彭小軍,楊蕓,申子鳴

(深圳市利源水務(wù)設(shè)計咨詢有限公司,廣東 深圳 518000)

1 工程項目背景

上饒某凈水廠于2010年建成一期5萬m3/d水廠,水源為鄱陽湖珠湖內(nèi)湖水;常規(guī)的凈水廠水處理環(huán)節(jié)是混凝、沉淀、過濾、消毒。目前該水廠存在著混凝效果差、不能按照既定要求降低原水濁度、常規(guī)濾池堵塞情況嚴(yán)重、反沖洗頻率較高、生產(chǎn)清水的成本較高等問題。為確保清水池出水水質(zhì)滿足生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),同時能降低制水成本,該凈水廠綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、工期,以及現(xiàn)場情況等各因素,以微渦流混凝工藝為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),對現(xiàn)狀水廠開展工程改造,達(dá)到改善原水的絮凝效果,優(yōu)化水質(zhì)的目的。鄱陽湖,為長江流域中下游重要分支湖泊,是長江流域的過流能力強(qiáng)、吞吐規(guī)模大、受天氣影響大的重要湖泊,珠湖內(nèi)湖,是鄱陽湖東部區(qū)域性湖泊,總磷是其水質(zhì)的主要污染物;鄱陽湖湖區(qū)總磷濃度由2018年最高0.08 mg/L下降為2020年的0.06 mg/L,今年上半年進(jìn)一步降至0.05 mg/L,創(chuàng)近年來同期最低,同比降低12.3%。尤其是鄱陽湖內(nèi)珠湖,水質(zhì)極佳,屬于一類水質(zhì),是優(yōu)質(zhì)型飲用水水源。

2 微渦流絮凝工藝

2.1 微渦流絮凝理論

微渦流絮凝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是圓形渦流反應(yīng)器[1-2],微渦流絮凝理論支撐主要是膠體渦流型反應(yīng)凝聚和多維度立體接觸絮凝[3-5]兩種方式。凝聚效果由水體中所含固體懸浮物穩(wěn)定程度與顆粒之間相互混合接觸的概率所決定。(1)混凝劑在水體中分解形成膠體顆粒,在微渦流作用下迅速擴(kuò)散,并與水中膠體最大程度混合,促使膠體顆粒迅速失去穩(wěn)定性,開始沉淀。(2)微渦流內(nèi)部各流層之間存在水體流動速度和水流方向的差異,促使各流層之間的膠體顆粒發(fā)生布朗運(yùn)動,并且在離心力引導(dǎo)下,絮體向著反應(yīng)器徑向運(yùn)動,提高失穩(wěn)顆粒的匯合幾率,大大提升絮凝反應(yīng)效率。接觸絮凝是游離在水體中的絮體對水流中的失去穩(wěn)定性的固體懸浮物產(chǎn)生附著作用,絮凝而不斷匯集的過程。(3)當(dāng)水流通過渦流反應(yīng)器時,由于一定數(shù)量的礬花絮狀體殘留在渦流反應(yīng)器內(nèi)部,使反應(yīng)器外側(cè)水體的流速大于其內(nèi)側(cè)流速;當(dāng)水中失去穩(wěn)定性的固體懸浮物與上述絮狀體接觸時,其被吸附在其表面,絮凝物不斷生成,粒徑較大的礬花體在微渦旋運(yùn)動的作用下被重新組織成體積很小的絮狀體,從而保證了它的凝聚能力得以維持;緊實(shí)度較小的礬花物,在渦旋作用下,會發(fā)生結(jié)構(gòu)重組,再次凝聚成高密度絮狀,從而保證絮狀平穩(wěn)沉淀,水質(zhì)效果得到保證。

