殷 祺

(吳江華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215200)

1 遇到的問(wèn)題

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，水源污染導(dǎo)致的飲用水安全問(wèn)題突出，常規(guī)凈水工藝(混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒)已難以滿足部分污染物的去除要求。為確保生活飲用水安全，目前，通常采用強(qiáng)化常規(guī)凈水工藝、在常規(guī)處理基礎(chǔ)上增加預(yù)處理工藝和深度處理工藝等[1-4]。為了進(jìn)一步提高出廠水水質(zhì)，增強(qiáng)供水安全保障能力，2011年5月，江蘇省住建廳明確要求省內(nèi)以太湖等有關(guān)湖泊為水源地的水廠必須采用深度處理工藝。

臭氧活性炭工藝是目前我國(guó)較為流行并廣泛推廣的深度處理工藝之一。使用預(yù)臭氧工藝的水廠往往在平流沉淀池中會(huì)有浮渣產(chǎn)生，但產(chǎn)生的浮渣量不盡相同，當(dāng)浮渣量大時(shí)會(huì)增加濾池的表面負(fù)荷，縮短沖洗周期，嚴(yán)重時(shí)甚至危及水廠連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。在蘇南某以太湖為水源的水廠的應(yīng)用主要為預(yù)臭氧接觸池及配水井+常規(guī)制水工藝+后臭氧接觸池及生物活性炭濾池，詳細(xì)工藝流程如圖1所示。該廠在2016年底進(jìn)行深度處理改造，于2017年具備調(diào)試條件。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在使用了預(yù)臭氧工藝后，沉淀池產(chǎn)生氣浮，本應(yīng)隨重力沉降的絮凝體在沉淀池大量浮起，極大增加了濾池負(fù)荷，水廠無(wú)法穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。

圖1 蘇南某水廠工藝流程Fig.1 Process of a Water Treatment Plant in Southen Jiangsu Province

本文著重分析了使用預(yù)臭氧工藝后，沉淀池大量產(chǎn)生浮渣的原因，并尋求徹底解決的方案。

2 問(wèn)題原因分析

為保障水廠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)預(yù)臭氧接觸池剖面圖(圖2)進(jìn)行分析，水廠運(yùn)行人員制定了調(diào)試方案，探尋原因。通過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)：在不投加臭氧時(shí)，水流通過(guò)預(yù)臭氧配水井，沉淀池已產(chǎn)生浮渣，對(duì)配水井前后溶解氧進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)溶解氧有所上升；當(dāng)水流量變大，一次配水產(chǎn)生的落差減小，浮渣增多，溶解氧進(jìn)一步上升；開始投加臭氧后，流量恒定，臭氧投加量從0 mg/L增加到1 mg/L，浮渣產(chǎn)生的量不隨臭氧投加量的增加而顯著增加，配水井前后的溶解氧差的絕對(duì)值不隨臭氧投加量的增加而增加。綜上所述，浮渣產(chǎn)生的原因與臭氧投加量無(wú)關(guān)，與一次配水跌落的高度無(wú)關(guān)，與流量大小顯著相關(guān)。為查明原因，工作人員在配水井出口管道上方安裝攝像頭。通過(guò)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，出水管口處產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦導(dǎo)致氣體摻雜進(jìn)水中，在后續(xù)的沉淀池受浮力上升釋放，是產(chǎn)生浮渣的主要原因。

圖2 預(yù)臭氧池及配水井結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure Diagram of Pre-Ozone Contact Tank and Distribution Well

3 裝置消旋方案

為消除漩渦，水廠工作人員分別采用孔板裝置、分層進(jìn)水裝置來(lái)改善配水井內(nèi)水流流態(tài)，消除配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦，從而解決沉淀池浮渣問(wèn)題。

3.1 孔板消旋

水廠試驗(yàn)了多種漩渦消除裝置，包括孔板、米字形、十字形等導(dǎo)流體，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各種漩渦消除裝置對(duì)浮渣的產(chǎn)生均有改善，但不能完全消除。利用圖3孔板流量?jī)x原理制作的漩渦消除裝置可以消除單一流量下的漩渦，但當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)漩渦會(huì)重新產(chǎn)生或者因?yàn)榻孛娣e過(guò)小，后續(xù)流量損失。

