本文通过对9TONE®水平管沉淀分离技术用于巴彦淖尔市乌拉山工业园区供水工程的实例分析，探讨黄河水源用于工业供水的一种新工艺，以供同行参考和使用。

1  工程概况

巴彦淖尔市位于内蒙古自治区西部，地处干旱和半干旱地区，自产水资源量少，用水主要来源于黄河水和当地地下水，目前黄河水主要用于农业灌溉，工业用水主要是取用地下水。

长期以来，由于工业供水没有统一规划，巴彦淖尔市各生产企业主要靠自备井地下取水为主，造成部分地区超采严重。

由于当地经济的快速发展，用水量也呈上升趋势，造成水资源供需矛盾日益突出，严重制约了巴彦淖尔市国民经济的发展。为此，巴彦淖尔市河套水务公司决定以河套灌区为依托，实施工业供水战略，为乌拉山工业园区的企业进行供水。

乌拉特工业园区位于乌拉特前旗东端黑柳子乡，近期建设主要项目为星湖集团三个项目和一个自备电厂、包钢集团210万吨煤焦化项目。按1800万吨/年需水量设计，乌拉山工业园区供水工程一期供水规模确定为5万m3/d。

                2   项目难点

工业园区的工业用水主要以乌拉山灌域灌溉余退水及排干沟的中水、侧渗水为主水源，以侧渗井作为应急水源，冬季以黄河凌汛水为补充水源。

夏季时，原水通过长距离输水后，净水工艺中的进水含沙量最高为5kg/m3，浊度相对来说比较高。冬季时，河水较清，浊度达到15NTU以下。

常规的处理流程很难适应这种水质变化，无法保证出水水质。

                 3    设计原则

供水设施应充分考虑水质条件、占地条件等方面的要求，统筹选择系统性技术方案。本项目中，主要遵循以下原则：

①水厂工艺能适应黄河原水不同时期的不同水质变化；

②节省占地面积，节约投资成本和运行成本。

                 4   工艺方案说明

本工程原水夏季含沙量大，冬季处于低温低浊，因此在选择处理工艺上要考虑原水含沙量的特点，综合平衡，统筹兼顾，正确选择。参照已有水厂的运行经验也十分重要。

4.1方案设计思路

目前，国内外没有正式的城市工业给水水质标准，城市污水工业回用工程出水水质采用《城市污水再生利用 工业用水水质标准》（GB/T19923-2005），出水浊度为≤5NTU。

乌拉山工业园区供水工程要求系统出水浊度≤3NTU，以便为将来供水水质提高留有余地。

根据相关资料分析，要使滤池出水达到1NTU以下，经过混凝沉淀或澄清处理的水，在进入滤池前的浑浊度一般不宜超过3NTU。由此可见，混凝沉淀处理以后的出水浊度一般可在3NTU以下，达到一般工业用水水质要求。结合进水水质情况，本工程拟采用混凝沉淀工艺进行处理。

4.2工艺方案选择

结合黄河水源的水质特点，为保证乌拉山工业园区供水工程出水水质标准，工艺流程中应具备的主要处理单元如下：

4.2.1预沉单元

参考《高浊度水给水设计规范》，对于高浊度水，当沉淀（澄清）的出水浊度要求低于10NTU时，应采用二级或三级沉淀（澄清）处理流程，二级沉淀（澄清）池进水往往考虑1~3kg/m3的含沙量，以确保出水水质的稳定。

本工程中，原水含沙量最高为5kg/m3，结合沉淀池实际运行经验，为保障沉淀出水水质稳定达到3NTU以下，应考虑设置预沉池或采用二级沉淀工艺。

常规用作预沉池或一级沉淀构筑物的有辐流式沉淀池、平流沉淀池或斜管沉淀池，占地面积较大，对于为应对汛期出现的浊度增高来讲，并不是经济的选择。

本工程拟采用珠海九通水务有限公司自主研发的除砂设备进行处理。

4.2.1 沉淀处理单元

近年来国内外在沉淀这方面的技术主要有平流、异向流斜管、斜板等普通沉淀技术及得利满Densadeg®高密度沉淀池、法国威立雅公司的Actiflo®高效澄清池、珠海九通水务的9TONE®水平管沉淀池等高效沉淀技术。

传统技术中，平流沉淀池具有占地面积大、土建设备投资高的缺点，斜管沉淀池具有耗用材料多、维护成本高的缺点，考虑到工艺的先进性及工艺稳定性，本工程将得利满Densadeg®高密度沉淀池、法国威立雅公司的Actiflo®高效澄清池、珠海九通水务的9TONE®水平管沉淀池作为工艺论证选择。

