沉降水可回用分析及自动装置的应用

秦关喆，谢志诚，刘紫璇

（兰州城市供水（集团）有限公司，甘肃 兰州 730070）

兰州城市供水（集团）有限公司第二水厂不仅承担着全市人民生活过滤水的供给重任，也是工业用户用水的主要供水来源。工业在我国是作为农业之后的第二大经济支柱产业，可随着全球生态系统的持续破坏，工业水资源供需之间的矛盾也日渐明显，而提高工业水资源有效利用率则是解决这一矛盾的最有利途径之一。工业水在能源化工行业的生产制造工序中发挥着循环、洗涤和冷却等重要的作用[1]。工业水的供需要求仍然是保证水质和水量，水质需求主要为浊度方面，较低的浊度是在保证经济效益的前提下水中含有较少的杂质，杂质越少对于工业生产中生产工序和工业水管道的影响就越小。在实际生产中，工业水水质不达标引起的后果也较为严重，对管道腐蚀或者结垢影响工业水的正常输送，从而直接影响工业生产。工业水由第一水厂所供给的命名为工业一次水，经输水管道自流进入第二水厂并由第二水厂二次集水井供给的命名为工业二次水。第二水厂二次工业水供水量约为50 000 m3/d。因临时泵房工程存续期周边需持续进行降水工作，沉降水日排放量较大，沉降水经水质化验检测，鉴定沉降水可作为工业二次水的来源完全符合用户需求。回收沉降水供工业用户使用，可达到节能降耗的目的，并能够产生可观的经济效益。

为保证第二水厂临时泵房安全运行，周边5个沉降水井内的潜水泵处于24 h的工作状态，单泵流量为25 m3/h，扬程为26 m，转速为2 860 r/min，出水口管径为65 mm。5台潜水泵需日夜不间断运行，沉降水经潜水泵抽出后汇入DN200排水总管进入沉砂池，经沉淀泥沙后流入清水池，再由DN250钢制排水管直接进入生产废水渠，经检测该沉降水主要为地下水，浊度常年稳定在2 NTU左右，日排水量为825 m3左右，而第二水厂供给工业用户的工业二次水浊度标准为不超过50 NTU，因此其临时泵房沉降水浊度完全满足工业二次水水质要求。

1 沉降水水质分析

沉降水的来源实质为临时泵房建成后周边地下水的聚集而形成的。有研究表明，近年来黄河流域地下水水位总体呈现增加的趋势，流域的地下水水位变化形态稳定。黄河流域地下水根据其赋存介质主要有五大类，而第二水厂地下水归属于松散岩类孔隙地下水和冻结层地下水两大类。前者有含水层富水性高，分布不均匀的特性。后者的分布面积受气候变暖石化效应影响，近年来冰川整体面积减少，冰川融水增加。原因主要是地表植被覆盖度增加、降水量增加、灌溉入渗补给量增加，而地下水的开采活动减少等诸多因素，致使地下水存贮量较为丰富[2]。

地下水环境影响因素较多，引起污染的元素主要包括砷、氟、硒、碘四类，且以上四类元素能够引起特定地区饮水型疾病。通过研究评价结果同时参考GB/T 14848—2017《地下水质量标准》能够看到黄河流域大部分地下水中的砷、氟、硒、碘四类元素水平为人类活动适宜区间。

1.1 水质测定

浊度是标志水质最直观的参数之一，通常水体中所包含的有机物浓度高低、胶体颗粒的数量、微生物、藻类和泥沙等其他杂质均影响浊度的高低。水质检测时浊度使用哈希台式浊度仪进行测定，测定时需要提前预热仪器，在清洁容器中装入水样并摇匀以防发生沉降，再将水样装入仪器样瓶至刻度线，擦拭干净没有水渍和杂质后放入仪器样池，进行测定读取示数。

pH显示的水质的酸碱性会直接影响在工业生产中投加混凝剂或者其他药剂所发挥的效果。pH利用雷兹PHSJ-3F型号的复合电极进行测定，把水样装入清洁50 mL烧杯中，用蒸馏水冲洗电极探头尤其是电极珠，再用干净的滤纸轻缓地擦拭干净电极上残留的蒸馏水以保证结果准确，然后将电极放入水样中观测示数并读取记录。

水温主要影响水中胶体粒子做布朗运动，水温高低同布朗运动快慢成正相关，而胶体布朗运动则影响药剂投入后作用的发挥。水温由量程为0～100℃的玻璃棒温度计测定，温度计示数在水样中稳定后方可读取记录。

