天然河床渗滤取水工艺的原理与特点研究——以浠水南城水厂为例

宋 凯,李 晓,吴方燕

(成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都 610059)

天然河床渗滤取水工艺的原理与特点研究
——以浠水南城水厂为例

宋 凯,李 晓,吴方燕

(成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都 610059)

渗滤取水净水机理主要是利用砂砾石层表面的泥膜及砂砾石层本身过滤作用、吸附作用,微生物的降解作用达到去除水中的悬浮物质、降低水的浊度、除菌的效果。以湖北浠水南城水厂渗滤取水工程为例,通过对渗滤工程特点和水质监测数据的研究,分析天然河床渗滤水水质及水源水水质的差异,以及渗滤水水质的可靠度。

渗滤取水工程;渗滤水;砂砾石层

1 前言

渗滤取水技术是利用天然河床砂砾石层及表层的泥膜(或生物膜)作为滤床净化河水直接获得清洁的水资源,集取河床渗透水的技术。它是在传统水傍河取水工艺(辐射井、渗渠、岸边大口井)的基础上发展、演化形成的,其主要特点是利用一定规模天然砂体作净化层并利用河水的冲涮作用清除滤床表层的淤积物,因而不需人为更新滤床。渗滤取水的净化原理与辐射井、渗渠、岸边大口井的净化原理有相似之处[1]。该方法已经在四川、重庆、湖南、湖北等地区得到应用和推广。本文根据对湖北浠水南城水厂滤取水工程渗透水的部分水质分析,着重探讨河水在转化为渗透水的水质变化,分析净化机理,为进一步完善天然河床渗滤取水提供技术参考。

2 渗滤取水工艺及原理

2.1 天然河床渗滤取水工艺流程

天然河床渗滤取水技术是在江河底部基岩中设置江底输水平巷,通过渗流孔和基岩裂隙系统从河床底部集取河床渗透水的一种新方法。取水工程由竖井、输水平巷和渗流孔群几个部分组成[1]。渗滤取水技术以天然河床作为滤床,将地表水过滤为高质量的地下潜流水资源,利用渗滤孔、取水廊道等地下取水设施蓄积为一定规模的水量,经消毒后供给用户使用[2]。

图1 渗滤取水工艺流程

2.2 天然河床渗滤取水的原理

对河床砂砾石层及基岩贮水条件的分析研究表明,在渗滤取水工程中河水转化为河床渗透水有两种形式:一是河床潜流水通过基岩裂隙汇聚,从输水平巷基岩裂隙中浸出和涌出,这部分水称为裂隙渗透水;二是河水经河床砂砾石层过滤,直接从渗透取水孔流入输水平巷,这部分水称为渗流孔渗透水[2]。

其取水净化的原理可归纳为:

(1)激发采水其原理是在压力差条件下产生的,激发渗滤和江河水的持续补给渗滤系统运行后,井内泵组抽水将引起一定井水位降深,使井水位与江水位形成一定压力差。在水力传导梯度作用下,河床底部砂卵石区产生低压区,诱导江水穿过滤床表层滤膜下渗,进入砂卵石层、过滤器、渗滤孔及井巷内,形成取水的持续补给[5]。

(2)滤膜截污这种工艺的净水机理主要是利用天然河床表层的生物滤膜或泥膜的净化作用,而不是依靠砂砾石层的过滤作用。在对四川多个渗滤取水工程现场调查发现,在河水深度较小的河床底部,一般都发育有分布不连续的厚度较薄的生物滤膜。根据在室内进行模拟试验和现场试验结果,天然河床表层的生物泥膜对该工艺的净水起着非常重要的作用,它截留了河床渗透水中 97%以上的杂质和污染物。其净化作用包括物理吸附、生物降解、过滤作用等。工程实践表明,高浊度或受微污染的河水通过天然河床砂砾石层后都能得到较好的滤净[3]。

(3)冲刷清淤被截留的污染物由于河床表层水流的动态变化而不断被带走,因而不会产生累积性增厚而堵塞河床砂砾层。河水对滤膜起到冲刷、更新作用,使其能长期取水[3]。

图2 渗滤取水工艺模型图

3 以浠水南城水厂为例讨论

浠水南城水厂为浠水县城区供水厂,位于浠水河畔,水源为浠水河。浠水南城水厂段河道下主要发育静、动贮量丰富、补给源充足的砂卵石层孔隙水和动贮量较为丰富、补给源一般的基岩裂隙水两大类型地下水。砂卵石层天然河床顺河道分布连续、范围较大,总面积超过 14万 m2。设计供水量近期 2万m3/d[5]。现收集浠水南城水厂 07、08年抽样水质监测数据如(表 1)。南城水厂出厂水 pH值与源水存在差异,但受源水影响较大。由观测资料可以显示(图 3),由于在净水工艺中存在的人工调节,南城水厂 pH值与源水不会完全一致,但两者的变化曲线拟合度很高,总体上南城水厂 pH值随源水的升高而升高,降低而降低。

