延安黃河引水工程水處理工藝探析

趙　靜

(延安市黃河引水工程建設管理處,陜西 延安 716000)

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延安黃河引水工程水處理工藝探析

趙靜

(延安市黃河引水工程建設管理處,陜西 延安 716000)

延安黃河引水工程是陜西省“十二五”規劃的重點水源工程，工程實施能夠解決延安市城區及周圍地區的生活和工業用水問題。文章通過分析黃河延水關水質水處理工藝，對黃河水質污染特性及泥沙問題行了探討。通過對高濁水及低溫低濁水的常規處理工藝、新型澄清池和“HPS澄清池”水處理工藝對比分析，提出采用HPS澄清池工藝解決延安黃河引水水質難題。并通過試驗，對HPS水處理工藝進行優化，構建了高泥沙黃河取水實際案例，為黃河引水工程建設提供了參考。

黃河引水；延水關；泥沙處理；水質；凈水；工藝

1　基本概況

地處陜北南部的延安市，屬于黃河中游地區，地貌以黃土高原與丘陵為主，海拔在800～1400 m之間，全市總面積36 713 km2。延安屬陜北高原暖溫帶半干旱氣候區，是一個水資源貧乏的地區，多年平均降水量為536.9 mm，時空分布極不均勻，南部多，北部少。多年平均水面蒸發量為983.0 mm，多年平均氣溫9.4 ℃[1]。全市水資源總量少，缺乏控制性骨干水源工程，開發利用難度大，區域水環境承載能力較差。

黃河沿延川縣眼岔寺鄉馬家騫村進入延安市境內，自北而南沿延安市東界流經延川、延長和宜川，至宜川縣猴兒川口出境，境內河長183 km。境內由南到北分布著北洛河、仕望河、汾川河、延河和清澗河等五大河流，各河均具有支、毛溝發育，河網密度大，季節性強，洪枯流量懸殊，洪水頻多等特征，北洛河、延河與清澗河又具有含沙量高的特點。延安境內黃河地處晉陜峽谷中段，深切于灰巖、沙頁巖中，兩岸陡壁峭巖高出河床200～300 m，谷寬300～500 m，河寬200 m左右。沿岸耕地和村落稀少，山路多遠離河道，交通不便。沿河有灘磧10多處，其中以壺口瀑布榜居險首，河槽寬約30～50 m，深30 m，枯水期形成瀑布，洪水期急流而下，灘多水急，河床比降大。

近年來，隨著國家西部大開發戰略的部署和陜北能源、石油、天然氣、化工基地建設，延安市城區和延長、延川、子長、清澗4縣城，及延川縣永坪鎮水資源供需矛盾日益突出，迫切須要開辟新的水源，以滿足社會經濟發展和人民生活的用水需求。為此，陜西省確立了《陜西省延安市黃河引水工程規劃》。通過對取水線路和選址對比，制定了從黃河和清澗河聯合引水的供水方式，年取水量為8977萬m3，工程日最大取水量(含充庫流量)即延水關泥沙處理站最大日取水量為36.29萬m3/d[2]，以解決“一區(寶塔)四縣(延長、子長、延川、清澗縣)”的用水問題。

從黃河引水最大的難題便是水質問題，而延安黃河引水工程地處黃河中游，其泥沙含量加大、水質污染較重，使得水質凈化難度加大。所以，研究黃河水質處理方式及工藝，對于確保引水水質安全、滿足延安市工業用水需求和引水工程的順利實施具有重要作用。

2　研究方法

2.1水質分析

黃河取水口位于黃河延水關斷面的王家渠村東南約150 m[3]。黃河是多泥沙河流，多年平均含沙量為25.3 kg/m3，夏季洪水期含沙量較大，其水質有以下特點。

2.1.1含沙量高

黃河吳堡站多年平均懸移質輸沙量4.05億t，龍門站多年平均懸移質輸沙量7.04億t，采用直線內插的方法推求得黃河延水關站即取水樞紐斷面多年平均懸移質輸沙量5.82億t ，多年平均含沙量為23.5 kg/m3。

2.1.2泥沙顆粒中數粒徑較大

經過黃河中游龍門、吳堡水文站與黃河上游蘭州、石嘴山段大量泥沙粒徑分析可知，黃河上游段泥沙含量較中游小，但泥沙顆粒中數粒徑也較小，黃河中游段泥沙含量較上游大，泥沙顆粒中數粒徑也較大，相應泥沙顆粒中數粒徑較大時，泥沙沉降性能好，易于處理。

2.1.3冬季低溫低濁

黃河冬季溫度較低，黃河延水關河段每年冬季有流凌現象。在低溫情況下，藥劑的絮凝、反應較差，當濁度<100 NTU，處理要求在出水水質<1 NTU時，對處理技術難度應該有足夠重視。

