微渦旋工藝在農村供水工程中的應用及效益分析

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)

為了提高農村供水保障程度，江西省于2020年下發了全面推進城鄉供水一體化的指導意見，要求運用先進實用的水處理工藝與消毒技術，以及自動化控制與現代信息技術等，建立從源頭到龍頭的供水安全保障體系，全面提高供水質量與管理水平，實現城鄉供水同標準(供水水質和供水保證率)、同管理、同服務[1-4]。飲用水水質達到國家規定的標準，農村居民喝上安全水、放心水、幸福水的愿望基本實現。

近年來，我國興建了大量農村供水設施。但由于我國幅員遼闊，農村情況各異，部分工程存在供水設施簡單，供水保障程度低等問題。部分偏遠山區農村供水工程，僅采用“慢濾”作為凈化工藝，下雨天地表沖刷導致進水濁度增大時，出水濁度超標的情況較普遍。農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村水廠凈化效果的方法之一，主要是通過在反應區投加微渦旋反應器，提高混凝反應效率，提高水廠出水水質，降低水廠運行管理難度，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系到后續沉淀效果及過濾出水水質。根據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，混凝反應才最充分。投加微渦旋反應器的目的就是在水體中形成大量微小的渦旋，進而提高混凝反應效果[7]。

膠體在水力作用下，穿過反應器，從而加快膠體的擴散及碰幢。水流在穿過反應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生離心力，形成徑向碰撞。此外，運行一段時間后，絮體在反應器內聚集，形成了大的密集的絮團，水流穿過反應器時，形成了一個具有“濾床”性質的“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 微渦旋反應器實物

圖2 微渦旋混凝作用原理圖示

2 工程概況

科技項目推廣地原為市直單位掛點貧困村，當地原供水設施為引山溪水經沙濾池簡單過濾后供水，供水人口為1255人，日最大供水規模為120 m3。現狀建有2個沙濾池及1個蓄水池。工程存在的主要問題是雨季強降雨沖刷地表，導致原水濁度快速升高，凈化處理后的飲用水依然很渾濁，經當地取樣檢測，下雨天水廠出廠水濁度多在10～20 NTU，無法滿足飲用水衛生標準要求。

3 工程設計方案

首先要解決的是當地下雨天進水濁度升高導致水廠出水無法達標的問題，同時通過本項目驗證微渦旋混凝工藝在農村新建水廠中的應用能否達到科研項目的預定目標[8]。

本工程現狀年為2019年，設計水平年為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，設計供水規模按150 m3/d考慮。

水廠利用原老水廠廠址，依地勢而建。在水源地建設陂壩自流取水，經微渦旋混凝、斜管沉淀及重力式無閥過濾器過濾后，進入清水池進行調蓄及消毒，處理達標后，向下游村莊自流供水。如圖3。

工藝流程如圖4所示。

圖3 微渦旋澄清池結構

圖4 工藝流程

生產區主要按照水力流暢原則，為直線型布置，廠區依次設置了取水陂壩、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，其中反應器的成本約占總投資的2%。

4 調試運行情況

2020年3月底水廠基本完工，2020年4—6月對設備進行各項調試，檢測進出水水質。澄清池第一反應池投加開孔孔徑15 mm的微渦旋反應器，第二反應池投加開孔孔徑為35 mm的微渦旋反應器。

根據各種工況數據進行整理，分析了在不同進水濁度條件下，通過調整絮凝劑的投加量，控制沉淀池出水濁度及濾后水濁度，具體調試結果見表1；還分析了相近工況條件下，為滿足出水濁度要求，投加微渦旋反應器與不投加微渦旋反應器時，兩者需投加絮凝劑投放量的差別，調試結果見表2。

5 科研項目合同指標分析

(1)澄清出水濁度低于3 NTU。 2020年5月9—28日，對凈水設施進行各種工況條件下的調試，期間根據進水濁度的變化情況，及時調整絮凝劑投加量，可以保證沉淀池出水在3NTU以下，濾后水濁度在1NTU以下，滿足飲用水衛生水質標準要求。

表1 不同進水濁度條件下沉淀池及濾后水濁度

表2 相近水質條件下投加反應器對絮凝劑投加量的影響

(2)混凝反應時間縮短為5～8 min。 2020年1月簽訂設備采購及服務合同， 其中要求微渦旋混凝時間在8 min以內。根據對微渦旋澄清池尺寸進行復核，微渦旋混凝反應器的容積為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，對設備進行各項調試，檢測進出水水質指標。其中2020年4月8—25日是在未安裝微渦旋反應器的情況下對凈水設施進行調試，5月9—28日 是在安裝微渦旋反應器的情況下對凈水設施進行調試。分別選取了4月份和5月份2次降雨期間凈化效果進行對比研究。在未安裝微渦旋反應器的情況下，測得平均進水濁度為41.5NTU，平均濾后水水質為0.7NTU，絮凝劑PAC投加量為16 mg/L；在安裝微渦旋反應器的情況下，平均進水濁度為41.5NTU，平均濾后水水質為0.7NTU，絮凝劑PAC投加量為13 mg/L，在安裝微渦旋反應器情況下，混凝劑消耗量降低18%。

(4)濾池反沖洗水量節約15%以上。 調試期間，在未安裝微渦旋反應器的情況下，凈水設備于4月11日進行了自動反沖洗，4月25日進行了一次反沖洗；安裝微渦旋反應器的情況下，凈水設備于5月 15日進行了自動反沖洗，5月26日也進行了自動反沖洗。反沖洗周期由11 d變成了14 d，可節約濾池反沖洗水量21%。由于現在還是凈水裝置運行初期，濾池反沖洗周期還不夠穩定，后期還需要在后續的運行中進行總結分析。

6 結 論

通過本次科研項目推廣，表明微渦旋工藝能夠使混凝反應時間縮短到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，能夠達到科研項目的預定目標。微渦旋工藝具有反應效率高，運行簡單，成本低等特點，能夠較好地應對農村因下雨導致進水濁度大幅升高而無法保障水廠出水水質的問題，投加微渦旋反應器不需要改變傳統水力澄清池的結構，在農村供水工程中具有較好的推廣價值。