江湖源水制水水質(zhì)的影響因素及工藝改進(jìn)

毛智剛

（中國石化巴陵石化分公司，岳陽湖南 414014）

企業(yè)生產(chǎn)用水是指通過深井取江湖源水，經(jīng)過凈化絮凝、沉淀、澄清處理后，去除了懸浮雜質(zhì)（含膠體物質(zhì)），用于生產(chǎn)裝置的工藝用水、冷卻用水和消防用水等。中國石化巴陵分公司（簡稱公司）生產(chǎn)用水制水裝置有2套，云溪片區(qū)生產(chǎn)用水制水裝置設(shè)計(jì)能力4 200萬t/a，城區(qū)生產(chǎn)用水制水裝置設(shè)計(jì)能力3 000萬t/a。制水裝置均以明礬為藥劑，采用混凝沉淀工藝對(duì)江湖源水進(jìn)行澄清凈化。明礬是含有結(jié)晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復(fù)鹽，無色晶體，Al3+很容易水解生成膠狀的Al（OH）3，其吸附能力很強(qiáng)，可以吸附水里的懸浮雜質(zhì)，并形成沉淀。

近年來，隨著江湖源水水體環(huán)境的變化，制水水質(zhì)波動(dòng)較大。制水裝置的制水水質(zhì)除受水體條件及設(shè)備條件的影響外，還取決于藥劑的處理效果。原有制水工藝?yán)冒胱詣?dòng)加藥機(jī)，攪伴機(jī)設(shè)備陳舊，功能單一，對(duì)藥劑效果有一定的影響，導(dǎo)致制水裝置出水水質(zhì)濁度偶而大，不能達(dá)到3 NTU指標(biāo)要求。因此，對(duì)原制水裝置進(jìn)行工藝優(yōu)化及設(shè)備改造勢(shì)在必行。

1 制水裝置工藝流程

圖1 制水裝置工藝流程

制水裝置工藝流程見圖1。來自于長江、洞庭湖底部的江湖源水進(jìn)入水箱，經(jīng)虹吸自流管流入吸水井（當(dāng)江水水位低于虹吸管頂部時(shí)靠真空虹吸進(jìn)吸水井），由泵提升到配水井，投加制水藥劑明礬后，流入澄清池，進(jìn)行澄清，泥渣排入長江，上層清液匯集至清水池，由泵加壓送平流沉淀池沉淀后轉(zhuǎn)送各生產(chǎn)裝置使用。

2 制水水質(zhì)的影響因素

制水裝置出水水質(zhì)的影響因素較多，有江湖源水水體條件，如溫度、水體pH值、泥沙含量；藥劑質(zhì)量及用量；處理設(shè)備條件等因素。選定處理藥劑明礬后，實(shí)際水處理過程中其他因素對(duì)制水質(zhì)量的影響分析如下。

2.1 江湖源水水體條件

江湖源水溫度、水體pH值、泥沙含量都會(huì)影響制水藥劑明礬與水中堿性物質(zhì)反應(yīng)的速度，以及制水藥劑水解形成絮體（礬花）的質(zhì)量。

明礬凈水原理：明礬在水中電離出K+，Al3+兩種金屬離子，而Al3+很容易水解，生成膠狀的氫氧化鋁Al（OH）3，Al（OH）3是白色難溶于水的膠狀沉淀、兩性氫氧化物，遇熱易分解，在水中形成架橋絮體（礬花），吸附水中膠體及污泥，下沉，凈化水質(zhì)。其反應(yīng)方程式如下：

2.1.1 源水溫度

水溫高，反應(yīng)生成的Al（OH）3多，絮體（礬花）多，混凝效果好；水溫低，混凝效果差。

2.1.2 源水pH值

江湖源水酸堿度對(duì)藥劑處理效果的影響也較大。當(dāng)水的pH 值低于5.5時(shí)，Al（OH）3被溶解，發(fā)生式（3）反應(yīng)，使水中殘留鋁含量增加。

當(dāng)水的pH值高于7.5時(shí)，發(fā)生式（4）反應(yīng)，同樣使水中殘留鋁含量也增加，起不到產(chǎn)生Al（OH）3絮團(tuán)的作用。

綜上，當(dāng)水的pH值高于7.5或低于5.5時(shí)，會(huì)影響Al（OH）3膠體的生成，所以，用鋁鹽作混凝劑時(shí)，水的pH值應(yīng)為6.5～7.5，此時(shí)生成的Al（OH）3，溶解度最小，可形成絮狀物架橋，能吸附水中膠體及污泥，混凝效果好，可凈化水質(zhì)。

