彭小军,杨芸,申子鸣

(深圳市利源水务设计咨询有限公司,广东 深圳 518000)

1 工程项目背景

上饶某净水厂于2010年建成一期5万m3/d水厂,水源为鄱阳湖珠湖内湖水;常规的净水厂水处理环节是混凝、沉淀、过滤、消毒。目前该水厂存在着混凝效果差、不能按照既定要求降低原水浊度、常规滤池堵塞情况严重、反冲洗频率较高、生产清水的成本较高等问题。为确保清水池出水水质满足生活饮用水水质标准,同时能降低制水成本,该净水厂综合经济、技术、工期,以及现场情况等各因素,以微涡流混凝工艺为技术标准,对现状水厂开展工程改造,达到改善原水的絮凝效果,优化水质的目的。鄱阳湖,为长江流域中下游重要分支湖泊,是长江流域的过流能力强、吞吐规模大、受天气影响大的重要湖泊,珠湖内湖,是鄱阳湖东部区域性湖泊,总磷是其水质的主要污染物;鄱阳湖湖区总磷浓度由2018年最高0.08 mg/L下降为2020年的0.06 mg/L,今年上半年进一步降至0.05 mg/L,创近年来同期最低,同比降低12.3%。尤其是鄱阳湖内珠湖,水质极佳,属于一类水质,是优质型饮用水水源。

2 微涡流絮凝工艺

2.1 微涡流絮凝理论

微涡流絮凝的关键环节是圆形涡流反应器[1-2],微涡流絮凝理论支撑主要是胶体涡流型反应凝聚和多维度立体接触絮凝[3-5]两种方式。凝聚效果由水体中所含固体悬浮物稳定程度与颗粒之间相互混合接触的概率所决定。(1)混凝剂在水体中分解形成胶体颗粒,在微涡流作用下迅速扩散,并与水中胶体最大程度混合,促使胶体颗粒迅速失去稳定性,开始沉淀。(2)微涡流内部各流层之间存在水体流动速度和水流方向的差异,促使各流层之间的胶体颗粒发生布朗运动,并且在离心力引导下,絮体向着反应器径向运动,提高失稳颗粒的汇合几率,大大提升絮凝反应效率。接触絮凝是游离在水体中的絮体对水流中的失去稳定性的固体悬浮物产生附着作用,絮凝而不断汇集的过程。(3)当水流通过涡流反应器时,由于一定数量的矾花絮状体残留在涡流反应器内部,使反应器外侧水体的流速大于其内侧流速;当水中失去稳定性的固体悬浮物与上述絮状体接触时,其被吸附在其表面,絮凝物不断生成,粒径较大的矾花体在微涡旋运动的作用下被重新组织成体积很小的絮状体,从而保证了它的凝聚能力得以维持;紧实度较小的矾花物,在涡旋作用下,会发生结构重组,再次凝聚成高密度絮状,从而保证絮状平稳沉淀,水质效果得到保证。

2.2 微涡流絮凝工艺产品构造特性

微涡流絮凝工艺的关键环节是涡流反应器,涡流反应器设计初始的计划是取代网格反应器,克服或削弱其安装不方便、堵塞后清洗难度高、使用周期短,更换频率高,运维难度大等缺点。涡流反应器其构造特点如下:(1)空心圆形结构,反应器外形大小依据工艺使用需要明确,反应器面层均需做特殊处理;(2)反应器面层开有孔洞,孔径和面层孔洞分布规律根据实际运行需要确定;(3)反应器采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯复合聚合物,是材质优、韧性好、易定型的聚合复杂分子构造材质,壁厚由结合项目需要设计确定。

涡流反应器其使用特性如下:(1)无需固定,规律性堆积,但无孔洞堵塞的情况发生,直接投放;(2)生产周期段,批量化生产,有利于工程项目的推进,可广泛的应用,大大缩短项目周期。(3)水体速度、水流方向变化,同时涡流反应器内外侧面的碰撞阻力,水体形成微涡流运动;(4)材料韧性好,适用饮用水的材质,避免腐蚀困扰,使用周期较长,不易损坏,性价比高;(5)随着不断上向水流中会漂浮转动,动态化运行,更有利于混凝反应发生,提高絮凝效果,改善出水水质。

2.3 微涡流絮凝反应运行机制

涡流反应器的工艺形式可根据水质特征、水处理构筑物布局、形状及全流程给水处理工艺要求适时调整,详细内容如下:(1)水流原则上应调整成垂直方向运动,就是垂直絮凝池底向上或向下的流动状态,涡流反应器应该竖直方向放置在絮凝区,避免会絮体残留在反应器内,因此,涡流反应器必须置于絮凝区。将涡流反应器投入水体向上流动的区域演化的絮凝区称为上流絮凝集区,将涡流反应器投入水体向上流动的区域演化的絮凝区称为下流絮凝集区。(2)上向/下向流絮凝区可依据工程项目实际情况调整,将上与下进行排列组合,形成多种工况,各反应段流速逐渐下降或保持不变,水体通过各反应段水力停留时间一般大于等于5～8 min。(3)水体流过孔道流速不同,不同面层开孔尺寸和开孔分布率的涡流反应器,前/后区在基本理论层面上存在一定程度的差异,建议选用同尺寸涡流反应器,有利于项目的实施和后期的运行维护。(4)优化设计排放泥水部分,大概率形成沉泥集中区域最下方安装排泥设施,行进的反应器内会有浮动的沉泥,最下方排泥能够最大程度的将反应器外部的沉泥排放。

