本發(fā)明涉及一種多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理工藝。本發(fā)明還涉及專用于所述工藝的一種多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

平原河網(wǎng)區(qū)內(nèi)城市河道坡度小，為改善河道水體流動(dòng)性、增加河道水動(dòng)力學(xué)條件，主要通過(guò)區(qū)域范圍內(nèi)已建的引配水泵站進(jìn)行配水調(diào)控，進(jìn)而加快該區(qū)域范圍內(nèi)的河網(wǎng)水體循環(huán)速度，提高水體自凈能力，改善河網(wǎng)水環(huán)境，構(gòu)建和諧統(tǒng)一的城市河道景觀與生活環(huán)境。

以杭州市蕭山區(qū)為例，現(xiàn)狀主要通過(guò)小礫山引水樞紐、江邊排灌站以及錢(qián)江樞紐等錢(qián)塘江沿岸各引水樞紐泵站將錢(qián)塘江水引入城區(qū)內(nèi)河道，從而改善河網(wǎng)水環(huán)境。目前，蕭山區(qū)年引水量在9億m³左右。根據(jù)富春江電站實(shí)測(cè)懸沙資料統(tǒng)計(jì)，錢(qián)塘江上游平均含沙量約0.2kg/m³，下游區(qū)域平均含沙量0.4～2.0kg/m³，特別是梅汛期輸沙量占全年的50～70％。錢(qián)塘江外江水水質(zhì)含沙量大、濁度高、水體透明度低，直接引入內(nèi)河網(wǎng)區(qū)會(huì)造成內(nèi)河網(wǎng)區(qū)內(nèi)河道的嚴(yán)重淤積，同時(shí)水質(zhì)也不能滿足河道景觀水體的要求。

常規(guī)的水質(zhì)凈化處理及已公知的凈化處理設(shè)施主要是在封閉的構(gòu)筑物或小型裝置中進(jìn)行處理，可通過(guò)建設(shè)構(gòu)筑物或裝置實(shí)現(xiàn)水量和水質(zhì)的均質(zhì)化。但是，在平原河網(wǎng)區(qū)中，為保障河道下游水量需求，水利工程中引水設(shè)施引水水量大且引水水質(zhì)復(fù)雜多變。如杭州市錢(qián)江樞紐引水流量設(shè)計(jì)為20m³/s，每天理論引水量約173萬(wàn)m³/s；錢(qián)塘江外江水由于受潮汐水的影響，濁度最大時(shí)達(dá)2000NTU，最小時(shí)約50NTU，水體水質(zhì)變化非常大。在已有引水泵站等水利工程設(shè)施中，難以有空間建設(shè)一個(gè)勻質(zhì)化的構(gòu)筑物來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一處理，建設(shè)更是不具有經(jīng)濟(jì)性。因此，在平原河網(wǎng)區(qū)，如何結(jié)合現(xiàn)有引水泵站等水利工程設(shè)施以及城市河道，在不影響防洪排澇功能的基礎(chǔ)上，充分考慮到引水水量大、水質(zhì)變化大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)引水水質(zhì)的凈化處理是一個(gè)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，就是提出一種多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理工藝。

本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題，就是提出一種專用于上述工藝的多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理系統(tǒng)。

采用本發(fā)明的工藝和系統(tǒng)，可結(jié)合現(xiàn)有引水泵站等水利工程設(shè)施，在不影響水利工程設(shè)施排澇功能的基礎(chǔ)上，效果顯著、成本低廉地凈化引水水質(zhì)，并提高河道水體的自凈能力。

解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

一種多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理工藝，其特征是包括以下步驟：

1)在引水泵前按比例投加凝聚劑，所述的凝聚劑為鋁鹽類或鐵鹽類無(wú)機(jī)高分子凝聚劑，凝聚劑投加量為5～30ppm；在引水泵入口處，通過(guò)引水泵自身葉輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)凝聚劑和水體的快速均勻混合；