2.1.3 源水泥沙含量

當(dāng)江湖源水水中泥沙含量較高時(shí)，在沉降過程中就會(huì)相互干擾，因?yàn)槟嗌愁w粒在沉降時(shí)，必然要排擠出同樣體積的水，這部分水被迫上升影響泥沙顆粒沉降速度，顆粒的沉降速度隨著水中泥沙顆粒密度的增大而降低[1]，當(dāng)水中泥沙顆粒密度很大時(shí)，沉降就會(huì)受阻。江湖源水泥沙含量通常以濁度表示，當(dāng)源水濁度變化不大時(shí)，操作比較容易，根據(jù)源水濁度調(diào)整加藥量、產(chǎn)水量、排泥量即可。如源水濁度太高或上升幅度大時(shí)，操作就有困難。盡管加藥量增加了數(shù)倍或更多，但由于分離區(qū)的懸浮泥渣層偏高，使泥沙顆粒沉降速度受到影響，為降低泥沙顆粒密度，需加大排泥量（一般采取連續(xù)排泥），使產(chǎn)水量相應(yīng)減少。因此制水裝置的運(yùn)行控制應(yīng)保持加藥量、排泥量和產(chǎn)水量的動(dòng)態(tài)平衡，一旦上述因素發(fā)生變化，即可造成翻池，影響出水水質(zhì)。同時(shí)由于池底堆積泥沙過多，加重刮泥設(shè)備負(fù)荷，易發(fā)生故障，制水裝置被迫停運(yùn)檢修。

源水濁度高時(shí)，常采用稀釋法把源水的濁度降低到一定程度，減少泥沙顆粒在沉降過程中的阻力，同時(shí)可提高制水裝置的產(chǎn)水效率[2]。

2.2 混凝水力條件

制水初期混合階段要求源水與制水藥劑盡量快速均勻混合，時(shí)間在10～30 min，一般不超過2 min。反應(yīng)階段要求水流有一定程度的紊動(dòng)（即攪拌強(qiáng)度），紊動(dòng)程度由大到小，同時(shí)要求有一定的反應(yīng)時(shí)間（即攪拌時(shí)間），一般15～30 min。保持制水藥劑加藥量、排泥量和產(chǎn)水量在不同工藝條件下的動(dòng)態(tài)平衡，調(diào)整機(jī)械攪拌提升機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，獲取泥沙顆粒和絮體理想沉降速度，提高混凝效果。

3 制水過程存在的問題

3.1 設(shè)備方面

冬季，江湖源水溫度低、濁度低、耗氧量低，水的黏度大，絮凝劑水解緩慢，形成的絮體松散，不易下沉，混凝效果差；夏季，江湖源水溫度高、濁度大、泥沙含量大，絮凝劑粘附泥沙后快速下沉，造成絮體密度不足，影響出水水質(zhì)。根據(jù)這些工藝條件的變化，需要采取增大澄清池底層泥水回流，提高澄清池混凝反應(yīng)區(qū)進(jìn)水濁度，增加顆粒碰撞機(jī)會(huì)，減少產(chǎn)水量，加大停留時(shí)間的措施來確保出水水質(zhì)。

合適的機(jī)械攪拌既能防止泥渣在反應(yīng)室中的沉積，又能促生理想的絮體，形成較好的混凝效果。江湖源水濁度在80～1 000 NTU，為了保證江湖源水濁度差異或冬夏季節(jié)溫度變化時(shí)，出水水質(zhì)穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)，降低明礬消耗，需要提高機(jī)械攪拌提升機(jī)的轉(zhuǎn)速。但制水裝置機(jī)械攪拌提升機(jī)設(shè)備陳舊，轉(zhuǎn)速恒定為2.5 r/min，不可調(diào)節(jié)，影響制水質(zhì)量。

3.2 工藝方面

原制水藥劑是利用半自動(dòng)加藥機(jī)，通過脈沖式水射泵將制水藥劑加水稀釋后，投送到配水井，從配水井投加到制水裝置的工藝流程短，制水藥劑與江湖源水混凝反應(yīng)時(shí)間較短，生成的Al（OH）3量少或沒有形成穩(wěn)定絮狀物，絮凝效果不理想，造成制水裝置出水水質(zhì)不好，濁度大，達(dá)10 NTU，不能滿足3 NTU指標(biāo)要求。因此，對(duì)制水裝置進(jìn)行工藝優(yōu)化調(diào)整勢(shì)在必行。

4 改進(jìn)措施

4.1 選用低壓變頻調(diào)速器

4.1.1 變頻調(diào)速器選擇

澄清池機(jī)械攪拌提升機(jī)的額定功率為11 kW，額定電流為25.3 A，額定電壓380 V。因考慮到機(jī)械攪拌提升機(jī)負(fù)荷較小，工藝過程對(duì)設(shè)備線速度同步要求不高及價(jià)格因素，選擇11 kW艾默生低壓變頻裝置即可滿足要求。

