天然河床滲濾取水工藝的原理與特點(diǎn)研究——以浠水南城水廠為例

宋 凱,李 曉,吳方燕

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川成都 610059)

天然河床滲濾取水工藝的原理與特點(diǎn)研究
——以浠水南城水廠為例

宋 凱,李 曉,吳方燕

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川成都 610059)

滲濾取水凈水機(jī)理主要是利用砂礫石層表面的泥膜及砂礫石層本身過濾作用、吸附作用,微生物的降解作用達(dá)到去除水中的懸浮物質(zhì)、降低水的濁度、除菌的效果。以湖北浠水南城水廠滲濾取水工程為例,通過對(duì)滲濾工程特點(diǎn)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究,分析天然河床滲濾水水質(zhì)及水源水水質(zhì)的差異,以及滲濾水水質(zhì)的可靠度。

滲濾取水工程;滲濾水;砂礫石層

1 前言

滲濾取水技術(shù)是利用天然河床砂礫石層及表層的泥膜(或生物膜)作為濾床凈化河水直接獲得清潔的水資源,集取河床滲透水的技術(shù)。它是在傳統(tǒng)水傍河取水工藝(輻射井、滲渠、岸邊大口井)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演化形成的,其主要特點(diǎn)是利用一定規(guī)模天然砂體作凈化層并利用河水的沖涮作用清除濾床表層的淤積物,因而不需人為更新濾床。滲濾取水的凈化原理與輻射井、滲渠、岸邊大口井的凈化原理有相似之處[1]。該方法已經(jīng)在四川、重慶、湖南、湖北等地區(qū)得到應(yīng)用和推廣。本文根據(jù)對(duì)湖北浠水南城水廠濾取水工程滲透水的部分水質(zhì)分析,著重探討河水在轉(zhuǎn)化為滲透水的水質(zhì)變化,分析凈化機(jī)理,為進(jìn)一步完善天然河床滲濾取水提供技術(shù)參考。

2 滲濾取水工藝及原理

2.1 天然河床滲濾取水工藝流程

天然河床滲濾取水技術(shù)是在江河底部基巖中設(shè)置江底輸水平巷,通過滲流孔和基巖裂隙系統(tǒng)從河床底部集取河床滲透水的一種新方法。取水工程由豎井、輸水平巷和滲流孔群幾個(gè)部分組成[1]。滲濾取水技術(shù)以天然河床作為濾床,將地表水過濾為高質(zhì)量的地下潛流水資源,利用滲濾孔、取水廊道等地下取水設(shè)施蓄積為一定規(guī)模的水量,經(jīng)消毒后供給用戶使用[2]。

圖1 滲濾取水工藝流程

2.2 天然河床滲濾取水的原理

對(duì)河床砂礫石層及基巖貯水條件的分析研究表明,在滲濾取水工程中河水轉(zhuǎn)化為河床滲透水有兩種形式:一是河床潛流水通過基巖裂隙匯聚,從輸水平巷基巖裂隙中浸出和涌出,這部分水稱為裂隙滲透水;二是河水經(jīng)河床砂礫石層過濾,直接從滲透取水孔流入輸水平巷,這部分水稱為滲流孔滲透水[2]。

其取水凈化的原理可歸納為:

(1)激發(fā)采水其原理是在壓力差條件下產(chǎn)生的,激發(fā)滲濾和江河水的持續(xù)補(bǔ)給滲濾系統(tǒng)運(yùn)行后,井內(nèi)泵組抽水將引起一定井水位降深,使井水位與江水位形成一定壓力差。在水力傳導(dǎo)梯度作用下,河床底部砂卵石區(qū)產(chǎn)生低壓區(qū),誘導(dǎo)江水穿過濾床表層濾膜下滲,進(jìn)入砂卵石層、過濾器、滲濾孔及井巷內(nèi),形成取水的持續(xù)補(bǔ)給[5]。

(2)濾膜截污這種工藝的凈水機(jī)理主要是利用天然河床表層的生物濾膜或泥膜的凈化作用,而不是依靠砂礫石層的過濾作用。在對(duì)四川多個(gè)滲濾取水工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),在河水深度較小的河床底部,一般都發(fā)育有分布不連續(xù)的厚度較薄的生物濾膜。根據(jù)在室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,天然河床表層的生物泥膜對(duì)該工藝的凈水起著非常重要的作用,它截留了河床滲透水中 97%以上的雜質(zhì)和污染物。其凈化作用包括物理吸附、生物降解、過濾作用等。工程實(shí)踐表明,高濁度或受微污染的河水通過天然河床砂礫石層后都能得到較好的濾凈[3]。

