延安黄河引水工程水处理工艺探析

赵　静

(延安市黄河引水工程建设管理处,陕西 延安 716000)



延安黄河引水工程水处理工艺探析

赵静

(延安市黄河引水工程建设管理处,陕西 延安 716000)

延安黄河引水工程是陕西省“十二五”规划的重点水源工程，工程实施能够解决延安市城区及周围地区的生活和工业用水问题。文章通过分析黄河延水关水质水处理工艺，对黄河水质污染特性及泥沙问题行了探讨。通过对高浊水及低温低浊水的常规处理工艺、新型澄清池和“HPS澄清池”水处理工艺对比分析，提出采用HPS澄清池工艺解决延安黄河引水水质难题。并通过试验，对HPS水处理工艺进行优化，构建了高泥沙黄河取水实际案例，为黄河引水工程建设提供了参考。

黄河引水；延水关；泥沙处理；水质；净水；工艺

1　基本概况

地处陕北南部的延安市，属于黄河中游地区，地貌以黄土高原与丘陵为主，海拔在800～1400 m之间，全市总面积36 713 km2。延安属陕北高原暖温带半干旱气候区，是一个水资源贫乏的地区，多年平均降水量为536.9 mm，时空分布极不均匀，南部多，北部少。多年平均水面蒸发量为983.0 mm，多年平均气温9.4 ℃[1]。全市水资源总量少，缺乏控制性骨干水源工程，开发利用难度大，区域水环境承载能力较差。

黄河沿延川县眼岔寺乡马家骞村进入延安市境内，自北而南沿延安市东界流经延川、延长和宜川，至宜川县猴儿川口出境，境内河长183 km。境内由南到北分布着北洛河、仕望河、汾川河、延河和清涧河等五大河流，各河均具有支、毛沟发育，河网密度大，季节性强，洪枯流量悬殊，洪水频多等特征，北洛河、延河与清涧河又具有含沙量高的特点。延安境内黄河地处晋陕峡谷中段，深切于灰岩、沙页岩中，两岸陡壁峭岩高出河床200～300 m，谷宽300～500 m，河宽200 m左右。沿岸耕地和村落稀少，山路多远离河道，交通不便。沿河有滩碛10多处，其中以壶口瀑布榜居险首，河槽宽约30～50 m，深30 m，枯水期形成瀑布，洪水期急流而下，滩多水急，河床比降大。

近年来，随着国家西部大开发战略的部署和陕北能源、石油、天然气、化工基地建设，延安市城区和延长、延川、子长、清涧4县城，及延川县永坪镇水资源供需矛盾日益突出，迫切须要开辟新的水源，以满足社会经济发展和人民生活的用水需求。为此，陕西省确立了《陕西省延安市黄河引水工程规划》。通过对取水线路和选址对比，制定了从黄河和清涧河联合引水的供水方式，年取水量为8977万m3，工程日最大取水量(含充库流量)即延水关泥沙处理站最大日取水量为36.29万m3/d[2]，以解决“一区(宝塔)四县(延长、子长、延川、清涧县)”的用水问题。

从黄河引水最大的难题便是水质问题，而延安黄河引水工程地处黄河中游，其泥沙含量加大、水质污染较重，使得水质净化难度加大。所以，研究黄河水质处理方式及工艺，对于确保引水水质安全、满足延安市工业用水需求和引水工程的顺利实施具有重要作用。

2　研究方法

2.1水质分析

黄河取水口位于黄河延水关断面的王家渠村东南约150 m[3]。黄河是多泥沙河流，多年平均含沙量为25.3 kg/m3，夏季洪水期含沙量较大，其水质有以下特点。

2.1.1含沙量高

黄河吴堡站多年平均悬移质输沙量4.05亿t，龙门站多年平均悬移质输沙量7.04亿t，采用直线内插的方法推求得黄河延水关站即取水枢纽断面多年平均悬移质输沙量5.82亿t ，多年平均含沙量为23.5 kg/m3。

2.1.2泥沙颗粒中数粒径较大

经过黄河中游龙门、吴堡水文站与黄河上游兰州、石嘴山段大量泥沙粒径分析可知，黄河上游段泥沙含量较中游小，但泥沙颗粒中数粒径也较小，黄河中游段泥沙含量较上游大，泥沙颗粒中数粒径也较大，相应泥沙颗粒中数粒径较大时，泥沙沉降性能好，易于处理。

2.1.3冬季低温低浊

黄河冬季温度较低，黄河延水关河段每年冬季有流凌现象。在低温情况下，药剂的絮凝、反应较差，当浊度<100 NTU，处理要求在出水水质<1 NTU时，对处理技术难度应该有足够重视。

