郭雯霞

　　【摘要】 本文針對長江上游原水水質特點，結合梁沱水廠工程實踐，對高濁度水沉淀工藝進行了探討研究，提出了兩級沉淀工藝構想。
　　【關鍵詞】 高濁度 含沙量 預沉 混合 絮凝 沉淀 整流

　　長江上游流段包括其支流縱坡大、洪水流量形成時間短、水流急其強烈的沖涮作用使河水攜帶了大量的泥沙，加之八十年代以來上游植被的人為破壞，更加劇了雨季河水中泥沙的含量，形成長江上游特有的高濁度原水，給水質凈化帶來了難度，同時也對給水處理工藝提出了一個新的課題。長期以來不少專家學者一直從事長江上游高濁度水處理工藝的研究，不斷的尋求高效、經濟的方法。
　　1988年我院接受了重慶市梁沱水廠30萬m³／d水廠的設計任務，其水源正是長江上游主要支流嘉陵江，是典型的高濁度水源，從而也使我們加入到研究長江上游高濁度原水處理工藝的行列之中。

1 梁沱水廠工程水源概況

　　梁沱水廠位于重慶市江北區。江北區為重慶市的重點開發區。為解決該地區用水嚴重不足并考慮今后該區的發展，重慶市政府決定興建梁沱水廠，該工程總規模為日供水30萬m³，一期工程日供水20萬m³。
　　嘉陵江為長江上游（三峽以上）的主要支流，取水地點距兩江會合地點約十三、四公里。由于受季風影響，每年5～10月長江上游為多雨季節，常出現大面積降雨，此時取水地點江水逕流量最高可達44800m³／s，而在枯水季節（每年12月份至來年3月）取水地點逕流量最低也在242m³／s。嘉陵江水資源是比較豐富的，但逕流量在年內分配極不均勻；洪水季節由于江水逕流量猛增，水位同時急劇上漲；枯水季節則相反，因此使嘉陵江原水水位變幅很大。在梁沱水廠工程取水地點，江水百年一遇高水位與97％保證率低水位水位之差達35.5m，形成水量水位季節性突長陟降的特點。嘉陵江水的水量，水位的這種變化又引發了水質變化大的特點：
　　①原水濁度變化大：嘉陵江原水汛期由于河流縱坡大，流量可在短期增長，攜帶大量泥沙下泄，水位也隨之急劇升高。同時由于上游植被遭受人為的破壞，使江水的濁度及泥沙含量急劇升高，枯水季節流量減少，水位降低，江水的含沙量及渾濁度降低。重慶市高家花園水廠位于梁沱水廠工程下游約1Km左右，同樣以嘉陵江水為水源。從高家花園水廠的多年運行資料可以看出，該段河流汛期源水渾濁度在1984年曾達到60000NTU，歷時20小時。每年發生的渾濁度大于10000NTU的時間，約在十幾天左右，每次發生可持續一、二天。渾濁度大于5000NTU以上的情況在汛期經常發生。在枯水季節原水渾濁度大為降低，一般在幾十NTU至100NTU左右，最低可達10～20NTU。
　　嘉陵江原水渾濁度變化除汛期、枯水季節之間變化大外，在汛期中渾濁度變化波動起伏也很急劇，有時一兩天內可由幾百NTU升至幾千NTU，再升至萬NTU以上。
　　原水中的渾濁度大多由上游沖涮下來的黃壤土構成，但在洪水季節個別時間也會出現較難處理的灰白色的原水。
　　②原水汛期泥沙量大：嘉陵江原水中含有一定的沙粒，經常出現沙量大于泥量的情況。根據記載，原水最大含沙量年際均有起伏波動，水廠工程取水地段含沙量最高可達32.8kg／m³，最大年平均含沙量為2.29kg／m³。
　　根據水文年鑒記載，嘉陵江原水中泥沙粒徑也比較大：泥沙顆粒粒徑一般小于0.5mm，其中粒徑小于0.25mm的占99％以上；小于0.1mm的占95％以上。
　　③由于上述原水的水質特點，在凈水工藝流程的選擇中，考慮汛期源水中泥沙含量大；沙量大于泥量，且沙在水中因其粒徑較粘土等細微顆粒大，易于下沉；汛期源水濁度變化劇烈等特點，解決汛期高渾濁度原水的混凝，沉淀工藝及相關的工藝問題使沉淀出水水質達到濾池的進水要求，是保證凈水廠出水水質的至關重要問題，也是保證供水水質的關鍵所在。

