及其他雜質(zhì)，而后通過距集水井底70 cm處的兩個(gè)尺寸為長×寬=200 mm×200 mm方形配水孔自流進(jìn)入第二格。第二格距離井底60 cm處的池壁上埋設(shè)有DN250鋼制直管段排水管與污水渠聯(lián)通。集水井發(fā)揮的作用僅為單一的匯集，由于出水管液位較低沒有經(jīng)過足夠的泥沙初沉階段，水質(zhì)參數(shù)在不同時(shí)段會出現(xiàn)不同程度的起伏變化，不會維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

為避免對水資源造成浪費(fèi)，提出了針對臨時(shí)泵房沉砂井進(jìn)行改造，沉降水回用作為重點(diǎn)。改造考慮保留原來的沉砂池，最大范圍內(nèi)節(jié)約改造成本，節(jié)約構(gòu)筑物占地面積，施工工期較短不影響水廠現(xiàn)行生產(chǎn)運(yùn)行。將原有DN250鋼制排水管加裝DN250彎頭，彎頭上方加裝長為1 m的DN250立管，改為溢流管，溢流水位1.85 m。原來集水井水直接排出，將沉砂井排水口改造成為高水位溢流排水后能夠保證沉砂池最大限度地發(fā)揮作用，泥沙沉淀的時(shí)間增加后能夠保證供水水質(zhì)。

如圖1所示，水通過進(jìn)水管口進(jìn)入沉砂池，再由沉砂池和清水池隔墻上的兩個(gè)配水孔進(jìn)入清水池，原來的排水口改為1.85 m溢流水位的溢流管。

圖1 原沉砂池改造吸水井立面圖

2.2 壓水管路及潛水泵的選型設(shè)計(jì)及計(jì)算

在泵組選型時(shí)，首要滿足輸水最不利的工況點(diǎn)情況，即在管道最大輸水壓力和流量的情況下，依據(jù)壓力值和流量值進(jìn)行水泵選型。在考慮技術(shù)參數(shù)的重要前提下結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益匹配相應(yīng)型號的泵組[4]。隨著進(jìn)水和出水水位的變化，水泵的運(yùn)行效率也會相對應(yīng)地出現(xiàn)變化。在輸水系統(tǒng)中泵組工況與水力條件的匹配度是至關(guān)重要的部分，不僅關(guān)系到水量輸送的效率及進(jìn)出水管路相關(guān)配件的使用，還直接影響節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)影響。水泵選型的難點(diǎn)就是在水泵整體運(yùn)行過程中找出其揚(yáng)程和流量對應(yīng)的特性曲線。通常情況下能夠通過Q-H特性曲線圖解法或者列出相關(guān)謝才曼寧公式的數(shù)解法得出相對應(yīng)的泵組流量和揚(yáng)程的選型數(shù)據(jù)。若利用水泵特性曲線進(jìn)行初選時(shí)，適宜使用排除法進(jìn)行選擇，即利用Q-H的最大值和最小值同最低的等效曲線閉合區(qū)域?yàn)榕懦x項(xiàng)進(jìn)行選擇。

集水井內(nèi)潛水泵的選型計(jì)算依據(jù)：

沉砂池內(nèi)排水量為825 m3/d，即為35 m3/h，0.01 m3/s。

當(dāng)管徑小于250 mm時(shí)，壓水管路的設(shè)計(jì)流速為1.5～2.0 m/s，取v=1.5 m/s。根據(jù)Q=0.01 m3/s，管內(nèi)徑為100 mm。查得沿程阻力損失系數(shù)λ=0.038。因此根據(jù)沿程水頭損失公式：

式中：λ——水力摩阻系數(shù)；

L——管道長度（m）；

Di——管道內(nèi)徑（m）；

v——平均流速（m/s）；

g——重力加速度，g=9.81 m/s2。

式中1.1表示壓水管路中局部水頭損失，按管中沿程損失的10%計(jì)，總水頭損失：

∑h=1.1∑hf=1.1×5.23=5.75 m

水泵的靜揚(yáng)程H=2.0+1.0+6.0=9.0 m

所以水泵總揚(yáng)程H=9.0+5.75=14.75≈15 m

因此，選用100WQ65-15-5.5型潛水泵，揚(yáng)程15m，流量65 m3/h，滿足集水井內(nèi)抽水水量和揚(yáng)程的要求。

如圖2所示，從集水井至二次集水井新敷設(shè)的管道全長120 m，全程采用DN110（管內(nèi)徑為100 mm）波紋橡膠管，出水管路上設(shè)有DN100過濾器1個(gè)，DN100流量表1塊，DN100閘閥1個(gè)，DN100逆止閥1個(gè)及DN100的彎頭5個(gè)。

