沙市东区水厂扩建工程的除砂和节能设计

高志强¹，忻德华²
(1.中国市政工程中南设计研究院厦门分院，福建厦门361006；2.沙市自来水公司，湖北沙市　434000)

　　摘　要：除对沙市东区水厂扩建工程除砂的必要性和除砂方式的选择等进行分析之外，还对取水泵船除砂装置进行了生产性运行的测试。此外，对工程中采用的节能设计也作了介绍。
　　关键词：除砂；节能；取水泵船；斜管沉淀池
　　中图分类号：TU991.02
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)11-0059-03

　　沙市东区水厂扩建工程(处理规模由10×10⁴m³/d增至30×10⁴m³/d)于1994年7月投入运行。在取水泵船施工图设计前，于长江取水河段进行了1∶1的除砂装置模型试验，泵船建成投产后又进行了生产运行的测定。以下分别介绍除砂装置和高效节能工艺设计的特点。

1　取水泵船的除砂效果

1.1　除砂的必要性
　　根据荆江实验站提供的1986年东区水厂取水口附近47号断面上靠近取水点河床的泥砂颗粒资料(粒径＜0.1mm的极细砂为2%～5%，粒径＜0.2mm的细砂为50%～65%，粒径＜0.25mm 的细砂为85%～93%，粒径＜0.5mm的中砂为100%)及水厂的运行经验，净化工艺流程中需考虑除砂措施。
1.2　除砂方式的选择
　　为避免对泵轴造成磨损及粗重泥砂随原水进入厂内，一般考虑在大堤外滩临江处设高架沉砂池截除粗重泥砂。由于沙市河段的河床不稳定，不宜设固定式岸边取水泵房，故拟设计钢质取水泵船，将除砂装置设在水泵吸水管进口处(与船体连成一体)。
1.3　除砂试验
　　为取得泵船设计水力参数及除砂效果等实测资料，在长江取水河段进行了1∶1的除砂装置模型试验，其结果如下：
　　①采用异向流(上向流)斜管去除0.1mm的砂粒时，控制管内垂直上升流速v≤3mm/s是可行的。
　　②虽然斜管湿周和阻力系数大，但斜管及其支架形成的总水头损失有限。
　　③斜管的除砂效果优于斜板。
　　④原模型设计中0.1mm砂粒的沉速按静水中的沉速(6.12mm/s)计算，显然不符合动态沉降规律。斜管中砂粒的有效沉降速度vs≤3mm/s。?
1.4　生产运行测试
　　1995年2月和8月分别进行了两个季度的生产运行情况测定，结果见表1。
　　1994年9月2日由荆江实验站配合对取水泵船除砂装置进行了生产运行测试。当日长江水位为37.90m，流量为16700m³/s，水温为22℃，在泵船外侧斜管沉砂区上游(船头)水下2m处取水样，再分别于1＃、3＃、5＃泵位水下0.3m处取水样进行泥砂颗粒对比分析，测试结果见表2。
　　原水取样点在1＃泵位上游10m处，其间经过11.8m²的斜管沉砂区；1＃泵位在3＃ 泵位上游9.5m处，其间经过18.05m²的斜管沉砂区；3＃泵位在5＃泵位上游9.5m处，其间经过18.05m²的斜管沉砂区。从1＃、3＃、5＃泵位上游斜管滑入江中的悬浮砂粒随江水下移会改变该处江水的含砂量及颗粒组成，对下游泵位的斜管沉砂去除率会产生一定影响。从5＃泵位下游29.4m²斜管滑入江中的砂粒可随长江水流带往泵船下游。

表1　沙市东区水厂扩建工程生产运行测定结果 测定日期 1995年2月18日 1995年2月18日 1995年8月24日 原水浊度(NTU) 100 100 1100 水温(℃) 11 11 26.5 pH值 7 7 7.8 铝盐(Al₂O₃计)投量(mg/L) 1.3 1.3 1.4 单元絮凝池处理水量(m³/d) 25 626 20 399 26 500 混合方式 管式快速扩散混合器 絮凝能耗及反应时间 前段 水头损失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 停留时间t₁(s) 127.38 158.05 126.44 速度梯度G₁(s^-1) 63.7 46.7 80.44 栅条层距L、层数n L=0.6m,n=14 中?段 水头损失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 停留时间t₂(s) 127.84 158.68 123.96 速度梯度G₂(s^-1) 42.6 25.7 47.87 栅条层距L、层数n L=0.6m,n=9 末段 水头损失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 停留时间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 总水头损失∑h(kPa) 1.17 0.71 1.23 总反应时间(min) 12.67 15.75 12.43 总G(s^-1) 38 26.5 48.39 GT值 2.3×10⁴ 2.0×10⁴ 2.9×10⁴ 5min静沉后浊度(NTU) 8 8 21.4 沉淀池上升流速(mm/s) 2.74 2.18 2.84 沉淀池出水浊度(NTU) 5 4 8.6 滤池出水浊度(NTU) 0.157 0.157 0.24 注：①v₂表示竖井平均流速，v₁表示过栅流速。
　　②表中5min静沉后浊度为絮凝池出口取样静置5min测定的上清液剩余浊度。
　　③总反应时间包括絮凝池配水段的停留时间。
　　④絮凝池有8个进水单元，设计规模为20×10⁴m³/d。

