本發(fā)明涉及一種多級強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強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性、增加河道水動力學(xué)條件，主要通過區(qū)域范圍內(nèi)已建的引配水泵站進行配水調(diào)控，進而加快該區(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)狀主要通過小礫山引水樞紐、江邊排灌站以及錢江樞紐等錢塘江沿岸各引水樞紐泵站將錢塘江水引入城區(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)富春江電站實測懸沙資料統(tǒng)計，錢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)會造成內(nèi)河網(wǎng)區(qū)內(nèi)河道的嚴(yán)重淤積，同時水質(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行處理，可通過建設(shè)構(gòu)筑物或裝置實現(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。如杭州市錢江樞紐引水流量設(shè)計為20m³/s，每天理論引水量約173萬m³/s；錢塘江外江水由于受潮汐水的影響，濁度最大時達2000NTU，最小時約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)一個勻質(zhì)化的構(gòu)筑物來進行統(tǒng)一處理，建設(shè)更是不具有經(jīng)濟性。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，實現(xiàn)引水水質(zhì)的凈化處理是一個難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題，就是提出一種多級強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技術(shù)問題，就是提出一種專用于上述工藝的多級強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。

解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

一種多級強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機高分子凝聚劑，凝聚劑投加量為5～30ppm；在引水泵入口處，通過引水泵自身葉輪的高速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)凝聚劑和水體的快速均勻混合；

2)水體經(jīng)引水泵出來后，進入絮凝反應(yīng)段，通過多點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)置可實現(xiàn)不同開度的生態(tài)過流閘，運行過程中與引水流量進行同步調(diào)控；使沉淀雍水段水力停留時間控制在90min～120min，流速小于0.1m/s，且與下游河道水位相差30～50cm，閘門頂過流處設(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，通過調(diào)整每個支流的節(jié)流閘的開度來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，實現(xiàn)所有河道的水動學(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，生態(tài)過流閘豎起雍水，形成水閘前后水位差；泄洪時，臥倒閘門進行排澇過水。生態(tài)過流閘可實現(xiàn)不同開度控制雍水水位，運行過程中與引水流量進行同步調(diào)控。閘頂過流處設(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。

解決上述第二個技術(shù)問題，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強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水口處3；

曝氣強化絮凝系統(tǒng)，包括助凝劑制備5和投加系統(tǒng)6，通過助凝劑投加系統(tǒng)6以多點投加的方式投加至至泵站消力池進水一側(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，通過一根主管從中間橫向連接各開孔管，主管采用de100～400的不銹鋼管，穿孔管采用DN50～250的UPVC管，穿孔管中心對稱平面的兩側(cè)從圓心向下45度位置壁上開孔，孔徑為4～8mm；

無動力生態(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，實現(xiàn)投加效果最優(yōu)性和處理經(jīng)濟性；3)由于消力池是泵站排澇時的重要過水通道，依靠機械攪拌或常規(guī)折板設(shè)施來維持絮凝反應(yīng)所需的速度梯度會影響汛期排澇時的過水能力，而且汛期排澇時水體流速大，也容易對機械或折板設(shè)施造成破壞性影響。鑒于此，本發(fā)明通過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，增加顆粒的碰撞機會，提高絮凝效果；4)在下游河道沉淀末端設(shè)置生態(tài)過流閘，實現(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，實現(xiàn)降低濁度、提高水體透明度，同時去除磷的目的。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，巧妙結(jié)合生態(tài)過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)過流閘的開度根據(jù)引水流量進行實時調(diào)控，可實現(xiàn)不同引水流量時，控制河道雍水段在不同水位，保證沉淀效果；6)生態(tài)過流閘下游河道水體水質(zhì)可通過設(shè)置節(jié)制閘的型式形成多級水位差，改善河道水體水動力學(xué)條件，增加河道水體的流動性，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)生的巨大工程費用，經(jīng)濟效益顯著。

附圖說明

圖1為處理系統(tǒng)適用于下游沉淀河段無分流的示意圖；

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-引水泵進水口；④-引水泵機組；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。

具體實施方式

參見圖1和圖2，本發(fā)明的多級強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)濟性，避開其中極端不利引水的時間段，如受漲潮或其他會極大影響來水水質(zhì)的時段；盡量安排凈化處理的時間段：引水水質(zhì)濁度不超過500NTU，鹽度不超過250ppm。若濁度超過500NTU時進行引水，處理成本會較高。若鹽度超過250ppm時，考慮下游河道生態(tài)系統(tǒng)，不建議進行引水。

