氣浮設(shè)備在水廠升級改造中的應(yīng)用及自動化控制研究

摘 要：針對孔室絮凝斜管沉淀池存在的問題，采用氣浮法改造工藝進(jìn)行升級改造，并加裝氣浮設(shè)備，將其升級改造為一種具備雙重功能的可切換氣浮沉淀池，與氣浮設(shè)備自動化程序配合，在高藻低濁度時開啟氣浮設(shè)備，利用氣浮工藝除藻；在洪水到來濁度提高時關(guān)閉氣浮設(shè)備，關(guān)閉排渣口，恢復(fù)傳統(tǒng)沉淀效果，有效降低生產(chǎn)成本，提升出廠水水質(zhì)。該升級改造技術(shù)，投入資金少，除藻效果佳，自動化控制降低了人工及操作失誤率，能實現(xiàn)增效降耗的效果。

關(guān)鍵詞：氣浮法；可切換氣浮沉淀池；自動化控制；加壓溶氣水泵；空壓機；溶氣罐；排渣設(shè)備

中圖分類號：TP29" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0063-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.014

0" " 引言

近年來，韓江流域受水利設(shè)施、氣候變化情況和經(jīng)濟生產(chǎn)活動的影響，水源水質(zhì)逐年下降，原水低濁、多藻趨于常態(tài)化。隨著韓江水質(zhì)惡化，藻類大量繁殖，水體呈現(xiàn)暗綠色。藻類會阻止水中泥土膠體顆粒的碰撞，影響凝結(jié)效果，結(jié)成的礬花又松散又輕，在流動過程中容易被沖散，造成出廠水濁度高；同時，會產(chǎn)生土腥味，影響飲用水的口感，各供水廠都深受其擾。

1" " 升級改造前概況

我單位第一水廠的孔室絮凝斜管沉淀池（供水規(guī)模為20 000 m3/d）自20世紀(jì)90年代建成投入使用，至今已運行近三十年。該沉淀池具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運行穩(wěn)定和維護(hù)方便等優(yōu)點。然而，該池反應(yīng)和停留時間短、流速快，對原水水質(zhì)濁度要求較高，存在一定的局限性。近年來，原水濁度低、含藻量高，導(dǎo)致孔室絮凝斜管沉淀池處理效果不佳，出水渾濁；濾前水藻類數(shù)量和濁度偏高，縮短了濾池的反沖洗周期，甚至在某些時段會造成濾床堵塞和板結(jié)，嚴(yán)重影響了正常供水。

氣候變化導(dǎo)致年降水量有限，汛期泄洪減少，河床底泥未能及時排除，淤積情況日益嚴(yán)重。韓江的水質(zhì)下降趨勢逐年明顯，且有加劇跡象。原水pH值[1]和藻類含量升高的現(xiàn)象從以前的枯水期偶發(fā)到近幾年的發(fā)生天數(shù)增加，近三年已是全年不定期發(fā)生，發(fā)生時間延長。2024年春節(jié)前后，原水pH值曾超過9.0，氨氮飆升至往年的三四倍，藻類數(shù)量也比上年峰值增加了一個數(shù)量級。

2" " 升級改造工藝的選擇

為解決水廠復(fù)雜原水的處理難題，參考城鎮(zhèn)給水工程設(shè)計規(guī)范及氣浮相關(guān)案例[2]，選擇了氣浮法[3]作為主要的改造工藝。氣浮法通過向水中注入或電解的方法產(chǎn)生大量微氣泡，這些氣泡與待處理水中的固體或液體污染物微粒粘附，形成密度小于水的氣浮體。在浮力作用下，氣浮體上浮至水面形成浮渣，實現(xiàn)固液或液體分離。該技術(shù)主要用于去除水中相對密度小于1的懸浮物、油類和脂肪，已在水處理工程中廣泛應(yīng)用[4]。

本項目的供水規(guī)模為20 000 m3/d。為了提升水質(zhì)處理能力，在原有孔室絮凝斜管沉淀池的基礎(chǔ)上加裝了氣浮設(shè)備，將其升級改造為一種具備雙重功能的可切換氣浮沉淀池[5]。

可切換式氣浮沉淀池原理圖如圖1、圖2所示。

這種池體在構(gòu)造上與傳統(tǒng)反應(yīng)沉淀池保持一致，能夠根據(jù)水質(zhì)情況靈活切換處理模式：在高藻低濁度時采用氣浮處理，在高濁度高含泥量時則切換回傳統(tǒng)沉淀過程。這樣的設(shè)計不僅能有效去除水中的懸浮物、膠體雜質(zhì)，如泥沙、藻類和微污染有機物等，還提高了工藝的適應(yīng)性和靈活性。

該升級改造方案巧妙地解決了多個技術(shù)難題，包括常規(guī)沉淀池在處理高藻和有機物微污染原水時的局限性，氣浮池在高濁度原水條件下的不適應(yīng)性。可切換式氣浮沉淀池的設(shè)計允許在不影響正常生產(chǎn)的情況下，輕松地將傳統(tǒng)反應(yīng)沉淀池升級改造為新模式。通過停運氣浮溶氣系統(tǒng)[7]，可以迅速恢復(fù)至原沉淀池狀態(tài)，且在氣浮與沉淀模式之間切換時，水質(zhì)保持穩(wěn)定。這種池體設(shè)計提供了一種經(jīng)濟高效的解決方案，不僅適用于新建水處理工藝，而且尤其適合對現(xiàn)有常規(guī)反應(yīng)沉淀池進(jìn)行改造升級。