 硅藻土助滤剂

表 4-1  几种高效沉淀池的比较表

池型

项目
 
DensaDeg ®高密度澄清池
 
Actiflo®超高速沉淀池
 
9TONE®水平管沉淀池
 

工作原理
 
回流污泥、斜板沉淀
 
微砂加速混凝、斜板沉淀
 
浅池原理
 

流速（mm⁄s）

[过流断面负荷m3⁄（m2.h）]
 
3.3～6.9
 
11～16
 
7～14

[25～48]
 

沉淀区停留时间

（min）
 
3～4
 
3～4
 
2～3
 

进水浊度(NTU)
 
＜1000
 
可大于1000
 
可大于1000
 

出水浊度(NTU)
 
1～5
 
1～5
 
1～3
 

池子总深度（m）
 
7.0～7.5
 
6.0
 
4.5～5.0
 

对水量、水质变化适应能力
 
+
 
+++
 
++
 

低温低浊适应性
 
好
 
很好
 
好
 

操作运行
 
复杂

（需要回流污泥、

经常投加PAM）
 
复杂（需要回流微砂

经常投加PAM、

补充微砂）
 
简单

（一般不投加PAM）
 

对操作人员要求
 
高
 
高
 
低
 

根据进水浊度要求，同时考虑日常维护运行费用的控制，本工程采用珠海九通公司独立研发的9TONE®水平管沉淀分离技术作为沉淀处理单元的核心工艺。

针对进水夏季含沙量大，冬季低温低浊的特点，本项目采用以下措施进行保障：

a.采用9TONE®水平管沉淀分离技术作为沉淀池的核心技术，提高沉淀池的分离效率，减少占地面积；

b.考虑到低温低浊情况下，絮凝效果不理想，容易出现沉淀池出水超标现象，在网格絮凝池基础上使用筛板替换了网格，提高了絮凝效果。

c.考虑到进水夏季含沙量大，冬季低温低浊的水质情况，本工程在筛板絮凝池之前新增自主研发除砂絮凝设备，用作除砂处理。

因此，水厂工艺流程如下：

“原水→管式静态混合器→除砂絮凝设备→筛板絮凝池→9TONE®水平管沉淀池→清水池”。

4.3 工艺核心技术说明

9TONE®水平管沉淀分离技术是本工程的核心技术，考虑到水质的变化特殊性，采用自主研发“除砂絮凝设备+筛板絮凝池”进行除砂并强化絮凝处理，为沉淀创造条件。

4.3.1除砂絮凝设备

目前，常用的絮凝池均为间歇变速，G值在隔板或折板处均会有突变，无法实现G值连续递减，从而对已形成的絮体产生破坏。絮凝效果的好坏直接影响到后期沉淀池的处理效率。

为此，根据实际案例运行结果，采用珠海九通水务有限公司的自主研发除砂絮核设备，解决黄河原水夏季含沙量大，冬季低温低浊的预处理问题。

黄河原水夏季含沙量大的解决方法：自主研发除砂絮核设备（含沙量按5kg/m3设计）在塔体外部设置了圆筒，形成了内外两层结构，外部结构为除砂区，主要用于提高除砂效果。利用离心沉降和密度差的原理，原水在筒体中部切线进水后，产生强烈的旋转运动，由于砂水密度不同，在离心力、向心浮力、流体力的作用下，因受力不同，从而使密度大的砂下沉，聚集在设备底部，由底部排砂口排出，密度小的清水则进入絮核设备，经过药剂和原水混合后，最终进入絮凝池絮凝。塔体安装人孔用于检修，可根据高度不同安装多个取样点，了解沉砂高度，以调节排泥时间。

黄河原水冬季低温低浊的解决方法：自主研发除砂絮核设备在塔体内部结构为反应区，主要用于提高絮凝效果。反应区呈圆锥状，圆锥面积逐渐增大，过水面积逐渐增加，水流流速由大到小连续变速，速度梯度逐步降低， G值连续递减， 整个絮核过程变化规律更接近理想絮凝池的状态。

同时，为了更好的提高混凝、絮凝反应效果，絮核装置的反应区内部填充填料，将水流分割成n股细小的水流，增大了水与药剂接触反应的面积，实现了均匀的水力搅拌作用。

原水和药剂的混合液通过进水管道进入自主研发除砂絮核设备，在填料层间充分混合，提高絮凝晶核间的碰撞几率，增大晶核的粒径。原水中的絮凝晶核在圆锥形反应区上升过程中，逐渐凝聚，变大密实，增加晶核的比重，缩短絮凝时间，提高絮凝效率，减少絮凝池停留时间。