2)水體經(jīng)引水泵出來(lái)后，進(jìn)入絮凝反應(yīng)段，通過(guò)多點(diǎn)投加的方式按比例加入助凝劑，助凝劑為聚丙烯酰胺，投加量為0.01～0.1ppm；絮凝反應(yīng)段的引水泵出水口的消力池區(qū)域底部安裝穿孔管，進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣；

3)沉淀河段沿岸種植水陸兩棲植物：美人蕉、再力花、澤瀉、香蒲、昌蒲、千屈菜及燈心草挺水植物；

4)在沉淀雍水段設(shè)置可實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)度的生態(tài)過(guò)流閘，運(yùn)行過(guò)程中與引水流量進(jìn)行同步調(diào)控；使沉淀雍水段水力停留時(shí)間控制在90min～120min，流速小于0.1m/s，且與下游河道水位相差30～50cm，閘門(mén)頂過(guò)流處設(shè)置破水器；

5)下游河道設(shè)有下游節(jié)制閘控制水體流速，形成多級(jí)水位差，保證流速大于0.1m/s；

6)當(dāng)下游河道有多條支流分流時(shí)，通過(guò)調(diào)整每個(gè)支流的節(jié)流閘的開(kāi)度來(lái)控制各條支流的流量分配比，控制下游河道各支流的流速，形成水位差，保證流速大于0.1m/s，實(shí)現(xiàn)所有河道的水動(dòng)學(xué)條件改善。

所述的沉淀雍水末端水閘在正常引水凈化處理時(shí)，生態(tài)過(guò)流閘豎起雍水，形成水閘前后水位差；泄洪時(shí)，臥倒閘門(mén)進(jìn)行排澇過(guò)水。生態(tài)過(guò)流閘可實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)度控制雍水水位，運(yùn)行過(guò)程中與引水流量進(jìn)行同步調(diào)控。閘頂過(guò)流處設(shè)置破水器，形成大量的微孔氣泡，提高了水體中的溶解氧含量，改善了河道水體的生態(tài)環(huán)境。

解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

一種專用于上述工藝的多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)適用于引水泵站水利工程設(shè)施和城市河道，其凈水處理區(qū)域包括依次順連的設(shè)有引水泵進(jìn)水口的引水段、包含泵站消力池段的絮凝反應(yīng)段、沉淀雍水段、沉淀末端生態(tài)水閘形成的生態(tài)復(fù)氧區(qū)段和下游河道段；其特征是：所述的系統(tǒng)包括：

水力混凝系統(tǒng)，由凝聚劑貯存系統(tǒng)1和投加系統(tǒng)2構(gòu)成，投加系統(tǒng)2將貯存系統(tǒng)里的凝聚劑泵至引水泵進(jìn)水口處3；

曝氣強(qiáng)化絮凝系統(tǒng)，包括助凝劑制備5和投加系統(tǒng)6，通過(guò)助凝劑投加系統(tǒng)6以多點(diǎn)投加的方式投加至至泵站消力池進(jìn)水一側(cè)7；還包括排列在絮凝反應(yīng)段底部的多根順流且平行的穿孔管，通過(guò)一根主管從中間橫向連接各開(kāi)孔管，主管采用de100～400的不銹鋼管，穿孔管采用DN50～250的UPVC管，穿孔管中心對(duì)稱平面的兩側(cè)從圓心向下45度位置壁上開(kāi)孔，孔徑為4～8mm；

無(wú)動(dòng)力生態(tài)復(fù)氧系統(tǒng)包括沉淀段河道沿岸的水生植物形成的漫灘地生態(tài)系統(tǒng)和沉淀末端的生態(tài)過(guò)流閘；

