江湖源水制水水質的影響因素及工藝改進

毛智剛

（中國石化巴陵石化分公司，岳陽湖南 414014）

企業(yè)生產(chǎn)用水是指通過深井取江湖源水，經(jīng)過凈化絮凝、沉淀、澄清處理后，去除了懸浮雜質（含膠體物質），用于生產(chǎn)裝置的工藝用水、冷卻用水和消防用水等。中國石化巴陵分公司（簡稱公司）生產(chǎn)用水制水裝置有2套，云溪片區(qū)生產(chǎn)用水制水裝置設計能力4 200萬t/a，城區(qū)生產(chǎn)用水制水裝置設計能力3 000萬t/a。制水裝置均以明礬為藥劑，采用混凝沉淀工藝對江湖源水進行澄清凈化。明礬是含有結晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復鹽，無色晶體，Al3+很容易水解生成膠狀的Al（OH）3，其吸附能力很強，可以吸附水里的懸浮雜質，并形成沉淀。

近年來，隨著江湖源水水體環(huán)境的變化，制水水質波動較大。制水裝置的制水水質除受水體條件及設備條件的影響外，還取決于藥劑的處理效果。原有制水工藝利用半自動加藥機，攪伴機設備陳舊，功能單一，對藥劑效果有一定的影響，導致制水裝置出水水質濁度偶而大，不能達到3 NTU指標要求。因此，對原制水裝置進行工藝優(yōu)化及設備改造勢在必行。

1 制水裝置工藝流程

圖1 制水裝置工藝流程

制水裝置工藝流程見圖1。來自于長江、洞庭湖底部的江湖源水進入水箱，經(jīng)虹吸自流管流入吸水井（當江水水位低于虹吸管頂部時靠真空虹吸進吸水井），由泵提升到配水井，投加制水藥劑明礬后，流入澄清池，進行澄清，泥渣排入長江，上層清液匯集至清水池，由泵加壓送平流沉淀池沉淀后轉送各生產(chǎn)裝置使用。

2 制水水質的影響因素

制水裝置出水水質的影響因素較多，有江湖源水水體條件，如溫度、水體pH值、泥沙含量；藥劑質量及用量；處理設備條件等因素。選定處理藥劑明礬后，實際水處理過程中其他因素對制水質量的影響分析如下。

2.1 江湖源水水體條件

江湖源水溫度、水體pH值、泥沙含量都會影響制水藥劑明礬與水中堿性物質反應的速度，以及制水藥劑水解形成絮體（礬花）的質量。

明礬凈水原理：明礬在水中電離出K+，Al3+兩種金屬離子，而Al3+很容易水解，生成膠狀的氫氧化鋁Al（OH）3，Al（OH）3是白色難溶于水的膠狀沉淀、兩性氫氧化物，遇熱易分解，在水中形成架橋絮體（礬花），吸附水中膠體及污泥，下沉，凈化水質。其反應方程式如下：

2.1.1 源水溫度

水溫高，反應生成的Al（OH）3多，絮體（礬花）多，混凝效果好；水溫低，混凝效果差。

2.1.2 源水pH值

江湖源水酸堿度對藥劑處理效果的影響也較大。當水的pH 值低于5.5時，Al（OH）3被溶解，發(fā)生式（3）反應，使水中殘留鋁含量增加。

當水的pH值高于7.5時，發(fā)生式（4）反應，同樣使水中殘留鋁含量也增加，起不到產(chǎn)生Al（OH）3絮團的作用。

綜上，當水的pH值高于7.5或低于5.5時，會影響Al（OH）3膠體的生成，所以，用鋁鹽作混凝劑時，水的pH值應為6.5～7.5，此時生成的Al（OH）3，溶解度最小，可形成絮狀物架橋，能吸附水中膠體及污泥，混凝效果好，可凈化水質。