氣浮系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

3" " 氣浮設(shè)備

3.1" " 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)我單位第一水廠（供水規(guī)模為20 000 m3/d）的氣浮設(shè)備選型設(shè)計要點（處理水量、加壓溶氣水量、氣浮所需空氣量、空壓機所需額定氣量、溶氣釋放器/溶氣罐直徑和容積等）分別進(jìn)行計算，得到以下參數(shù)（具體計算步驟本文不列出）：處理水量為875 m3/h；加壓溶氣水量為70 m3/h，回流比取8%；氣浮所需空氣量為3 360 L/h；空壓機所需額定氣量為0.084 m3/min；溶氣釋放器的出流量為5.18 m3/h，作用直徑為80 cm，溶氣釋放器個數(shù)為13.5；溶氣罐直徑為94.430 913 65 mm，容積為3.5 m3，水在溶氣罐中的停留時間取3 min。

3.2" " 主要設(shè)備選型

結(jié)合我單位第一水廠的供水規(guī)模和工藝實際情況，氣浮設(shè)備主要有加壓溶氣水泵、溶氣釋放器、空壓機、溶氣罐和排渣設(shè)備等，如圖4所示。

3.2.1" " 加壓溶氣水泵

因我單位第一水廠需全天候24 h制水，為避免水泵電機長期不停工作，需要采用一用一備的加壓溶氣水泵?？紤]到自動化生產(chǎn)，選用普軒特管道循環(huán)泵PFL100-200-22/2，功率22 kW，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，流量100 m3/h，揚程50 m，利用ABB ACS530變頻控制，該變頻水泵為主用水泵，能實現(xiàn)自動化控制；系統(tǒng)設(shè)置一套備用水泵，因選原水作為氣浮用水現(xiàn)場施工距離遠(yuǎn)、開孔難度大，所以選用自來水作為氣浮用水，且自來水本身帶有壓力，根據(jù)管網(wǎng)水壓并出于省電考慮，該備用水泵采用工頻控制，選用南方泵業(yè)TD100-22G，核定功率7.5 kW，轉(zhuǎn)速2 900 r/min，揚程22 m，起到節(jié)能降耗的作用。

3.2.2" " 溶氣釋放器

溶氣釋放器的型號及個數(shù)應(yīng)根據(jù)單個釋放器在選定壓力下的出流量及作用范圍確定[8]。根據(jù)選定的溶氣壓力及加壓溶氣水量，選定TV-Ⅱ型釋放器，該釋放器的出流量Qp=5.18 m3/h，作用直徑80 cm。該釋放器帶有反沖洗裝置，清洗周期為3個月/次。

3.2.3" " 空壓機

根據(jù)空壓機所需額定氣量為0.084 m3/min，并考慮安全效率系數(shù)（取1.5倍），選用的空壓機額定氣量必須大于0.126 m3/min。浙江紅五環(huán)LW10008A活塞空氣壓縮機，其額定氣量為0.17 m3/min，額定功率7.5 kW，最高排氣壓力0.9 MPa，能滿足本項目氣浮設(shè)備的要求。

3.2.4" " 溶氣罐

根據(jù)溶氣罐所需溶氣壓力、回流比、直徑、容積等要求，選用銓衡晟定制溶氣罐，規(guī)格RQG-100，儲氣量0.9 m3，工作壓力0.4 MPa，能滿足本項目氣浮設(shè)備的要求。

3.2.5" " 排渣設(shè)備

根據(jù)氣浮池生產(chǎn)的需要采用水力排渣槽，即設(shè)計5個排渣槽，利用現(xiàn)場水流情況在反應(yīng)區(qū)做可調(diào)節(jié)高度漏斗，利用水流推動浮渣進(jìn)入漏斗，比起采用刮渣機排渣，能大大減少維護(hù)成本。在漏斗下方的排水管上設(shè)置排渣閥門控制排渣。

3.2.6" " 其他設(shè)備

為維持溶氣罐恒水位控制，采用浮球閥電氣開關(guān)量觸點機械控制進(jìn)氣電磁閥；為調(diào)節(jié)水壓大小、藻類高低所需的氣量和降低空壓機運行頻率，采用氣量微調(diào)閥控制；因空壓機輸出氣體中含有油水，氣量微調(diào)閥出氣孔較為精密，經(jīng)常被油水堵塞，所以需在空壓機后增加一臺高精密空氣凈化器將油水分離；在變頻水泵及工頻水泵分別對應(yīng)設(shè)置出水電動閥門控制是否進(jìn)水；為實現(xiàn)自動化控制，需配套各類設(shè)備的控制箱。

其中氣浮控制箱如圖5所示。

4" " 氣浮設(shè)備控制原理及運行控制系統(tǒng)