2.2 微渦流絮凝工藝產(chǎn)品構(gòu)造特性

微渦流絮凝工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是渦流反應(yīng)器,渦流反應(yīng)器設(shè)計初始的計劃是取代網(wǎng)格反應(yīng)器,克服或削弱其安裝不方便、堵塞后清洗難度高、使用周期短,更換頻率高,運(yùn)維難度大等缺點(diǎn)。渦流反應(yīng)器其構(gòu)造特點(diǎn)如下:(1)空心圓形結(jié)構(gòu),反應(yīng)器外形大小依據(jù)工藝使用需要明確,反應(yīng)器面層均需做特殊處理;(2)反應(yīng)器面層開有孔洞,孔徑和面層孔洞分布規(guī)律根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要確定;(3)反應(yīng)器采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯復(fù)合聚合物,是材質(zhì)優(yōu)、韌性好、易定型的聚合復(fù)雜分子構(gòu)造材質(zhì),壁厚由結(jié)合項目需要設(shè)計確定。

渦流反應(yīng)器其使用特性如下:(1)無需固定,規(guī)律性堆積,但無孔洞堵塞的情況發(fā)生,直接投放;(2)生產(chǎn)周期段,批量化生產(chǎn),有利于工程項目的推進(jìn),可廣泛的應(yīng)用,大大縮短項目周期。(3)水體速度、水流方向變化,同時渦流反應(yīng)器內(nèi)外側(cè)面的碰撞阻力,水體形成微渦流運(yùn)動;(4)材料韌性好,適用飲用水的材質(zhì),避免腐蝕困擾,使用周期較長,不易損壞,性價比高;(5)隨著不斷上向水流中會漂浮轉(zhuǎn)動,動態(tài)化運(yùn)行,更有利于混凝反應(yīng)發(fā)生,提高絮凝效果,改善出水水質(zhì)。

2.3 微渦流絮凝反應(yīng)運(yùn)行機(jī)制

渦流反應(yīng)器的工藝形式可根據(jù)水質(zhì)特征、水處理構(gòu)筑物布局、形狀及全流程給水處理工藝要求適時調(diào)整,詳細(xì)內(nèi)容如下:(1)水流原則上應(yīng)調(diào)整成垂直方向運(yùn)動,就是垂直絮凝池底向上或向下的流動狀態(tài),渦流反應(yīng)器應(yīng)該豎直方向放置在絮凝區(qū),避免會絮體殘留在反應(yīng)器內(nèi),因此,渦流反應(yīng)器必須置于絮凝區(qū)。將渦流反應(yīng)器投入水體向上流動的區(qū)域演化的絮凝區(qū)稱為上流絮凝集區(qū),將渦流反應(yīng)器投入水體向上流動的區(qū)域演化的絮凝區(qū)稱為下流絮凝集區(qū)。(2)上向/下向流絮凝區(qū)可依據(jù)工程項目實(shí)際情況調(diào)整,將上與下進(jìn)行排列組合,形成多種工況,各反應(yīng)段流速逐漸下降或保持不變,水體通過各反應(yīng)段水力停留時間一般大于等于5～8 min。(3)水體流過孔道流速不同,不同面層開孔尺寸和開孔分布率的渦流反應(yīng)器,前/后區(qū)在基本理論層面上存在一定程度的差異,建議選用同尺寸渦流反應(yīng)器,有利于項目的實(shí)施和后期的運(yùn)行維護(hù)。(4)優(yōu)化設(shè)計排放泥水部分,大概率形成沉泥集中區(qū)域最下方安裝排泥設(shè)施,行進(jìn)的反應(yīng)器內(nèi)會有浮動的沉泥,最下方排泥能夠最大程度的將反應(yīng)器外部的沉泥排放。

3 技術(shù)設(shè)計改造

3.1 改造前水廠運(yùn)行概況

水廠處理規(guī)模5.0×104m3/d,分兩座尺寸及技術(shù)指標(biāo)一致的絮凝反應(yīng)池,并且左右對稱各分布10小格,單格平面尺寸為2.6 m×2.28 m,高度4.1 m,有效水深3.2 m,絮凝時間22 min。每座孔室絮凝池平面布置如圖1所示。

