南水北调中线工程除藻拦污技术研究

吴林峰 李昊 张佩纶 李成

摘要：南水北调中线工程干渠因藻类滋生而影响水质。为了保证供水安全，在干渠止水闸门前设置格栅类过滤设备，机械式对渠道水中藻类等污物进行拦截，以减轻水质污染的程度及对原管网的损害。全自动机械式除藻拦污设备以止水闸门门槽为支撑进行安装，设备由对过流断面中藻类等污物拦截的过滤装置、带动过滤装置进行旋转的传动机构、将过滤装置上拦截下来的藻类等污物进行处理的冲洗機构和排污机构，以及对以上机构和装置进行控制的全自动控制系统等组成。该设备在南水北调中线工程郑州段十八里河止水闸门门槽成功安装和运行表明：对水中藻类等污物可以成功拦截60%;该全自动机械式拦藻截污技术的应用经济效益显著，具有较高的推广应用价值。

关键词：止水闸门门槽;全自动;过滤装置;南水北调中线工程

中图分类号：TV213;TV53

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000-1379.2019.01.027

1 工程背景

南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的特大型水利工程，是优化我国水资源配置，解决京、津和华北平原水资源供需矛盾的重大调水工程。随着工程的试运行，总干渠局部藻类滋生，尤其是高温的夏季，藻类生长和繁殖加快，其中以硅藻、绿藻和蓝藻为主，且沿程藻类数量和尺寸长度呈增加趋势。藻类大量繁殖影响水质、增大水厂处理难度。藻类大量繁殖形成的次生物质导致水中产生臭味，增加水的腐蚀性，在夏季高水温情况下，容易导致管网产生“黄水”。混凝沉淀去除藻类效果不佳，而且往往造成滤池堵塞，缩短滤池反冲洗周期，导致产水率下降[1-4]。针对南水北调中线工程输水水质和水量特征，为做好城市供水安全保障工作，需要在干渠各个区段及其主要分水口门设置格栅，解决干渠藻类滋生和污物漂流问题，保证总干渠水质达标。

2 拦截原理及方案设计

选择南水北调中线郑州十八里河段为典型渠段，进行渠道中藻类、污物拦截和清除方案设计。郑州十八里河闸门及门槽为立式结构，止水闸门门槽总宽30m，由4扇平面闸门组成，单门槽宽度为7m，高为10.9m（其中水下高度为5.6 m），闸门门槽安装宽度为0.86m，正常状态下渠道通水，闸门是提起、开启状态，即多数情况下闸门门槽是闲置状态。

充分利用门槽的闲置状态，以现有闸门门槽为依托，在门槽位置放置过滤装置。不改动和破坏门槽的结构，在门槽上安装和固定过滤装置及其动力装置，并按要求做好该设备与门槽间的止水及固定支撑，利用设备上下液面压差及渠道水流惯性，拦截过流断面上的藻类及污物。藻类和污物不需要一次拦截、清除干净，只需要将流经断面的、最大尺寸10 mm以上的团状藻类及污物拦截下来即可，不对水质造成二次污染。同时，藻类和污物被滤网拦截下来后，如果不能及时脱离滤网，那么势必会增加水流过闸水头损失，对渠道输水造成一定影响，因此设置相应的传动机构、冲洗机构、排污机构等部件，由传动机构带动过滤装置作周期性旋转，由冲洗机构对过滤装置上的污物进行冲洗，以使污物与滤网快速、及时分离，最大限度降低滤网对渠道水流行进的影响，并保证藻类和污物拦截、过滤的连续性，见图1。

受门槽结构限制，以及原设计赋予工作闸门的运行要求，全自动机械式除藻、拦污设备只能通过门槽上方的空间进行自主冲洗、驱动、排污和控制等，并能方便、灵活地与门槽进行组合与拆分。因此，全自动机械式除藻设备以过滤装置为核心，由传动机构进行驱动、冲洗机构周期性对过滤装置清洗、排污机构临时存储过滤装置冲洗下来的污物，过滤装置、传动机构、冲洗结构以及排污机构全部安装在支撑机构上，将支撑机构放在门槽里，从而实现整个拦藻除污工作系统化。为了操作便利，对过滤装置、传动机构、冲洗机构和排污机构进行操纵的全自动控制系统装在门槽一侧的顶部，系统结构见图2。

传动机构中的电机带动主动链轮驱动过滤装置旋转，在冲洗机构射流冲洗下，将滤网上的藻类等污物冲洗到排污机构中，排污机构中污物达到一定量时，排污机构工作排出污物。这一系列动作通过控制系统中的PC端输入到PLC控制器中，实现系统的自动化运行，见图3。

3 全自动机械式除藻拦污设备设计

3.1 传动机构与过滤装置

传动机构主要由电动机、电位器、联轴器、减速器、变频器等组成，电动机是传动装置的“心脏”，采用变频调速器驱动，可实现过滤装置的无级调速，削减电机启停时对机械结构的冲击和震动。电动机的型号为Y132S-4，额定功率为5.5 kW。减速器的型号为BWD3-23-5.5KW，减速比为23.输出转速约为60 r/mm。由于过滤装置传动中心距大，水中作业，耐腐蚀，中等精度，因此选择滚子链传动，以保证传动的稳定性和可靠性。选择C2062型滚子链，链节距为38.1 mm，驱动辊直径为320 mm，辊齿数为19个，从动辊直径为340 mm，辊齿数为27个，链条片厚3 mm，链条片高24mm，链和辊材质均为SUS304，滚子链传动速度为0.1m/s。

