长江上游高浊水处理的两级沉淀工艺

郭雯霞

　　【摘要】 本文针对长江上游原水水质特点，结合梁沱水厂工程实践，对高浊度水沉淀工艺进行了探讨研究，提出了两级沉淀工艺构想。
　　【关键词】 高浊度 含沙量 预沉 混合 絮凝 沉淀 整流

　　长江上游流段包括其支流纵坡大、洪水流量形成时间短、水流急其强烈的冲涮作用使河水携带了大量的泥沙，加之八十年代以来上游植被的人为破坏，更加剧了雨季河水中泥沙的含量，形成长江上游特有的高浊度原水，给水质净化带来了难度，同时也对给水处理工艺提出了一个新的课题。长期以来不少专家学者一直从事长江上游高浊度水处理工艺的研究，不断的寻求高效、经济的方法。
　　1988年我院接受了重庆市梁沱水厂30万m³／d水厂的设计任务，其水源正是长江上游主要支流嘉陵江，是典型的高浊度水源，从而也使我们加入到研究长江上游高浊度原水处理工艺的行列之中。

1 梁沱水厂工程水源概况

　　梁沱水厂位于重庆市江北区。江北区为重庆市的重点开发区。为解决该地区用水严重不足并考虑今后该区的发展，重庆市政府决定兴建梁沱水厂，该工程总规模为日供水30万m³，一期工程日供水20万m³。
　　嘉陵江为长江上游（三峡以上）的主要支流，取水地点距两江会合地点约十三、四公里。由于受季风影响，每年5～10月长江上游为多雨季节，常出现大面积降雨，此时取水地点江水迳流量最高可达44800m³／s，而在枯水季节（每年12月份至来年3月）取水地点迳流量最低也在242m³／s。嘉陵江水资源是比较丰富的，但迳流量在年内分配极不均匀；洪水季节由于江水迳流量猛增，水位同时急剧上涨；枯水季节则相反，因此使嘉陵江原水水位变幅很大。在梁沱水厂工程取水地点，江水百年一遇高水位与97％保证率低水位水位之差达35.5m，形成水量水位季节性突长陟降的特点。嘉陵江水的水量，水位的这种变化又引发了水质变化大的特点：
　　①原水浊度变化大：嘉陵江原水汛期由于河流纵坡大，流量可在短期增长，携带大量泥沙下泄，水位也随之急剧升高。同时由于上游植被遭受人为的破坏，使江水的浊度及泥沙含量急剧升高，枯水季节流量减少，水位降低，江水的含沙量及浑浊度降低。重庆市高家花园水厂位于梁沱水厂工程下游约1Km左右，同样以嘉陵江水为水源。从高家花园水厂的多年运行资料可以看出，该段河流汛期源水浑浊度在1984年曾达到60000NTU，历时20小时。每年发生的浑浊度大于10000NTU的时间，约在十几天左右，每次发生可持续一、二天。浑浊度大于5000NTU以上的情况在汛期经常发生。在枯水季节原水浑浊度大为降低，一般在几十NTU至100NTU左右，最低可达10～20NTU。
　　嘉陵江原水浑浊度变化除汛期、枯水季节之间变化大外，在汛期中浑浊度变化波动起伏也很急剧，有时一两天内可由几百NTU升至几千NTU，再升至万NTU以上。
　　原水中的浑浊度大多由上游冲涮下来的黄壤土构成，但在洪水季节个别时间也会出现较难处理的灰白色的原水。
　　②原水汛期泥沙量大：嘉陵江原水中含有一定的沙粒，经常出现沙量大于泥量的情况。根据记载，原水最大含沙量年际均有起伏波动，水厂工程取水地段含沙量最高可达32.8kg／m³，最大年平均含沙量为2.29kg／m³。
　　根据水文年鉴记载，嘉陵江原水中泥沙粒径也比较大：泥沙颗粒粒径一般小于0.5mm，其中粒径小于0.25mm的占99％以上；小于0.1mm的占95％以上。
　　③由于上述原水的水质特点，在净水工艺流程的选择中，考虑汛期源水中泥沙含量大；沙量大于泥量，且沙在水中因其粒径较粘土等细微颗粒大，易于下沉；汛期源水浊度变化剧烈等特点，解决汛期高浑浊度原水的混凝，沉淀工艺及相关的工艺问题使沉淀出水水质达到滤池的进水要求，是保证净水厂出水水质的至关重要问题，也是保证供水水质的关键所在。