圖1 絮凝池示意圖

原水濁度3.8 NTU,絮凝時間22 min,PAC(聚合氯化鋁)配合比0.64%,隔膜式計量泵開啟度50%,PAC藥劑投入量為2.0 mg/L,濾池進(jìn)水濁度3.3 NTU。水廠整體平穩(wěn)運(yùn)行,進(jìn)濾池前水體的濁度去除率僅為14.3%,濾池反沖洗(水洗)頻率每天一次,頻率較高,沉淀反應(yīng)池內(nèi)礬花尺寸小,出現(xiàn)大面積礬花,外溢情況明顯,水質(zhì)差。

首先調(diào)整PAC投入量,PAC投入量為5.0 mg/L,水源濁度4.4 NTU,絮凝時間22 min,PAC配合比1%,隔膜式計量開啟度90%,濾前水濁度3.7 NTU,濾池水洗周期一天一次,礬花尺寸小,礬花外溢至集水槽,出水絮凝效果不理想。

依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,調(diào)整PAC投藥量,原水濁度去除率優(yōu)化到17.0%,但進(jìn)濾池前的水體濁度值3.69 NTU,濾前水濁度大于3 NTU,濾池承擔(dān)負(fù)荷重,水洗頻率高,制水成本高。單純的增加PAC投加量,絮體沉淀效果并不明顯,未能有效解決水廠濁度無法有效去除,水質(zhì)安全無法保證。

3.2 技術(shù)設(shè)計改造方案研究

(1)維持絮凝池構(gòu)筑物內(nèi)部構(gòu)造不變,第一座第2至6格絮凝池底部0.6 m以上位置固定316L不銹鋼材料方條支撐(池內(nèi)凈空間:2.57 m×2.25 m;方條間距12 cm)。(2)在第一座絮凝池內(nèi)左右兩邊的第2至6格對稱投放渦流反應(yīng)器(φ為20 cm,表層孔洞尺寸為35 mm),放置后立體總高度為1.6 m。單格孔室改造后效果圖如圖2所示。

圖2 單格改造效果圖

3.3 關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)參數(shù)計算

3.3.1 改造后絮凝反應(yīng)時間計算

依據(jù)改造升級后剖面圖,316L不銹鋼架結(jié)構(gòu)固定在第2至6格距離絮凝池底0.6 m處,用于承載渦流反應(yīng)器,其放置后立體總高度為1.6 m,則微渦流反應(yīng)時間T1,非渦流反應(yīng)時間T2:

總絮凝時間:T=T1+T2=5.5+14.2=19.7 min。

3.3.2 微渦流絮凝工藝水體流速計算

微渦流絮凝區(qū)域水體流動速度應(yīng)維持在60～80 m/h以內(nèi),若超流體速度限值,需在向上流區(qū)域采用隔擋的工程方案,避免渦流反應(yīng)器隨水體上向溢出,影響常規(guī)工藝正常運(yùn)行,水質(zhì)保障性低,反應(yīng)池通過技術(shù)措施調(diào)整,升級成為微渦流絮凝池后,池體內(nèi)水流上行的速度為:

通過計算數(shù)據(jù)顯示,水體流速未在限值區(qū)間內(nèi),建議采用隔擋的工程方案。

3.3.3 絮凝反應(yīng)G值及GT值計算

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,理論核算,水體從第2格至第10格的全部水頭損失為0.3 m,G值核算:

平均GT=47×19.7×60=5.5×104,上述數(shù)據(jù)符合絮凝時期理論限制參數(shù):平均G=20～70 s-1,平均GT=1×104～1×105,設(shè)計G值及GT值合理。