2.1.4黃河水體微污染

根據黃河中游來水及冬春時節水污染較重的特點，特選定11月、2月、4月三個時間段對水樣進行水質檢測。根據陜西省城市供水地表水水質檢測項目和延安市疾病預防控制中心要求，延安水質監測站特對黃河延水關取水口水樣的主要30項內容進行了檢測。黃河延水關斷面水質與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標準對比結果見表1。

表1　黃河取水口河段水質常規檢驗報告

從檢測報告可以看出，黃河取水口斷面水質除泥沙、總氮較高之外，其余各項指標均滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標準，是可以滿足取水要求的。因此，在黃河延水關水處理工藝中，必須充分考慮黃河水濁度高、冬季低溫低濁、微污染的特點進行水質處理。

2.2水質檢測方法

常用的凈水工藝主要有自然沉淀、混凝沉淀或澄清、過濾、消毒，以及針對不同原水性質而采用的氣浮、氧化及吸附等。但我國目前凈廠大都采用的工藝是混凝沉淀或澄清、過濾、消毒，也就是通常說的常規水處理工藝。目前，在黃河水質處理中有以下幾種水處理工藝。

2.2.1高濁水及低溫低濁水的常規處理工藝

高濁度水系指濁度較高，有清晰的界面分選沉降的含砂水體，其含砂量為10～100 kg/m3。

當原水溫度、濁度低時，顆粒碰撞速率大大減小，混凝效果較差。為提高低濁原水的處理效果，通常投加高分子助凝劑或投加礦物顆粒，以增加混凝劑水解產物的凝結中心，提高顆粒碰撞速率并增加絮凝密度，一般可采用澄清工藝。

2.2.2新型澄清池

常規水處理工藝對于黃河水質來說，難以達標，這便產生了新型澄清池水處理工藝。澄清池池體除反應筒、導流室的導流板，以及擋泥板、集水槽等部件為鋼板外，其余均為鋼筋混凝土結構，混凝室錐形坡度為45°，導流室壁坡度為55°～60°。其工作原理及流程如下。

①混凝劑經管道混合器與原水充分混合后，沿切線旋流進入中筒，在I區混合反應。視原水濁度確定是否投加助凝劑(聚丙烯酰胺)。進入的部分懸浮物經過混合反應后在Ⅱ、Ⅲ區完成沉淀分離。②I區完成旋流后的渾水經中筒上部導流板進行流態穩定后翻出，進入中筒與導水板之間的絮凝區，隨過水斷面增加、流速逐漸變小，在此過程完成絮體成長。③渾水出導水板進入外側污泥懸浮區，懸浮區由底部濃縮區上部45°的斜壁，分離室55°的導流壁、導水板、傘形板構成錐底式泥渣懸浮區域，在次區域完成接觸絮凝。④水流進入澄清區Ⅵ后，因上升流速驟減，挾絮體渾水在此完成固液分離。⑤在澄清區Ⅵ上部增設斜管，進一步控制水中殘余絮體。⑥澄清池底部、中筒以下設45°錐體泥斗，底部設排泥管，由于靜水壓強很大，當打開排泥閥時，底部產生很高的流速，使積泥通暢地排出。

新型澄清池工藝與傳統工藝相比，壓縮了工藝流程，節省了投資，減少了占地面積，而且提高了流程運行的安全可靠性，保證了出水水質及運行的穩定性，完全適用于高濁度水和低溫低濁水的處理。經過數十年的發展，現已經發展到第三代池型，但只適宜小型水廠建設。

2.2.3旋流造粒高濁度水處理技術即 HPS澄清池水處理技術

旋流造粒高濁度水處理技術即HPS澄清池水處理技術是通過對新型澄清池進行試驗和改進，將第Ⅲ代池型上部斜管區的圓形結構改為上方下圓型結構，形成了獨特的水處理技術，既能處理高濁度水，也能處理低溫低濁水的澄清技術，適應大規模水廠的建設。其技術核心及原理：在有機高分子混凝劑的混凝過程中，通過控制混合和攪拌條件，生成密實的顆粒狀絮凝體的技術。通過合理控制無機鹽和有機高分子混凝劑的投加和混合條件，使水中顆粒物微脫穩；在上向流體中，通過控制水力旋流條件形成高濃度、大粒徑的顆粒懸浮層；在穩態下，新進入微小顆粒與懸浮層顆粒通過逐一附著，形成致密型絮凝體。適用范圍為懸浮物含量1000～20 000 mg/L的天然原水和污廢水。

