穿孔旋流反應(yīng)池改造為網(wǎng)格反應(yīng)池的運(yùn)行優(yōu)化

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(jià)低的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是水量變化較大時(shí)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(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3-4]，深圳某自來水廠考慮在豎井中加入網(wǎng)格板增強(qiáng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(dòng)，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(yùn)行，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)供水系統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，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(xiàng)目加裝水力旋流網(wǎng)格為專門提供水流紊動(dòng)條件的絮凝裝置，提供供絮體集聚的微動(dòng)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(shí)，又能夠受到適度的揉搓變得更加均勻和密實(shí)。

深圳某自來水廠一期穿孔旋流反應(yīng)池，設(shè)計(jì)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(gè)方格組成，各格之間隔墻上沿池壁開孔，孔口上、下交錯(cuò)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(yùn)行，出廠水渾濁度為3 NTU 以下，基本能夠滿足原設(shè)計(jì)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(shí)施，同時(shí)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(xiǎn)進(jìn)一步提高，亟需對(duì)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(jì)、工期等各項(xiàng)因素后，通過現(xiàn)場(chǎng)情況及相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計(jì)，改造穿孔旋流反應(yīng)池，通過速度梯度(G值)逐級(jí)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(duì)兩座同時(shí)開工，僅對(duì)一期一座進(jìn)行改造。

2 改造措施

基于對(duì)現(xiàn)狀穿孔旋流反應(yīng)池的問題分析，在盡量不改變?cè)型两ńY(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(yùn)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(shí)，斜楞板上的斜板對(duì)水流轉(zhuǎn)向擾動(dòng)，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(jì)要求對(duì)原有絮凝段過墻段孔封堵或修砌，按重新計(jì)算空洞尺寸新增過墻孔洞，如表 1所示，其中數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)井編號(hào)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(hào)；

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(yàn)，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(gè)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(jì)算參照《給水廠處理設(shè)施設(shè)計(jì)計(jì)算》[6]，計(jì)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(jì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)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(jì)流量÷網(wǎng)格板過水面積。

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

各級(jí)單層設(shè)備水損如式(3)。

(3)

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

Vi級(jí)——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(jí)單層設(shè)備水損H1級(jí)=0.007 1 m；第2級(jí)單層設(shè)備水損H2級(jí)=0.004 9 m；第3級(jí)單層設(shè)備水損H3級(jí)=0.003 5 m。

各級(jí)總水損如式(4)。

(4)

其中：Gi——各級(jí)速度梯度設(shè)計(jì)值,s-1；

ρ——水密度，kg/m3，ρ=1 000 kg/m3；

hi——各級(jí)總設(shè)計(jì)水損，m；

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

ti——各級(jí)停留時(shí)間，s。

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

各級(jí)構(gòu)筑物水損：由表1可知，第1級(jí)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(jí)構(gòu)筑物水損H2=0.038 2 m，第3級(jí)構(gòu)筑物水損H3=0.009 1 m。

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

各級(jí)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(jí)——各級(jí)水損，m。

由式(5)可知，第1級(jí)設(shè)備層數(shù)=0.058 0÷0.007 1×8=65.35，取66，第2級(jí)設(shè)備層數(shù)=0.029 0÷0.004 9×8=47.35，取48，第3級(jí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備總層數(shù)不變的情況下，同級(jí)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(shí)第1級(jí)設(shè)置66層，第2級(jí)設(shè)置50層，第3級(jí)設(shè)置13層。經(jīng)驗(yàn)證總反應(yīng)絮凝階段總水頭損失為0.22 m，此時(shí)總停留時(shí)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(yùn)行調(diào)試

反應(yīng)池改造后首先需對(duì)反應(yīng)池進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)混凝攪拌試驗(yàn)確定各段工藝實(shí)際停留時(shí)間，使反應(yīng)池運(yùn)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(jì)值如表3所示。

表3 試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)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(shí)間根據(jù)沉淀池出水渾濁度確定，取混凝攪拌試驗(yàn)沉淀后測(cè)定的渾濁度與沉淀池出水渾濁度相同時(shí)的時(shí)間。

3.1 1級(jí)G值對(duì)混凝效果的影響

通過預(yù)試驗(yàn)，選定6組不同的1級(jí)G值，同時(shí)2級(jí)G值、3級(jí)G值保持設(shè)計(jì)值不變，每個(gè)階段的攪拌時(shí)間按照實(shí)際運(yùn)行時(shí)間設(shè)定，測(cè)定1級(jí)G值對(duì)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(jí)G值的變化，對(duì)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(dòng)，這說明在設(shè)計(jì)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(duì)沉淀池出水渾濁度無明顯影響。

3.2 2級(jí)G值對(duì)混凝效果的影響

1級(jí)G值、3級(jí)G值保持設(shè)計(jì)值，改變2級(jí)G值進(jìn)行混凝攪拌試驗(yàn)，每個(gè)階段混凝攪拌時(shí)間按照實(shí)際運(yùn)行時(shí)間設(shè)定，測(cè)定2級(jí)G值改變對(duì)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(jí)G值的變化，對(duì)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(dòng)，這說明在設(shè)計(jì)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(duì)沉淀池出水渾濁度無明顯影響。

3.3 3級(jí)G值對(duì)混凝效果的影響

1級(jí)G值、2級(jí)G值保持設(shè)計(jì)值，改變3級(jí)G值進(jìn)行混凝攪拌試驗(yàn)，每個(gè)階段混凝攪拌時(shí)間按照實(shí)際運(yùn)行時(shí)間設(shè)定，測(cè)定3級(jí)G值改變對(duì)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(jí)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(dòng)劇烈能夠?yàn)槟z粒碰撞提供動(dòng)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(dòng)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(yàn)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(shí)，沉淀池出水渾濁度可達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，第3級(jí)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(yàn)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(duì)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(duì)較差，改造效果尚未明顯，但根據(jù)混凝攪拌試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)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(duì)改造組、優(yōu)化后、未改造組沉淀池出水渾濁度測(cè)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(xiǎn)；改造組沉后出水渾濁度在1.50 NTU上下波動(dòng)，對(duì)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(shí)，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(duì)改造前以及優(yōu)化后濾后出水渾濁度連續(xù)28 d測(cè)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(jì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(dòng)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(gè)流場(chǎng)的流態(tài)，同時(shí)，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。