（环境工程专业论文）天然滤床淤塞机理及防治研究.pdf

天然滤床淤塞机理及防治研究 作者简介；曾晓佳，女，1 9 8 0 年2 月生，2 0 0 4 年师从于李晓副教授， 于2 0 0 7 年6 月毕业于成都理工大擎环境工程专业。7 摘要 天然河床渗滤取水技术是一种通过渗滤系统净化取水的新工艺。与传统 取水方式相比，该工艺具有水质好、水量大、成本低等优点。但由于处于开 放的天然水环境下，滤床存在长期取水条件下的淤塞问题。 渗滤取水滤床泥膜是一种多元化的生物泥膜，吸纳和机械阻隔表水中的 杂质和污物，去除病菌微生物，具有较强的物理吸附和生物化学作用，在水 质净化过程中起着重要作用，但同时滤膜压实增厚将导致滤床渗透阻力增 大，降低了其渗透速率，也是导致淤塞的重要因素。本论文在总结前人经验 基础上，结合重庆、湖南等取水工程，通过对滤膜样品进行物理、化学试验。 扫描电镜、能谱仪等测试手段，对天然河床泥膜的物质组成、矿物成分、化 学和生物性质有了较为全面的了解。在此基础上探讨了淤塞过程可分为污染 物穿刺、滤膜形成、滤膜的累积增厚和压实三个阶段，淤塞方式包括滤床表 面的局部淤塞、砂卵石层的淤塞和过滤器及其附近淤塞等，淤塞机理包括滤 膜阻滞和砂砾石层阻滞的物理淤塞、由化学沉淀物引起的物理一化学淤塞和 微生物大量繁殖及藻类过量生长所致的生物淤塞三类，并提出了影响淤塞的 因素有自然因素，包括滤床的结构特征和介质渗透性、原水水质、水动力条 件、温度：工艺因素包括渗滤取水面积、取水孔布置方式、水位降深以及工 程管理、运行因素。阐述了以“防”为主以“治”为辅的防治原则。预防措 施包括天然滤床的选择以及对滤床的入渗速度和过滤器的入管流速进行有 效控制。治理措施有滤床表面清洗、提高滤床表面水流速度，气水反冲洗和 更换过滤器等。 关键词】渗滤取水滤床淤塞机理淤塞防治 成都理工大学硕士学位论文 a s t u d y o hs i l t i n ga n dp r o p h y l a c t i c o t h e r a p e u t i c m e a s u r e so ff i l t e r i n gb e d i n t r o d u c t i o no fa u t h o r ：z e n g x i a o j i a , b o r ni nf e b r u a r y6 。，1 9 8 0 u n d e rt h e g u i d a n c eo fp r o f l i x i a o ，g r a d u a t ef r o mc o l l e g eo fe n v i r o n m e n ta n dc i v i l e n g n e e r i n g ，c h e n g d uu n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y o nj u n e ，2 0 0 z m a j o r i n e n v i r o n m e n te n g n e e r i n g w a t e rr e $ o l l l c 2 sa n dw a t e re n v i r o n m e n t a l a b s t r a c t c o m p a r e dw i t l lc o n v e n t i o n a l l yf i l t e r , t h et e c h n i q u eo fp e r c o l a t i n g w a t e r a b s t r a c t i o ni san e wt e c h n i c s w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yf o rg o o da b u n d a n tw a t e ra n d l o wc o s t t h em a i nd i s a d v a n t a g e so ft h et e c h n i q u ea p p e a rt ob et h es i l t i n gb e c a u s e o f t h en a t u r a lw a t e re n v i r o n m e n t t h ef i l t e r i n gm e m b r a n ei sak i n do fc o m p l e xb i o l o g i cm u d , w h i c ha b s o r b s i m p u r i t ya n df e c u l e n c y , r e m o v e sm i c r o b e ，b eo fs t r o n gp h y s i c sa d s o r p t i o na n d b i e c h e m i s t r y i tw o r k sw e l lo np u r i f i c a t i o nb u tm a y r e s u l ti ns i l t i n g o nt h eb a