劉 倩，董志鋒

(橫崗自來水有限公司，廣東深圳 518055)

穿孔旋流反應(yīng)池作為小型給水處理系統(tǒng)中常用構(gòu)筑物之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價低的特點，其缺點是水量變化較大時絮凝效果得不到保證[1]。為提高其絮凝效果，很多學(xué)者進(jìn)行了研究，如張先斌等[2]在穿孔旋流絮凝池內(nèi)增設(shè)擾流構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)可有效提高絮凝效果。深圳某自來水廠一期反應(yīng)池末端絮凝易破碎，礬花細(xì)小，沉淀池礬花上浮，導(dǎo)致沉淀出水效果不佳?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)和前期累計的實踐經(jīng)驗[3-4]，深圳某自來水廠考慮在豎井中加入網(wǎng)格板增強擾流作用，從而提高反應(yīng)池的絮凝效果，進(jìn)一步保障出水水質(zhì)。本文總結(jié)了該水廠在網(wǎng)格反應(yīng)池的實踐經(jīng)驗和成效，以期為存在類似問題的水廠提供技術(shù)借鑒。

1 改造背景

深圳某自來水廠共有4期工藝，由于早期建設(shè)規(guī)劃不合理，布局混亂，生產(chǎn)流程距離相差較大，4期工藝共用同一配水井，導(dǎo)致配水井配水不均勻，進(jìn)水流量難以控制。同時，深圳某自來水廠原水水質(zhì)逐漸惡化，尤其夏季藻類頻發(fā)，淡水甲殼類滋生，原水經(jīng)過配水井到達(dá)穿孔旋流反應(yīng)池停留時間短，得不到充分反應(yīng)，導(dǎo)致一期工藝經(jīng)常受水流層面產(chǎn)生擾動，絮凝體破碎，反應(yīng)池末端礬花細(xì)小，沉淀池出水渾濁度明顯增大，礬花上浮，濾池超負(fù)荷運行，甚至?xí)绊懙秸麄€供水系統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。同時，由于旋流開孔位置及開孔做法不規(guī)范，影響水力旋流的旋流效果，從而影響水中交替及細(xì)小懸浮物脫穩(wěn)及凝聚。本項目加裝水力旋流網(wǎng)格為專門提供水流紊動條件的絮凝裝置，提供供絮體集聚的微動力條件從而增加了顆粒接觸碰撞的幾率，使礬花盡快形成理想的尺度，又不致使已形成的絮粒破碎。采用多層次緩阻方式，控制速度梯度由大到小平穩(wěn)而均勻地變化，進(jìn)而控制礬花顆粒的合理成長速度，礬花逐步成長的同時，又能夠受到適度的揉搓變得更加均勻和密實。

深圳某自來水廠一期穿孔旋流反應(yīng)池，設(shè)計供水量為1.2萬m3/d，分為2座，每座供水量為0.6萬m3/d，并于1986年建成并投入使用，供水工藝采用常規(guī)的穿孔旋流反應(yīng)池-斜管沉淀池-虹吸濾池-清水池，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，每座分為2組，每組由6個方格組成，各格之間隔墻上沿池壁開孔，孔口上、下交錯布置，水流沿池壁切線方向進(jìn)入后形成旋流。該反應(yīng)池自1986年建成并投入運行，出廠水渾濁度為3 NTU 以下，基本能夠滿足原設(shè)計出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 5749—1985的要求。

圖1 穿孔旋流反應(yīng)池Fig.1 Perforated Cyclone Reactor

但隨著國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和深圳市飲用水新地標(biāo)(DB4403/T 60—2020)的全面實施，同時進(jìn)水負(fù)荷較建設(shè)初期提高后，反應(yīng)池絮凝效果不佳，出廠水水質(zhì)安全風(fēng)險進(jìn)一步提高，亟需對水廠處理工藝做進(jìn)一步提升改造，以滿足水廠出水水質(zhì)要求。水廠經(jīng)考慮技術(shù)、經(jīng)濟、工期等各項因素后，通過現(xiàn)場情況及相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計，改造穿孔旋流反應(yīng)池，通過速度梯度(G值)逐級減小以適應(yīng)絮凝體的形成[5]，以此來提高絮凝效果，從而降低沉淀池出水渾濁度，減輕濾池負(fù)荷。為保障用水，深圳某自來水廠未對兩座同時開工，僅對一期一座進(jìn)行改造。

