南水北調中線工程除藻攔污技術研究

吳林峰 李昊 張佩綸 李成

摘要：南水北調中線工程干渠因藻類滋生而影響水質。為了保證供水安全，在干渠止水閘門前設置格柵類過濾設備，機械式對渠道水中藻類等污物進行攔截，以減輕水質污染的程度及對原管網的損害。全自動機械式除藻攔污設備以止水閘門門槽為支撐進行安裝，設備由對過流斷面中藻類等污物攔截的過濾裝置、帶動過濾裝置進行旋轉的傳動機構、將過濾裝置上攔截下來的藻類等污物進行處理的沖洗機構和排污機構，以及對以上機構和裝置進行控制的全自動控制系統等組成。該設備在南水北調中線工程鄭州段十八里河止水閘門門槽成功安裝和運行表明：對水中藻類等污物可以成功攔截60%;該全自動機械式攔藻截污技術的應用經濟效益顯著，具有較高的推廣應用價值。

關鍵詞：止水閘門門槽;全自動;過濾裝置;南水北調中線工程

中圖分類號：TV213;TV53

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000-1379.2019.01.027

1 工程背景

南水北調中線工程是一項跨流域、跨省市的特大型水利工程，是優化我國水資源配置，解決京、津和華北平原水資源供需矛盾的重大調水工程。隨著工程的試運行，總干渠局部藻類滋生，尤其是高溫的夏季，藻類生長和繁殖加快，其中以硅藻、綠藻和藍藻為主，且沿程藻類數量和尺寸長度呈增加趨勢。藻類大量繁殖影響水質、增大水廠處理難度。藻類大量繁殖形成的次生物質導致水中產生臭味，增加水的腐蝕性，在夏季高水溫情況下，容易導致管網產生“黃水”。混凝沉淀去除藻類效果不佳，而且往往造成濾池堵塞，縮短濾池反沖洗周期，導致產水率下降[1-4]。針對南水北調中線工程輸水水質和水量特征，為做好城市供水安全保障工作，需要在干渠各個區段及其主要分水口門設置格柵，解決干渠藻類滋生和污物漂流問題，保證總干渠水質達標。

2 攔截原理及方案設計

選擇南水北調中線鄭州十八里河段為典型渠段，進行渠道中藻類、污物攔截和清除方案設計。鄭州十八里河閘門及門槽為立式結構，止水閘門門槽總寬30m，由4扇平面閘門組成，單門槽寬度為7m，高為10.9m（其中水下高度為5.6 m），閘門門槽安裝寬度為0.86m，正常狀態下渠道通水，閘門是提起、開啟狀態，即多數情況下閘門門槽是閑置狀態。

充分利用門槽的閑置狀態，以現有閘門門槽為依托，在門槽位置放置過濾裝置。不改動和破壞門槽的結構，在門槽上安裝和固定過濾裝置及其動力裝置，并按要求做好該設備與門槽間的止水及固定支撐，利用設備上下液面壓差及渠道水流慣性，攔截過流斷面上的藻類及污物。藻類和污物不需要一次攔截、清除干凈，只需要將流經斷面的、最大尺寸10 mm以上的團狀藻類及污物攔截下來即可，不對水質造成二次污染。同時，藻類和污物被濾網攔截下來后，如果不能及時脫離濾網，那么勢必會增加水流過閘水頭損失，對渠道輸水造成一定影響，因此設置相應的傳動機構、沖洗機構、排污機構等部件，由傳動機構帶動過濾裝置作周期性旋轉，由沖洗機構對過濾裝置上的污物進行沖洗，以使污物與濾網快速、及時分離，最大限度降低濾網對渠道水流行進的影響，并保證藻類和污物攔截、過濾的連續性，見圖1。

受門槽結構限制，以及原設計賦予工作閘門的運行要求，全自動機械式除藻、攔污設備只能通過門槽上方的空間進行自主沖洗、驅動、排污和控制等，并能方便、靈活地與門槽進行組合與拆分。因此，全自動機械式除藻設備以過濾裝置為核心，由傳動機構進行驅動、沖洗機構周期性對過濾裝置清洗、排污機構臨時存儲過濾裝置沖洗下來的污物，過濾裝置、傳動機構、沖洗結構以及排污機構全部安裝在支撐機構上，將支撐機構放在門槽里，從而實現整個攔藻除污工作系統化。為了操作便利，對過濾裝置、傳動機構、沖洗機構和排污機構進行操縱的全自動控制系統裝在門槽一側的頂部，系統結構見圖2。

傳動機構中的電機帶動主動鏈輪驅動過濾裝置旋轉，在沖洗機構射流沖洗下，將濾網上的藻類等污物沖洗到排污機構中，排污機構中污物達到一定量時，排污機構工作排出污物。這一系列動作通過控制系統中的PC端輸入到PLC控制器中，實現系統的自動化運行，見圖3。

3 全自動機械式除藻攔污設備設計

3.1 傳動機構與過濾裝置

傳動機構主要由電動機、電位器、聯軸器、減速器、變頻器等組成，電動機是傳動裝置的“心臟”，采用變頻調速器驅動，可實現過濾裝置的無級調速，削減電機啟停時對機械結構的沖擊和震動。電動機的型號為Y132S-4，額定功率為5.5 kW。減速器的型號為BWD3-23-5.5KW，減速比為23.輸出轉速約為60 r/mm。由于過濾裝置傳動中心距大，水中作業，耐腐蝕，中等精度，因此選擇滾子鏈傳動，以保證傳動的穩定性和可靠性。選擇C2062型滾子鏈，鏈節距為38.1 mm，驅動輥直徑為320 mm，輥齒數為19個，從動輥直徑為340 mm，輥齒數為27個，鏈條片厚3 mm，鏈條片高24mm，鏈和輥材質均為SUS304，滾子鏈傳動速度為0.1m/s。