总硬度通过滴定法加入乙二胺四乙酸二钠标准液进行测定水源水的总硬度。测定时首先加入缓冲液和滴定指示剂，缓冲液一般只需要加入1～2 mL，指示剂为铬黑T加入5 mL，然后迅速加入标准液进行滴定，待指示剂颜色从紫红色变为蓝色且颜色稳定不再变化为止，记录滴定所需要的标准液用量，进行计算可以得出水样中的总硬度[3]。

水质检测结果和合格范围均需符合国家标准GB/T 5750.4—2006《生活饮用水标准检验方法 感官性状和物理指标》中规定的相关内容。

1.2 水质测定结果分析

目前第二水厂所供工业用户对水质的要求为供水浊度小于或等于50 NTU，为保证工业用户对供水水质的要求，确定水质各项参数，水质中心经过连续5 d对沉降水的取样化验、分析检测，所得水质数据见表1。

表1 沉降水水质检测值

可以看到，沉降水的浊度、pH、水温、总硬度等指标均按照GB/T 5750.1—2006《生活饮用水标准检验方法》测定，测定值显示平均浊度1.35 NTU，平均pH为8.28，平均水温15℃，平均总硬度305.8 mg/L。在GB/T 14848—2017《地下水质量标准》中规定浊度在10 NTU以下，pH小于9，大于5.5，总硬度不大于550 mg/L则为合格，以上数据表明沉降水完全符合工业用户的供水要求。

2 沉降水自动回收装置技术改造

2.1 利用原有沉砂池改造为集水井

改造之前集水井收集沉降水并经过简单泥沙初步沉淀后直接接入厂区生产废水渠排出，没有做到对水资源的有效合理利用。原沉砂池尺寸为长×宽×高=2 m×1.5 m×2 m，被分为两格，第一格为进水间，主要作用为收集5个沉降井抽送的地下水并预沉水中泥沙及其他杂质，而后通过距集水井底70 cm处的两个尺寸为长×宽=200 mm×200 mm方形配水孔自流进入第二格。第二格距离井底60 cm处的池壁上埋设有DN250钢制直管段排水管与污水渠联通。集水井发挥的作用仅为单一的汇集，由于出水管液位较低没有经过足够的泥沙初沉阶段，水质参数在不同时段会出现不同程度的起伏变化，不会维持在相对稳定的状态。

为避免对水资源造成浪费，提出了针对临时泵房沉砂井进行改造，沉降水回用作为重点。改造考虑保留原来的沉砂池，最大范围内节约改造成本，节约构筑物占地面积，施工工期较短不影响水厂现行生产运行。将原有DN250钢制排水管加装DN250弯头，弯头上方加装长为1 m的DN250立管，改为溢流管，溢流水位1.85 m。原来集水井水直接排出，将沉砂井排水口改造成为高水位溢流排水后能够保证沉砂池最大限度地发挥作用，泥沙沉淀的时间增加后能够保证供水水质。

如图1所示，水通过进水管口进入沉砂池，再由沉砂池和清水池隔墙上的两个配水孔进入清水池，原来的排水口改为1.85 m溢流水位的溢流管。

图1 原沉砂池改造吸水井立面图

2.2 压水管路及潜水泵的选型设计及计算

在泵组选型时，首要满足输水最不利的工况点情况，即在管道最大输水压力和流量的情况下，依据压力值和流量值进行水泵选型。在考虑技术参数的重要前提下结合经济效益匹配相应型号的泵组[4]。随着进水和出水水位的变化，水泵的运行效率也会相对应地出现变化。在输水系统中泵组工况与水力条件的匹配度是至关重要的部分，不仅关系到水量输送的效率及进出水管路相关配件的使用，还直接影响节能改造的经济影响。水泵选型的难点就是在水泵整体运行过程中找出其扬程和流量对应的特性曲线。通常情况下能够通过Q-H特性曲线图解法或者列出相关谢才曼宁公式的数解法得出相对应的泵组流量和扬程的选型数据。若利用水泵特性曲线进行初选时，适宜使用排除法进行选择，即利用Q-H的最大值和最小值同最低的等效曲线闭合区域为排除选项进行选择。

