水力旋流型網(wǎng)格絮凝池改造實例

董 野，葉旭陽，周少清，劉 偉，郭曉鳴

(深圳市深水龍華水務(wù)有限公司，廣東深圳 518000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民對健康意識的不斷增強(qiáng)，提高飲用水品質(zhì)成為供水行業(yè)的迫切需求[1]，作為社會主義先行示范區(qū)，深圳市提出到2025年實現(xiàn)全市自來水可直接飲用的目標(biāo)。此外，深圳市于2020年5月開始實施深圳市《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB4403/T 60—2020)，對供水水質(zhì)要求的提升將迫使供水企業(yè)對處理工藝實施升級改造和提高管理水平。深圳市某水廠一期網(wǎng)格絮凝工藝落后、運行年限長，在進(jìn)水負(fù)荷較高的工況下處理能力和出水水質(zhì)不能滿足用水需求，隨著深圳市新地方標(biāo)準(zhǔn)的實施以及遠(yuǎn)期深度處理工藝對預(yù)處理要求提高，需強(qiáng)化常規(guī)處理工藝處理效果，對絮凝池進(jìn)行全面的技術(shù)改造。

絮凝反應(yīng)是給水處理中重要的工藝環(huán)節(jié)，也是保障出水水質(zhì)的第一步工藝流程。絮凝反應(yīng)的效果不僅取決于絮凝劑的特性，還取決于絮凝裝置所提供的動力學(xué)條件[2]。改造前該水廠采用柵條網(wǎng)格絮凝池，當(dāng)水流通過柵條絮凝池時水流收縮，通過孔洞后水流擴(kuò)大，在這一過程中水中顆粒與水流形成相對運動，促進(jìn)顆粒碰撞形成絮體。但是當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷升高時，柵條絮凝裝置提供的水力條件難以達(dá)到理想的絮凝效果[3]，更換新型網(wǎng)格絮凝裝置是提高絮凝反應(yīng)效果的有效途徑。張先斌等[4]將個舊市松礦水廠原穿孔旋流絮凝池改造為微渦流絮凝池，水流經(jīng)過反應(yīng)器時產(chǎn)生微渦流動，增加了顆粒碰撞幾率，提高了絮凝反應(yīng)效果，濾前水渾濁度由改造前的3～4 NTU降至3 NTU以下。何華良[5]將南方某水廠回旋式絮凝反應(yīng)池改建成網(wǎng)格絮凝池，在出廠水渾濁度及各項指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)的情況下，實現(xiàn)供水量超出設(shè)計處理能力8%和半年月均投礬量減少21.13%。

水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置是一種由三角組件、斜棱板兩部分拼裝而成的六邊形網(wǎng)格絮凝裝置。當(dāng)水流通過絮凝裝置時，斜楞板上的斜楞板對水流轉(zhuǎn)向擾動，打破水流跟從效應(yīng)，形成流體折轉(zhuǎn)紊動。其特點是水流通過旋流網(wǎng)格過程中產(chǎn)生多層次微動力擾動，促進(jìn)礬花的形成與結(jié)合，從而提升絮凝效果。此外，經(jīng)水力旋流網(wǎng)格反應(yīng)后的絮體沉降性能大幅度提升，有利于降低絮凝劑投加單耗。本次改造選用水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置，因目前國內(nèi)對于水力旋流型網(wǎng)格在給水廠工藝改造的應(yīng)用研究較少，本文對改造方案和運行效能進(jìn)行分析和探討，為存在相似問題的水廠提供改造借鑒。

1 項目概況

該水廠一期工藝于1994年投產(chǎn)，設(shè)計規(guī)模為3萬m3/d，采用預(yù)氧化-柵條網(wǎng)格絮凝池-平流沉淀池-虹吸濾池-消毒的強(qiáng)化常規(guī)處理工藝。在進(jìn)水渾濁度較低時，沉淀池出水和濾池出水渾濁度可分別滿足2.0 NTU和0.15 NTU左右，當(dāng)進(jìn)水渾濁度升高,超過200 NTU時，沉淀池和濾池出水水質(zhì)惡化，為保障出水質(zhì)，工藝需按設(shè)計負(fù)荷的50%～90%減產(chǎn)運行。表1為進(jìn)水負(fù)荷與出水水質(zhì)情況。

表1 進(jìn)水負(fù)荷與出水水質(zhì)Tab.1 Influent Load and Effluent Quality

1.1 進(jìn)水水質(zhì)

該水廠原水取自東深引水工程北線二期管道，因原水未經(jīng)過水庫調(diào)蓄，進(jìn)水水質(zhì)波動較大。2019年—2020年進(jìn)水水質(zhì)情況如表2所示。