2.1.3 源水泥沙含量

當江湖源水水中泥沙含量較高時，在沉降過程中就會相互干擾，因為泥沙顆粒在沉降時，必然要排擠出同樣體積的水，這部分水被迫上升影響泥沙顆粒沉降速度，顆粒的沉降速度隨著水中泥沙顆粒密度的增大而降低[1]，當水中泥沙顆粒密度很大時，沉降就會受阻。江湖源水泥沙含量通常以濁度表示，當源水濁度變化不大時，操作比較容易，根據(jù)源水濁度調整加藥量、產(chǎn)水量、排泥量即可。如源水濁度太高或上升幅度大時，操作就有困難。盡管加藥量增加了數(shù)倍或更多，但由于分離區(qū)的懸浮泥渣層偏高，使泥沙顆粒沉降速度受到影響，為降低泥沙顆粒密度，需加大排泥量（一般采取連續(xù)排泥），使產(chǎn)水量相應減少。因此制水裝置的運行控制應保持加藥量、排泥量和產(chǎn)水量的動態(tài)平衡，一旦上述因素發(fā)生變化，即可造成翻池，影響出水水質。同時由于池底堆積泥沙過多，加重刮泥設備負荷，易發(fā)生故障，制水裝置被迫停運檢修。

源水濁度高時，常采用稀釋法把源水的濁度降低到一定程度，減少泥沙顆粒在沉降過程中的阻力，同時可提高制水裝置的產(chǎn)水效率[2]。

2.2 混凝水力條件

制水初期混合階段要求源水與制水藥劑盡量快速均勻混合，時間在10～30 min，一般不超過2 min。反應階段要求水流有一定程度的紊動（即攪拌強度），紊動程度由大到小，同時要求有一定的反應時間（即攪拌時間），一般15～30 min。保持制水藥劑加藥量、排泥量和產(chǎn)水量在不同工藝條件下的動態(tài)平衡，調整機械攪拌提升機轉數(shù)，獲取泥沙顆粒和絮體理想沉降速度，提高混凝效果。

3 制水過程存在的問題

3.1 設備方面

冬季，江湖源水溫度低、濁度低、耗氧量低，水的黏度大，絮凝劑水解緩慢，形成的絮體松散，不易下沉，混凝效果差；夏季，江湖源水溫度高、濁度大、泥沙含量大，絮凝劑粘附泥沙后快速下沉，造成絮體密度不足，影響出水水質。根據(jù)這些工藝條件的變化，需要采取增大澄清池底層泥水回流，提高澄清池混凝反應區(qū)進水濁度，增加顆粒碰撞機會，減少產(chǎn)水量，加大停留時間的措施來確保出水水質。

合適的機械攪拌既能防止泥渣在反應室中的沉積，又能促生理想的絮體，形成較好的混凝效果。江湖源水濁度在80～1 000 NTU，為了保證江湖源水濁度差異或冬夏季節(jié)溫度變化時，出水水質穩(wěn)定優(yōu)質，降低明礬消耗，需要提高機械攪拌提升機的轉速。但制水裝置機械攪拌提升機設備陳舊，轉速恒定為2.5 r/min，不可調節(jié)，影響制水質量。

3.2 工藝方面

原制水藥劑是利用半自動加藥機，通過脈沖式水射泵將制水藥劑加水稀釋后，投送到配水井，從配水井投加到制水裝置的工藝流程短，制水藥劑與江湖源水混凝反應時間較短，生成的Al（OH）3量少或沒有形成穩(wěn)定絮狀物，絮凝效果不理想，造成制水裝置出水水質不好，濁度大，達10 NTU，不能滿足3 NTU指標要求。因此，對制水裝置進行工藝優(yōu)化調整勢在必行。

4 改進措施

4.1 選用低壓變頻調速器

4.1.1 變頻調速器選擇

澄清池機械攪拌提升機的額定功率為11 kW，額定電流為25.3 A，額定電壓380 V。因考慮到機械攪拌提升機負荷較小，工藝過程對設備線速度同步要求不高及價格因素，選擇11 kW艾默生低壓變頻裝置即可滿足要求。