3 技术设计改造

3.1 改造前水厂运行概况

水厂处理规模5.0×104m3/d,分两座尺寸及技术指标一致的絮凝反应池,并且左右对称各分布10小格,单格平面尺寸为2.6 m×2.28 m,高度4.1 m,有效水深3.2 m,絮凝时间22 min。每座孔室絮凝池平面布置如图1所示。

图1 絮凝池示意图

原水浊度3.8 NTU,絮凝时间22 min,PAC(聚合氯化铝)配合比0.64%,隔膜式计量泵开启度50%,PAC药剂投入量为2.0 mg/L,滤池进水浊度3.3 NTU。水厂整体平稳运行,进滤池前水体的浊度去除率仅为14.3%,滤池反冲洗(水洗)频率每天一次,频率较高,沉淀反应池内矾花尺寸小,出现大面积矾花,外溢情况明显,水质差。

首先调整PAC投入量,PAC投入量为5.0 mg/L,水源浊度4.4 NTU,絮凝时间22 min,PAC配合比1%,隔膜式计量开启度90%,滤前水浊度3.7 NTU,滤池水洗周期一天一次,矾花尺寸小,矾花外溢至集水槽,出水絮凝效果不理想。

依据监测数据可知,调整PAC投药量,原水浊度去除率优化到17.0%,但进滤池前的水体浊度值3.69 NTU,滤前水浊度大于3 NTU,滤池承担负荷重,水洗频率高,制水成本高。单纯的增加PAC投加量,絮体沉淀效果并不明显,未能有效解决水厂浊度无法有效去除,水质安全无法保证。

3.2 技术设计改造方案研究

(1)维持絮凝池构筑物内部构造不变,第一座第2至6格絮凝池底部0.6 m以上位置固定316L不锈钢材料方条支撑(池内净空间:2.57 m×2.25 m;方条间距12 cm)。(2)在第一座絮凝池内左右两边的第2至6格对称投放涡流反应器(φ为20 cm,表层孔洞尺寸为35 mm),放置后立体总高度为1.6 m。单格孔室改造后效果图如图2所示。

图2 单格改造效果图

3.3 关键设计技术参数计算

3.3.1 改造后絮凝反应时间计算

依据改造升级后剖面图,316L不锈钢架结构固定在第2至6格距离絮凝池底0.6 m处,用于承载涡流反应器,其放置后立体总高度为1.6 m,则微涡流反应时间T1,非涡流反应时间T2:

总絮凝时间:T=T1+T2=5.5+14.2=19.7 min。

3.3.2 微涡流絮凝工艺水体流速计算

微涡流絮凝区域水体流动速度应维持在60～80 m/h以内,若超流体速度限值,需在向上流区域采用隔挡的工程方案,避免涡流反应器随水体上向溢出,影响常规工艺正常运行,水质保障性低,反应池通过技术措施调整,升级成为微涡流絮凝池后,池体内水流上行的速度为:

通过计算数据显示,水体流速未在限值区间内,建议采用隔挡的工程方案。

3.3.3 絮凝反应G值及GT值计算

结合现场实际情况,理论核算,水体从第2格至第10格的全部水头损失为0.3 m,G值核算:

平均GT=47×19.7×60=5.5×104,上述数据符合絮凝时期理论限制参数:平均G=20～70 s-1,平均GT=1×104～1×105,设计G值及GT值合理。

3.4 工程改造后运行情况

两座絮凝反应池设计规模为2.5×104m3/d,其中一座絮凝沉淀反应池技术改造完成后,药剂投加量5 mg/L,水厂稳定运行,通过与未经改造孔室絮凝池出水浊度对比,数据显示微涡流混凝优化效果符合改造目的。改造后滤前水浊度低于2 NTU,反冲洗周期由24 h提升至36 h,絮凝时间由22 min缩短为19.7 min,出水浊度由1 NTU降到0.5 NTU以下。(1)絮凝反应池内矾花颗粒大、紧实,矾花实体清晰可视;(2)通过沉淀池出泥水工况可知,矾花大部分在沉淀反应池的前半段下沉,后半段污泥量显著少于前半段,混凝反应效果得以改善,絮体沉降难的问题得到一定程度解决。

3.5 工程方案运行结果小结

(1)现状絮凝反应池技术升级前,提高PAC投入量,整个工艺流程运行平稳,检测分析进滤池前原水浊度,PAC的增加,并未改善胶体去除率,原水浊度值下降不明显;(2)工程设计升级,加入PAC 5 mg/L,放入涡流反应器的滤前进水浊度,低于未投加产品的滤前进水浊度,未经技术升级的后反应池内矾花尺寸小,下沉难度大,进滤池前水体的浊度值在4 NTU以下,水厂终端浊度值在1 NTU以下,普通滤池反冲洗(水洗)周期为每天一次,技术改升级后絮凝区域内矾花紧实,凝聚成果明显,易下沉,进滤池前水体浊度值在2 NTU以下,水厂终端浊度值在0.5 NTU以下,水洗周期提升至36 h,反冲洗频率降低,絮凝效果提高。