s i so f f o r m e re x p e r i e n c e ，c o m p o s i t i o no ff i l t e rf i l mh a db e e na n a l y s e df u l l yb ya d o p t i n g p h y s i c a lt e s t ，c h e m i c a le x p e r i m e n t , s t e r e o s e a n , e n e r g ys p e c t r o m e t e rw i t h t h e p r a c t i c a lp r o j e c ti nc h o n g q i n ga n dh a n a n ，t h ef i l t e r i n gm e m b r a n eb ep r o v i d e dw i t h c o m p l e xb i o l o g i cf e a t u r e ，p h y s i c sa d s o r p t i o na n db i e c h e m i s 仃ya c t i o n ，w h i c h s u b j e c t e dt oh y d r o d y n a m i cf o r c e t ob ed i v i d e dt h r e es t e p s s i l t i n gp r o c e s sf i l em a d eo f c o n t a m i n a n tp e n e t r a t i o n , f o r m a t i o na n dt h i c k e n i n go fm e m b r a n e t h i st h e s i se x p o u n d st h et h r e ek e yw a y so f s i l t i n g , w h i c hi n c l u d e dl o c a ls i l t i n go ns u r f a c eo f f d t e f i n gb e d ，s i l t i n gi nb o u l d e rb e d a n ds i l t i n ga r o u n df i l t e r t h es i l t i n gm e c h a n i c si n c l u d e sp h y s i c a lm e c h a n i c s , p h y s i c a l - c h e m i c a lm e c h a n i c s ，b i o l o g i c a lm e c h a n i c s t h ef a c t o r sa f f e c t e do ns i l t i n g a r en a t u r a l ，t e c h n o l o g ya n do p e r a t i o n t h i st h e s i sp r e s e n t st h ec o n c l u s i o nt h a t p r o p h y l a x i si st h ek e ya s p e c tc o m p a r e dt ot r e a t m e n t k e y w o r d s ：t e c h n i q u eo fp e r c o l a t i n gw a t e ra b s t r a c t i o n ，f d t e f i n gb e d , s i l t i n g m e c h a n i c s ，p r o p h y l a x i sa n dt r e n t r n e n to f s i l t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得虞都垄互太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名： 学位论文作者签名嚅也仇 川年r 月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：氇锄伟 唧年 f 月玎日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 水是生态环境的控制性要素，是人类赖以生存的基本条件，也是进行生产生 活最重要的物质基础。地下水作为一种重要的淡水资源长期被人们所利用，通过 河床渗滤作用获得饮用水是地下水资源利用的重要形式，我国许多河流附近的城 市和乡村都饮用河流渗滤水。河流渗滤取水的工艺主要有大口井、渗渠、傍河取 水、辐射井等。其中，天然河床反向渗滤取水技术是近年发展起来的一项适用条 件广泛的新型反向取水技术，该技术基于天然滤床渗流井技术，其原理是选择江 河底部砂卵砾石层发育地段，在江河天然迳流的冲刷和沉积作用下，利用河床底 部天然滤床的垂向渗流和滤净功能，将地表江河水转化为河床地下潜水，通过营 造在河床下的渗滤系统( 包括竖井及水平输水平巷等取水设施及装置) ，净化并 取出地表水【l l 。