當(dāng)原水處于高藻低濁度時，通過自動化程序控制打開變頻水泵及變頻水泵對應(yīng)的閥門（變頻水泵，可通過壓力傳感器，利用設(shè)定的壓力值自動調(diào)節(jié)變頻水泵的頻率大小，在自動化控制中是最值得推薦的；工頻水泵為備用設(shè)備，對比變頻水泵，其最大特點是省電），使水進(jìn)入溶氣罐，控制打開空壓機，空壓機的氣體首先通過空氣凈化器將氣體中含有的油水分離，再通過氣量微調(diào)閥調(diào)節(jié)所需氣量進(jìn)入溶氣罐，與罐內(nèi)的水混合，最后通過安裝在反應(yīng)區(qū)的溶氣釋放器釋放入水中，開始?xì)飧」ぷ?，利用水流推動浮渣進(jìn)入漏斗，并控制打開漏斗下方的排渣閥將浮渣排出；當(dāng)原水處于高濁度時，通過自動化程序控制變頻水泵、閥門、空壓機、排渣閥關(guān)閉，變?yōu)槠胀ǔ恋沓厥褂?。因生產(chǎn)需要，氣浮設(shè)備經(jīng)常長時間工作，為避免變頻水泵的電機工作時間過長發(fā)熱或發(fā)生故障，正常情況下可通過自動控制程序設(shè)置切換到備用的工頻水泵進(jìn)行輪休（應(yīng)根據(jù)電機的實際情況設(shè)定）。

氣浮控制箱控制信號如圖6所示。

氣浮設(shè)備運行控制系統(tǒng)如圖7所示。

在本氣浮設(shè)備自動化控制系統(tǒng)中還設(shè)置了防誤操作，即自動狀態(tài)下要判定水泵已開才能打開閥門，判斷水泵停止的話能關(guān)閉對應(yīng)閥門；空壓機如果連續(xù)運行5 min會報警關(guān)閉空壓機，防止空壓機輸出氣管、空氣凈化器、氣量微調(diào)閥、氣體流量計、手動球閥和氣管快速接頭等漏氣使空壓機連續(xù)工作而發(fā)熱發(fā)生故障，在條件允許的情況下，建議增加一臺空壓機作為備用（一用一備），設(shè)置為聯(lián)鎖控制，當(dāng)主用空壓機故障或供氣壓力低于設(shè)定值時，啟動備用空壓機，并發(fā)出報警提示維護(hù)信號。

5" " 運行效果

我單位第一水廠的升級改造工程已于2022年投運，選用的氣浮設(shè)備在自動化控制中操作簡單、反應(yīng)速度快、安全性強、可靠穩(wěn)定，使各氣浮工藝單元運行良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定。反應(yīng)沉淀池區(qū)上層的水更加澄清、透明，含藻量大大減少，濁度下降到1.6NTU～3NTU之間；排泥周期由原來的8 h延長至24 h，濾池的反沖洗周期也由24 h延長至48 h，產(chǎn)水量提升了17個百分點；從改造后的生產(chǎn)情況來看，可以除去水中60%～80%的藻類，有效降低生產(chǎn)成本，提升出廠水水質(zhì)，滿足居民用水的質(zhì)量要求。

本項目所采用的具備雙重功能可切換氣浮沉淀池及氣浮設(shè)備操作系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)創(chuàng)新的效果：與傳統(tǒng)的沉淀池和氣浮池相比，具備沉淀和氣浮雙重功能，適應(yīng)各種原水水質(zhì)，改造后不影響作為沉淀池使用的效果；可切換氣浮沉淀池配合本氣浮設(shè)備的自動化操作，切換簡單、效率更高、性能更安全可靠；相比較其他水廠浮沉池的改造升級項目，本項目不涉及結(jié)構(gòu)，且施工工期和停水時間能大大縮短，改造費用大大減少。

6" " 結(jié)論

本具備雙重功能的可切換氣浮沉淀池及氣浮設(shè)備的升級改造項目資金投入少，設(shè)計精巧，除藻效果佳，自動化生產(chǎn)降低了人工及操作失誤率，不僅能滿足居民用水質(zhì)量，而且大大降低了停水頻率，能實現(xiàn)增效降耗的效果；對原有孔室絮凝斜管沉淀池的改動小，增強了對水質(zhì)濁度的適應(yīng)能力。該項目在升級改造后，經(jīng)過一年多時間的使用證明：在高藻低濁度時氣浮設(shè)備能自動開啟，利用氣浮工藝自動除藻；在洪水到來濁度提高時氣浮設(shè)備、排渣口能自動關(guān)閉，恢復(fù)傳統(tǒng)沉淀效果。本項目升級改造的成功案例，為我單位第二水廠供水規(guī)模為100 000 m3/d和60 000 m3/d的升級改造奠定了基礎(chǔ)。

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收稿日期：2024-08-08

作者簡介：徐澤文（1981—），男，廣東澄海人，助理工程師，研究方向：機電、自動化、給排水。

通信作者：吳金龍（1984—），男，廣東汕頭人，高級工程師，研究方向：閥門設(shè)計與制造、機械設(shè)計制造及其自動化。