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機高分子凝聚劑，凝聚劑投加量為5～30ppm。在引水泵入口處，通過引水泵自身葉輪的高速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)凝聚劑和水體的快速均勻混合。

3)水體經(jīng)引水泵出來后，進入泵站消力池進行絮凝反應(yīng)，通過多點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行曝氣，通過鼓風(fēng)曝氣機曝氣，實現(xiàn)消力池內(nèi)水流的紊流效果，保證消力池內(nèi)水體達到足夠的紊流程度，維持絮凝反應(yīng)所需的速度梯度，增大絮體顆粒的碰撞機會。同時還能避免由于局部區(qū)域流速緩慢造成的絮體沉降進而影響排澇。由于水體中含氧量的增加，曝氣的實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入下游河道，通過在內(nèi)河道沉淀末端設(shè)置生態(tài)過流閘，實現(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，引水凈化處理時形成生物多樣性豐富的漫灘地，能進一步通過吸附、過濾或截留，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，通過水閘形成的水位差創(chuàng)造跌水復(fù)氧的環(huán)境。閘門頂過流處設(shè)置破水器，使過流水體中產(chǎn)生大量的微孔氣泡，不需新增動力，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下游水閘控制，形成多級水位差，且保證流速大于0.1m/s，通過改善水動力學(xué)條件來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，通過調(diào)整每個支流的節(jié)流閘的開度來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，實現(xiàn)所有河道的水動學(xué)條件改善。

專用于上述工藝的多級強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，通過投加系統(tǒng)2將貯存系統(tǒng)中的凝聚劑投加至引水泵進水口處3。

曝氣強化絮凝系統(tǒng)，包括助凝劑制備系統(tǒng)5和投加系統(tǒng)6，通過助凝劑投加系統(tǒng)6以多點投加的方式投加至至泵站消力池進水一側(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，通過一根主管從中間橫向連接各開孔管，主管采用de100～400的不銹鋼管，穿孔管采用DN50～250的UPVC管，穿孔管中心對稱平面的兩側(cè)從圓心向下45度位置壁上開孔，孔徑為4～8mm。

無動力生態(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)過流閘11形成的復(fù)氧水體河段。在正常引水凈化處理時，生態(tài)過流閘豎起雍水，形成水閘前后水位差；泄洪時，臥倒閘門進行排澇過水。生態(tài)過流閘可實現(xiàn)不同開度控制雍水水位，運行過程中與引水流量進行同步調(diào)控。閘頂過流處設(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。通過下游節(jié)制閘控制下游各河道的水位，形成多級水位差，且保證流速大于0.1m/s，通過改善水動力學(xué)條件來提升河道水體的自凈能力。

具體應(yīng)用例

工程實施案例在杭州市蕭山區(qū)錢江樞紐進行。錢江樞紐有兩臺引水泵，單臺引水泵引水流量10m³/s。工程實施期間，凝聚劑在引水泵入口處投加，在進入引水泵過程中實現(xiàn)凝聚劑和錢塘江外江水的充分混合。凝聚劑投加為鋁鹽類無機高分子凝聚劑，投加量根據(jù)錢塘江外江的水質(zhì)情況進行調(diào)整，投加量5～30ppm。然后，在消力池內(nèi)通過多點投加的方式投加助凝劑，投加量為0.01～0.1ppm，通過消力池內(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程，后解放河沉淀河段長度500m。

后解放河沉淀末端建設(shè)生態(tài)過流水閘，水閘共3孔，凈寬36m，最大過閘流量110m³/s，采用下臥式生態(tài)過流閘門。通過沉淀末端生態(tài)過流閘來調(diào)節(jié)控制沉淀雍水段水位4.8m，閘后河道水位通過下游的節(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，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)過凈化處理后，沉淀末端水閘處出水透明度超過1m，濁度去除率超過90％，總磷的去除率超過80％，水體溶解氧含量明顯提高。下游河道各支流通過各節(jié)制閘控制流速和水位，河道水動力學(xué)條件明顯得到改善，水質(zhì)能得到長時間的保持。