此技术结合了水文地质和水处理，集取水、净水于一体，已在我 国长江、嘉陵江、岷江、涪江、沱江、大宁河、浠水河、沅江等流域实施，具有 可行性、先进性和具大的经济价值。 虽然应用天然河床渗滤取水技术已有l o 多年的历史，但不管从理论还是取 水工程结构上，此工艺超然于传统的取制水工艺，涉及到了水文地质、工程地质、 水文地球化学、水动力学、水处理工程，钻掘工程技术等多学科领域，并涉及到 如生物技术和( 泥) 膜技术等多种边缘学科，所以目前对该取水技术的认识仍以 经验为重。传统的滤池、渗渠、人工补给入渗池、污水土地处理等工艺的滤床均 会因截留污物而累积形成淤塞，需要定期进行人工清理。天然河床渗滤取水工程， 依靠其滤床表面存在自然动态的水平水流，滤床表面的污物可以被水流带走，滤 膜厚度在一定的水动力条件下相对稳定，滤床不会被快速堵塞。但是，由于天然 水环境是一个多层次、多因素影响的复杂难以控制的开放系统，在长期取水条件 下，除受河水浊度变化影响外，还受到微生物作用及各种自然因素作用，如光、 温度、酸碱度、化学物质、藻类和其他物理化学潜移渐变过程的影响，因此，长 期取水条件下，滤床是否会淤塞是关系到渗滤取水工程使用寿命的关键问题。 渗滤取水的淤塞问题在理论上还缺乏系统研究，尤其对于河床滤膜与淤塞的 关系以及滤膜对工程产水能力的影响还缺少完整理论依据，导致某些工程设计不 足，使该技术的应用和推广受到很大限制。因此，如何科学地进行滤床淤塞的评 价和预测问题成为渗滤取水技术发展过程中急待解决的理论和技术问题。本论文 依托重庆市科委自然科学基金计划项目天然滤床淤塞机理及防治对策研究， 成都理工大学硕士学位论文 将深入研究滤床特性、淤塞机理、速率、方式及过程，探明影响淤塞的主要因素， 不仅为淤塞的预测及防治提供了理论依据，而且对渗滤取水技术工程设计参数的 科学合理取值、水量计算、施工、运行管理和技术推广都具有重要的实际意义。 同时，淤塞研究成果在地下水资源开发、污水土地处理、地下水人工补给领域具 有一定应用前景。 1 2 国内外研究现状 国内外对于在给水工程中常见的传统滤池、渗渠取水、污水土地处理等方面 都开展过较多的有关滤床和含水层的研究。引起滤层的堵塞或淤塞的原因是较为 综合而复杂的，通常是物理、化学及生物作用的结果。以下从滤床( 含水层) 过 滤机理、淤塞机理研究、淤塞对水量的影响研究以及有关淤塞的防治研究等四个 方面进行阐述。 1 2 1 滤床( 含水层) 过滤机理 ( 1 ) 河流渗滤系统及人工补给含水层的过滤机理 河流渗滤系统是指河水在补给地下水的渗流途中，被河流沉积层过滤且净化 的过程。它必须具备二个条件，一是河流沉积层必须是透水的，即它允许河水穿 它而过，二是河流沉积层的透水性又是非常弱的，河水通过它时水质要发生变化。 河流渗滤是一个自然过程，在这个过程中河水中的溶质会发生物理、化学及生物 作用，其结果是河水入渗后水质得到大大改善和净化。河流渗滤主要取水形式有 傍河管井、辐射井、大口井、渗渠等方式。地下水人工补给是通过增加天然均衡 下的补给量和减小消耗量来实现的，可以采用直接补给法和诱导补给法，补给工 程通常包括引渗、引水和辅助工程构筑物等。 对于这两种形式的过滤机理，国外的研究有：美国对河流渗滤过程中颗粒物 及病原体去除作用进行研究，并在o h i o ，n e b r a s k a ，k e n t u c k y 和w e s tv i r g i n i a 等地的城市给水处理中开始运用河流渗滤系统工艺。r e i d 和d r c i s s 采用数值模 拟技术研究了间歇河流在涨水期河水与地下水由脱节到联系的规律p j 。国内：李 晓、陈台智研究了天然河床渗滤取水含水层的净水机理，提出该工艺主要是利用 河床表层的生物滤膜或泥膜的净化作用1 4 - 5 】。李俊亭等通过研究获得了实验尺度 下临界水力坡度与河水深度之间的经验公式，刘国东通过砂槽实验模型模拟傍河 开采地下水的物理过程，应用饱和一非饱和流理论建立其数学模型1 6 1 。宿青山等、 翁焕新、俞艳荣等、马唐宽等、薛禹群与吴吉春、谢水波等以及吴耀国等利用野 外监测手段开展污染河流对地下水化学影响的分析与评价研究，发现河流渗滤系 2 第1 章绪论 统作为一个独特的生物地球化学环境下的天然过滤器，对污染河水具有除污功 效。 ( 2 ) 传统滤池滤床过滤机理 慢滤技术过滤机理是在滤层的表面形成一层生物滤膜，在滤速极低的情况 下，这种生物滤膜能拦截吸附待滤水中的悬浮物、细菌和病毒，使出水水质十分 优良，甚至可以直接饮用。目前采用的快滤技术有普通快滤池，虹吸滤池、无阀 滤池、”v ”型滤池等多种形式。 滤池净水机理较为复杂，综合了多方面原因，主要是机械过滤、凝聚、吸附、 沉淀、生物降解、扩散、传递以及静电吸附等物理、物理化学及生物化学的协同 作用。其中，生物作用在慢滤池的净水过程中起了很重要的作用。滤膜所吸附的 有机物为微生物的生长和繁殖创造了良好的条件，在滤膜内生长繁殖着大量各种 类型的微生物群体和微型动物，并形成了有机物细菌原生动物的食物链f 7 8 1 。 