2.1.4黄河水体微污染

根据黄河中游来水及冬春时节水污染较重的特点，特选定11月、2月、4月三个时间段对水样进行水质检测。根据陕西省城市供水地表水水质检测项目和延安市疾病预防控制中心要求，延安水质监测站特对黄河延水关取水口水样的主要30项内容进行了检测。黄河延水关断面水质与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类标准对比结果见表1。

表1　黄河取水口河段水质常规检验报告

从检测报告可以看出，黄河取水口断面水质除泥沙、总氮较高之外，其余各项指标均满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类标准，是可以满足取水要求的。因此，在黄河延水关水处理工艺中，必须充分考虑黄河水浊度高、冬季低温低浊、微污染的特点进行水质处理。

2.2水质检测方法

常用的净水工艺主要有自然沉淀、混凝沉淀或澄清、过滤、消毒，以及针对不同原水性质而采用的气浮、氧化及吸附等。但我国目前净厂大都采用的工艺是混凝沉淀或澄清、过滤、消毒，也就是通常说的常规水处理工艺。目前，在黄河水质处理中有以下几种水处理工艺。

2.2.1高浊水及低温低浊水的常规处理工艺

高浊度水系指浊度较高，有清晰的界面分选沉降的含砂水体，其含砂量为10～100 kg/m3。

当原水温度、浊度低时，颗粒碰撞速率大大减小，混凝效果较差。为提高低浊原水的处理效果，通常投加高分子助凝剂或投加矿物颗粒，以增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率并增加絮凝密度，一般可采用澄清工艺。

2.2.2新型澄清池

常规水处理工艺对于黄河水质来说，难以达标，这便产生了新型澄清池水处理工艺。澄清池池体除反应筒、导流室的导流板，以及挡泥板、集水槽等部件为钢板外，其余均为钢筋混凝土结构，混凝室锥形坡度为45°，导流室壁坡度为55°～60°。其工作原理及流程如下。

①混凝剂经管道混合器与原水充分混合后，沿切线旋流进入中筒，在I区混合反应。视原水浊度确定是否投加助凝剂(聚丙烯酰胺)。进入的部分悬浮物经过混合反应后在Ⅱ、Ⅲ区完成沉淀分离。②I区完成旋流后的浑水经中筒上部导流板进行流态稳定后翻出，进入中筒与导水板之间的絮凝区，随过水断面增加、流速逐渐变小，在此过程完成絮体成长。③浑水出导水板进入外侧污泥悬浮区，悬浮区由底部浓缩区上部45°的斜壁，分离室55°的导流壁、导水板、伞形板构成锥底式泥渣悬浮区域，在次区域完成接触絮凝。④水流进入澄清区Ⅵ后，因上升流速骤减，挟絮体浑水在此完成固液分离。⑤在澄清区Ⅵ上部增设斜管，进一步控制水中残余絮体。⑥澄清池底部、中筒以下设45°锥体泥斗，底部设排泥管，由于静水压强很大，当打开排泥阀时，底部产生很高的流速，使积泥通畅地排出。

新型澄清池工艺与传统工艺相比，压缩了工艺流程，节省了投资，减少了占地面积，而且提高了流程运行的安全可靠性，保证了出水水质及运行的稳定性，完全适用于高浊度水和低温低浊水的处理。经过数十年的发展，现已经发展到第三代池型，但只适宜小型水厂建设。

2.2.3旋流造粒高浊度水处理技术即 HPS澄清池水处理技术

旋流造粒高浊度水处理技术即HPS澄清池水处理技术是通过对新型澄清池进行试验和改进，将第Ⅲ代池型上部斜管区的圆形结构改为上方下圆型结构，形成了独特的水处理技术，既能处理高浊度水，也能处理低温低浊水的澄清技术，适应大规模水厂的建设。其技术核心及原理：在有机高分子混凝剂的混凝过程中，通过控制混合和搅拌条件，生成密实的颗粒状絮凝体的技术。通过合理控制无机盐和有机高分子混凝剂的投加和混合条件，使水中颗粒物微脱稳；在上向流体中，通过控制水力旋流条件形成高浓度、大粒径的颗粒悬浮层；在稳态下，新进入微小颗粒与悬浮层颗粒通过逐一附着，形成致密型絮凝体。适用范围为悬浮物含量1000～20 000 mg/L的天然原水和污废水。

