微渦旋工藝在農(nóng)村供水工程中的應(yīng)用及效益分析

諶貽勝，朱蘭蘭

(1.江西省贛西土木工程勘測設(shè)計院，江西 宜春 336000；2.江西省宜春市土木工程總承包有限公司，江西 宜春 336000)

為了提高農(nóng)村供水保障程度，江西省于2020年下發(fā)了全面推進(jìn)城鄉(xiāng)供水一體化的指導(dǎo)意見，要求運(yùn)用先進(jìn)實(shí)用的水處理工藝與消毒技術(shù)，以及自動化控制與現(xiàn)代信息技術(shù)等，建立從源頭到龍頭的供水安全保障體系，全面提高供水質(zhì)量與管理水平，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)供水同標(biāo)準(zhǔn)(供水水質(zhì)和供水保證率)、同管理、同服務(wù)[1-4]。飲用水水質(zhì)達(dá)到國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)村居民喝上安全水、放心水、幸福水的愿望基本實(shí)現(xiàn)。

近年來，我國興建了大量農(nóng)村供水設(shè)施。但由于我國幅員遼闊，農(nóng)村情況各異，部分工程存在供水設(shè)施簡單，供水保障程度低等問題。部分偏遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)村供水工程，僅采用“慢濾”作為凈化工藝，下雨天地表沖刷導(dǎo)致進(jìn)水濁度增大時，出水濁度超標(biāo)的情況較普遍。農(nóng)村日益提高的生活水平與供水可靠性之間的矛盾越來越突出[5]。

微渦旋混凝工藝是提高農(nóng)村水廠凈化效果的方法之一，主要是通過在反應(yīng)區(qū)投加微渦旋反應(yīng)器，提高混凝反應(yīng)效率，提高水廠出水水質(zhì)，降低水廠運(yùn)行管理難度，從而提高水廠供水可靠性[6]。

1 微渦旋工藝原理

混凝是自來水處理中最重要的凈化過程，混凝效率的高低直接關(guān)系到后續(xù)沉淀效果及過濾出水水質(zhì)。根據(jù)Kolmogoroff微渦旋尺度理論可知，只有微渦旋與絮體礬花尺度接近時，混凝反應(yīng)才最充分。投加微渦旋反應(yīng)器的目的就是在水體中形成大量微小的渦旋，進(jìn)而提高混凝反應(yīng)效果[7]。

膠體在水力作用下，穿過反應(yīng)器，從而加快膠體的擴(kuò)散及碰幢。水流在穿過反應(yīng)器孔洞的時候形成渦旋，渦旋各流層間形成了流速差，增加了各流層間的碰撞概率，同時渦旋流動使膠體產(chǎn)生離心力，形成徑向碰撞。此外，運(yùn)行一段時間后，絮體在反應(yīng)器內(nèi)聚集，形成了大的密集的絮團(tuán)，水流穿過反應(yīng)器時，形成了一個具有“濾床”性質(zhì)的“過濾層”，從而提高水體中懸浮物的去除效率。如圖1、圖2。

圖1 微渦旋反應(yīng)器實(shí)物

圖2 微渦旋混凝作用原理圖示

2 工程概況

科技項(xiàng)目推廣地原為市直單位掛點(diǎn)貧困村，當(dāng)?shù)卦┧O(shè)施為引山溪水經(jīng)沙濾池簡單過濾后供水，供水人口為1255人，日最大供水規(guī)模為120 m3。現(xiàn)狀建有2個沙濾池及1個蓄水池。工程存在的主要問題是雨季強(qiáng)降雨沖刷地表，導(dǎo)致原水濁度快速升高，凈化處理后的飲用水依然很渾濁，經(jīng)當(dāng)?shù)厝訖z測，下雨天水廠出廠水濁度多在10～20 NTU，無法滿足飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 工程設(shè)計方案

首先要解決的是當(dāng)?shù)叵掠晏爝M(jìn)水濁度升高導(dǎo)致水廠出水無法達(dá)標(biāo)的問題，同時通過本項(xiàng)目驗(yàn)證微渦旋混凝工藝在農(nóng)村新建水廠中的應(yīng)用能否達(dá)到科研項(xiàng)目的預(yù)定目標(biāo)[8]。

本工程現(xiàn)狀年為2019年，設(shè)計水平年為2030年，人口自然增長率按3‰計，居民生活用水定額按90 L/人·d，設(shè)計供水規(guī)模按150 m3/d考慮。

水廠利用原老水廠廠址，依地勢而建。在水源地建設(shè)陂壩自流取水，經(jīng)微渦旋混凝、斜管沉淀及重力式無閥過濾器過濾后，進(jìn)入清水池進(jìn)行調(diào)蓄及消毒，處理達(dá)標(biāo)后，向下游村莊自流供水。如圖3。

工藝流程如圖4所示。

圖3 微渦旋澄清池結(jié)構(gòu)