在国外，人们从十九世纪开始进行过滤速率的理论描述。近年来，扫描电镜 和自动图象处理技术的发展，使滤饼内部结构的测试成为可能，而2 0 世纪7 0 年 代发展起来的分形几何理论为描述滤饼结构以及滤饼形成的动力过程提供了一 种新方法。1 9 8 5 年，e n s o r 和m u l l i n s 首先将分形理论用于深层过滤的研究，得 到颗粒在过滤介质上截留形成的树枝状分形结构，并用计算机对俘获树生长过程 进行了模拟。1 9 8 9 年，k a y e 用s i e r p i n s k i 模型描述滤饼分形结构，为定量描述 滤饼内部结构以及结构与操作因素的关系打下了基础。国内，研究者们通过压缩 渗透实验的系统研究，推断出部分孔隙率和部分比阻等，分析了滤饼内部流体与 固体颗粒流速的变化，在此基础上研究了用有效过滤面积系数解决非线性过滤问 题。白户纹等人发展了既适用于牛顿流体又适用于非牛顿流体的一般过滤理论， 可应用于解决滤饼脱水问题。天津大学1 9 9 5 年开始应用分形理论对动态过滤的 滤饼结构进行了研究，拍摄不同层的照片进行计算机图象分析。 ( 3 ) 污水土地处理系统过滤机理研究 污水土地处理系统( l a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，简称l t s ) 是把污水有控制地投 配到土地上，利用土壤微生物一植物系统的自我调控机制和对污染物的综合净化 功能处理城市生活污水及某些工业废水，使出水水质得到改善，同时通过营养物 质和水分的生物地球化学循环促进绿色植物生长并使其增产，实现废水无害化与 资源化的常年性生态工程【o j 。污水土地处理法包括慢速渗滤法( s r ) 、快速渗 滤法( 砒) 和漫流法( o f ) 2 6 1 。由于该方法具有净化效果好、运行经济、操作 简便等优点，在欧、美、日等国已有较多的应用。 国外，对于污水处理系统的去除效率进行了较为深入的研究。a m y 认为， 在土壤渗滤过程中，有机物在渗流区内的去除机理主要是生物降解，吸附只是小 成都理工大学硕士学位论文 部分。t o m n p b o s m a 等通过室内土柱模拟试验对阿姆斯特丹砂丘渗滤城市供水 工程进行了研究，结果表明经土壤渗滤系统处理后，有机物去除率达到7 5 以上； o l l a n 几l d 的研究说明稳定的出水浓度并不依靠进水的浓度，土壤渗滤系统有很大 的缓冲能力。国内，王书文提出了生活污水的净化主要依靠土壤微生物的生物降 解、转化和固定作用，植物的吸收、转化、降解与合成作用及土壤的离子交换作 用l l l 】。高神提出污水土地处理主要是利用透水性较强的土壤层的生物化学作用， 其次是淋滤吸附和离子交换等作用，并研究了有关净化效果及土壤层的环境容量 问题【1 2 l 。 综上所述，国内外对于滤床( 含水层) 过滤以及土壤过滤的机理研究主要围 绕渗滤介质、运行方式展开，过滤机理涉及到水文地质学、生物学、水力学、化 学等多方面学科，如何充分发挥系统的去污潜力，提高系统水力负荷及增加其实 用性成为过滤机理研究的重点。 1 2 2 淤塞机理研究现状 ( 1 ) 含水层淤堵问题研究 对人工补给含水层淤堵问题，国内外都进行过一定程度的研究，其内容主要 包括淤层的形成过程、淤层对补给效率的影响及措施等。综合来看，补给强度的 因素主要有如下5 个：水源因素、气候植被因素、地形地貌因素、包气带因素和 充水岩层因素。淤塞方式主要有气相堵塞、悬浮物堵塞、微生物的生长、化学堵 塞、粘粒膨胀和扩散、出砂等 1 3 1 0 s c h u b e r ( 2 0 0 2 ) 报道阻塞层的渗透性并非固定不变，而是随着动力水文变化而 变化的。前苏联b c 乌先科在设计条件下提出悬浮物沉淀时间、渗透阻力和淤泥 厚度的关系f 1 4 l ；鲍戈莫洛夫r b 等研究了渗水区垂直渗流条件下的渗流过程， 导出了淤填层厚度计算公式【1 5 】。另外，日本对回灌井中涉及采用清水回灌方法的 淤堵及其防治有较详细的研究。 ( 2 ) 滤池淤塞问题研究 传统滤池的弊端在于随着过滤时间的延续，表层细滤料很快被悬浮物堵塞， 滤床水头损失上升很快，出现板结和泥毯等现象。这些问题不仅增加成本，也制 约了其在生产上的应用。 滤池中悬浮质的淤塞作用可归结为悬浮质在介质中的运移和沉淀。t o r g a s 认 为过滤中悬浮颗粒被去除的原因主要有机械筛滤、悬浮颗粒直接吸附于滤料的表 面、悬浮颗粒吸附于已附着在滤料上面的颗粒三种【3 7 1 。悬浮液在多孔介质中渗流 状态通常是非稳定的。渗透率k 实际上是随时间变化的变量，而渗透速度的大小 也反映了滤池淤塞的状况。李晓通过模拟渗流井滤净水与传统滤池滤净水的对比 第1 章绪论 试验，提出滤水量随着滤膜的增长符合指数衰减规律i x 6 。张永华提出堵塞状况呈 现出随滤层厚度增加按负指数形式递减的趋势f l ”。成春奇探讨了多孔介质中悬浮 质的淤塞作用对悬浮液渗流动态的影响，提出了悬浮质运移方程、悬浮质沉淀动 态方程和悬浮液渗流方程，建立了悬浮质淤塞影响数学模型1 9 1 。 ( 3 ) 污水土地处理土壤淤塞问题 污水土地处理法是一种人工强化的污水生态工程处理技术，它是将污水有控 制地投配到土壤中并通过土壤的物理过滤、吸附、生物降解和化学反应等过程使 污水得以净化，但是，随着土地处理系统运行时间的延长，由于物理、化学、生 物等因素的影响，土壤渗透速率将逐渐下降，出现土壤堵塞现象。 1 坎町i 纽w a n i s h i 通过理论分析和试验研究，提出了最大生物量密度和最小 水力负荷的概念，推导土壤中的微生物量与土壤渗透系数之间存在负指数关系。 b a l k s 等用高c 小的生活污水灌溉土壤，发现土壤中的微生物过量生长，多聚糖 类的胞外代谢产物大量积聚，极易造成土壤堵塞【柏】。国内，张建认为适度的土壤 堵塞机理是物理、化学和生物三方面作用结果唧】。王季震提出，土壤的颗粒分级 状况，污水中悬浮物含量，化学反应沉淀物，微生物代谢产物等因素会导致土壤 渗透速率下降2 1 1 。渗透系数k 与土壤的构造、结构、孔隙和颗粒大小及其分布 以及水温等密切相关1 1 0 l 。此外，孔刚的研究也提到了，由于微生物代谢产物多聚 糖类的降解周期较长，需2 3 5 0 天【2 2 l 。综合来看，微生物活动使有机污染物初 步分解形成多糖，而多糖的产生和进水悬浮物才是造成系统堵塞的主要原因。系 统与进水相接触的初始地段，即土表界面，是生物生命活动最活跃的场所。表面 通透性的好坏直接影响土地过滤的水力负荷、气体交换及生物降解能力【蚓 结合以上研究现状可知，无论传统滤池或污水土地处理方法均存在淤塞现 象，淤塞原因可从物理、化学、生物三方面解释。国外对于滤池中悬浮物质的运 移、沉淀过程有深入研究，通过理论推导和实际工程阐述了滤料层的淤塞过程， 并提出了解决办法。但不同的制水、取水的环境条件涉及到不同的淤塞机理、淤 塞程度，因此需要具体分析。 1 2 3 淤塞对水量的影响研究 淤塞会直接影响过滤水量，不少学者提出了河流渗滤取水工艺中大口井、渗 渠等取水的水量计算方法，对于淤塞系数的确定、工艺设计等提出了意见。 含水层的渗透系数是水量研究的重要方面，如何运用地下水动力学的渗流理 论建立计算模型来预测水量是大口井研究的难点。计算模型可利用渗流理论中的 镜象法与势叠加原理，把有界渗流问题简化为无限渗流区问题求解【2 3 】。较为准确 的枯水期水文地质、河流水文资料及酌情考虑淤塞系数是水量合理计算的依据。 5 成都理工大学硕士学位论文 同时，出水量与工程结构密切有关，进水断面是影响出水量和储水量的重要因素 l 。针对河水流速、浑浊度、渗透系数的变化等影响水量的自然因素，选择合适 的井位、缩短大口径与河水明流的距离、优化进水结构、保持井内水位合理降深 是保证进水通道不堵塞的前提 2 6 2 7 】。邓方霞在其研究中指出为确定淤塞系数， 可将条件相似的已建渗渠做为样板，并提出了国内外不同条件下淤塞系数的经验 取值建议【2 ”。 由此可见，国内在河流渗滤取水方式的水量计算方面，认识较为清楚，技术 较为成熟。 1 2 4 淤塞防治研究现状 滤池、污水土地处理等工艺普遍存在滤床堵塞现象，如何有效预防和控制发 生在滤床、集水管、土壤中的淤塞，维持取水工程长期稳定运行是必不可少的研 究。研究者们通过研究集取河床渗透水工艺的设计、施工技术，提出了预防淤塞 的建议。 控制集水设施的进孔水流速、滤料选择和级配、集水管材质是设计的重要因 素。通常根据含水层颗粒筛分确定合理滤料、控制滤速、选用硬度高强度大的管 材，按粉砂设计滤料层则可以减少水流挟砂作用，起到控制流速，是淤塞防止的 关键，而管道接口形式好坏不仅关系到接口的质量和稳固性，是防止淤积的前提 f l 柳。程琨认为施工过程中可考虑在渗流口设计反滤层，达到“滤土”和“排水” 的功能，定期清淤和洗井等综合防治同样很重要1 卅”l 。对于目前普遍采用反冲 洗方式解决滤料层堵塞问题，a m i r l h 推导了剪力强度和水头损失坡度的关系。 藤田贤二对最佳反冲洗强度作了理论研究，导出了最佳反冲洗强度方程式。 土壤堵塞问题的解决途径主要有三方面：一是加强预处理，降低系统的有机 负荷；二是根据进水浓度和系统处理出水水质要求，选择渗透性能适中的渗滤介 质；三是改变系统的运行方式。 综上所述，国内偏重对水量的研究，有较为成熟的计算方法，对于滤床( 含 水层) 的净化机理、过程有一定程度的研究，但淤塞物质、淤塞方式及影响因素 等研究则较少，预测及防治均也缺乏系统的研究，尚处于空白状态。国外在入渗 补给地下水方面研究较为深入，取得了大量的成果。由于淤塞是一十分复杂的问 题，介质不同、条件不同，其滤床的淤塞机理和方式差异很大。天然河床渗滤取 水作为近年才开展的新技术，超然于传统的取制水理论，针对其取水特点，滤床 是否会淤塞，淤塞机理、速率如何等问题，国内外研究均较少，尚未见有关报道。 6 第1 章绪论 1 3 渗滤取水技术简介 1 3 1 渗滤取水原理 渗滤取水技术的主要原理是通过在集水竖井中运行抽水，使河水位与井水位 之间产生压力差，在河床底部砂卵石层内形成低压区，压力差和水力传导诱使河 水下渗，在穿过滤床表层滤膜、砂卵石层和过滤器后进入井、巷。河水穿透滤床 时，水中的有机污染物和杂质被滤床表层滤膜和砂卵石层过滤吸附，滤床表层的 过滤物因河水冲刷更新，年复一年，保持动态平衡。