圖2 沉降水自動回收裝置平面布局圖

2.3 自動控制原理

沉降水自動回收裝置的控制原理就是浮球閥開關(guān)通過液位的上下波動實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉的工作狀態(tài)。在集水井第二格內(nèi)安裝潛水電泵和液位式不銹鋼干簧管浮球控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位控制自動開、停潛水泵，水位到達(dá)高線時(shí)自動開泵，將沉降水抽送至二、三號二次集水井內(nèi)，水位回落至低線時(shí)自動停泵，水位升高時(shí)如果浮球控制系統(tǒng)失靈，可通過改造后的溢流管流入生產(chǎn)廢水渠，不會對集水井產(chǎn)生安全隱患。電氣系統(tǒng)裝有三相電度表一塊，三相四回路配電柜一個(gè)，兩套自動控制系統(tǒng)。潛水電泵利用浮球控制開關(guān)自動開停，無需人員值守，只需定時(shí)巡檢即可。

如圖3所示的是自動控制裝置電氣原理圖。工作原理是當(dāng)集水井水位上升到設(shè)定的上限位時(shí)，永久磁鐵同干簧管G1接近，在永久磁鐵作用下，G1內(nèi)部繼電器線圈通電后與常開接點(diǎn)KR1接通，控制回路閉合，交流接觸器KN得電工作，輔助接點(diǎn)KN1閉合，使水泵電機(jī)旋轉(zhuǎn)開始向外抽水；當(dāng)集水井水位下降到設(shè)定的下限位時(shí)，永久磁鐵同干簧管G2接近，在永久磁鐵作用下，G2內(nèi)部常閉接點(diǎn)KR2斷開，控制回路斷開，交流接觸器KN失電停止工作，水泵停止抽水[5]。

圖3 自動控制裝置電氣原理圖

自動上水裝置在完全滿足沉降水收集、預(yù)沉及輸送等功能的同時(shí)不需要人員值守，在崗位工作人員緊缺的情況下不影響其功能的實(shí)現(xiàn)。

3 改造后運(yùn)行結(jié)果

3.1 運(yùn)行效果

2019年，通過自動回收裝置投入運(yùn)行一年來的運(yùn)行情況來看，運(yùn)行安全、穩(wěn)定。

3.2 運(yùn)行、維護(hù)管理

無需常駐人員值守，只需泵房值班員每日定時(shí)巡檢即可，大大降低了值班員的勞動強(qiáng)度，緩解了班組人員緊張的情況。

3.3 運(yùn)行產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

通過沉降水回收裝置一年來的應(yīng)用，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)行維護(hù)成本極低，大大降低了員工的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人員成本開支，并產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益，直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值為每年回收工業(yè)二次水30.1×104m3，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值為38.78萬元/年。

4 結(jié)語

通過對原有沉砂池的結(jié)構(gòu)和裝置的優(yōu)化，完成了對沉降水回用自動化的改造，此次改造中沉降水的回用一方面在解除地下水對臨時(shí)泵房建筑危害的同時(shí)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，另一方面高效利用了寶貴的水資源，使其為工業(yè)用戶提供了符合要求水量和水質(zhì)的工業(yè)二次水。就地進(jìn)行改造能夠最大程度節(jié)約成本，利用水位限值高低變化自動控制水泵的啟停。這一自動上水裝置在節(jié)約水資源的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了回用水自動抽送的目的。

（1）沉降水水質(zhì)符合工業(yè)用戶水質(zhì)需求且水量充足，完全可以回用作為工業(yè)二次水來供應(yīng)，在解決沉降水對建筑存在潛在危害的同時(shí)能夠創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（2）根據(jù)數(shù)解法精確的計(jì)算出沉砂池內(nèi)排水量為825 m3/d時(shí)，選用100WQ65-15-5.5型潛水泵，揚(yáng)程15 m，流量65 m3/h。

（3）潛水泵的開啟與停用由浮球閥根據(jù)集水井內(nèi)水為實(shí)現(xiàn)自動控制，只需要定時(shí)巡檢即可。該工藝可設(shè)置為無人值守，節(jié)約人工成本且安全有效運(yùn)行。