2 長江上游高濁度水沉淀工藝的比選

　　采用常規的一般混凝、沉淀工藝的不同池型，出水濁度一般可達10NTU，能夠滿足濾池的進水要求，適應原水濁度的范圍值約在2000～3000NTU左右。當原水濁度高于5000NTU時，無論任何形式的一級混凝，沉淀池出水都難以達到濾池進水10NTU的要求。對于梁沱水廠，含沙量高達32.8kg／m³，最高濁度超過60000NTU的原水，必須尋求多級沉淀的有效方式。
2.1 長江上游高濁度水處理的典型工藝
　　長江上游高濁度水在處理過程中一般設預沉構筑物，洪水季節源水通過預沉運行，非高濁期間源水跨越預沉直接進入混凝、絮凝、沉淀、過濾達到凈水廠出水水質要求。
　　預沉工藝根據藥劑投加情況區分為兩種方式，即自然沉淀和混凝沉淀。高濁度水的自然沉淀是依靠水中顆粒自重及泥沙顆粒之間的接觸碰撞自然絮凝來實現的。高濁度水中泥沙在水介質中的自然沉降運動過程中，能去除粗沙和部分中沙、細沙，也能去除少量粘土。但是高濁水的泥沙自然沉淀，包括泥沙自絮凝狀態下的自凝沉淀，由于絮體小、結構松散、密度較低等原因，泥沙的自然沉降速度很小，濁度的去除率低，沉淀效果不理想。重慶市自來水公司曾對嘉陵江沙坪壩河段（臨近梁沱水廠取水地點）于1964年作過含沙量顆粒分析和自然沉降試驗其結果見表1、表2。

嘉陵江沙坪壩段含沙量粒徑分析表　　表1 采樣日期 小于某粒徑（mm）沙重的百分比（％） 嘉陵江原水 0.01 0.025 0.05 0.10 0.25 濁度（NTU） 懸浮物
（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濁度試驗（靜置沉降）　　表2 試驗日期 原水濁度（NTU） 靜置沉降時間 1h 1.50h 2h 3h 4h 1964，7，17 2000 沉降后上層水 1800 1800 1750 1770 1600 1964，7，23 9000 樣剩余濁度 3000 3100 2800 1900 1500

　　因高濁水自沉效果差，采用自沉方式去濁，在構筑物容積計算時，停留時間往往需以天計才能達到預沉效果，因此自然沉淀具有池容積大、占地面積大、容積利用率低、工程量大、清除沉沙（泥）難以機械化等缺點，難于在實際工程中應用。此后，一些水廠在沉淀前加沉沙池靠自然沉淀作用去除大部分的含沙量，然后進入混凝沉淀池或機械攪拌澄清池，形成了初級的二級沉淀。隨著原水含沙量的升高和對出水濁度要求的更加嚴格，逐步形成了典型的兩級沉淀工藝處理高濁度原水。
　　但是一些水廠（如四川維尼綸水廠，重慶黃桷渡水廠等）雖一級采用了斜管沉沙，在高濁期投加混凝劑，但由于沒有完善的混合、反應裝置，所以對濁度的去除率不高。重慶和尚山水廠是80年代末修建的水廠，采用了二級均投加混凝劑的完善混合、反應、沉淀工藝。代表了現代的二級混凝、沉淀水平。
2.2 梁沱水廠沉淀工藝的選擇
　　在處理高濁度原水的工程設計中，工藝流程的選擇是設計關鍵問題之一，它對工程本身的節省投資，減少占地，提高表面負荷降低運行費用，保證出水水質以及供水安全性方面均有直接的影響。
　　在進行工藝設計時，設計針對原水水質條件及該廠出廠水濁度一般情況下不大于1NTU的較高水質要求，結合重慶地區采用嘉陵江原水水廠的運行經驗沉淀或澄清后的水在進入濾池前的渾濁度一般不宜超過10NTU，遇高濁水或低溫低濁原水時，不宜超過15NTU，確定該廠的工藝流程為兩級混合、絮凝、沉淀及過濾工藝。
　　在方案設計中對兩級混凝、沉淀池型進行了認真的研究比選，為保證出水濁度小于10NTU，最后確定在該工程中采用帶有平流預沉區的兩級斜管沉淀池。兩級沉淀的工藝流程和主要技術參數見圖1、圖2。