从而在滤床底部可持续、稳 定地获取高品质的饮用水直接供给用户。 1 3 2 渗滤取水工程的基本构成及工艺流程 渗滤水厂由地下渗滤取水工程、地表泵站、地表供水管网组成，而渗滤取水 工程包括取水滤床和地下取水构筑体两大部分组成，如图i - - l 所示 围l - i 渗流井工程剖面图 1 3 3 渗滤取水与传统取水方式对比 取木矗平膏 布i 圉 根据十余年的工程实践和2 0 余座渗滤水厂的应用建设，已经充分表明渗滤 7 成都理工大学硕士学位论文 取水技术是一项先进的于取、制水一体化、社会及环保效益显著、经济效益突出 的工程应用技术，具有工程水质好、水量稳定、服务期长、建设投资省、运行成 本低等诸多优势和特点，综合技术效果十分显著。详见图1 2 和表1 1 。 圈圈一图一图一图一圈一圈一园一圈 圈匝一圆咽一圈 图1 - 2 渗滤取水与常规取水工艺建设内容对比图 表1 1 - ( d 渗滤取水技术综合效益一览表 序 综合效果标准说明 号 1 水质好饮用水标准滤层厚、滤速小、不用药剂，直接满足饮用水标准 取水面积大、补充水源充足，产水量稳定，是傍河大 2水量大 业主要求 井取水量的若干倍 3工程寿命长3 0 年以上 取水强度低、淤塞非常缓慢( 年o 1 ) ；材料寿命 期长 地表可随时控制井内水量和水位，排水后检修设备可 4 维修方便 正常运行 进出 取消了地表絮凝、沉淀、过滤等净水设施，大量节省 5 建设投资省省3 0 5 0 工程投资。建设日产水量5 万吨的水厂。可节省投资 1 5 0 0 2 0 0 0 万元 无地表制水工序能耗和返冲、药剂消耗，管理环节少。 6 运行成本低省1 5 2 5 按5 万吨，日规模运行的渗滤水厂，年节省运行成本 在2 0 0 万元以上 s 第1 章绪论 表1 1 渗滤取水技术综合效益一览表 取水工艺 日产s 万吨水厂比较值 工序与项目 地表取水渗滤取水单项综合 一区占地4 0 亩5 亩节省8 0 9 0 - 建饿投费： 取 取水头l 座l 座 ， 增加一部份 节省1 5 0 0 万元 才( 以上 制水池系全套节省1 0 0 - 麓行： 制 制水工序全套节省1 0 0 节约0 2 元吨 返水冲洗约1 0 节省1 0 0 ( 年节约额： 水 2 0 0 万元以上1 消毒工序全套 全套 同 生产及管理 5 0 6 0 人2 5 3 0 人节省5 0 供水泵站 l 座节省1 0 0 供 动力配电全套全套同 供水控制 全套 全套同 水 供水管网全套全套同 1 4 主要研究内容 淤塞是天然河床渗滤取水技术的一项关键问题且急需解决。该技术利用河床 渗滤系统这个天然的过滤器净化河水，对于其淤塞的研究主要涉及以下几方面： ( 1 ) 天然滤床特性研究 分析砂卵石层及滤膜的物质组成、结构特征；研究滤膜在水动力条件下的演 化特点，滤膜对水质水量影响。 ( 2 ) 淤塞机理研究 天然滤床可能产生的淤塞阶段、方式：研究泥膜和砂砾石层阻滞、吸附等物 理淤塞模式，沉淀、离子交换引起淤塞的物理一化学机理，滤床有机物降解模式 及微生物造成系统失效机理。 ( 3 ) 影响淤塞的主要因素 研究滤床介质渗透性、原水水质、河水水动力条件等自然因素；取水面积、 布孔方式等工艺因素；工程管理和运行因素。 ( 4 ) 淤塞的预测及防治对策 针对渗滤取水滤床淤塞特点及运行监测资料，提出滤床表层、内部及过滤器 淤塞的防治措施 9 成都理工大学硕士学位论文 1 5 研究方法与技术路线 取水工程淤塞研究的基础是调查滤床，并采集整理资料，研究所得出的结论 是否合理依赖于滤膜演化试验、滤膜对水量影响的室内实验以及相关数据的统计 分析。本次研究通过对天然河床渗滤取水条件下滤床淤塞的机理和影响因素等问 题研究，探索滤床( 含水层) 在水流长期作用条件下发生的变化，为渗滤取水淤 塞防治、淤塞处理提供理论依据。本论文的创新点是结合工程实例，采用水文地 质、水化学、生物学、计算机技术等方法研究在水流长期作用下，滤床或含水层 淤塞的机理、速率、方式、提出预测和防治对策。 论文研究将在对已建渗滤取水工程的调研基础上，选1 _ 2 个运行时间较长的 渗滤取水工程，通过对其水质水量长期观测资料的分析，探讨水质水量的变化规 律。选取典型滤床，通过钻探或槽探取样研究不同时间，不同层位滤床物质组成、 结构、渗透性的变化。通过室内外模拟试验研究滤床物质组成、粒度、结构、滤 水性质对滤床淤塞的影响。研究以现代分析技术、计算机技术为手段，结合渗滤 取水工程实际运行状况，为天然河床渗滤取水技术的可靠性评价、渗滤取水滤床 的选择和评价、渗滤取水工程的设计和施工提供合理的理论依据。在上述思路的 指导下，拟定研究工作的技术路线如图1 3 所示： 1 0 第1 章绪论 调研及资料收集 典型滤床特性研究f i 障床砂卵石特性研矧随床表层泥膜特性研列 闺 嘲 7 圉闺 滤床淤塞试验研究 l 现场模拟试验室内模拟试验 ilil 泥膜形成及演化研究泥膜对水质水量影响单层滤膜对水量影响多层滤膜对水量影“ 滤床淤塞分析 上 圈 引 l 一 滤床淤塞防治研究 图1 _ 3 渗滤取水滤床淤塞机理研究思路和技术路线图 成都理工大学硕士学位论文 第2 章天然滤床特性研究 天然河床的砂卵砾石层及表层的泥膜( 生物膜) 构成了渗滤取水的天然滤床， 砂卵砾石层多经远源流水分选、磨圆、搬运、沉积形成，其堆积历史超过百万年， 地质学上称其为第四系更新世全新世地层。