(3)沖刷清淤被截留的污染物由于河床表層水流的動(dòng)態(tài)變化而不斷被帶走,因而不會(huì)產(chǎn)生累積性增厚而堵塞河床砂礫層。河水對(duì)濾膜起到?jīng)_刷、更新作用,使其能長期取水[3]。

圖2 滲濾取水工藝模型圖

3 以浠水南城水廠為例討論

浠水南城水廠為浠水縣城區(qū)供水廠,位于浠水河畔,水源為浠水河。浠水南城水廠段河道下主要發(fā)育靜、動(dòng)貯量豐富、補(bǔ)給源充足的砂卵石層孔隙水和動(dòng)貯量較為豐富、補(bǔ)給源一般的基巖裂隙水兩大類型地下水。砂卵石層天然河床順河道分布連續(xù)、范圍較大,總面積超過 14萬 m2。設(shè)計(jì)供水量近期 2萬m3/d[5]。現(xiàn)收集浠水南城水廠 07、08年抽樣水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如(表 1)。南城水廠出廠水 pH值與源水存在差異,但受源水影響較大。由觀測(cè)資料可以顯示(圖 3),由于在凈水工藝中存在的人工調(diào)節(jié),南城水廠 pH值與源水不會(huì)完全一致,但兩者的變化曲線擬合度很高,總體上南城水廠 pH值隨源水的升高而升高,降低而降低。

表1 南城水廠水源水與出廠水指標(biāo)對(duì)比

圖3 南城水廠水源水與出廠水 PH值關(guān)系圖

水源水的濁度變化存在一定起伏,這也許受到當(dāng)?shù)厝藶榛顒?dòng),或當(dāng)?shù)亟涤甑挠绊?出廠水的趨勢(shì)較穩(wěn)定,在經(jīng)過河床濾床后基本都能達(dá)到了國家自來水檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(圖 4)。水源水的濁度都高于其對(duì)應(yīng)的出廠水,其中最高的出除率能達(dá)到95%以上。

水源水在鐵離子的含量存在較大的起伏,沒有強(qiáng)變化趨勢(shì);出廠水的鐵離子含量較穩(wěn)定,都達(dá)到國家自來水檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。同期監(jiān)測(cè)的水源水中鐵離子的含量都高于出廠水,且最高達(dá)到了 15倍以上(圖 5),但經(jīng)過凈化后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),說明河底濾床對(duì)鐵離子有較強(qiáng)的吸附效果。

水源水中的細(xì)菌含量在檢出樣中顯示,每年同期比較是在增加的,說明源水水質(zhì)在受到污染,在逐年惡化。同年內(nèi)隨著季節(jié)變化,也呈現(xiàn)成與季節(jié)相關(guān)變化,隨溫度升高,源水中細(xì)菌的數(shù)量也增加,2008年 6月達(dá)到本次抽樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得峰值 33 000CFU/m L。出廠水還是較穩(wěn)定,在所有抽樣中有一件樣品超標(biāo),其余的都能達(dá)到國家自來水檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(圖 6)。

圖4 南城水廠水源水與出廠水濁度值關(guān)系圖

在出廠水水樣中分別有一件樣品的濁度與細(xì)菌總量指標(biāo)超標(biāo)。將此次總體收集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,超標(biāo)的主要原因不會(huì)是天然河底濾床能力的衰減造成的,可能是檢驗(yàn)過程或檢驗(yàn)技術(shù)造成的差異。

圖5 南城水廠水源水與出廠水鐵離子含量關(guān)系圖

圖6 南城水廠水源水與出廠水細(xì)菌總數(shù)關(guān)系圖

4 結(jié)論

滲濾取水凈水機(jī)理主要是利用砂礫石層表面的泥膜及砂礫石層本身過濾作用、吸附作用,微生物的降解作用達(dá)到去除水中的懸浮物質(zhì)、降低水的濁度、除菌的效果。浠水南城水廠滲濾凈化結(jié)果表明,高濁度河水經(jīng)過滲濾凈化,濁度和細(xì)菌數(shù)顯著降低,水中的 Fe離子最高去除率 90%以上。

07～08 兩年來,出廠水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果都比較穩(wěn)定,基本達(dá)到國家自來水供水標(biāo)準(zhǔn),說明滲濾取水工藝對(duì)水體的凈化是有著顯著效果的,且具有一定的持續(xù)穩(wěn)定性,是可以長年持續(xù)運(yùn)行的凈水工藝。