4 微涡流絮凝工艺多因素探讨

4.1 微涡流絮凝工艺运用范围

微涡流絮凝工艺不仅适用新建供水厂,也适用于现状水厂构筑物优化升级,对絮凝区域采取合适物理隔离措施,确保上/下向流体环境和优化把控水流行进快慢,絮凝区的外形可根据现场实际情况去调整,多为圆形、长方形、正方形等多变外形,深度同样根据水质需要优化。

诸多实际案例证明,微涡流反应器也用于常规污水处理工艺,经过涡旋凝聚以及多维度碰撞絮凝,最大程度适用絮凝区域、涡旋动力与絮体活性,显著改善絮凝效果,改善出水质量,保障出水水质,优化公司运维成本,提升生产效益。

4.2 微涡流混凝工艺技术讨论

4.2.1 微涡流工艺处理低温低浊度原水

水温较低时,水体的黏附能力增大,水体内中固态悬浮物不规则运动活性降低,汇集机会少,影响固态悬浮物失稳凝聚,而且影响絮凝生成。低温工况下悬浮颗粒的水化影响面广,削弱胶体凝聚,以及固态悬浮物间的黏附能力。水中固态颗粒大小、带电性都会不可避免地影响絮凝反应。悬浮物尺寸小且均匀,絮凝反应不理想,固态悬浮物浓度低,颗粒碰撞概率低,影响出水水质;微涡流混凝反应器可充分地利用流动水体的影响,增加脱离稳定性的胶体相互碰撞的概率,极大的促进水体胶体的运动,使得低温低浊度的水体在涡流反应器的流动下,利于絮凝沉淀,矾花尺寸合理,絮凝效果明显,水质好。

4.2.2 微涡流工艺处理酸碱度异常原水

pH值是水酸碱性的参数,原水的pH值会较大程度改变混凝剂的水化反应,当水体的pH值处于定量区间,才可以确保混凝效果。水体投加混凝药剂,药剂发生水化反应,使水体的H+浓度升高,会引起水体的pH值降低,影响水化的进行。确保pH值维持在合理区间,水体中需要定量的碱性物质与H+稀释。自然水体基本都有部分碱度(一般是HCO3-),可稀释混凝剂水化过程形成H+, pH值有缓冲作用。当自然水体碱度量过小或药剂量过大,pH值将显著降低,破坏絮凝反应。

4.2.3 微涡流工艺处理突发情况下水量负荷工况

水量冲击是指非常规的、突发性水量变化。对于供水厂城镇最高时用水量及源头供水调整均影响进水水量,特别是夏天高峰供水时期,水厂进水量变化幅度大,引起调整药剂投入量次数增加,且沉淀后出水效果不理想。但需要留意的是,此类变化并非线性调整,随后要重点关注反应池的絮体,以免投加不合理,影响絮凝成效。

4.2.4 微涡流工艺与药剂的种类与投加量的关联

不同混凝剂的最优投加量与药剂的性质及类型相关。一般来说,混凝剂的投加量应该满足搅拌物料的要求,以达到最佳的黏度和流动性。(1)根据实验结果确定:通过烧杯试验,可以通过改变混凝剂投加量,分析不同投加量下混凝剂的变化,从而确定最优投加量;(2)根据混凝剂的性质:混凝剂的性质决定了它的最佳投加量,比如黏度、浓度、抗渗透性等,可以根据不同性质确定最佳投加量;(3)根据混凝剂的用途:混凝剂的用途也决定了它的最佳投加量,比如用于抗剥落、抗渗透、抗滑移等,可以根据不同用途确定最佳投加量;(4)根据搅拌物料要求:投加量应该满足搅拌物料的要求,以达到最佳的稠度和流动性。优选适宜的混凝剂及投加量,从而更好地促进微涡流混凝工艺的应用,保障更好的絮凝沉淀效果。

4.2.5 微涡流工艺与药剂投加方式的关联

干式投加和湿式投加是两种不同方式,因为固态药剂与液态药剂,以及不同配比的液态药剂之间,药剂水化形态虽有时不完全一致,但依然具备压缩双电层或电中和能力,可能加入到原水后出现的絮凝反应不同。如若除投加主药剂外仍投入额外助凝剂,那么各药剂相互投入先后顺序,对絮凝反应也会区别,需要经过烧杯实验和实际水厂运行试验明确合适的投加药剂种类及顺序。管式静态药剂混合装置是无外部动力机械混合,药剂伴随水流转动,水流经过后除形成降压以外,主要是流体分割、径向运动、异向涡旋,药剂充分扩散碰撞,混合充分,利于絮体形成。微涡流絮凝反应器在同类水厂技术升级的应用为工程实践提供关键数据和参考意义。