表层的泥膜多生成于新近的低流速 环境，随时处于冲、淤的动态变化过程中。 天然滤床的结构、物质组成、渗透性对渗滤水的运动特征、净化效果及滤床 淤塞有很大的影响。滤床所处的环境条件、结构特征、物质组成对研究渗滤取水 的水质、水量及滤床淤塞意义重大。本章结合重庆江律渝津自来水厂、重庆井口 水厂渗滤取水工程、湖北浠水南城水厂和湖南桃源自来水新厂渗滤取水工程水源 地的现场调研、取样、室内试验，综合分析了天然河床渗滤取水的环境条件及天 然河床作为滤床的有关特性。 2 1 滤床砂卵石层特性研究 2 1 1 砂卵石层物质组成 滤床松散堆积体主要由砂、砾、卵石组成。卵、砾石岩性主要为石英岩、花 岗岩、流纹岩、绿片岩、安山岩、砂岩等，其中以火成岩为主。砂粒的岩性主要 为石英，含少量的长石及云母碎屑。研究分别选取了位于长江、嘉陵江、浠水河、 沅江的重庆江津渝津、重庆井口、湖北浠水和湖南桃源的四个水源地的滤床样品 进行室内筛分试验。样本为扰动样，单组样本质量均大于1 0 k g ，其筛分试验结 果详见表2 1 。 表2 - 1筛分试验成果统计表氆) 嚣径 2 0 a 沪v 1 0l o 屯2 - - - 0 4 50 4 5 田露o 葱0 孵0 0 孵0 6 l：0 0 6 l 样 j 本 水厂 卵石砾石粗砂中砂细砂粉细砂粉粒 数 江津渝津7 3 04 71 61 02 l1 5 91 30 44 组 重庆井口 3 61 3 2l l l 8 6 1 q 51 7 0 0 70 33 组 浠水南城 4 0389 25 2 42 2 5 7 1 0 6o 4 6 组 桃源新厂5 7 31 9 03 31 356 8o 103 组 由筛分试验结果可以看出，不同流域、不同水源地滤床颗粒粒径组成特点不 ，主要表现在以下方面： 第2 章天然滤床特性研究 大型河流( 长江、嘉陵江、沅江) 选建的水源地滤床以粗粒级( 卵砾石级) 物质成份为主，含量约6 2 9 7 9 3 ，中粒级( 砂级) 物质约占2 0 3 3 6 8 ； 小型河流( 浠水河) 选建的水源地滤床以中粒级( 砂级) 物质成份为主； 含量大于8 0 。 各水源地滤床泥质( 粉粒级) 含量均非常少。 2 1 2 砂卵石层结构特点 据上述四个水源地取水工程勘察资料揭示，取水水源地普遍发育第四系全新 统近代与现代流水冲积作用形成的松散堆积体，呈广泛连续分布状态，覆盖于河 床底部的基岩侵蚀界面之上，组成“水体( 补给源) 一松散堆积体( 渗滤层) 一 基岩( 相对阻水防渗层) ”三层结构。 松散堆积体( 渗滤层) 几乎无一例外的都发育有泥膜，泥膜呈单层或多层分 布于砂卵砾石表层，部份于水体下的泥膜还生长有苔藓类植物。总体上，由于区 域性物源环境及水文环境的区别，重庆地区与其它地区在滤床结构上略有差别， 尤其是物质成份的差异。调查的四处水源地滤床结构如下表2 2 。 表2 - 2 滤床结构调查统计表 水源地 滤床结构 水厂名称级配 河流地点分层结构 厚度 重庆出津 泥膜多层 o l o c m 粉粒质 渝津自来水厂 长江江津白沙 砂卵砾石 多层韵律 1 3 4 2 05 0 m7 9 ：2 0 ：o4 重庆 泥膜单层0 o 2 c m粉粒质 井口水厂 嘉陵江沙胡坝井口 砂卵砾石层多群 2 1 5 - 4 5 0 m6 3 ：3 7 ：03 泥膜单层5 3 0 c m粉垃蝴 溯谳 南城水厂 浠水河湖北浠水 粗砂层单层 1 0 0 7 mo ：l o o ：o 砂卵砾石层单层2 8 l m1 7 ：8 3 ：0 4 湖南桃源 泥膜单层 o 0 5 c m 粉粒质 自来水新厂 沅江 湖南桃源 砂卵砾石层 单层 3 5 1 6 2 5m7 6 ：2 4 ：0 备注：级配比为“卵砾石级：砂级：粉粒级”重量百分比，详表2 4 。 根据现场及室内试验成果，滤层厚度大于o 7 m 时过滤水质可达到饮用水标 准要求，考虑到某些微观环境的不确定性、设计风险、过滤器安装空间等因素， 在多年的实际应用中，真正选择作为取水滤床的砂卵砾石层厚度多在3 m 以上。 成都理工大学硕士学位论文 在结构上则多选择有流水持续作用的、泥膜厚度较薄且层内含泥质量较少的砂 层，且砂卵砾石层稳定发育的区域。 2 2 滤床表层的泥漠特性研究 2 2 1 泥膜物质组成及分类 泥膜是河水中悬浮物的沉淀，或是河水向砂砾石渗透的过程中在天然河床表 层形成的一种泥质薄膜。为区别起见，分两种情况； 泥膜：在未取水情况下，天然河床底部自然形成的泥质薄膜； 滤膜：在取水条件下新形成的或在原有泥膜基础上形成的薄膜。 根据对四个水源地滤床的调查，重庆白沙长江河段发现天然河床表面普遍发 育有一层或多层泥膜，而其它河段则仅发育有表面单层泥膜，这也说明了长江作 为超级河流其水文环境的复杂性。一般情况下，泥膜的厚度、颜色、物质成份、 生物生长情况等均与水动力特征及物源地有很大关系。 泥膜在自然状态下，由于不同的环境和不同的物质来源形成了不同性质、不 同种类的滤膜。通过工程实践、野外观察分析，发现不同类型的泥膜对渗滤取水 工程产水能力具有重要影响作用。