过滤装置采用不锈钢钢丝织网，选择6 mmx6 mm的菱形网孔，见图4。织网两端和链条装配在一起，称为链网。链网可折弯性强，可以根据链条的运动轨迹自行弯曲，既不会因网孔过密而造成水压增大，又可以满足拦藻截污要求。

单门槽宽7m，设备工作面较宽，在门槽宽度方向，将工作面分为四个部分，选择四面小幅面链网，使链网具有较高的抗冲击机械强度，防止在水流的冲击下链网变形或损坏，影响设备性能和使用寿命。驱动辊采用单电机集中驱动，使用带键槽的刚性同步装置连接链轮与链条的啮合，保证链网同步平稳运行。

3.2 冲洗机构

冲洗机构由水泵、水管和多个射流喷嘴等组成，见图5、图6。利用渠道中的水给水泵供水，潜水泵流量为28 m3/h，扬程为30 m.喷嘴分上下两排交错布置在水管支座上，根据链网幅宽设置两排交错等间距的不锈钢可调球形螺纹扇形可拆卸喷嘴，喷嘴水平间距为125 mm.喷嘴离网面300 mm.共20个。工作时链网旋转到设定位置水泵对喷嘴供水，喷射形成的水柱在链网面上形成不间断覆盖式的清洗工作面，将附着在链网上的藻类和污物冲至排污机构的污水收集箱中，进行沉淀过滤。冲洗机构额定功率为3 kW、额定电压为380 V、额定电流为5.6 A、工作频率为50 Hz。

3.3 排污机构

从链网上经过冲洗机构冲洗下来的藻类和污物，被收集到污水收集箱中后，由PC端控制电机启动污水泵将收集箱污物定时排出到指定地点，见图7.污水收集箱容积为1.4 m。排污機构额定功率为3 kW、额定电压为380 V、额定电流为3.75 A、工作频率为50 Hz。

收集箱的液面上限受液位开关控制，防止污物溢出，排出次数由PLC自动判断并控制其运行时间，排污频率随季节变化，在夏季藻类生长旺盛期，每隔10mm冲洗一次，冲洗时间为30 s，春秋季冲洗间隔要长些，冬天则暂停冲洗工作（工作频率由工作人员设定）。

3.4 自动化控制系统设计

控制系统PLC根据运行工况设计为操作员手动控制拦截系统、自动控制拦截系统和人工远程遥控拦截系统3种工作模式，见图7。控制柜采用室外防雨型，布置在清污机的一端，在控制柜上设有电源控制、过滤装置控制、冲洗机构控制、排污机构控制的按钮、旋钮及触摸屏，同时设有电压、电流以及各机构工作的相关指示灯，操作简单，还设置了自动、手动、远程遥控旋钮，可以实现现场手动操作、自动运行以及远程控制，使得全自动机械式除藻拦污设备更加符合实际需要，提高了工作效率。

4 全自动机械式除藻拦污技术应用与效果分析

首台全自动机械式除藻拦污设备总高度为7.7 m，地面部分高1.7 m.在郑州段刘湾分水口上游的十八里河倒虹进口检修闸门门槽安装并运行。设备经过1 a的试运行，运行效果良好，对枯枝、落叶、杂草等污物全部拦截，对藻类拦截率达到60%，通过滤网反复拦截、冲洗最终使工作区域内的水质达标。设备各项功能指标经实际工况运行检验后完全符合设计要求，若将该技术推广应用于南水北调中线工程1 000多km的渠道中，则完全满足使用要求。

与传统除藻采用的人工打捞方法相比较，全自动机械式除藻拦污技术大大降低了劳动强度，很大程度上降低了劳动的危险性，大幅提高了除藻拦污的工作效率。全自动除藻拦污设备可以一天24 h不间断循环工作，并且可根据藻类滋生的情况实时修改工作频率，使设备的除藻效率与能源消耗量处于经济水平。若按照每个班组4人，每天3个班组，每人4 000元/月计算，每月直接工资支出为4.8万元。一台全自动除藻拦污设备售价为50多万元，只需约la的时间设备投资支出即可与人工打捞持平，而设备日后维护只需较低的费用（含维护人员工资每年约占设备投资的12%）。按设备使用寿命10 a计，直接节省资金500余万元。以上是一处除藻拦污设备的收益，而南水北调中线工程共有64座节制闸，设有88座分水口门，总的经济效益将达到32 000万元以上，经济效益非常可观。

全自动除藻拦污设备在南水北调中线干渠节制闸和分水口门前上游位置安装，直接降低了南水北调水源使用方对水体处理的难度，同时提高了渠道水体中的含氧量，可提高渠道生态系统的稳定性和维持生物多样化，社会效益显著，因此具有较高的推广应用价值。

参考文献：

[1]林明利，张全，李宗来，等，南水北调中线输水水质水量变 化特征及城市供水应对措施建议[J].给水排水，2016，42 （4）：9-13.

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[3] 朱灵峰，耿悦，何怡雪，等，郑州段南水北调水微絮凝一直接过滤试验研究[J].人民黄河，2017，39（3）：81-84.

[4]徐良，冯平，孙冬梅，等，水温对藻类生长变化影响的数值模拟[J].安全与环境学报，2013，13（5）：76-81.