　　 設計選用的兩級混凝沉淀工藝首先加強了混合、絮凝的環節：機械混合可以確保在流量的任何變動情況下都能獲得理想混合效果；網格反應和豎流隔板反應則對于長江水具有成熟的使用經驗。兩級沉淀設計中的新意之處在于平流預沉區的加設。
2.2.1 沉沙是一級平流預沉區的主要功能
　　一般來說泥沙分類粒徑大于0.05mm的稱為沙，小于0.05mm的為“±”形成濁度。
　　嘉陵江原水含沙量歷史記錄高達32.8kg／m³最大年平均含沙量為2.29kg／m³，高含沙量的原水如果直接進入斜管沉淀會加大斜管的固液分離負荷，影響斜管的去濁功能。在斜管沉淀前加設平流預沉區，則可以充分利用沙的良好沉淀性能，將80～90％的粒徑0.05mm以上沙在該區沉淀下來。沙的沉淀主要是重力的自然沉淀過程。水廠進水雖然投加了混凝劑，但由于混凝劑水解后，主要作用是中和電荷相對攜帶量較多的是粘土顆粒和膠體顆粒。而沙粒的容積電荷率很小，幾乎不消耗混凝劑，或者說混凝劑對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。與此同時，在平流預沉區還可以將顆粒構成較粗，礬花密度較大的那部分濁度沉下來。在沙粒自然級配的情況下，實踐測定證明池底泥沙的分布規律如圖3。