下游河道水力調(diào)控系統(tǒng)包括下游各河道設(shè)置的節(jié)制閘。

本發(fā)明創(chuàng)新之處在于：1)結(jié)合引水泵站工程設(shè)施布局，不影響泵站的防洪排澇功能；2)優(yōu)化凝聚劑和助凝劑的投加位置和投加比例，實(shí)現(xiàn)投加效果最優(yōu)性和處理經(jīng)濟(jì)性；3)由于消力池是泵站排澇時(shí)的重要過(guò)水通道，依靠機(jī)械攪拌或常規(guī)折板設(shè)施來(lái)維持絮凝反應(yīng)所需的速度梯度會(huì)影響汛期排澇時(shí)的過(guò)水能力，而且汛期排澇時(shí)水體流速大，也容易對(duì)機(jī)械或折板設(shè)施造成破壞性影響。鑒于此，本發(fā)明通過(guò)在引水泵站消力池底部設(shè)置穿孔管曝氣設(shè)施，在不影響排澇功能的基礎(chǔ)上，增大消力池內(nèi)水體的紊流程度，增加顆粒的碰撞機(jī)會(huì)，提高絮凝效果；4)在下游河道沉淀末端設(shè)置生態(tài)過(guò)流閘，實(shí)現(xiàn)沉淀段的雍水，減緩水體流速，絮凝顆粒物得到有效的沉降，實(shí)現(xiàn)降低濁度、提高水體透明度，同時(shí)去除磷的目的。在條件允許的情況下，河段的沉淀段還能形成水陸交接的漫灘地，通過(guò)種植水陸兩棲性的挺水植物，有效地提高河道的生物多樣性。與此同時(shí)，巧妙結(jié)合生態(tài)過(guò)流閘形成的跌水和閘頂破水器形成的大量微孔氣泡，在不需新增動(dòng)力的情況下，提高了河道水體中的溶解氧含量，改善了河道水生態(tài)環(huán)境；5)生態(tài)過(guò)流閘的開(kāi)度根據(jù)引水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)不同引水流量時(shí)，控制河道雍水段在不同水位，保證沉淀效果；6)生態(tài)過(guò)流閘下游河道水體水質(zhì)可通過(guò)設(shè)置節(jié)制閘的型式形成多級(jí)水位差，改善河道水體水動(dòng)力學(xué)條件，增加河道水體的流動(dòng)性，提高水體的自凈能力。

本發(fā)明的有益成果：1)能有效降低水體中的濁度和總磷含量，顯著提高水體的透明度和溶解氧含量，明顯改善河道水體的生態(tài)環(huán)境，提高河道水體的自凈能力，生態(tài)環(huán)境效益顯著；2)凈化處理后能有效避免下游河道的泥沙淤積，節(jié)省因下游河道清淤產(chǎn)生的巨大工程費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

附圖說(shuō)明

圖1為處理系統(tǒng)適用于下游沉淀河段無(wú)分流的示意圖；

圖2為處理系統(tǒng)適用于下游沉淀河段有分流的示意圖；

圖3為穿孔管開(kāi)孔方式仰視示意圖；

圖4為穿孔管剖視示意圖；

圖5為凈化處理前后濁度變化情況；

圖6為凈化處理前后總磷變化情況；

圖7為凈化處理前后DO變化情況；

圖8為凈化處理前后透明度變化情況。

圖中①-凝聚劑貯存系統(tǒng)；②-凝聚劑投加系統(tǒng)；③-引水泵進(jìn)水口；④-引水泵機(jī)組；⑤助凝劑制備系統(tǒng)；⑥助凝劑投加系統(tǒng)；⑦助凝劑多點(diǎn)投加；⑧鼓風(fēng)曝氣設(shè)施；⑨曝氣穿孔管；⑩沉淀雍水區(qū)域；生態(tài)過(guò)流閘；生態(tài)復(fù)氧區(qū)；下游河道；下游河道節(jié)制閘。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1和圖2，本發(fā)明的多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理工藝，其特征是包括以下步驟：

1)分析原水水質(zhì)變化情況，找到原水水質(zhì)變化規(guī)律，為提高凈化處理的經(jīng)濟(jì)性，避開(kāi)其中極端不利引水的時(shí)間段，如受漲潮或其他會(huì)極大影響來(lái)水水質(zhì)的時(shí)段；盡量安排凈化處理的時(shí)間段：引水水質(zhì)濁度不超過(guò)500NTU，鹽度不超過(guò)250ppm。若濁度超過(guò)500NTU時(shí)進(jìn)行引水，處理成本會(huì)較高。若鹽度超過(guò)250ppm時(shí)，考慮下游河道生態(tài)系統(tǒng)，不建議進(jìn)行引水。