一般可根据泥膜组成粒级和厚度将滤床表层的 泥膜( 滤膜) 进行划分： 按粒级分为两类 粉粒级泥膜：有利于水质净化，水量有一定影响。 粘粒级泥膜：十分有利于水质净化，水量有显著影响。 按厚度分为三类( 表2 - 3 ) 超薄型泥膜：有利于水质净化，水量无影响。 一薄型泥膜：有利于水质净化，水量有无一定影响。 一厚型泥膜：十分有利于水质净化，水量有一定显著影响。 i 第2 章天然滤床特性研究 表2 - 3泥膜分类表 类型 物质组成主要特征 超薄型以粘土，胶体 透水性好：对原水中的固体颗粒有较强过滤 li作用。呈连续波状分布，一般波峰或波谷地 ( o 0 5 ) 物质为主 段较厚。形成于水动力条件较好的环境。 透水性中等：对原水中的固体颗粒，胶体物 表面 l 薄型以粘土，胶体质有很强过滤作用。层面微有起伏，厚度变 无生 ( o 5 2 o c m ) 物质为主化较大，分布不连续。是在流速缓慢的水动 物膜 力条件下沉积形成的。 透水性不好：阻塞滤床，对原水中的固体颗 类 粒，胶体物质，部分化学离子有极强过滤作 厚型 以粘土，胶体用。分布于低洼地带，有的地段泥膜顶底面 l ( 2 o c m ) 物质为主 有粉细砂层分布。一般位于河水边岸相对 较远地带，是洪水退去后，在边岸低洼地带， 静水条件下沉积形成的。 超簿生物膜型 以粘土。胶体透水性好：对原水中的固体颗粒有较强过滤 i2 物质为主。表作用，对较高价态的金属粒子有氧化分解作 ( 0 0 5 c m ) 面具生物膜类用，有力的改善了水质。 表面 以粘土，胶体 透水性中等；对原水中的固体颗粒，胶体物 具生 2 薄型生铡膜 物质为主表面质有很强过滤作用，对较高价态的金属粒子 物膜 i 酗5 2 o c m ) 具生物膜类有氧化分解作用。 类 以粘土，胶体 透水性一般：部分改善阻塞滤床的现象，对 厚型生物膜原水中的固体颗粒，胶体物质部分化学离 2物质为主表面 型( 2 0 c m ) 子有极强过滤作用，对较高价态的金属离 具生物膜类 子有氧化分解作用。 2 2 2 滤膜性质及结构特征 滤膜的性质和结构特征关系到滤床淤塞程度和过滤水质净化效果。研究滤膜 的性质包括了研究其物理性质、化学成分及矿物生物组成。本次研究采集了长江 白沙河段、嘉陵江井口河段、浠水河湖北浠水河段和沅江湖南桃源河段已建及拟 建水源地滤床泥膜( 滤膜) 样品，采样方法是采用薄壁简易取样器进行原状样采取 单样含泥膜( 滤膜) 和砂样，采样点位于取水滤床区内，样层厚度在5 1 0 c m 之间。 通过对样品进行物理性质测试、化学分析，利用扫描电镜、能谱仪等分析仪器， 对天然河床泥膜的物质组成、矿物成分、化学和生物性质有了较为全面的了解。 ( 1 ) 物理性质 泥膜是在水流作用、沉积作用、吸附和过滤作用的影响下，由原水中的粘土 物质、胶体物质和微生物所形成的泥状薄膜，具有下列物理性质：渗透系数 0 0 0 3 0 0 7 m d ，骨架容量为0 7 o 9g c m 3 ，潮湿状态的容重为1 4 1 7 9 恼1 1 3 ， 湿度7 5 9 0 ，比重2 4 2 7 9 c m 3 ，孔隙度为6 5 7 0 ，个别样品灼烧后的 成都理工大学硕士学位论文 损耗量为9 1 0 。应该指出的是，泥膜的渗透系数随着渗滤土层的有效粒径、 悬浮物的微粒大小、入渗水的浊度和沉淀物中有机残物( 浮游生物) 含量等指标的 减少而变小，骨架容量则正好与此相反，随着有机混合物含量的增大，沉积物变 得更为松散，骨架容量更小。 ( 2 ) 化学成份 针对湖南桃源、重庆井口及重庆白沙三水厂水源地滤床的天然泥膜样，本次 研究采用了9 1 0 0 7 5 ( p h i l i p s ) 能谱仪进行化学成份及含量分析，得到泥膜样主要 物质重量百分比结果，见表2 _ 4 表2 4 天然泥膜样主要物质重量百分比 分析结果( 、) 样品 n a 2 0m g oa 1 2 0 3 s i 0 2 k 2 0 c a o t i 0 2& o 湖南桃源样 0 52 3 82 1 0 36 71 23 8 21 o l0 2 838 2 重庆井口样 0 4 32 6 91 51 86 9 9 02 3 250 7o 8 535 6 重庆白沙样 0 6 63 0 61 6 6 46 3 9 833 l68 506 248 8 由此可知天然泥膜具有以下化学特征： 化学物质组成较为一致，主要由s i 0 2 、a 1 2 0 3 、k 2 0 、m 9 0 、c a o 、le o 等组成，且各化学物质的重量百分比相对稳定。 s i 0 2 、舢2 0 3 是主要成分，两者的重量百分比占到的8 0 以上，此现象与 硅、铝在地壳中分布很广，仅次于氧的地球化学特征有直接关系。 除了硅、铝、镁、钙、钠、钾等造岩元素外，铁元素也有较高含量，f e o 的重量百分比达3 5 6 4 ，8 8 ，铁的变价特征将导致其在不同的氧化还原介质中， 显示不同的地球化学行为和不同的存在形式。 ( 3 ) 矿物及生物组成 为了全面、直观的观察泥膜的矿物成分和物质组成，分析其物质形态和结构 特点，采用了s - 5 3 0 ( h i t a