2 长江上游高浊度水沉淀工艺的比选

　　采用常规的一般混凝、沉淀工艺的不同池型，出水浊度一般可达10NTU，能够满足滤池的进水要求，适应原水浊度的范围值约在2000～3000NTU左右。当原水浊度高于5000NTU时，无论任何形式的一级混凝，沉淀池出水都难以达到滤池进水10NTU的要求。对于梁沱水厂，含沙量高达32.8kg／m³，最高浊度超过60000NTU的原水，必须寻求多级沉淀的有效方式。
2.1 长江上游高浊度水处理的典型工艺
　　长江上游高浊度水在处理过程中一般设预沉构筑物，洪水季节源水通过预沉运行，非高浊期间源水跨越预沉直接进入混凝、絮凝、沉淀、过滤达到净水厂出水水质要求。
　　预沉工艺根据药剂投加情况区分为两种方式，即自然沉淀和混凝沉淀。高浊度水的自然沉淀是依靠水中颗粒自重及泥沙颗粒之间的接触碰撞自然絮凝来实现的。高浊度水中泥沙在水介质中的自然沉降运动过程中，能去除粗沙和部分中沙、细沙，也能去除少量粘土。但是高浊水的泥沙自然沉淀，包括泥沙自絮凝状态下的自凝沉淀，由于絮体小、结构松散、密度较低等原因，泥沙的自然沉降速度很小，浊度的去除率低，沉淀效果不理想。重庆市自来水公司曾对嘉陵江沙坪坝河段（临近梁沱水厂取水地点）于1964年作过含沙量颗粒分析和自然沉降试验其结果见表1、表2。

嘉陵江沙坪坝段含沙量粒径分析表　　表1 采样日期 小于某粒径（mm）沙重的百分比（％） 嘉陵江原水 0.01 0.025 0.05 0.10 0.25 浊度（NTU） 悬浮物
（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浊度试验（静置沉降）　　表2 试验日期 原水浊度（NTU） 静置沉降时间 1h 1.50h 2h 3h 4h 1964，7，17 2000 沉降后上层水 1800 1800 1750 1770 1600 1964，7，23 9000 样剩余浊度 3000 3100 2800 1900 1500

　　因高浊水自沉效果差，采用自沉方式去浊，在构筑物容积计算时，停留时间往往需以天计才能达到预沉效果，因此自然沉淀具有池容积大、占地面积大、容积利用率低、工程量大、清除沉沙（泥）难以机械化等缺点，难于在实际工程中应用。此后，一些水厂在沉淀前加沉沙池靠自然沉淀作用去除大部分的含沙量，然后进入混凝沉淀池或机械搅拌澄清池，形成了初级的二级沉淀。随着原水含沙量的升高和对出水浊度要求的更加严格，逐步形成了典型的两级沉淀工艺处理高浊度原水。
　　但是一些水厂（如四川维尼纶水厂，重庆黄桷渡水厂等）虽一级采用了斜管沉沙，在高浊期投加混凝剂，但由于没有完善的混合、反应装置，所以对浊度的去除率不高。重庆和尚山水厂是80年代末修建的水厂，采用了二级均投加混凝剂的完善混合、反应、沉淀工艺。代表了现代的二级混凝、沉淀水平。
2.2 梁沱水厂沉淀工艺的选择
　　在处理高浊度原水的工程设计中，工艺流程的选择是设计关键问题之一，它对工程本身的节省投资，减少占地，提高表面负荷降低运行费用，保证出水水质以及供水安全性方面均有直接的影响。
　　在进行工艺设计时，设计针对原水水质条件及该厂出厂水浊度一般情况下不大于1NTU的较高水质要求，结合重庆地区采用嘉陵江原水水厂的运行经验沉淀或澄清后的水在进入滤池前的浑浊度一般不宜超过10NTU，遇高浊水或低温低浊原水时，不宜超过15NTU，确定该厂的工艺流程为两级混合、絮凝、沉淀及过滤工艺。
　　在方案设计中对两级混凝、沉淀池型进行了认真的研究比选，为保证出水浊度小于10NTU，最后确定在该工程中采用带有平流预沉区的两级斜管沉淀池。两级沉淀的工艺流程和主要技术参数见图1、图2。

