高志強¹，忻德華²
(1.中國市政工程中南設計研究院廈門分院，福建廈門361006；2.沙市自來水公司，湖北沙市　434000)

　　摘　要：除對沙市東區水廠擴建工程除砂的必要性和除砂方式的選擇等進行分析之外，還對取水泵船除砂裝置進行了生產性運行的測試。此外，對工程中采用的節能設計也作了介紹。
　　關鍵詞：除砂；節能；取水泵船；斜管沉淀池
　　中圖分類號：TU991.02
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)11-0059-03

　　沙市東區水廠擴建工程(處理規模由10×10⁴m³/d增至30×10⁴m³/d)于1994年7月投入運行。在取水泵船施工圖設計前，于長江取水河段進行了1∶1的除砂裝置模型試驗，泵船建成投產后又進行了生產運行的測定。以下分別介紹除砂裝置和高效節能工藝設計的特點。

1　取水泵船的除砂效果

1.1　除砂的必要性
　　根據荊江實驗站提供的1986年東區水廠取水口附近47號斷面上靠近取水點河床的泥砂顆粒資料(粒徑＜0.1mm的極細砂為2%～5%，粒徑＜0.2mm的細砂為50%～65%，粒徑＜0.25mm 的細砂為85%～93%，粒徑＜0.5mm的中砂為100%)及水廠的運行經驗，凈化工藝流程中需考慮除砂措施。
1.2　除砂方式的選擇
　　為避免對泵軸造成磨損及粗重泥砂隨原水進入廠內，一般考慮在大堤外灘臨江處設高架沉砂池截除粗重泥砂。由于沙市河段的河床不穩定，不宜設固定式岸邊取水泵房，故擬設計鋼質取水泵船，將除砂裝置設在水泵吸水管進口處(與船體連成一體)。
1.3　除砂試驗
　　為取得泵船設計水力參數及除砂效果等實測資料，在長江取水河段進行了1∶1的除砂裝置模型試驗，其結果如下：
　　①采用異向流(上向流)斜管去除0.1mm的砂粒時，控制管內垂直上升流速v≤3mm/s是可行的。
　　②雖然斜管濕周和阻力系數大，但斜管及其支架形成的總水頭損失有限。
　　③斜管的除砂效果優于斜板。
　　④原模型設計中0.1mm砂粒的沉速按靜水中的沉速(6.12mm/s)計算，顯然不符合動態沉降規律。斜管中砂粒的有效沉降速度vs≤3mm/s。?
1.4　生產運行測試
　　1995年2月和8月分別進行了兩個季度的生產運行情況測定，結果見表1。
　　1994年9月2日由荊江實驗站配合對取水泵船除砂裝置進行了生產運行測試。當日長江水位為37.90m，流量為16700m³/s，水溫為22℃，在泵船外側斜管沉砂區上游(船頭)水下2m處取水樣，再分別于1＃、3＃、5＃泵位水下0.3m處取水樣進行泥砂顆粒對比分析，測試結果見表2。
　　原水取樣點在1＃泵位上游10m處，其間經過11.8m²的斜管沉砂區；1＃泵位在3＃ 泵位上游9.5m處，其間經過18.05m²的斜管沉砂區；3＃泵位在5＃泵位上游9.5m處，其間經過18.05m²的斜管沉砂區。從1＃、3＃、5＃泵位上游斜管滑入江中的懸浮砂粒隨江水下移會改變該處江水的含砂量及顆粒組成，對下游泵位的斜管沉砂去除率會產生一定影響。從5＃泵位下游29.4m²斜管滑入江中的砂粒可隨長江水流帶往泵船下游。

表1　沙市東區水廠擴建工程生產運行測定結果 測定日期 1995年2月18日 1995年2月18日 1995年8月24日 原水濁度(NTU) 100 100 1100 水溫(℃) 11 11 26.5 pH值 7 7 7.8 鋁鹽(Al₂O₃計)投量(mg/L) 1.3 1.3 1.4 單元絮凝池處理水量(m³/d) 25 626 20 399 26 500 混合方式 管式快速擴散混合器 絮凝能耗及反應時間 前段 水頭損失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 停留時間t₁(s) 127.38 158.05 126.44 速度梯度G₁(s^-1) 63.7 46.7 80.44 柵條層距L、層數n L=0.6m,n=14 中?段 水頭損失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 停留時間t₂(s) 127.84 158.68 123.96 速度梯度G₂(s^-1) 42.6 25.7 47.87 柵條層距L、層數n L=0.6m,n=9 末段 水頭損失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 停留時間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 總水頭損失∑h(kPa) 1.17 0.71 1.23 總反應時間(min) 12.67 15.75 12.43 總G(s^-1) 38 26.5 48.39 GT值 2.3×10⁴ 2.0×10⁴ 2.9×10⁴ 5min靜沉后濁度(NTU) 8 8 21.4 沉淀池上升流速(mm/s) 2.74 2.18 2.84 沉淀池出水濁度(NTU) 5 4 8.6 濾池出水濁度(NTU) 0.157 0.157 0.24 注：①v₂表示豎井平均流速，v₁表示過柵流速。
　　②表中5min靜沉后濁度為絮凝池出口取樣靜置5min測定的上清液剩余濁度。
　　③總反應時間包括絮凝池配水段的停留時間。
　　④絮凝池有8個進水單元，設計規模為20×10⁴m³/d。