表1 南城水厂水源水与出厂水指标对比

图3 南城水厂水源水与出厂水 PH值关系图

水源水的浊度变化存在一定起伏,这也许受到当地人为活动,或当地降雨的影响;出厂水的趋势较稳定,在经过河床滤床后基本都能达到了国家自来水检测标准(图 4)。水源水的浊度都高于其对应的出厂水,其中最高的出除率能达到95%以上。

水源水在铁离子的含量存在较大的起伏,没有强变化趋势;出厂水的铁离子含量较稳定,都达到国家自来水检验标准。同期监测的水源水中铁离子的含量都高于出厂水,且最高达到了 15倍以上(图 5),但经过净化后达到标准,说明河底滤床对铁离子有较强的吸附效果。

水源水中的细菌含量在检出样中显示,每年同期比较是在增加的,说明源水水质在受到污染,在逐年恶化。同年内随着季节变化,也呈现成与季节相关变化,随温度升高,源水中细菌的数量也增加,2008年 6月达到本次抽样数据统计得峰值 33 000CFU/m L。出厂水还是较稳定,在所有抽样中有一件样品超标,其余的都能达到国家自来水检验标准(图 6)。

图4 南城水厂水源水与出厂水浊度值关系图

在出厂水水样中分别有一件样品的浊度与细菌总量指标超标。将此次总体收集数据进行对比分析,超标的主要原因不会是天然河底滤床能力的衰减造成的,可能是检验过程或检验技术造成的差异。

图5 南城水厂水源水与出厂水铁离子含量关系图

图6 南城水厂水源水与出厂水细菌总数关系图

4 结论

渗滤取水净水机理主要是利用砂砾石层表面的泥膜及砂砾石层本身过滤作用、吸附作用,微生物的降解作用达到去除水中的悬浮物质、降低水的浊度、除菌的效果。浠水南城水厂渗滤净化结果表明,高浊度河水经过渗滤净化,浊度和细菌数显著降低,水中的 Fe离子最高去除率 90%以上。

07～08 两年来,出厂水的水质监测结果都比较稳定,基本达到国家自来水供水标准,说明渗滤取水工艺对水体的净化是有着显著效果的,且具有一定的持续稳定性,是可以长年持续运行的净水工艺。

水源水抽样中细菌指标有多件样品超标,而经过天然滤床后,出厂水细菌含量基本达标,说明滤床有较强的除菌效果。但是水源水中的细菌含量有逐年增加的趋势,说明水源地正在遭受到污染,应该采取一定必要措施遏制污染。

研究与工程实践表明,渗滤取水工艺特点在于:

(1)渗滤取水的工艺步骤简单,但同样能达到净水效果;

(2)渗滤取水的取水构筑物主要集中于河床下部,在地表部分仅需设置泵房,占地面积小;

(3)工艺中采用的滤床由一定厚度、级配的砂卵石层天然河床,能替代传统工艺中的絮凝 -沉淀与过滤工艺,具有去浊除菌的功能效果稳定,受外界因素影响较小;

(4)实践证明,通过上述作用产生的地下潜流水,具有一定压力,在滤床砂卵石层中与地表渗透水在一定浓度下保持压力平衡,形成一个明显的水质界面,使潜流水水质全部得到更新[4],这样减少了人工维护的需求,降低维护难度,节省了人力资源。

渗滤取水是涉及水文地质、工程地质、地表水文、钻探、给排水、土建、机械和电气等多学科的系统工程。主要由地面泵站、集水导井、江底隧道、汇水硐室、渗滤孔群等构筑物组成[4]。它作为一种超慢滤开采技术,实质是开采经江河河床过滤而形成的地下潜流水的工艺,是对传统取水手段的有利补充。该工艺所采潜流水不仅具有很高的品质,且补给源固定、水量充足,是可以开采利用的重点研究对象。综合上述各项指标的分析,说明经过渗滤取水工艺处理的源水能达到国家自来水检测标准。且此工艺的前期基础设施的建设投入,与运营期间的运行和维护费用都低于传统工艺,有较高的经济效益。渗滤取水技术在十几年的发展过程中不断优化,比较传统净水工艺也具有它自己的优势,但同时也遇到了越来越多的难题。例如在长期运行后,会产生滤床淤塞,供水量减少的问题,这问题也将是在不断完善这项工艺的道路上的难题之一。

[1]李晓,魏民.天然河床渗滤水水质特征及净化机理研究[J].矿物岩石,2004,(12):111-114

[2]任陶军.渗滤取水过程中水质变化特征及原因研究[D].成都理工大学 ,2007

[3]李晓.利用天然河床渗滤取水的新技术[J].中国给水排水2003,19(6):74-76

[4]侯亚芹.渗滤取水技术优势分析[J].建筑节能,2009,(05)

[5]陈永红,袁志宇.渗滤取水技术在浠水县南城水厂的应用[J].中国农村水利电,2008,(06)

[6]曾晓佳,李晓.天然河床渗滤取水滤膜研究[J].广东微量元素科学,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

宋凯(1986-),男,湖南江永人,在读研究生,研究方向:环境水文地质。