集水井内潜水泵的选型计算依据：

沉砂池内排水量为825 m3/d，即为35 m3/h，0.01 m3/s。

当管径小于250 mm时，压水管路的设计流速为1.5～2.0 m/s，取v=1.5 m/s。根据Q=0.01 m3/s，管内径为100 mm。查得沿程阻力损失系数λ=0.038。因此根据沿程水头损失公式：

式中：λ——水力摩阻系数；

L——管道长度（m）；

Di——管道内径（m）；

v——平均流速（m/s）；

g——重力加速度，g=9.81 m/s2。

式中1.1表示压水管路中局部水头损失，按管中沿程损失的10%计，总水头损失：

∑h=1.1∑hf=1.1×5.23=5.75 m

水泵的静扬程H=2.0+1.0+6.0=9.0 m

所以水泵总扬程H=9.0+5.75=14.75≈15 m

因此，选用100WQ65-15-5.5型潜水泵，扬程15m，流量65 m3/h，满足集水井内抽水水量和扬程的要求。

如图2所示，从集水井至二次集水井新敷设的管道全长120 m，全程采用DN110（管内径为100 mm）波纹橡胶管，出水管路上设有DN100过滤器1个，DN100流量表1块，DN100闸阀1个，DN100逆止阀1个及DN100的弯头5个。

图2 沉降水自动回收装置平面布局图

2.3 自动控制原理

沉降水自动回收装置的控制原理就是浮球阀开关通过液位的上下波动实现开启和关闭的工作状态。在集水井第二格内安装潜水电泵和液位式不锈钢干簧管浮球控制系统，实现水位控制自动开、停潜水泵，水位到达高线时自动开泵，将沉降水抽送至二、三号二次集水井内，水位回落至低线时自动停泵，水位升高时如果浮球控制系统失灵，可通过改造后的溢流管流入生产废水渠，不会对集水井产生安全隐患。电气系统装有三相电度表一块，三相四回路配电柜一个，两套自动控制系统。潜水电泵利用浮球控制开关自动开停，无需人员值守，只需定时巡检即可。

如图3所示的是自动控制装置电气原理图。工作原理是当集水井水位上升到设定的上限位时，永久磁铁同干簧管G1接近，在永久磁铁作用下，G1内部继电器线圈通电后与常开接点KR1接通，控制回路闭合，交流接触器KN得电工作，辅助接点KN1闭合，使水泵电机旋转开始向外抽水；当集水井水位下降到设定的下限位时，永久磁铁同干簧管G2接近，在永久磁铁作用下，G2内部常闭接点KR2断开，控制回路断开，交流接触器KN失电停止工作，水泵停止抽水[5]。

图3 自动控制装置电气原理图

自动上水装置在完全满足沉降水收集、预沉及输送等功能的同时不需要人员值守，在岗位工作人员紧缺的情况下不影响其功能的实现。

3 改造后运行结果

3.1 运行效果

2019年，通过自动回收装置投入运行一年来的运行情况来看，运行安全、稳定。

3.2 运行、维护管理

无需常驻人员值守，只需泵房值班员每日定时巡检即可，大大降低了值班员的劳动强度，缓解了班组人员紧张的情况。

3.3 运行产生的经济效益

通过沉降水回收装置一年来的应用，该装置运行稳定可靠，运行维护成本极低，大大降低了员工的劳动强度，节省了人员成本开支，并产生了一定的经济效益，直接经济价值为每年回收工业二次水30.1×104m3，创造经济价值为38.78万元/年。

4 结语

通过对原有沉砂池的结构和装置的优化，完成了对沉降水回用自动化的改造，此次改造中沉降水的回用一方面在解除地下水对临时泵房建筑危害的同时创造了一定的经济价值，另一方面高效利用了宝贵的水资源，使其为工业用户提供了符合要求水量和水质的工业二次水。就地进行改造能够最大程度节约成本，利用水位限值高低变化自动控制水泵的启停。这一自动上水装置在节约水资源的同时也实现了回用水自动抽送的目的。

（1）沉降水水质符合工业用户水质需求且水量充足，完全可以回用作为工业二次水来供应，在解决沉降水对建筑存在潜在危害的同时能够创造经济价值。

（2）根据数解法精确的计算出沉砂池内排水量为825 m3/d时，选用100WQ65-15-5.5型潜水泵，扬程15 m，流量65 m3/h。

（3）潜水泵的开启与停用由浮球阀根据集水井内水为实现自动控制，只需要定时巡检即可。该工艺可设置为无人值守，节约人工成本且安全有效运行。