　　沉沙（泥）峰值約在全池長的1／4處，前池長1／3去除率可達80～90％左右，是沉淀的高效區，較大顆粒均在該時段沉淀下來，剩余的小顆粒沉速低，則需要較長時間（較小的表面水力負荷）才能沉至池底被截留。平流預沉區就是利用了自然級配顆粒的這一特點：以較小的停留時間（大的表面水力負荷）去除大多數沙粒，起到沉沙功能，同時在這段時間也可以將在絮凝作用下形成的密度較大的較易沉淀的那部分由濁度形成的礬花沉淀下來。一般根據水中濁度的顆粒構成不同，在平流預沉區對濁度的截留率可在30％～60％之間，所以平流預沉區主要是除沙兼有去濁的功能，起到對原水中固體物的消峰作用，從而大大減輕了其后斜管的固體負荷率。
　　一級沉淀中的斜管沉淀區，即使有了前面的預沉區，去除了大部分沙和一部分濁度，高濁時如30000NTU；預沉區除濁60％進入斜管的濁度還有12000NTU，無疑斜管的工作情況仍處于擁擠沉淀的范圍之內，一級斜管的擁擠沉淀特點，決定了只能利用表面固體負荷做為主要參數來設計，表面水力負荷已失去意義。當處理水量一定時（即表面水力負荷一定時），斜管擁擠沉淀的效果取決于表面固體負荷，表面固體負荷率越高出水濁度也隨之升高，固體負荷率與進水濁度（加上含沙量）成正比。所以斜管沉淀的出水濁度和進水濁度可以近似地引為一次相關關系，而混凝自然沉降在一般濁度下（如1000NTU以內）沉淀效果主要決定于表面水力負荷，在表面水力負荷一定的情況下，進水濁度從幾十NTU到幾百NTU時，混凝、沉淀出水濁度變化不大，這種混凝自然沉降與擁擠沉降具有完全不同的特征，平流預沉區的消峰功能，大大降低了斜管沉淀的固體負荷率，對一級斜管沉淀出水小于1000NTU保證后續二級處理效果起到重要作用。
2.2.2 絮凝沉淀是第二級沉淀的主要特征
　　一級絮凝沉淀后的出水濁度不大于1000NTU經過混合和反應進行二次絮凝，使細小顆粒再次絮凝成沉淀性能好的礬花，在二級沉淀池中去除。
　　二級沉淀池中的平流預沉區，接受的是1000NTU左右的混合絮凝后的進水，其工作原理宏觀上屬于絮體的自由沉降，在30分鐘的時間里大約有50％的去除率，確定進入斜管區水的濁度在500NTU以內，使斜管區在宏觀上處于絮體的自由沉降范圍，只要表面水力負荷設計合理，就可以得到小于10NTU的濁度，從而保證濾池的正常工作和濾后水小于1NTU的出廠水的要求。如上所述兩級混凝沉淀，對于處理含沙量20～30kg／m³，濁度30000NTU原水，使出水在10NTU左右的要求有了多級保證，平流預沉區確切的說已經可以形成一個相對獨立，同時具有部分絮凝除濁作用的沉沙池了，這是我們構思梁沱水廠處理嘉陵江高濁度原水的主要新意之處。
2.3 沉淀構筑物選型
　　梁沱水廠工程地處山區，地形條件較差，為節省工程用地和工程投資，沉淀構筑物選型時考慮采用高效，占地少的池型。
梁沱水廠的沉淀構筑物分為兩級混合絮凝沉淀。一級沉淀池及二級沉淀的預沉區后均為斜管沉淀區，而矩形池適合于斜管的布設。設計時為減少工程用地，凈水構筑物采用的是密集型、集團布置的原則：即一級混合絮凝、沉池池二級混合、絮凝、沉淀池及氣水反沖濾池組成一整體。池與池之間利用廊道連接，廊道的上部為渠道，中間為管廊及人行檢修、巡視通道、底部為排泥及溢流渠道。為各構筑物連接方便，并結合沉淀池排泥方式的選擇，一級沉淀池與二級沉淀池選型均采用矩型。
　　為使進水水流平緩，池進口處設進水花墻整流，預沉區采用方形，預沉區出口再設過水花墻整流。通過二次整流后的原水進入上向流斜管沉淀區，斜管沉淀區上部為清水區，沉淀后的水經過集水支槽至集水總槽進入氣、水反沖濾池配水總渠。
　　一級沉淀池、二級沉淀池布置形式相同，但根據兩級沉淀除濁的特征采用的數據不同，一級沉淀池預沉區停留時間為0.2小時，斜管沉淀池表面水力負荷為8.95m³／m²·h，二級沉淀池預沉區的停留時間為0.33小時，斜管沉淀區的表面水力負荷為7.07m³／m²·h。
2.4 排泥設備的選擇
　　高濁度原水處理中，凈化構筑物泥渣的濃縮與排除，是保證凈水工藝正常運行的關鍵問題，沉淀池能否通暢有效的排泥更是沉淀池正常運行的關鍵，尤其高濁度水泥沙含量高，沉降到池底的泥沙，堆積到一定厚度不能及時排除將減少池子的有效容積，如斜管區底部積泥過高，會影響出水水質使出水濁度升高。所以在池型選擇時慎重地考慮了排泥方式及效果。
　　設計考慮一般水平行走的刮泥機，從刮泥量和結構上，難以負擔高沉泥負荷要求的巨大動力，所以設計時結合池型，選擇了能承擔大刮泥負荷和大拖動力的中心傳動旋轉式刮泥機，運行時刮泥機將沉至池底的泥，刮至池中心排泥斗，再通過排泥管排至池外。
　　由于原水中的泥沙，主要在預沉池中去除，預沉池池底的泥具有量大且易于板結，并且沖擊負荷大的特點。針對上述特點，預沉池刮泥機設有過扭保護裝置，同時為了防止沖擊負荷對刮泥機造成損害，并能在過扭后繼續工作，刮泥機還設有過扭后可以自動提耙的裝置，運行時刮泥機過扭時會自動將刮耙提起一定高度，降低了刮泥負荷，然后再繼續運行，當扭矩降至一定數值時，泥耙會自動下落，直至將沖擊負荷造成的泥沙逐步清除，刮泥機進入正常工作狀態。
　　在二級沉淀池中考慮沉淀池池底的沉泥主要由絮體構成，且泥量較小，刮泥機不設自動提耙裝置；為充分利用池容積，沉淀池刮泥機設自動掃角裝置。
　　為使刮泥機正常運行時池底不積泥，預沉池及沉淀池平流區及斜管區底部均用水泥沙漿抹角，預沉池成天方地園，沉淀池僅抹成弧形加導軌，使刮泥機掃角裝置順利工作。

3 運行的實際效果

　　①重慶市梁沱水廠95年8月份開始試運行至今已三年多時間，外管網至今尚未全部形成，故水廠供水量未達到設計負荷。凈水廠凈水構筑物20萬m³／d時分兩系列運行，每系列又設兩組池，可5萬m³／d單獨運行，在運行中單組池可達設計負荷。在試運行中進水曾達10000多NTU，預沉池出水小于1000NTU，沉淀池出水4～5NTU（該時未投加助凝劑），投藥量約為20mg／1，在一般濁度情況下沉淀池出水均達到小于10NTU的設計要求。
　　②運行三年來刮泥機運行正常未出現故障。
　　③通過梁沱水廠三年多的運行情況，可以確定兩級有預沉區的斜管沉淀池，配以預沉可自動提耙的中心傳動式刮泥機，設計及運行是成功的，為處理長江上游高濁度原水提供了成功的范例。