2 改造措施

基于對現(xiàn)狀穿孔旋流反應(yīng)池的問題分析，在盡量不改變原有土建結(jié)構(gòu)的情況下，將其改造為網(wǎng)格反應(yīng)池。

2.1 池體改造

(1)合并進(jìn)水管，原有的兩側(cè)進(jìn)水改為單側(cè)進(jìn)水。將原有一座2組改為一座1組運行，合并原來的進(jìn)水管道，進(jìn)水提升至高位，新增DN300管道進(jìn)水。

(2)增加PP隔板和水力旋流網(wǎng)格，改變池內(nèi)紊流狀態(tài)以改變絮凝效果。在原有的絮凝池增加PP隔板，將穿孔旋流工藝改造為豎井加水力旋流網(wǎng)格工藝。水力旋流網(wǎng)格絮凝反應(yīng)池中絮凝裝置為多組六邊形(圖2)，水流通過六邊形時，斜楞板上的斜板對水流轉(zhuǎn)向擾動，改善絮凝條件，使絮體更快形成。

圖2 水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置Fig.2 Hydrocyclone Grid Flocculation Device

(3)新增過墻孔洞。為了盡量降低施工難度以及改造成本，將原有穿孔旋流反應(yīng)池中的混凝土隔墻大部分保留，根據(jù)工藝設(shè)計要求對原有絮凝段過墻段孔封堵或修砌，按重新計算空洞尺寸新增過墻孔洞，如表 1所示，其中數(shù)據(jù)為對應(yīng)井編號的出水穿墻空洞尺寸。網(wǎng)格板放置在角鋼支架上，不銹鋼膨脹螺栓將角鋼支架與池壁連接。

表1 網(wǎng)格反應(yīng)池孔洞尺寸Tab.1 Hole Size of Grid Reactor

孔洞水頭損失如式(1)。

(1)

其中：h孔i——孔洞水頭損失，m，i為分格編號；

V孔i——各格構(gòu)筑物過水孔洞流速，m/s；

ξ——過孔局部損失系數(shù)，取3；

g——重力加速度，m/s2，g=9.81 m/s2。

過水孔洞流速如式(2)。

(2)

其中：Q——流量，m3/d，Q=6 000 m3/d；

Si——孔洞面積，m2。

2.2 網(wǎng)格絮凝

根據(jù)鄭州某公司的工程經(jīng)驗，結(jié)合水廠一期現(xiàn)狀情況，為保證反應(yīng)效果，將網(wǎng)格反應(yīng)池分為3個階段。第1階段：8格(1#～8 #)，1#～4#放置9層，5#～6#放置8層，7#～8#放置7層，共66層；第2階段：8格(9#～16#)，9#～12#放置7層，13#～14#放置6層，15#～16#放置5層，共50層；第3階段：8格(17#～24#)，17#～18#放置4層，19#放置3層，20#放置2層，21#～24#靠近出水端，不放置絮凝裝置，共13層，網(wǎng)格反應(yīng)池分格如圖3所示。具體計算參照《給水廠處理設(shè)施設(shè)計計算》[6]，計算結(jié)果如下。

圖3 網(wǎng)格反應(yīng)池Fig.3 Grid Reactor

網(wǎng)格設(shè)計參數(shù)如表2所示，網(wǎng)格板面積為每格池的面積，開孔比廠家設(shè)計經(jīng)驗值，網(wǎng)格板過水面積公式：網(wǎng)格板過水面積=網(wǎng)格板面積×開孔比；網(wǎng)格過水流速=設(shè)計流量÷網(wǎng)格板過水面積。

表2 網(wǎng)格設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design Parameters of Grid

各級單層設(shè)備水損如式(3)。

(3)

其中：Hi級——第一級單層設(shè)備水頭損失，m，i為分級數(shù)；

Vi級——網(wǎng)格過水流速，m/s；

ξ——過孔局部損失系數(shù)，取1。

由式(3)可知，第1級單層設(shè)備水損H1級=0.007 1 m；第2級單層設(shè)備水損H2級=0.004 9 m；第3級單層設(shè)備水損H3級=0.003 5 m。

各級總水損如式(4)。

(4)

其中：Gi——各級速度梯度設(shè)計值,s-1；

ρ——水密度，kg/m3，ρ=1 000 kg/m3；

hi——各級總設(shè)計水損，m；

μ——黏度系數(shù)，kg/(m2·s)，當(dāng)水溫t=16 ℃時，μ=1.162×104kg/(m2·s)；

ti——各級停留時間，s。

由式(4)可知，當(dāng)?shù)?階段G1設(shè)計值為52 s-1，h1=0.139 6 m；第2階段G2設(shè)計值為37 s-1，h2=0.067 2 m；第3階段G3設(shè)計值為18 s-1，h3=0.015 3 m。