圖3 孔板消旋裝置Fig.3 Orifice Racemization Device

3.2 分層進(jìn)水消旋

為了兼顧水位和不同流量下對(duì)流態(tài)的控制，開展流動(dòng)特征和泄水摻氣抑制結(jié)構(gòu)研究。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)基本原理，按照Froude數(shù)相似建立了能夠反映配水井主要流動(dòng)特征的縮比模型，原型出水口管徑為1 620 mm，試驗(yàn)比尺λ=5.8，模型出水口管徑為280 mm。通過(guò)疊加3個(gè)不同管徑的管道，抑制不同流量條件下的摻氣現(xiàn)象。根據(jù)物理模型試驗(yàn)，通過(guò)尺度換算、工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出分層進(jìn)水消旋方案，并通過(guò)開展流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)提出了有效控制配水井內(nèi)摻氣的裝置，如圖4所示。該方法能夠顯著消除5 000～25 000 m3/h流量狀態(tài)下的摻氣。

圖4 分層進(jìn)水消旋裝置Fig.4 Stratified Water Inlet Vortex Eliminating Device

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，分層進(jìn)水裝置可以有效改善漩渦形成，但是，仍無(wú)法徹底消除配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦和解決沉淀池浮渣問(wèn)題。

4 恒水位控制消旋方案

配水井接垂直出水管是一種典型的排水方式，易出現(xiàn)典型的漩渦和摻氣流動(dòng)。該水廠由于出水管管徑大，伴隨漩渦流動(dòng)引起顯著的摻氣現(xiàn)象，造成下游沉淀池出現(xiàn)氣浮現(xiàn)象。

根據(jù)該水廠前期兩類不同改造試驗(yàn)，主要是通過(guò)縮小過(guò)水?dāng)嗝妗⑻砑庸艿懒飨蚋舭宓韧緩剑稍诓煌髁肯虏糠诌_(dá)到控制漩渦和摻氣現(xiàn)象，但仍不能達(dá)到在整個(gè)流量范圍內(nèi)有效控制漩渦和摻氣的現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)效果，當(dāng)人工調(diào)節(jié)檢修閥保持配水井內(nèi)水位控制在一定高度后，可達(dá)到控制沉淀池出現(xiàn)氣浮的目的。這種控制方法是由于在水流通過(guò)改造措施和檢修閥兩次連續(xù)減小過(guò)水?dāng)嗝婧?，可保證配水井至排水管突縮流為全濕狀態(tài)，在配水井內(nèi)水位達(dá)到一定高度后隔絕出水管與大氣的聯(lián)通，此時(shí)，出水管口突縮段盡管仍有漩渦存在，但不致引起水氣摻混。這一試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，通過(guò)自動(dòng)控制途徑維持配水井水位是一種可行改造途徑。

5 工程實(shí)踐和總結(jié)

通過(guò)前兩階段試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各種消旋裝置均能有效改善漩渦，但不能徹底消除配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，其主要原因有兩方面：(1)水廠運(yùn)行流量變化區(qū)間大，從1萬(wàn)～2.5萬(wàn)m3/h，要解決不同流量下的漩渦；(2)施工空間有限，配水井位置狹長(zhǎng)，空間小，所有施工材料均從上方1 m×1 m的人孔進(jìn)入，大型設(shè)備無(wú)法展開，諸多措施無(wú)法在有限空間中實(shí)現(xiàn)。在前階段消旋裝置調(diào)試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，沉淀池內(nèi)浮渣產(chǎn)生與配水井內(nèi)水位存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，當(dāng)配水井內(nèi)液位高度超過(guò)2 m時(shí)，配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦消失，沉淀池不產(chǎn)生浮渣。

綜上，水廠制定了最終的解決方案：通過(guò)恒水位控制，消除預(yù)臭氧接觸池及配水井中產(chǎn)生的漩渦，進(jìn)而消除后續(xù)沉淀池的氣浮現(xiàn)象，保障水廠在采用預(yù)臭氧工藝下的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。具體實(shí)施方案如下：(1)更換預(yù)臭氧接觸池及配水井出口手動(dòng)蝶閥為調(diào)節(jié)型電動(dòng)閥門；(2)在配水井上方加裝2個(gè)超聲波液位儀，加裝現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜；(3)其中一個(gè)液位儀反饋信號(hào)給調(diào)節(jié)閥門，通過(guò)閥門的開度保證配水井中的液位恒定，同時(shí),滿足水廠生產(chǎn)所需的水量，另一個(gè)液位儀做備用，一旦其中一個(gè)液位儀故障，另一個(gè)自動(dòng)切換。通過(guò)以上改造，既保障了水量，又保障了水廠在采用預(yù)臭氧工藝時(shí)的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。