3.4 工程改造后運(yùn)行情況

兩座絮凝反應(yīng)池設(shè)計規(guī)模為2.5×104m3/d,其中一座絮凝沉淀反應(yīng)池技術(shù)改造完成后,藥劑投加量5 mg/L,水廠穩(wěn)定運(yùn)行,通過與未經(jīng)改造孔室絮凝池出水濁度對比,數(shù)據(jù)顯示微渦流混凝優(yōu)化效果符合改造目的。改造后濾前水濁度低于2 NTU,反沖洗周期由24 h提升至36 h,絮凝時間由22 min縮短為19.7 min,出水濁度由1 NTU降到0.5 NTU以下。(1)絮凝反應(yīng)池內(nèi)礬花顆粒大、緊實(shí),礬花實(shí)體清晰可視;(2)通過沉淀池出泥水工況可知,礬花大部分在沉淀反應(yīng)池的前半段下沉,后半段污泥量顯著少于前半段,混凝反應(yīng)效果得以改善,絮體沉降難的問題得到一定程度解決。

3.5 工程方案運(yùn)行結(jié)果小結(jié)

(1)現(xiàn)狀絮凝反應(yīng)池技術(shù)升級前,提高PAC投入量,整個工藝流程運(yùn)行平穩(wěn),檢測分析進(jìn)濾池前原水濁度,PAC的增加,并未改善膠體去除率,原水濁度值下降不明顯;(2)工程設(shè)計升級,加入PAC 5 mg/L,放入渦流反應(yīng)器的濾前進(jìn)水濁度,低于未投加產(chǎn)品的濾前進(jìn)水濁度,未經(jīng)技術(shù)升級的后反應(yīng)池內(nèi)礬花尺寸小,下沉難度大,進(jìn)濾池前水體的濁度值在4 NTU以下,水廠終端濁度值在1 NTU以下,普通濾池反沖洗(水洗)周期為每天一次,技術(shù)改升級后絮凝區(qū)域內(nèi)礬花緊實(shí),凝聚成果明顯,易下沉,進(jìn)濾池前水體濁度值在2 NTU以下,水廠終端濁度值在0.5 NTU以下,水洗周期提升至36 h,反沖洗頻率降低,絮凝效果提高。

4 微渦流絮凝工藝多因素探討

4.1 微渦流絮凝工藝運(yùn)用范圍

微渦流絮凝工藝不僅適用新建供水廠,也適用于現(xiàn)狀水廠構(gòu)筑物優(yōu)化升級,對絮凝區(qū)域采取合適物理隔離措施,確保上/下向流體環(huán)境和優(yōu)化把控水流行進(jìn)快慢,絮凝區(qū)的外形可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況去調(diào)整,多為圓形、長方形、正方形等多變外形,深度同樣根據(jù)水質(zhì)需要優(yōu)化。

諸多實(shí)際案例證明,微渦流反應(yīng)器也用于常規(guī)污水處理工藝,經(jīng)過渦旋凝聚以及多維度碰撞絮凝,最大程度適用絮凝區(qū)域、渦旋動力與絮體活性,顯著改善絮凝效果,改善出水質(zhì)量,保障出水水質(zhì),優(yōu)化公司運(yùn)維成本,提升生產(chǎn)效益。

4.2 微渦流混凝工藝技術(shù)討論

4.2.1 微渦流工藝處理低溫低濁度原水

水溫較低時,水體的黏附能力增大,水體內(nèi)中固態(tài)懸浮物不規(guī)則運(yùn)動活性降低,匯集機(jī)會少,影響固態(tài)懸浮物失穩(wěn)凝聚,而且影響絮凝生成。低溫工況下懸浮顆粒的水化影響面廣,削弱膠體凝聚,以及固態(tài)懸浮物間的黏附能力。水中固態(tài)顆粒大小、帶電性都會不可避免地影響絮凝反應(yīng)。懸浮物尺寸小且均勻,絮凝反應(yīng)不理想,固態(tài)懸浮物濃度低,顆粒碰撞概率低,影響出水水質(zhì);微渦流混凝反應(yīng)器可充分地利用流動水體的影響,增加脫離穩(wěn)定性的膠體相互碰撞的概率,極大的促進(jìn)水體膠體的運(yùn)動,使得低溫低濁度的水體在渦流反應(yīng)器的流動下,利于絮凝沉淀,礬花尺寸合理,絮凝效果明顯,水質(zhì)好。