4.1.2 變頻調速器安裝

在澄清池機械攪拌提升機電機進線端安裝一組低壓變頻調速裝置。安裝后，根據(jù)生產(chǎn)的實際情況，即產(chǎn)水量大小、江湖源水濁度、出水質量、溫度等及時對攪拌機的轉速進行調節(jié)，并對操作人員進行技術培訓，使其能夠根據(jù)水質情況合理調節(jié)攪拌機轉速，即降低制水藥劑的消耗，又提高出水水質。變頻前攪拌機轉速約為2.5 r/min，出水濁度為8 NTU，澄清池容易翻泥；變頻后，攪拌機轉速在1.5～2.0 r/min調節(jié)，出水濁度穩(wěn)定在3 NTU，出水質量穩(wěn)定。

4.2 優(yōu)化工藝

原投加制水藥劑點在配水井處，利用半自動加藥機通過脈沖式水射泵將制水藥劑加水稀釋后投加，見圖2虛線。改造后從深井泵房機泵的吸入口處投加制水藥劑，見圖2粗線。

從原制水藥劑存放池安裝一條DN20的PVC管至深井泵房的吸水井，全長約150 m，為防止制水藥劑的絮凝效果引起吸水井積泥，將加藥管直接插入機泵的進水管內1 m，從而將制水藥劑全部由泵吸入而沒有只停留在吸水井內。制水藥劑通過調節(jié)閥來控制流量，用玻璃轉子流量計觀察制水藥劑的流量。制水藥劑的流量控制在50 kg/h，為避免泥渣堵塞調節(jié)閥，要求操作人員加強巡檢。制水藥劑的用量根據(jù)原制水藥劑存放池的液位差來計算，加強對液位的監(jiān)控，并制作安裝簡便的液位計，便于讀數(shù)和計量。

圖2 投加藥劑點改造

4.3 其他條件的改進

為提高混凝效果，冬季江湖源水水溫低時可采取：①增加混凝劑的投加量；②投加黏土以增加礬花重量，同時投加助凝劑如活化硅酸和高分子混凝劑以增加礬花強度[3]。

當采用鐵鹽為制水混凝劑時，源水的pH值應控制在6.0～8.4。源水pH值偏低時可用投加生石灰的方法調節(jié)。

當江湖源水中泥沙含量較高時，為保證水處理效果，需采取：①利用制水裝置出水回流降低源水濁度；②采取連續(xù)排泥，加大澄清池排泥量；③從澄清池中心筒處加入回用水或生產(chǎn)用水。

5 改進效果

5.1 出水水質提高

在泵前投加制水藥劑，澄清池機械攪拌提升機采用變頻調速技術后，制水裝置出水濁度長期穩(wěn)定在3 NTU左右。按照出水水質3 NTU為合格進行統(tǒng)計，出水水質合格率為97.3%，出水水質5 NTU的合格率達到100%，出水水質大幅度提高，與改造前一年同期相比生產(chǎn)用水出水水質合格率提高了20.7%。改造前后裝置出水水質濁度、合格率對比分別見圖3、4。

5.2 藥劑消耗降低

改造后3—9月制水裝置處理水量13 459 670 t，耗制水藥劑501.6 t，單耗為37.27 g/t，比改造前礬單耗下降7.73 g/t，下降了17.2%，見圖5。按年生產(chǎn)用水總水量2 374.5萬t計算，全年可節(jié)礬制水藥劑183 t，節(jié)約制水生產(chǎn)成本13.5萬元，制水藥劑消耗下降顯著。

圖3 改造前后出水水質對比

圖4 改造前后出水水質合格率對比

圖5 改造前后礬單耗對比

6 結論

制水裝置制水水質的影響因素包括制水藥劑、江湖源水水體條件，如溫度、pH值、泥沙含量、機械攪拌提升機轉速等。在泵前投加制水藥劑，澄清池機械攪拌提升機采用變頻調速技術后，制水裝置出水濁度穩(wěn)定在3 NTU左右，5 NTU合格率達到100%；制水藥劑單耗由45.00 g/t下降到37.27 g/t，年節(jié)約制水藥劑成本13.5萬元，生產(chǎn)裝置出水水質穩(wěn)定性提高。