4.1.2 變頻調(diào)速器安裝

在澄清池機(jī)械攪拌提升機(jī)電機(jī)進(jìn)線端安裝一組低壓變頻調(diào)速裝置。安裝后，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，即產(chǎn)水量大小、江湖源水濁度、出水質(zhì)量、溫度等及時(shí)對(duì)攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)操作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，使其能夠根據(jù)水質(zhì)情況合理調(diào)節(jié)攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，即降低制水藥劑的消耗，又提高出水水質(zhì)。變頻前攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速約為2.5 r/min，出水濁度為8 NTU，澄清池容易翻泥；變頻后，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速在1.5～2.0 r/min調(diào)節(jié)，出水濁度穩(wěn)定在3 NTU，出水質(zhì)量穩(wěn)定。

4.2 優(yōu)化工藝

原投加制水藥劑點(diǎn)在配水井處，利用半自動(dòng)加藥機(jī)通過脈沖式水射泵將制水藥劑加水稀釋后投加，見圖2虛線。改造后從深井泵房機(jī)泵的吸入口處投加制水藥劑，見圖2粗線。

從原制水藥劑存放池安裝一條DN20的PVC管至深井泵房的吸水井，全長約150 m，為防止制水藥劑的絮凝效果引起吸水井積泥，將加藥管直接插入機(jī)泵的進(jìn)水管內(nèi)1 m，從而將制水藥劑全部由泵吸入而沒有只停留在吸水井內(nèi)。制水藥劑通過調(diào)節(jié)閥來控制流量，用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)觀察制水藥劑的流量。制水藥劑的流量控制在50 kg/h，為避免泥渣堵塞調(diào)節(jié)閥，要求操作人員加強(qiáng)巡檢。制水藥劑的用量根據(jù)原制水藥劑存放池的液位差來計(jì)算，加強(qiáng)對(duì)液位的監(jiān)控，并制作安裝簡便的液位計(jì)，便于讀數(shù)和計(jì)量。

圖2 投加藥劑點(diǎn)改造

4.3 其他條件的改進(jìn)

為提高混凝效果，冬季江湖源水水溫低時(shí)可采?。孩僭黾踊炷齽┑耐都恿?；②投加黏土以增加礬花重量，同時(shí)投加助凝劑如活化硅酸和高分子混凝劑以增加礬花強(qiáng)度[3]。

當(dāng)采用鐵鹽為制水混凝劑時(shí)，源水的pH值應(yīng)控制在6.0～8.4。源水pH值偏低時(shí)可用投加生石灰的方法調(diào)節(jié)。

當(dāng)江湖源水中泥沙含量較高時(shí)，為保證水處理效果，需采?。孩倮弥扑b置出水回流降低源水濁度；②采取連續(xù)排泥，加大澄清池排泥量；③從澄清池中心筒處加入回用水或生產(chǎn)用水。

5 改進(jìn)效果

5.1 出水水質(zhì)提高

在泵前投加制水藥劑，澄清池機(jī)械攪拌提升機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)后，制水裝置出水濁度長期穩(wěn)定在3 NTU左右。按照出水水質(zhì)3 NTU為合格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，出水水質(zhì)合格率為97.3%，出水水質(zhì)5 NTU的合格率達(dá)到100%，出水水質(zhì)大幅度提高，與改造前一年同期相比生產(chǎn)用水出水水質(zhì)合格率提高了20.7%。改造前后裝置出水水質(zhì)濁度、合格率對(duì)比分別見圖3、4。

5.2 藥劑消耗降低

改造后3—9月制水裝置處理水量13 459 670 t，耗制水藥劑501.6 t，單耗為37.27 g/t，比改造前礬單耗下降7.73 g/t，下降了17.2%，見圖5。按年生產(chǎn)用水總水量2 374.5萬t計(jì)算，全年可節(jié)礬制水藥劑183 t，節(jié)約制水生產(chǎn)成本13.5萬元，制水藥劑消耗下降顯著。

圖3 改造前后出水水質(zhì)對(duì)比

圖4 改造前后出水水質(zhì)合格率對(duì)比

圖5 改造前后礬單耗對(duì)比

6 結(jié)論

制水裝置制水水質(zhì)的影響因素包括制水藥劑、江湖源水水體條件，如溫度、pH值、泥沙含量、機(jī)械攪拌提升機(jī)轉(zhuǎn)速等。在泵前投加制水藥劑，澄清池機(jī)械攪拌提升機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)后，制水裝置出水濁度穩(wěn)定在3 NTU左右，5 NTU合格率達(dá)到100%；制水藥劑單耗由45.00 g/t下降到37.27 g/t，年節(jié)約制水藥劑成本13.5萬元，生產(chǎn)裝置出水水質(zhì)穩(wěn)定性提高。