表2 除砂裝置生產運行測試結果 項目 1＃泵位(開機) 3＃泵位(停機) 5＃泵位(開機) 生產負荷 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 技術參數 砂粒在斜管中的最大沉降距離(mm ) 37 砂粒垂直沉降速度的理論值(mm/s) 2.79/3.2 砂粒在斜管中所需的沉降時間(s) 13.3/11.5 原水在斜管中的停留時間(s) 29/25 除砂效果 0.1mm砂粒去除率(%)(與船頭原水樣對比) 70 30 0 0.1mm砂粒去除率(%)(考慮上游沉砂下移影響) 73.4 55.6 63.3 0.25mm砂粒去除率(%)(與船頭原水樣對比) 60 80 20 0.25mm砂粒去除率(%)(考慮上游沉砂下移影響) 64.6 85.6 45.7 注：“生產負荷”和“技術參數”欄的數值是分別在設計流量(2.32m³/s)和實測流量(2.7m³/s)下測得的。

　　因斜管底部的江水流速一般為1m/s，故從處在上游的斜管滑入江中的泥砂很快就會使下游江水的含砂量增加并被泵船吸入。表中1＃泵位水樣的除砂率因受上游斜管沉砂下移影響較小，對去除0.1mm砂粒的效果與模型試驗相近(模型去除率為73%，生產運行時的去除率為70%)，但處在下游的3＃、5＃泵位的江水含砂量及其顆粒組成，因受上游斜管沉砂的影響綜合去除率只能達60%以上。
　　通過對泵船除砂裝置的研究，從理論和實踐上對常用規格的斜板、斜管的沉淀效果進行了比較，認為異向流斜管比斜板沉淀性能好，但斜管除砂如何能減小上游沉砂隨江水下移對下游除砂效果的不利影響則有待進一步研究。
　　由于采用了泵船吸前除砂和絮凝池前配水池沉砂兩級除砂措施，使原水中的粗重泥砂不進或少進入絮凝池和沉淀池，這為絮凝池、沉淀池利用靜水壓力通過穿孔管排泥創造了較好的條件，投產后對池子很少進行放空清洗，方便了管理、保證了系統的正常運行。

2　擴建工程的節能設計

　　該工程采用高效節能型的設計工藝，按流程順序依次為投藥混合裝置→斜管沉砂池(兼作向絮凝池配水)→柵條絮凝斜管沉淀池→氣水反沖洗濾池，其中投藥混合裝置和柵條絮凝裝置于1988年獲國家發明專利。
　　沙市東區水廠擴建工程本著簡化流程、緊湊布置和方便管理的原則，將沉砂、配水、絮凝、沉淀等工序合理地組合在一起，整個流程的水頭損失僅為10 kPa左右(40%用于藥劑的快速混合，12%用于絮凝反應，其余的消耗于各工序間的水力銜接)。用裝在多功能組合池型前面與進水管相連的快速擴散混合器代替了混合池，可充分利用進水管中的水流動能。若取水泵房較近而有條件利用水泵混合，則這個管式擴散混合器的水頭損失(2.8～4 kPa)也可以節省下來。
　　沙市東區水廠擴建工程于1994年投產后耗電僅為0.195 (kW·h)/m³，比擴建前節電10%左右，比長江下游相近規模水廠的電耗低20%左右；礬耗比擴建前節約20%左右；
　　廠內用水量降低3%；工程占地為0.68hm²(包括沉砂池、反應池、沉淀池、濾池)，與擴建前相比節省用地60%。在自控方面，通過4個PLC站可實現全廠主要工藝參數的遙測、遙訊及遙控，部分工藝(排泥、過濾、反沖洗、排水、加氯)已實現自控。取水、送水亦可實現自控，加藥系統在安裝膠體電荷檢測儀后亦可實現自控，微機系統運行穩定可靠。工程全部建成總投資約為8384萬元(包括取水、凈化、城市輸配水管道、附屬設施及利息等)，按20×10⁴m³/d綜合投資費用計算，則基建投資僅為419元/m³，比其他同等規模的水廠節省了建設投資約30%～50%。

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　　收稿日期：2002-05-09