各級構(gòu)筑物水損：由表1可知，第1級構(gòu)筑物水損H1=h孔1+h孔2+h孔3+h孔4+h孔5+h孔6+h孔7+h孔8=0.081 6 m，同理第2級構(gòu)筑物水損H2=0.038 2 m，第3級構(gòu)筑物水損H3=0.009 1 m。

各級設(shè)備總水損：第1級設(shè)備總水損H1設(shè)備=h1-H1=0.058 0 m，第2級設(shè)備總水損=H2設(shè)備=h2-H2=0.029 0 m，第3級設(shè)備總水損H3設(shè)備=h3-H3=0.006 2 m。

各級中設(shè)備放置層數(shù)如式(5)。

(5)

其中：N——設(shè)備層數(shù)；

Hi設(shè)備——各設(shè)備水損，m；

Hi級——各級水損，m。

由式(5)可知，第1級設(shè)備層數(shù)=0.058 0÷0.007 1×8=65.35，取66，第2級設(shè)備層數(shù)=0.029 0÷0.004 9×8=47.35，取48，第3級設(shè)備層數(shù)=0.006 2÷0.003 5×8=14.17，取15。

根據(jù)廠家工程實踐經(jīng)驗，在設(shè)備總層數(shù)不變的情況下，同級之間數(shù)量遞減才可以達(dá)到速度梯度遞減的目的。因此，最終布置時第1級設(shè)置66層，第2級設(shè)置50層，第3級設(shè)置13層。經(jīng)驗證總反應(yīng)絮凝階段總水頭損失為0.22 m，此時總停留時間T為21.21 min，GT值為52 647.7，在104～105，絮凝段G值符合規(guī)范要求。

3 運行調(diào)試

反應(yīng)池改造后首先需對反應(yīng)池進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)混凝攪拌試驗確定各段工藝實際停留時間，使反應(yīng)池運行效果達(dá)到最優(yōu)值。網(wǎng)格反應(yīng)池絮凝反應(yīng)條件設(shè)計值如表3所示。

表3 試驗條件設(shè)計值Tab.3 Design Values of Experimental Conditions

取水為反應(yīng)池第1格進(jìn)水，已經(jīng)完全混合。其中，沉淀時間根據(jù)沉淀池出水渾濁度確定，取混凝攪拌試驗沉淀后測定的渾濁度與沉淀池出水渾濁度相同時的時間。

3.1 1級G值對混凝效果的影響

通過預(yù)試驗，選定6組不同的1級G值，同時2級G值、3級G值保持設(shè)計值不變，每個階段的攪拌時間按照實際運行時間設(shè)定，測定1級G值對混凝攪拌沉淀10 min后出水渾濁度的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 不同攪拌轉(zhuǎn)速的絮凝效果Tab.4 Flocculation Effect of Different Stirring Speeds

由表4可知，1級G值的變化，對沉淀出水渾濁度無明顯影響，沉淀出水渾濁度在1.48 NTU上下波動，這說明在設(shè)計范圍內(nèi)，網(wǎng)格反應(yīng)池第1階段網(wǎng)格層數(shù)的改變對沉淀池出水渾濁度無明顯影響。

3.2 2級G值對混凝效果的影響

1級G值、3級G值保持設(shè)計值，改變2級G值進(jìn)行混凝攪拌試驗，每個階段混凝攪拌時間按照實際運行時間設(shè)定，測定2級G值改變對混凝攪拌沉淀10 min 后出水渾濁度的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 不同攪拌轉(zhuǎn)速的絮凝效果Tab.5 Flocculation Effect of Different Stirring Speeds

由表5可知，2級G值的變化，對沉淀出水渾濁度無明顯影響，沉淀出水渾濁度在 1.50 NTU上下波動，這說明在設(shè)計范圍內(nèi)，網(wǎng)格反應(yīng)池第2階段網(wǎng)格層數(shù)的改變對沉淀池出水渾濁度無明顯影響。

3.3 3級G值對混凝效果的影響

1級G值、2級G值保持設(shè)計值，改變3級G值進(jìn)行混凝攪拌試驗，每個階段混凝攪拌時間按照實際運行時間設(shè)定，測定3級G值改變對混凝攪拌沉淀10 min 后出水渾濁度的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 不同攪拌轉(zhuǎn)速的絮凝效果Tab.6 Flocculation Effect of Different Stirring Speeds