HPS澄清池與原新型澄清池相比具有以下創新點：占地面積進一步減小，運用水力旋流造粒技術，減小了投藥量，進一步提高了工藝。進水含沙量范圍從1～70 kg/m3，既能夠處理高濁度水，也能處理低溫低濁水，出水達到5 NTU左右，適用于大型規模的水處理工程， 便于模塊化設計施工。池體高度下降5 m，水泵揚程減小，節電降耗，節約運行費用。 沉淀區容積增大，增加了水處理能力，有效保證了出水水質。

3　結果與討論

經過對3種黃河水質處理工藝比對，HPS澄清池水處理工藝更適宜于延水關水質處理。雖然該工藝在黃河上游的許多工程中已經應用，現在黃河延水關泥沙處理站進行水質處理生產裝置試驗，根據《水工(常規)模型試驗規程》的要求，本裝置的泥沙預處理規模按實際設計單池的1/10設計(日出水量1300 m3/d，每小時出水量54.2 m3/h)。本裝置的設計壽命為15 a，采用鋼結構，達到永臨結合的目的。

本試驗按照進水條件的不同分為兩個工況。工況一：以試驗階段的現狀黃河水為原水，根據檢測，含沙量在2.85～10.96 kg/m3范圍之間，濁度在2000～9000 NTU范圍之間。工況二：為了考察延安黃河引水工程提出的最大設計進水泥沙含量60 kg/m3以內的處理效果，試驗組向黃河水中投加岸邊泥沙提高進水含沙量。與此同時，在本工況下，試驗組重點考察了異常情況下(含沙量在60～90 kg/m3)下處理裝置的抗沖擊負荷能力。因此，本工況的含沙量在30～90 kg/m3范圍之間，濁度在11 700～26 500 NTU范圍之間。

本試驗歷時25 d，共采集各類水樣700多個，處理各類數據1000多個，完全滿足黃河水質處理要求，后形成了《延安黃河引水工程延水關泥沙預處理試驗報告》，經陜西省水利廳組織有關專家對試驗報告進行審查，認為黃河水含沙量在20～60 kg/m3時，HPS高效澄清池技術的處理能力、處理效率、出水水質、排泥耗水量、藥劑用量等各項技術指標均能滿足工程設計要求，完全適用于延安黃河引水工程的泥沙預處理。結合延安黃河引水工程沿線的地形情況、取水水源的位置、以及遠期該地段黃河水利樞紐的建設，現對延水關泥沙處理站水質試驗處理工藝進行了優化設計，為推薦方案，原方案為比選方案，工藝流程圖分別如下。

(1)延水關水質處理推薦方案工藝流程圖見圖1。

圖1　優化設計推薦方案工藝流程圖

推薦方案擬在延水關泥沙處理站設HPS澄清池2座共計4組，進水含沙量≤60 kg/m3,出水濁度≤10 mg/L，出水水質直接達到工業用水水質標準,泥沙全部排至取水口附近堆泥庫，進行處理。

(2)比選工藝流程框圖

比選方案在延水關泥沙處理站設3座直徑為φ100 m幅流沉淀池，進水含沙量≤60 kg/m3,出水含沙量≤0.5 kg/m3，經過延水關二級、三級泵站加壓進入高家灣水廠絮凝、沉淀池處理后，出水濁度≤10 mg/L，達到工業用水水質標準。

2種預處理工藝最大的不同點是：推薦方案HPS澄清池出水水質可直接達到工業用水水質標準，即出水濁度≤10 mg/L，處理流程短。HPS澄清池出水不須再做任何處理，可直接超越處理設施直接進入高家灣清水池，供工業園區及東川水廠用水，投資少，運行成本低，使得運行管理更加簡便。

比選方案輻流沉淀池出水水質不能直接達到工業用水水質標準，即出水含沙量為0.5 kg/m3，若要滿足工業用水水質標準，必須經過高家灣水廠沉淀池進一步處理，處理流程長。

通過研究延安黃河引水水質處理方案，表明在黃河中游引水采用HPS澄清池水處理工藝可以解決劣五類水質問題，具有開創性，為提高黃河水利用率提供了參考。該技術成果已列入陜西省科技廳13 115科技創新工程重大科技產業化項目，已獲得國家專利技術。

[1]苗磊. 延安市水資源開發利用現狀及供需平衡分析[J].陜西水利，2011(4)：33-36.

[2]薛長青.延安黃河引水工程康家溝事故應急水庫輸水方案探討[J].地下水，2014(5)：163-166.

[3]劉健. 延安黃河引水工程水保防治措施效益分析[J].陜西水利，2015(4)：121-122.

趙靜(1983-)，女，工程師，主要從事水利土木工程方面的工作。

TU991.2

A

2096-0506(2016)08-0060-04