　　 设计选用的两级混凝沉淀工艺首先加强了混合、絮凝的环节：机械混合可以确保在流量的任何变动情况下都能获得理想混合效果；网格反应和竖流隔板反应则对于长江水具有成熟的使用经验。两级沉淀设计中的新意之处在于平流预沉区的加设。
2.2.1 沉沙是一级平流预沉区的主要功能
　　一般来说泥沙分类粒径大于0.05mm的称为沙，小于0.05mm的为“±”形成浊度。
　　嘉陵江原水含沙量历史记录高达32.8kg／m³最大年平均含沙量为2.29kg／m³，高含沙量的原水如果直接进入斜管沉淀会加大斜管的固液分离负荷，影响斜管的去浊功能。在斜管沉淀前加设平流预沉区，则可以充分利用沙的良好沉淀性能，将80～90％的粒径0.05mm以上沙在该区沉淀下来。沙的沉淀主要是重力的自然沉淀过程。水厂进水虽然投加了混凝剂，但由于混凝剂水解后，主要作用是中和电荷相对携带量较多的是粘土颗粒和胶体颗粒。而沙粒的容积电荷率很小，几乎不消耗混凝剂，或者说混凝剂对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。与此同时，在平流预沉区还可以将颗粒构成较粗，矾花密度较大的那部分浊度沉下来。在沙粒自然级配的情况下，实践测定证明池底泥沙的分布规律如图3。