由表6可知，隨著3級G值逐漸減小，沉淀出水渾濁度逐漸減小。根據(jù)絮凝理論可知，在絮凝池前面部分，水流湍動劇烈能夠為膠粒碰撞提供動力，提高顆粒的碰撞速率，促進(jìn)絮體的形成[7-8]，隨著絮體的形成和不斷增大，劇烈的湍動作用不利于絮體的進(jìn)一步成長。因此，沉淀池未優(yōu)化前出水渾濁度達(dá)不到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(≤1 NTU)，可能是網(wǎng)格反應(yīng)池第3階段網(wǎng)格層數(shù)過多，渦流速度大，導(dǎo)致前段形成的絮凝體發(fā)生不可逆的破壞[9]。

依據(jù)上述試驗結(jié)果，判定網(wǎng)格反應(yīng)池第1階段設(shè)置網(wǎng)格數(shù)66層 ，第2階段設(shè)置網(wǎng)格數(shù)50層 ，第3階段不設(shè)置網(wǎng)格，反應(yīng)池末端礬花大而密實，沉淀池出水渾濁度可達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。此時，第3級開孔比為1，水損只有構(gòu)筑物水損，優(yōu)化后絮凝階段GT值為51 773.85，在104～105，因此，絮凝段G值符合規(guī)范要求。

4 改造成效

在試驗期間，同一水源，通過控制進(jìn)水閥門控制兩座池的進(jìn)水量，改造后的稱為改造組，改造優(yōu)化后的稱為優(yōu)化后，未進(jìn)行改造的稱為未改造組，對兩座池分別連續(xù)取樣，結(jié)果如下。

4.1 沉淀池出水渾濁度

初期，因調(diào)試尚未完成，沉淀池出現(xiàn)礬花上浮，感官效果相對較差，改造效果尚未明顯，但根據(jù)混凝攪拌試驗結(jié)果，對反應(yīng)池第3階段網(wǎng)格數(shù)做出新的調(diào)整，將第3階段的絮凝裝置全部取出，改造調(diào)試，對改造組、優(yōu)化后、未改造組沉淀池出水渾濁度測定，結(jié)果如圖4所示。

圖4 沉后出水渾濁度Fig.4 Outflow Turbidity after Sedimentation

由圖4可知：未改造組沉后出水渾濁度在0.43～1.09 NTU，沉后出水平均渾濁度為0.73 NTU，沉后出水渾濁度有超內(nèi)控風(fēng)險；改造組沉后出水渾濁度在1.50 NTU上下波動，對網(wǎng)格反應(yīng)池第3階段優(yōu)化后，沉后出水渾濁度在0.40～0.9 NTU；優(yōu)化后沉后出水平均渾濁度為0.63 NTU，出水渾濁度平均下降了13.70%。優(yōu)化后沉淀池出水渾濁度小于1 NTU，達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，觀察反應(yīng)池末端發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)池末端出水礬花多而密實，結(jié)果表明，優(yōu)化改進(jìn)后的網(wǎng)格絮凝池水力條件變化有利于提高絮凝效果。

4.2 濾后出水渾濁度

改造調(diào)試后，對改造前以及優(yōu)化后濾后出水渾濁度連續(xù)28 d測定，結(jié)果如圖5所示。

圖5 濾后出水渾濁度Fig.5 Turbidity of Filtered Water

由圖5可知，反應(yīng)池未改造組濾后出水渾濁度在0.11～0.24 NTU，濾后平均出水渾濁度為0.16 NTU，反應(yīng)池改造優(yōu)化后濾后出水渾濁度在0.09～0.18 NTU，濾后平均出水渾濁度為0.13 NTU，濾后出水渾濁度降低了18.75%。

5 結(jié)論

根據(jù)絮凝理論，將穿孔旋流反應(yīng)池改造為網(wǎng)格反應(yīng)池，采用合理的設(shè)計參數(shù)，取得一定的成效，與改造前相比，得出以下結(jié)論。

(1)改造后沉淀池沉后出水渾濁度下降了13.70%，沉后出水渾濁度穩(wěn)定在1 NTU以下，反應(yīng)池末端礬花多而密實，濾后出水渾濁度降低了18.75%。

(2)探討絮凝反應(yīng)的不同階段G值改變對沉淀池出水渾濁度的影響，發(fā)現(xiàn)絮凝反應(yīng)第3階段G值的改變對沉淀池出水渾濁度影響較大，隨著絮體的形成和不斷增大，劇烈的湍動作用不利于絮體的進(jìn)一步成長。

(3)將穿孔旋流反應(yīng)池改造為網(wǎng)格反應(yīng)池，可改變整個流場的流態(tài)，同時，合理布置網(wǎng)格可以改變池內(nèi)紊流狀態(tài)以改變絮凝效果，為存在類似問題的水廠提供技術(shù)借鑒。