表2 除砂装置生产运行测试结果 项目 1＃泵位(开机) 3＃泵位(停机) 5＃泵位(开机) 生产负荷 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 技术参数 砂粒在斜管中的最大沉降距离(mm ) 37 砂粒垂直沉降速度的理论值(mm/s) 2.79/3.2 砂粒在斜管中所需的沉降时间(s) 13.3/11.5 原水在斜管中的停留时间(s) 29/25 除砂效果 0.1mm砂粒去除率(%)(与船头原水样对比) 70 30 0 0.1mm砂粒去除率(%)(考虑上游沉砂下移影响) 73.4 55.6 63.3 0.25mm砂粒去除率(%)(与船头原水样对比) 60 80 20 0.25mm砂粒去除率(%)(考虑上游沉砂下移影响) 64.6 85.6 45.7 注：“生产负荷”和“技术参数”栏的数值是分别在设计流量(2.32m³/s)和实测流量(2.7m³/s)下测得的。

　　因斜管底部的江水流速一般为1m/s，故从处在上游的斜管滑入江中的泥砂很快就会使下游江水的含砂量增加并被泵船吸入。表中1＃泵位水样的除砂率因受上游斜管沉砂下移影响较小，对去除0.1mm砂粒的效果与模型试验相近(模型去除率为73%，生产运行时的去除率为70%)，但处在下游的3＃、5＃泵位的江水含砂量及其颗粒组成，因受上游斜管沉砂的影响综合去除率只能达60%以上。
　　通过对泵船除砂装置的研究，从理论和实践上对常用规格的斜板、斜管的沉淀效果进行了比较，认为异向流斜管比斜板沉淀性能好，但斜管除砂如何能减小上游沉砂随江水下移对下游除砂效果的不利影响则有待进一步研究。
　　由于采用了泵船吸前除砂和絮凝池前配水池沉砂两级除砂措施，使原水中的粗重泥砂不进或少进入絮凝池和沉淀池，这为絮凝池、沉淀池利用静水压力通过穿孔管排泥创造了较好的条件，投产后对池子很少进行放空清洗，方便了管理、保证了系统的正常运行。

2　扩建工程的节能设计

　　该工程采用高效节能型的设计工艺，按流程顺序依次为投药混合装置→斜管沉砂池(兼作向絮凝池配水)→栅条絮凝斜管沉淀池→气水反冲洗滤池，其中投药混合装置和栅条絮凝装置于1988年获国家发明专利。
　　沙市东区水厂扩建工程本着简化流程、紧凑布置和方便管理的原则，将沉砂、配水、絮凝、沉淀等工序合理地组合在一起，整个流程的水头损失仅为10 kPa左右(40%用于药剂的快速混合，12%用于絮凝反应，其余的消耗于各工序间的水力衔接)。用装在多功能组合池型前面与进水管相连的快速扩散混合器代替了混合池，可充分利用进水管中的水流动能。若取水泵房较近而有条件利用水泵混合，则这个管式扩散混合器的水头损失(2.8～4 kPa)也可以节省下来。
　　沙市东区水厂扩建工程于1994年投产后耗电仅为0.195 (kW·h)/m³，比扩建前节电10%左右，比长江下游相近规模水厂的电耗低20%左右；矾耗比扩建前节约20%左右；
　　厂内用水量降低3%；工程占地为0.68hm²(包括沉砂池、反应池、沉淀池、滤池)，与扩建前相比节省用地60%。在自控方面，通过4个PLC站可实现全厂主要工艺参数的遥测、遥讯及遥控，部分工艺(排泥、过滤、反冲洗、排水、加氯)已实现自控。取水、送水亦可实现自控，加药系统在安装胶体电荷检测仪后亦可实现自控，微机系统运行稳定可靠。工程全部建成总投资约为8384万元(包括取水、净化、城市输配水管道、附属设施及利息等)，按20×10⁴m³/d综合投资费用计算，则基建投资仅为419元/m³，比其他同等规模的水厂节省了建设投资约30%～50%。

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　　收稿日期：2002-05-09