　　沉沙（泥）峰值约在全池长的1／4处，前池长1／3去除率可达80～90％左右，是沉淀的高效区，较大颗粒均在该时段沉淀下来，剩余的小颗粒沉速低，则需要较长时间（较小的表面水力负荷）才能沉至池底被截留。平流预沉区就是利用了自然级配颗粒的这一特点：以较小的停留时间（大的表面水力负荷）去除大多数沙粒，起到沉沙功能，同时在这段时间也可以将在絮凝作用下形成的密度较大的较易沉淀的那部分由浊度形成的矾花沉淀下来。一般根据水中浊度的颗粒构成不同，在平流预沉区对浊度的截留率可在30％～60％之间，所以平流预沉区主要是除沙兼有去浊的功能，起到对原水中固体物的消峰作用，从而大大减轻了其后斜管的固体负荷率。
　　一级沉淀中的斜管沉淀区，即使有了前面的预沉区，去除了大部分沙和一部分浊度，高浊时如30000NTU；预沉区除浊60％进入斜管的浊度还有12000NTU，无疑斜管的工作情况仍处于拥挤沉淀的范围之内，一级斜管的拥挤沉淀特点，决定了只能利用表面固体负荷做为主要参数来设计，表面水力负荷已失去意义。当处理水量一定时（即表面水力负荷一定时），斜管拥挤沉淀的效果取决于表面固体负荷，表面固体负荷率越高出水浊度也随之升高，固体负荷率与进水浊度（加上含沙量）成正比。所以斜管沉淀的出水浊度和进水浊度可以近似地引为一次相关关系，而混凝自然沉降在一般浊度下（如1000NTU以内）沉淀效果主要决定于表面水力负荷，在表面水力负荷一定的情况下，进水浊度从几十NTU到几百NTU时，混凝、沉淀出水浊度变化不大，这种混凝自然沉降与拥挤沉降具有完全不同的特征，平流预沉区的消峰功能，大大降低了斜管沉淀的固体负荷率，对一级斜管沉淀出水小于1000NTU保证后续二级处理效果起到重要作用。
2.2.2 絮凝沉淀是第二级沉淀的主要特征
　　一级絮凝沉淀后的出水浊度不大于1000NTU经过混合和反应进行二次絮凝，使细小颗粒再次絮凝成沉淀性能好的矾花，在二级沉淀池中去除。
　　二级沉淀池中的平流预沉区，接受的是1000NTU左右的混合絮凝后的进水，其工作原理宏观上属于絮体的自由沉降，在30分钟的时间里大约有50％的去除率，确定进入斜管区水的浊度在500NTU以内，使斜管区在宏观上处于絮体的自由沉降范围，只要表面水力负荷设计合理，就可以得到小于10NTU的浊度，从而保证滤池的正常工作和滤后水小于1NTU的出厂水的要求。如上所述两级混凝沉淀，对于处理含沙量20～30kg／m³，浊度30000NTU原水，使出水在10NTU左右的要求有了多级保证，平流预沉区确切的说已经可以形成一个相对独立，同时具有部分絮凝除浊作用的沉沙池了，这是我们构思梁沱水厂处理嘉陵江高浊度原水的主要新意之处。
2.3 沉淀构筑物选型
　　梁沱水厂工程地处山区，地形条件较差，为节省工程用地和工程投资，沉淀构筑物选型时考虑采用高效，占地少的池型。
梁沱水厂的沉淀构筑物分为两级混合絮凝沉淀。一级沉淀池及二级沉淀的预沉区后均为斜管沉淀区，而矩形池适合于斜管的布设。设计时为减少工程用地，净水构筑物采用的是密集型、集团布置的原则：即一级混合絮凝、沉池池二级混合、絮凝、沉淀池及气水反冲滤池组成一整体。池与池之间利用廊道连接，廊道的上部为渠道，中间为管廊及人行检修、巡视通道、底部为排泥及溢流渠道。为各构筑物连接方便，并结合沉淀池排泥方式的选择，一级沉淀池与二级沉淀池选型均采用矩型。
　　为使进水水流平缓，池进口处设进水花墙整流，预沉区采用方形，预沉区出口再设过水花墙整流。通过二次整流后的原水进入上向流斜管沉淀区，斜管沉淀区上部为清水区，沉淀后的水经过集水支槽至集水总槽进入气、水反冲滤池配水总渠。
　　一级沉淀池、二级沉淀池布置形式相同，但根据两级沉淀除浊的特征采用的数据不同，一级沉淀池预沉区停留时间为0.2小时，斜管沉淀池表面水力负荷为8.95m³／m²·h，二级沉淀池预沉区的停留时间为0.33小时，斜管沉淀区的表面水力负荷为7.07m³／m²·h。
2.4 排泥设备的选择
　　高浊度原水处理中，净化构筑物泥渣的浓缩与排除，是保证净水工艺正常运行的关键问题，沉淀池能否通畅有效的排泥更是沉淀池正常运行的关键，尤其高浊度水泥沙含量高，沉降到池底的泥沙，堆积到一定厚度不能及时排除将减少池子的有效容积，如斜管区底部积泥过高，会影响出水水质使出水浊度升高。所以在池型选择时慎重地考虑了排泥方式及效果。
　　设计考虑一般水平行走的刮泥机，从刮泥量和结构上，难以负担高沉泥负荷要求的巨大动力，所以设计时结合池型，选择了能承担大刮泥负荷和大拖动力的中心传动旋转式刮泥机，运行时刮泥机将沉至池底的泥，刮至池中心排泥斗，再通过排泥管排至池外。
　　由于原水中的泥沙，主要在预沉池中去除，预沉池池底的泥具有量大且易于板结，并且冲击负荷大的特点。针对上述特点，预沉池刮泥机设有过扭保护装置，同时为了防止冲击负荷对刮泥机造成损害，并能在过扭后继续工作，刮泥机还设有过扭后可以自动提耙的装置，运行时刮泥机过扭时会自动将刮耙提起一定高度，降低了刮泥负荷，然后再继续运行，当扭矩降至一定数值时，泥耙会自动下落，直至将冲击负荷造成的泥沙逐步清除，刮泥机进入正常工作状态。
　　在二级沉淀池中考虑沉淀池池底的沉泥主要由絮体构成，且泥量较小，刮泥机不设自动提耙装置；为充分利用池容积，沉淀池刮泥机设自动扫角装置。
　　为使刮泥机正常运行时池底不积泥，预沉池及沉淀池平流区及斜管区底部均用水泥沙浆抹角，预沉池成天方地园，沉淀池仅抹成弧形加导轨，使刮泥机扫角装置顺利工作。

3 运行的实际效果

　　①重庆市梁沱水厂95年8月份开始试运行至今已三年多时间，外管网至今尚未全部形成，故水厂供水量未达到设计负荷。净水厂净水构筑物20万m³／d时分两系列运行，每系列又设两组池，可5万m³／d单独运行，在运行中单组池可达设计负荷。在试运行中进水曾达10000多NTU，预沉池出水小于1000NTU，沉淀池出水4～5NTU（该时未投加助凝剂），投药量约为20mg／1，在一般浊度情况下沉淀池出水均达到小于10NTU的设计要求。
　　②运行三年来刮泥机运行正常未出现故障。
　　③通过梁沱水厂三年多的运行情况，可以确定两级有预沉区的斜管沉淀池，配以预沉可自动提耙的中心传动式刮泥机，设计及运行是成功的，为处理长江上游高浊度原水提供了成功的范例。