4.3.2 筛板絮凝池

在网格絮凝池基础上使用筛板替换了网格，减小网格层数，缩小网格的孔眼尺寸，提高了絮凝效果。

4.3.3  9TONE®水平管沉淀池

9TONE®水平管沉淀分离技术是珠海九通公司自主研发的一项固液重力分离技术，技术达到国际先进水平，运行费用低、维护管理方便。

基于9TONE®水平管沉淀分离技术的沉淀池，是将许多管式沉淀单元次序并联水平放置，将竖直的过水断面分割成沉降距离相等的若干单元。管式沉淀单元中的水平行流动，悬浮物铅直沉淀，沉淀下来的悬浮物从专用的公共滑泥道下滑进入沉淀池下部的污泥区，见图1，沉淀的悬浮物与水流即时分离，水走水道、泥走泥道，杜绝如斜管沉淀池的沉淀后的污泥下滑时与水流共用同一流道，而导致跑矾及堵塞现象发生。【4】这样从构造上解决了沉淀管水平放置排泥的重大难题，加大了沉淀面积，缩短了沉降时间，沉淀过程更接近理想沉淀池，是目前最接近“浅池理论”的沉淀技术。

图1  管式沉淀单元的流态

Fig.1  Flowing state of horizontal tube precipitation unit

    对项目难点的解决措施：

a.以9TONE®水平管沉淀分离装置为核心设备的9TONE®水平管沉淀池的结构特点是降低沉降距离，增大沉淀面积，使沉淀过程完全满足“浅层理论”。运用在低温低浊水质，絮凝体重量轻，体积小的情况下，絮体仅需较短距离便能沉降到菱形管壁，下滑至排泥道，完全与水流隔离，避免跟随水流进入后续工艺。因此沉淀效率高，占地面积小，适应负荷变化的能力强，运行稳定；

b.沉淀管下部设有排泥狭缝，将沉淀下来的悬浮物（或絮体）与水流彻底隔离，避免了沉淀下来的悬浮物在水体中的可逆沉淀。沉淀下来的悬浮物不断从排泥狭缝滑出，水流边流动，悬浮物边沉淀，沉泥边排泥，沉淀效率高。滑泥距离很短，避免了悬浮物在水平管的积聚而堵塞通道。运用在高浊度、含沙量大的原水情况下，根据含沙量大小设计滑泥道宽度，沉淀物通过排泥口进入滑泥道，快速与水分离，达到高效除砂降浊功效。

5 社会效益和经济效益分析

该工程已经竣工，目前正在调试中。

工程运行后，可直接用于乌拉山工业园区的工业用水，为工业园区的经济快速发展提供坚实的水资源支撑。

该工程的投入可避免从城市管网直接供水，节省了饮用水净化处理中过滤工艺所产生的投资费用与运行费用。

在占地方面和维护方面，该工艺组合也体现出了其特有的优势。

采用自主研发“除砂絮凝设备”工艺，可有效除砂，减少沉淀池负荷和排泥负荷，保障水平管沉淀池稳定出水。对于含沙量为5kg/m3的黄河水，国内通常采用二级沉淀处理，第一级可采用辐流式预沉池，以0.5m3/m2.h的表面负荷计，占地面积约4166.67m2。采用自主研发除砂絮凝设备，单台设备直径为2.0m，采用2台设备，总占地面积为6.28m2，共节约占地面积4160.39 m2。

采用9TONE®水平管沉淀分离技术，“筛板絮凝池+水平管沉淀池”总占地面积为320m2，

同等进水水质条件下，“网格絮凝池+斜管沉淀池”总占地面积为510 m2，共节约占地面积190m2。

该工程中9TONE®水平管沉淀分离装置采用特殊的不锈钢材质，使用寿命可达30年，避免了塑料材质需要不断更换带来的经济上的浪费和停水的压力。该工程还采用了不停水的冲洗系统，降低了工作人员的劳动强度，避免了人为因素而影响生产。

该工程预留了远期建设滤池的空地，一旦需要提高水质，只需加上滤池即可满足工业园区生活用水需求。

              6  结语

硅藻土助滤剂通过乌拉山工业园区供水工程的实例分析，提供一种新的工艺组合 “除砂絮凝设备+筛板絮凝池+水平管沉淀池”应用于夏季含沙量大，冬季低温低浊水的黄河水源处理。

该工艺组合与常规工艺组合相比，具有结构简单、建设工程量小、施工周期短、投资省、见效快、运行管理方便及运行费用低等优点，可为今后利用黄河水源用于工业供水工程的设计提供借鉴和参考。

                              参考文献：

［1］严煦世主编 给水工程，第四版，北京，中国建筑工业出版社，1999.

［2］于尔捷，张杰．给水排水快速设计手册第二册[M]．中国建筑工业出版社，1996．

［3］高浊度水给水设计规范(CJJ40-2011),中国建筑工业出版社，2011.

［4］ 鲍正忠，张良纯，陈球．水平管沉淀新技术在淮安老水厂改造工程中的应用 [J].城镇供水，2012，1:90-92.

［5］张良纯，等.水平管沉淀新技术的应用及工程实例[J]. 中国建设信息(水工业市场)，2010,10:49-53.