表2 進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 Influent Quality

1.2 絮凝池工藝

該水廠絮凝工藝采用柵條網(wǎng)格絮凝池，按1座2組配置，每組設(shè)置20格豎井，共分為3級。在第1級設(shè)置開孔比為38%的絮凝網(wǎng)格，第2、3級豎井內(nèi)設(shè)置開孔比為50%的網(wǎng)格柵條絮凝裝置，總絮凝時間為14.2 min。經(jīng)過現(xiàn)場測算和絮凝條件分析，該絮凝池存在以下問題。

(1)構(gòu)筑物池容利用不充分

前端豎井流速偏小，且由于后端為了經(jīng)過中間豎井向兩側(cè)分流再進(jìn)入配水區(qū)，后端豎井流速更小，僅為0.032 mm/s。由中間向兩側(cè)分流的配水形式，雖然滿足了均勻布水的要求，但因為豎井流速過低，沒有使末端絮凝池容積得以充分利用，造成礬花生長過程中結(jié)合混合力度不夠，終端形成的顆粒不夠密實，沉淀性能不佳。

(2)絮凝裝置布置不合理

改造前該水廠絮凝裝置采用柵條網(wǎng)格，柵條分3級布置，在第1級安裝3層開孔比為50%的柵條裝置，在第2級和第3級分別安裝2層和1層開孔比為38%的柵條裝置。根據(jù)該絮凝工藝長期運行效果的分析以及現(xiàn)場測量水力學(xué)參數(shù)結(jié)果，該絮凝裝置在較短的絮凝時間內(nèi)提供的局部紊動不足，絮體形成效果不佳，且不夠密實，致使礬花進(jìn)入沉淀區(qū)后沉降性能較差。

1.3 水力旋流型絮凝裝置

水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置如圖1所示，其特征在于整個裝置由三角組件、斜棱板兩部分拼裝而成，斜棱板通過三角組件拼接成多組六邊形。水流通過六邊形時，斜楞板上的斜楞板對水流轉(zhuǎn)向擾動，打破水流跟從效應(yīng)，形成流體折轉(zhuǎn)紊動，從而造成“宏觀水流碰撞減弱，微觀水流碰撞加劇”的顆粒碰撞水力學(xué)環(huán)境。其特點是裝置結(jié)構(gòu)本身根據(jù)斜楞板寬度分級，各級絮凝裝置形成不同的水流紊動速度，從而可以根據(jù)需要調(diào)整所需的速度梯度，提供工藝需要的水力學(xué)絮凝條件。水通過渦流網(wǎng)格，促使水流的折轉(zhuǎn)，增加水中懸浮顆粒碰撞機(jī)會，從而使絮體更快形成。

圖1 水力旋流型絮凝裝置Fig.1 Hydrocyclone Flocculation Device

2 改造方案

2.1 更換絮凝裝置

將原有絮凝裝置拆除，重新在絮凝池內(nèi)安裝水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置，在柵條網(wǎng)格提供的收放擾動效應(yīng)的基礎(chǔ)上增加旋流擾動的作用，使水流在流道中發(fā)生高頻譜渦旋，增加懸浮物互相碰撞吸附的機(jī)會，為絮凝劑與水中的顆粒充分接觸提供動力學(xué)條件。

2.2 合理配置絮凝裝置放置密度

依據(jù)水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置的設(shè)備參數(shù)，合理分配絮凝裝置布置方式，控制絮凝過程中速度梯度均勻遞減，提供礬花生長環(huán)境，使懸浮物借助藥劑輔助作用互相碰撞吸附、絮凝，且絮體具備良好的沉降性能。

本次改造將絮凝池分為4級，其中1#～6#豎井為第1級，7#～10#豎井為第2級，11#～14#豎井為第3級，15#～20#豎井為第4級，總絮凝時間為14.93 min。在第1、2、3級豎井內(nèi)分別設(shè)置12、9、5套開孔比為55.18%的水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置，第4級放置2套開孔比為78.28%的水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置。通過對絮凝裝置密度的合理分配，調(diào)節(jié)各段絮凝速度梯度由大到小均勻遞減。

2.3 合理改善原有構(gòu)筑物流道條件

改造前絮凝池尾端16#～20#豎井采用由中間向兩側(cè)分流的布水形式，其主要起均勻配水的作用，但是也造成了絮凝工藝有效反應(yīng)時間減少。本次改造通過優(yōu)化水流流道，使有效反應(yīng)時間增加2.84 min，在有限的絮凝時間內(nèi)使構(gòu)筑物容積得以有效利用，更好地實現(xiàn)絮凝段工藝功能。此外，在絮凝池出水端采用導(dǎo)流板對后端沉淀區(qū)進(jìn)水進(jìn)行均布，導(dǎo)流板布置在絮凝池出水端外側(cè)斜向安裝，降低水流由絮凝池進(jìn)入沉淀池時產(chǎn)生的局部擾動，有利于絮體在沉淀池的快速沉淀[6]。改造前后水流方向如圖2所示。