水源水抽樣中細(xì)菌指標(biāo)有多件樣品超標(biāo),而經(jīng)過天然濾床后,出廠水細(xì)菌含量基本達(dá)標(biāo),說明濾床有較強(qiáng)的除菌效果。但是水源水中的細(xì)菌含量有逐年增加的趨勢(shì),說明水源地正在遭受到污染,應(yīng)該采取一定必要措施遏制污染。

研究與工程實(shí)踐表明,滲濾取水工藝特點(diǎn)在于:

(1)滲濾取水的工藝步驟簡單,但同樣能達(dá)到凈水效果;

(2)滲濾取水的取水構(gòu)筑物主要集中于河床下部,在地表部分僅需設(shè)置泵房,占地面積小;

(3)工藝中采用的濾床由一定厚度、級(jí)配的砂卵石層天然河床,能替代傳統(tǒng)工藝中的絮凝 -沉淀與過濾工藝,具有去濁除菌的功能效果穩(wěn)定,受外界因素影響較小;

(4)實(shí)踐證明,通過上述作用產(chǎn)生的地下潛流水,具有一定壓力,在濾床砂卵石層中與地表滲透水在一定濃度下保持壓力平衡,形成一個(gè)明顯的水質(zhì)界面,使?jié)摿魉|(zhì)全部得到更新[4],這樣減少了人工維護(hù)的需求,降低維護(hù)難度,節(jié)省了人力資源。

滲濾取水是涉及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地表水文、鉆探、給排水、土建、機(jī)械和電氣等多學(xué)科的系統(tǒng)工程。主要由地面泵站、集水導(dǎo)井、江底隧道、匯水硐室、滲濾孔群等構(gòu)筑物組成[4]。它作為一種超慢濾開采技術(shù),實(shí)質(zhì)是開采經(jīng)江河河床過濾而形成的地下潛流水的工藝,是對(duì)傳統(tǒng)取水手段的有利補(bǔ)充。該工藝所采潛流水不僅具有很高的品質(zhì),且補(bǔ)給源固定、水量充足,是可以開采利用的重點(diǎn)研究對(duì)象。綜合上述各項(xiàng)指標(biāo)的分析,說明經(jīng)過滲濾取水工藝處理的源水能達(dá)到國家自來水檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。且此工藝的前期基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入,與運(yùn)營期間的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用都低于傳統(tǒng)工藝,有較高的經(jīng)濟(jì)效益。滲濾取水技術(shù)在十幾年的發(fā)展過程中不斷優(yōu)化,比較傳統(tǒng)凈水工藝也具有它自己的優(yōu)勢(shì),但同時(shí)也遇到了越來越多的難題。例如在長期運(yùn)行后,會(huì)產(chǎn)生濾床淤塞,供水量減少的問題,這問題也將是在不斷完善這項(xiàng)工藝的道路上的難題之一。

[1]李曉,魏民.天然河床滲濾水水質(zhì)特征及凈化機(jī)理研究[J].礦物巖石,2004,(12):111-114

[2]任陶軍.滲濾取水過程中水質(zhì)變化特征及原因研究[D].成都理工大學(xué) ,2007

[3]李曉.利用天然河床滲濾取水的新技術(shù)[J].中國給水排水2003,19(6):74-76

[4]侯亞芹.滲濾取水技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析[J].建筑節(jié)能,2009,(05)

[5]陳永紅,袁志宇.滲濾取水技術(shù)在浠水縣南城水廠的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利電,2008,(06)

[6]曾曉佳,李曉.天然河床滲濾取水濾膜研究[J].廣東微量元素科學(xué),2006,(10)

Study on Princip le of W ater Filtration Process Technology of Natural River and its Characteristics—— W ater Plant in Sou th City o f X ishui as an exam p le

SONG Kai,LI Xiao,WU Fang-yan

The water-filtration water purification mechanism is theuseo f sand and gravel layer of the surface of themud filtermembrane itself,the role o f sand and gravel layer,adsorp tion,m icrobial degradation to remove suspendedmatter in water,reduce water turbidity,the effects of sterilization.South City in Hubei Xishuiwater filtration water p rojects,for instance,through the leaching characteristics and water quality monitoring data,engineering studies,analysis ofnatural river water and water filtration water quality differences,and leachate water quality reliability

Water filtration project;filtration water and the sand-gravel layer

P641.139

B

1004-1184(2011)01-0106-03

2010-07-12

宋凱(1986-),男,湖南江永人,在讀研究生,研究方向:環(huán)境水文地質(zhì)。