2)在引水泵前按比例投加凝聚劑，所述的凝聚劑為鋁鹽類或鐵鹽類無(wú)機(jī)高分子凝聚劑，凝聚劑投加量為5～30ppm。在引水泵入口處，通過(guò)引水泵自身葉輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)凝聚劑和水體的快速均勻混合。

3)水體經(jīng)引水泵出來(lái)后，進(jìn)入泵站消力池進(jìn)行絮凝反應(yīng)，通過(guò)多點(diǎn)投加的方式按比例加入助凝劑。助凝劑為聚丙烯酰胺，投加量為0.01～0.1ppm。為增強(qiáng)水體的紊流程度，提高水體的絮凝效果，在引水泵出水口的消力池區(qū)域底部安裝穿孔管進(jìn)行曝氣，通過(guò)鼓風(fēng)曝氣機(jī)曝氣，實(shí)現(xiàn)消力池內(nèi)水流的紊流效果，保證消力池內(nèi)水體達(dá)到足夠的紊流程度，維持絮凝反應(yīng)所需的速度梯度，增大絮體顆粒的碰撞機(jī)會(huì)。同時(shí)還能避免由于局部區(qū)域流速緩慢造成的絮體沉降進(jìn)而影響排澇。由于水體中含氧量的增加，曝氣的實(shí)施還有助于水體中污染物質(zhì)的去除。

4)引水泵站消力池出水進(jìn)入下游河道，通過(guò)在內(nèi)河道沉淀末端設(shè)置生態(tài)過(guò)流閘，實(shí)現(xiàn)沉淀段的雍水。沉淀河段沿岸種植水陸兩棲植物，如美人蕉、再力花、澤瀉、香蒲、昌蒲、千屈菜及燈心草等挺水植物，引水凈化處理時(shí)形成生物多樣性豐富的漫灘地，能進(jìn)一步通過(guò)吸附、過(guò)濾或截留，降低水體中的污染物。

5)為保證沉淀段的顆粒沉淀效果，沉淀雍水段流速小于0.1m/s，且與下游河道水位相差30～50cm，通過(guò)水閘形成的水位差創(chuàng)造跌水復(fù)氧的環(huán)境。閘門(mén)頂過(guò)流處設(shè)置破水器，使過(guò)流水體中產(chǎn)生大量的微孔氣泡，不需新增動(dòng)力，提高了河道水體中的溶解氧含量，極大地改善了河道水體生態(tài)環(huán)境。

6)下游河道水體流速通過(guò)下游水閘控制，形成多級(jí)水位差，且保證流速大于0.1m/s，通過(guò)改善水動(dòng)力學(xué)條件來(lái)提升河道水體的自凈能力。

7)當(dāng)下游河道有多條支流分流時(shí)，通過(guò)調(diào)整每個(gè)支流的節(jié)流閘的開(kāi)度來(lái)控制各條支流的流量分配比，控制下游河道各支流的流速，形成水位差，保證流速大于0.1m/s，實(shí)現(xiàn)所有河道的水動(dòng)學(xué)條件改善。

專用于上述工藝的多級(jí)強(qiáng)化水體自凈及水力調(diào)控的水質(zhì)凈化處理系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)適用于引水泵站水利工程設(shè)施和城市河道，凈化處理區(qū)域包括依次順連的設(shè)有引水泵進(jìn)水口的引水段、泵站消力池段(絮凝反應(yīng)段)、沉淀雍水段、沉淀末端水閘形成的生態(tài)復(fù)氧區(qū)段和下游河道段；其特征是：所述的系統(tǒng)包括：

水力混凝系統(tǒng)，由凝聚劑貯存系統(tǒng)1和投加系統(tǒng)2構(gòu)成，通過(guò)投加系統(tǒng)2將貯存系統(tǒng)中的凝聚劑投加至引水泵進(jìn)水口處3。