注：單位為mm;數(shù)字1～20代表豎井編號圖2 絮凝池流道改造示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Flocculation Tank Channel Reconstruction

3 改造后運行效果分析

3.1 水力條件

改造后絮凝池平均速度梯度G由40.246 s-1提升至52.346 s-1，反應(yīng)速度梯度的提高有利于絮凝劑的快速擴(kuò)散和礬花絮體的生成。此外，速度梯度隨著反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸減小，第1、2、3、4級的速度梯度依次為71、55、35、18 s-1。絮凝池尾端過網(wǎng)流速由改造前的0.137 1 m/s降至0.083 2 m/s，可有效防止絮凝反應(yīng)末期礬花因混合強(qiáng)度過大而破碎[7]。改造前后水力條件對比如表3所示。

3.2 水質(zhì)指標(biāo)

在滿負(fù)荷運行工況下，對比改造前后沉后水水質(zhì)情況，結(jié)果如圖3所示。在進(jìn)水渾濁度最高值為28.02 NTU、最低值為3.02 NTU、平均值為13.03 NTU的條件下，改造后沉后水渾濁度平均值為0.71 NTU，優(yōu)于改造前的0.88 NTU，改造前后沉后水的渾濁度去除率分別是93.25%和94.55%。以上結(jié)果說明，更換水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置以及改變進(jìn)水流道等措施可以優(yōu)化顆粒脫穩(wěn)和凝聚過程，使形成的礬花密實，具有良好的沉降性能，從而有效提高絮凝效果。

表3 絮凝池水力條件Tab.3 Hydraulic Conditions of Flocculation Tank

圖3 沉后水渾濁度Fig.3 Turbidity of Sedimentation Effuent

3.3 絮凝劑藥耗

對比改造前后該水廠聚合氯化鋁藥耗(以Al2O3計)變化情況，結(jié)果如圖4所示。改造后聚合氯化鋁藥劑投加量下降，藥劑平均投加量由改造前的2.3 mg/L降至2.16 mg/L，平均藥劑單耗下降6.09%。按照理論處理水量估算，全年聚合氯化鋁藥劑費用由228 176.1元/a降至214 287.1元/a。本次改造同時實現(xiàn)了沉淀池出水水質(zhì)提升和混凝劑藥劑單耗降低，主要原因一是通過絮凝條件的改善，反應(yīng)初期混合強(qiáng)度加強(qiáng)，有利于實現(xiàn)絮凝劑與水中顆粒充分反應(yīng)[8]，二是由于進(jìn)水流道的改變使有效反應(yīng)時間延長，進(jìn)一步促進(jìn)絮體密實生長，提高絮體沉降性能。

圖4 聚合氯化鋁藥劑單耗Fig.4 Consumption of Polyaluminium Chloride

3.4 改造費用

本次改造總投資約為103萬元，其中水力旋流型絮凝裝置采購費用約為74萬元。水力旋流網(wǎng)格絮凝器的多邊形網(wǎng)格固定組件采用ABS材質(zhì)，該材質(zhì)具有質(zhì)量輕、耐腐蝕的特點。絮凝器由三角組件、斜棱板兩部分拼裝后模塊化組裝，不需要焊接或黏結(jié)，結(jié)構(gòu)本身可有效消除應(yīng)力，不易損壞，拆裝和維護(hù)方便，絮凝裝置使用壽命約為10年。

4 結(jié)論

該水廠采用水力旋流型網(wǎng)格對絮凝池進(jìn)行改造，通過合理布置絮凝裝置和改變進(jìn)水流道等方式，提高絮凝池反應(yīng)效果，實現(xiàn)沉淀池出水水質(zhì)的提升和混凝劑藥劑單耗降低，并得出以下結(jié)論。

(1)水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置可以提供高頻譜渦旋的水力條件，增加懸浮物互相碰撞吸附的機(jī)會，使絮凝劑與水中的顆粒充分接觸，礬花沉降性能提高。

(2)改造后絮凝池G顯著提高，且G隨著反應(yīng)進(jìn)行而逐漸降低，有利于生成密實絮體。

(3)改造后沉淀池出水渾濁度平均值為0.71 NTU，較改造前沉淀池出水渾濁度(0.88 NTU)相比降低19.32%，沉淀池出水水質(zhì)提升。

(4)改造后絮凝劑藥劑平均單耗由2.3 mg/L降至2.16 mg/L，可節(jié)約聚合氯化鋁藥劑費用13 889元/a。