4.2.2 微渦流工藝處理酸堿度異常原水

pH值是水酸堿性的參數(shù),原水的pH值會較大程度改變混凝劑的水化反應(yīng),當(dāng)水體的pH值處于定量區(qū)間,才可以確?；炷Ч?。水體投加混凝藥劑,藥劑發(fā)生水化反應(yīng),使水體的H+濃度升高,會引起水體的pH值降低,影響水化的進(jìn)行。確保pH值維持在合理區(qū)間,水體中需要定量的堿性物質(zhì)與H+稀釋。自然水體基本都有部分堿度(一般是HCO3-),可稀釋混凝劑水化過程形成H+, pH值有緩沖作用。當(dāng)自然水體堿度量過小或藥劑量過大,pH值將顯著降低,破壞絮凝反應(yīng)。

4.2.3 微渦流工藝處理突發(fā)情況下水量負(fù)荷工況

水量沖擊是指非常規(guī)的、突發(fā)性水量變化。對于供水廠城鎮(zhèn)最高時用水量及源頭供水調(diào)整均影響進(jìn)水水量,特別是夏天高峰供水時期,水廠進(jìn)水量變化幅度大,引起調(diào)整藥劑投入量次數(shù)增加,且沉淀后出水效果不理想。但需要留意的是,此類變化并非線性調(diào)整,隨后要重點(diǎn)關(guān)注反應(yīng)池的絮體,以免投加不合理,影響絮凝成效。

4.2.4 微渦流工藝與藥劑的種類與投加量的關(guān)聯(lián)

不同混凝劑的最優(yōu)投加量與藥劑的性質(zhì)及類型相關(guān)。一般來說,混凝劑的投加量應(yīng)該滿足攪拌物料的要求,以達(dá)到最佳的黏度和流動性。(1)根據(jù)實(shí)驗結(jié)果確定:通過燒杯試驗,可以通過改變混凝劑投加量,分析不同投加量下混凝劑的變化,從而確定最優(yōu)投加量;(2)根據(jù)混凝劑的性質(zhì):混凝劑的性質(zhì)決定了它的最佳投加量,比如黏度、濃度、抗?jié)B透性等,可以根據(jù)不同性質(zhì)確定最佳投加量;(3)根據(jù)混凝劑的用途:混凝劑的用途也決定了它的最佳投加量,比如用于抗剝落、抗?jié)B透、抗滑移等,可以根據(jù)不同用途確定最佳投加量;(4)根據(jù)攪拌物料要求:投加量應(yīng)該滿足攪拌物料的要求,以達(dá)到最佳的稠度和流動性。優(yōu)選適宜的混凝劑及投加量,從而更好地促進(jìn)微渦流混凝工藝的應(yīng)用,保障更好的絮凝沉淀效果。

4.2.5 微渦流工藝與藥劑投加方式的關(guān)聯(lián)

干式投加和濕式投加是兩種不同方式,因為固態(tài)藥劑與液態(tài)藥劑,以及不同配比的液態(tài)藥劑之間,藥劑水化形態(tài)雖有時不完全一致,但依然具備壓縮雙電層或電中和能力,可能加入到原水后出現(xiàn)的絮凝反應(yīng)不同。如若除投加主藥劑外仍投入額外助凝劑,那么各藥劑相互投入先后順序,對絮凝反應(yīng)也會區(qū)別,需要經(jīng)過燒杯實(shí)驗和實(shí)際水廠運(yùn)行試驗明確合適的投加藥劑種類及順序。管式靜態(tài)藥劑混合裝置是無外部動力機(jī)械混合,藥劑伴隨水流轉(zhuǎn)動,水流經(jīng)過后除形成降壓以外,主要是流體分割、徑向運(yùn)動、異向渦旋,藥劑充分?jǐn)U散碰撞,混合充分,利于絮體形成。微渦流絮凝反應(yīng)器在同類水廠技術(shù)升級的應(yīng)用為工程實(shí)踐提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)和參考意義。