曝氣強(qiáng)化絮凝系統(tǒng)，包括助凝劑制備系統(tǒng)5和投加系統(tǒng)6，通過(guò)助凝劑投加系統(tǒng)6以多點(diǎn)投加的方式投加至至泵站消力池進(jìn)水一側(cè)7；還包括排列在絮凝反應(yīng)段的多根順流且平行的穿孔管，通過(guò)一根主管從中間橫向連接各開(kāi)孔管，主管采用de100～400的不銹鋼管，穿孔管采用DN50～250的UPVC管，穿孔管中心對(duì)稱平面的兩側(cè)從圓心向下45度位置壁上開(kāi)孔，孔徑為4～8mm。

無(wú)動(dòng)力生態(tài)復(fù)氧系統(tǒng)包括沉淀段河道沿岸的水生植物形成的漫灘地生態(tài)系統(tǒng)設(shè)置以及在沉淀末端的生態(tài)過(guò)流閘11形成的復(fù)氧水體河段。在正常引水凈化處理時(shí)，生態(tài)過(guò)流閘豎起雍水，形成水閘前后水位差；泄洪時(shí)，臥倒閘門(mén)進(jìn)行排澇過(guò)水。生態(tài)過(guò)流閘可實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)度控制雍水水位，運(yùn)行過(guò)程中與引水流量進(jìn)行同步調(diào)控。閘頂過(guò)流處設(shè)置破水器，形成大量的微孔氣泡，提高了水體中的溶解氧含量，改善了河道水體的生態(tài)環(huán)境。

下游河道水力調(diào)控系統(tǒng)包括下游河道及各支流的節(jié)制閘。通過(guò)下游節(jié)制閘控制下游各河道的水位，形成多級(jí)水位差，且保證流速大于0.1m/s，通過(guò)改善水動(dòng)力學(xué)條件來(lái)提升河道水體的自凈能力。

具體應(yīng)用例

工程實(shí)施案例在杭州市蕭山區(qū)錢(qián)江樞紐進(jìn)行。錢(qián)江樞紐有兩臺(tái)引水泵，單臺(tái)引水泵引水流量10m³/s。工程實(shí)施期間，凝聚劑在引水泵入口處投加，在進(jìn)入引水泵過(guò)程中實(shí)現(xiàn)凝聚劑和錢(qián)塘江外江水的充分混合。凝聚劑投加為鋁鹽類無(wú)機(jī)高分子凝聚劑，投加量根據(jù)錢(qián)塘江外江的水質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，投加量5～30ppm。然后，在消力池內(nèi)通過(guò)多點(diǎn)投加的方式投加助凝劑，投加量為0.01～0.1ppm，通過(guò)消力池內(nèi)穿孔管曝氣創(chuàng)造足夠的紊流效果，維持絮凝所需的速度梯度。最后，利用下游河道后解放河局部河段完成沉淀過(guò)程，后解放河沉淀河段長(zhǎng)度500m。

后解放河沉淀末端建設(shè)生態(tài)過(guò)流水閘，水閘共3孔，凈寬36m，最大過(guò)閘流量110m³/s，采用下臥式生態(tài)過(guò)流閘門(mén)。通過(guò)沉淀末端生態(tài)過(guò)流閘來(lái)調(diào)節(jié)控制沉淀雍水段水位4.8m，閘后河道水位通過(guò)下游的節(jié)制閘控制在4.3m，水閘前后保持50cm水位差，創(chuàng)造跌水復(fù)氧的環(huán)境。與此同時(shí)，水閘頂設(shè)置的破水器形成大量的微孔氣泡，提高了水體的溶解氧含量。經(jīng)過(guò)凈化處理后，沉淀末端水閘處出水透明度超過(guò)1m，濁度去除率超過(guò)90％，總磷的去除率超過(guò)80％，水體溶解氧含量明顯提高。下游河道各支流通過(guò)各節(jié)制閘控制流速和水位，河道水動(dòng)力學(xué)條件明顯得到改善，水質(zhì)能得到長(zhǎng)時(shí)間的保持。