圖4 工藝流程

生產(chǎn)區(qū)主要按照水力流暢原則，為直線型布置，廠區(qū)依次設(shè)置了取水陂壩、微渦旋澄清池、重力式無閥過濾器、清水池(利用原有2座蓄水池)等，其中反應(yīng)器的成本約占總投資的2%。

4 調(diào)試運(yùn)行情況

2020年3月底水廠基本完工，2020年4—6月對設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)調(diào)試，檢測進(jìn)出水水質(zhì)。澄清池第一反應(yīng)池投加開孔孔徑15 mm的微渦旋反應(yīng)器，第二反應(yīng)池投加開孔孔徑為35 mm的微渦旋反應(yīng)器。

根據(jù)各種工況數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析了在不同進(jìn)水濁度條件下，通過調(diào)整絮凝劑的投加量，控制沉淀池出水濁度及濾后水濁度，具體調(diào)試結(jié)果見表1；還分析了相近工況條件下，為滿足出水濁度要求，投加微渦旋反應(yīng)器與不投加微渦旋反應(yīng)器時，兩者需投加絮凝劑投放量的差別，調(diào)試結(jié)果見表2。

5 科研項(xiàng)目合同指標(biāo)分析

(1)澄清出水濁度低于3 NTU。 2020年5月9—28日，對凈水設(shè)施進(jìn)行各種工況條件下的調(diào)試，期間根據(jù)進(jìn)水濁度的變化情況，及時調(diào)整絮凝劑投加量，可以保證沉淀池出水在3NTU以下，濾后水濁度在1NTU以下，滿足飲用水衛(wèi)生水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 不同進(jìn)水濁度條件下沉淀池及濾后水濁度

表2 相近水質(zhì)條件下投加反應(yīng)器對絮凝劑投加量的影響

(2)混凝反應(yīng)時間縮短為5～8 min。 2020年1月簽訂設(shè)備采購及服務(wù)合同， 其中要求微渦旋混凝時間在8 min以內(nèi)。根據(jù)對微渦旋澄清池尺寸進(jìn)行復(fù)核，微渦旋混凝反應(yīng)器的容積為0.75 m3，微渦旋混凝時間為7.2 min，滿足混凝反應(yīng)時間縮短為5～8 min的要求。

(3)混凝劑消耗降低10%以上。 2020年4—6月，對設(shè)備進(jìn)行各項(xiàng)調(diào)試，檢測進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)。其中2020年4月8—25日是在未安裝微渦旋反應(yīng)器的情況下對凈水設(shè)施進(jìn)行調(diào)試，5月9—28日 是在安裝微渦旋反應(yīng)器的情況下對凈水設(shè)施進(jìn)行調(diào)試。分別選取了4月份和5月份2次降雨期間凈化效果進(jìn)行對比研究。在未安裝微渦旋反應(yīng)器的情況下，測得平均進(jìn)水濁度為41.5NTU，平均濾后水水質(zhì)為0.7NTU，絮凝劑PAC投加量為16 mg/L；在安裝微渦旋反應(yīng)器的情況下，平均進(jìn)水濁度為41.5NTU，平均濾后水水質(zhì)為0.7NTU，絮凝劑PAC投加量為13 mg/L，在安裝微渦旋反應(yīng)器情況下，混凝劑消耗量降低18%。

(4)濾池反沖洗水量節(jié)約15%以上。 調(diào)試期間，在未安裝微渦旋反應(yīng)器的情況下，凈水設(shè)備于4月11日進(jìn)行了自動反沖洗，4月25日進(jìn)行了一次反沖洗；安裝微渦旋反應(yīng)器的情況下，凈水設(shè)備于5月 15日進(jìn)行了自動反沖洗，5月26日也進(jìn)行了自動反沖洗。反沖洗周期由11 d變成了14 d，可節(jié)約濾池反沖洗水量21%。由于現(xiàn)在還是凈水裝置運(yùn)行初期，濾池反沖洗周期還不夠穩(wěn)定，后期還需要在后續(xù)的運(yùn)行中進(jìn)行總結(jié)分析。

6 結(jié) 論

通過本次科研項(xiàng)目推廣，表明微渦旋工藝能夠使混凝反應(yīng)時間縮短到5～8 min，PAC消耗量減少了10%以上，澄清出水濁度低于3NTU，重力式無閥濾池反沖洗水量減少15%以上，能夠達(dá)到科研項(xiàng)目的預(yù)定目標(biāo)。微渦旋工藝具有反應(yīng)效率高，運(yùn)行簡單，成本低等特點(diǎn)，能夠較好地應(yīng)對農(nóng)村因下雨導(dǎo)致進(jìn)水濁度大幅升高而無法保障水廠出水水質(zhì)的問題，投加微渦旋反應(yīng)器不需要改變傳統(tǒng)水力澄清池的結(jié)構(gòu)，在農(nóng)村供水工程中具有較好的推廣價值。