HPS澄清池与原新型澄清池相比具有以下创新点：占地面积进一步减小，运用水力旋流造粒技术，减小了投药量，进一步提高了工艺。进水含沙量范围从1～70 kg/m3，既能够处理高浊度水，也能处理低温低浊水，出水达到5 NTU左右，适用于大型规模的水处理工程， 便于模块化设计施工。池体高度下降5 m，水泵扬程减小，节电降耗，节约运行费用。 沉淀区容积增大，增加了水处理能力，有效保证了出水水质。

3　结果与讨论

经过对3种黄河水质处理工艺比对，HPS澄清池水处理工艺更适宜于延水关水质处理。虽然该工艺在黄河上游的许多工程中已经应用，现在黄河延水关泥沙处理站进行水质处理生产装置试验，根据《水工(常规)模型试验规程》的要求，本装置的泥沙预处理规模按实际设计单池的1/10设计(日出水量1300 m3/d，每小时出水量54.2 m3/h)。本装置的设计寿命为15 a，采用钢结构，达到永临结合的目的。

本试验按照进水条件的不同分为两个工况。工况一：以试验阶段的现状黄河水为原水，根据检测，含沙量在2.85～10.96 kg/m3范围之间，浊度在2000～9000 NTU范围之间。工况二：为了考察延安黄河引水工程提出的最大设计进水泥沙含量60 kg/m3以内的处理效果，试验组向黄河水中投加岸边泥沙提高进水含沙量。与此同时，在本工况下，试验组重点考察了异常情况下(含沙量在60～90 kg/m3)下处理装置的抗冲击负荷能力。因此，本工况的含沙量在30～90 kg/m3范围之间，浊度在11 700～26 500 NTU范围之间。

本试验历时25 d，共采集各类水样700多个，处理各类数据1000多个，完全满足黄河水质处理要求，后形成了《延安黄河引水工程延水关泥沙预处理试验报告》，经陕西省水利厅组织有关专家对试验报告进行审查，认为黄河水含沙量在20～60 kg/m3时，HPS高效澄清池技术的处理能力、处理效率、出水水质、排泥耗水量、药剂用量等各项技术指标均能满足工程设计要求，完全适用于延安黄河引水工程的泥沙预处理。结合延安黄河引水工程沿线的地形情况、取水水源的位置、以及远期该地段黄河水利枢纽的建设，现对延水关泥沙处理站水质试验处理工艺进行了优化设计，为推荐方案，原方案为比选方案，工艺流程图分别如下。

(1)延水关水质处理推荐方案工艺流程图见图1。

图1　优化设计推荐方案工艺流程图

推荐方案拟在延水关泥沙处理站设HPS澄清池2座共计4组，进水含沙量≤60 kg/m3,出水浊度≤10 mg/L，出水水质直接达到工业用水水质标准,泥沙全部排至取水口附近堆泥库，进行处理。

(2)比选工艺流程框图

比选方案在延水关泥沙处理站设3座直径为φ100 m幅流沉淀池，进水含沙量≤60 kg/m3,出水含沙量≤0.5 kg/m3，经过延水关二级、三级泵站加压进入高家湾水厂絮凝、沉淀池处理后，出水浊度≤10 mg/L，达到工业用水水质标准。

2种预处理工艺最大的不同点是：推荐方案HPS澄清池出水水质可直接达到工业用水水质标准，即出水浊度≤10 mg/L，处理流程短。HPS澄清池出水不须再做任何处理，可直接超越处理设施直接进入高家湾清水池，供工业园区及东川水厂用水，投资少，运行成本低，使得运行管理更加简便。

比选方案辐流沉淀池出水水质不能直接达到工业用水水质标准，即出水含沙量为0.5 kg/m3，若要满足工业用水水质标准，必须经过高家湾水厂沉淀池进一步处理，处理流程长。

通过研究延安黄河引水水质处理方案，表明在黄河中游引水采用HPS澄清池水处理工艺可以解决劣五类水质问题，具有开创性，为提高黄河水利用率提供了参考。该技术成果已列入陕西省科技厅13 115科技创新工程重大科技产业化项目，已获得国家专利技术。

[1]苗磊. 延安市水资源开发利用现状及供需平衡分析[J].陕西水利，2011(4)：33-36.

[2]薛长青.延安黄河引水工程康家沟事故应急水库输水方案探讨[J].地下水，2014(5)：163-166.

[3]刘健. 延安黄河引水工程水保防治措施效益分析[J].陕西水利，2015(4)：121-122.

赵静(1983-)，女，工程师，主要从事水利土木工程方面的工作。

TU991.2

A

2096-0506(2016)08-0060-04