過濾裝置采用不銹鋼鋼絲織網，選擇6 mmx6 mm的菱形網孔，見圖4。織網兩端和鏈條裝配在一起，稱為鏈網。鏈網可折彎性強，可以根據鏈條的運動軌跡自行彎曲，既不會因網孔過密而造成水壓增大，又可以滿足攔藻截污要求。

單門槽寬7m，設備工作面較寬，在門槽寬度方向，將工作面分為四個部分，選擇四面小幅面鏈網，使鏈網具有較高的抗沖擊機械強度，防止在水流的沖擊下鏈網變形或損壞，影響設備性能和使用壽命。驅動輥采用單電機集中驅動，使用帶鍵槽的剛性同步裝置連接鏈輪與鏈條的嚙合，保證鏈網同步平穩運行。

3.2 沖洗機構

沖洗機構由水泵、水管和多個射流噴嘴等組成，見圖5、圖6。利用渠道中的水給水泵供水，潛水泵流量為28 m3/h，揚程為30 m.噴嘴分上下兩排交錯布置在水管支座上，根據鏈網幅寬設置兩排交錯等間距的不銹鋼可調球形螺紋扇形可拆卸噴嘴，噴嘴水平間距為125 mm.噴嘴離網面300 mm.共20個。工作時鏈網旋轉到設定位置水泵對噴嘴供水，噴射形成的水柱在鏈網面上形成不間斷覆蓋式的清洗工作面，將附著在鏈網上的藻類和污物沖至排污機構的污水收集箱中，進行沉淀過濾。沖洗機構額定功率為3 kW、額定電壓為380 V、額定電流為5.6 A、工作頻率為50 Hz。

3.3 排污機構

從鏈網上經過沖洗機構沖洗下來的藻類和污物，被收集到污水收集箱中后，由PC端控制電機啟動污水泵將收集箱污物定時排出到指定地點，見圖7.污水收集箱容積為1.4 m。排污機構額定功率為3 kW、額定電壓為380 V、額定電流為3.75 A、工作頻率為50 Hz。

收集箱的液面上限受液位開關控制，防止污物溢出，排出次數由PLC自動判斷并控制其運行時間，排污頻率隨季節變化，在夏季藻類生長旺盛期，每隔10mm沖洗一次，沖洗時間為30 s，春秋季沖洗間隔要長些，冬天則暫停沖洗工作（工作頻率由工作人員設定）。

3.4 自動化控制系統設計

控制系統PLC根據運行工況設計為操作員手動控制攔截系統、自動控制攔截系統和人工遠程遙控攔截系統3種工作模式，見圖7。控制柜采用室外防雨型，布置在清污機的一端，在控制柜上設有電源控制、過濾裝置控制、沖洗機構控制、排污機構控制的按鈕、旋鈕及觸摸屏，同時設有電壓、電流以及各機構工作的相關指示燈，操作簡單，還設置了自動、手動、遠程遙控旋鈕，可以實現現場手動操作、自動運行以及遠程控制，使得全自動機械式除藻攔污設備更加符合實際需要，提高了工作效率。

4 全自動機械式除藻攔污技術應用與效果分析

首臺全自動機械式除藻攔污設備總高度為7.7 m，地面部分高1.7 m.在鄭州段劉灣分水口上游的十八里河倒虹進口檢修閘門門槽安裝并運行。設備經過1 a的試運行，運行效果良好，對枯枝、落葉、雜草等污物全部攔截，對藻類攔截率達到60%，通過濾網反復攔截、沖洗最終使工作區域內的水質達標。設備各項功能指標經實際工況運行檢驗后完全符合設計要求，若將該技術推廣應用于南水北調中線工程1 000多km的渠道中，則完全滿足使用要求。

與傳統除藻采用的人工打撈方法相比較，全自動機械式除藻攔污技術大大降低了勞動強度，很大程度上降低了勞動的危險性，大幅提高了除藻攔污的工作效率。全自動除藻攔污設備可以一天24 h不間斷循環工作，并且可根據藻類滋生的情況實時修改工作頻率，使設備的除藻效率與能源消耗量處于經濟水平。若按照每個班組4人，每天3個班組，每人4 000元/月計算，每月直接工資支出為4.8萬元。一臺全自動除藻攔污設備售價為50多萬元，只需約la的時間設備投資支出即可與人工打撈持平，而設備日后維護只需較低的費用（含維護人員工資每年約占設備投資的12%）。按設備使用壽命10 a計，直接節省資金500余萬元。以上是一處除藻攔污設備的收益，而南水北調中線工程共有64座節制閘，設有88座分水口門，總的經濟效益將達到32 000萬元以上，經濟效益非常可觀。

全自動除藻攔污設備在南水北調中線干渠節制閘和分水口門前上游位置安裝，直接降低了南水北調水源使用方對水體處理的難度，同時提高了渠道水體中的含氧量，可提高渠道生態系統的穩定性和維持生物多樣化，社會效益顯著，因此具有較高的推廣應用價值。

參考文獻：

[1]林明利，張全，李宗來，等，南水北調中線輸水水質水量變 化特征及城市供水應對措施建議[J].給水排水，2016，42 （4）：9-13.

[2] 陳偉，決定南水北調工程成敗的關鍵：水質抑或水量[J].中國軟科學，2016（7）：9-17.

[3] 朱靈峰，耿悅，何怡雪，等，鄭州段南水北調水微絮凝一直接過濾試驗研究[J].人民黃河，2017，39（3）：81-84.

[4]徐良，馮平，孫冬梅，等，水溫對藻類生長變化影響的數值模擬[J].安全與環境學報，2013，13（5）：76-81.