微渦流絮凝工藝在上饒某凈水廠改造中的應用

彭小軍,楊蕓,申子鳴

(深圳市利源水務設計咨詢有限公司,廣東 深圳 518000)

1 工程項目背景

上饒某凈水廠于2010年建成一期5萬m3/d水廠,水源為鄱陽湖珠湖內湖水;常規的凈水廠水處理環節是混凝、沉淀、過濾、消毒。目前該水廠存在著混凝效果差、不能按照既定要求降低原水濁度、常規濾池堵塞情況嚴重、反沖洗頻率較高、生產清水的成本較高等問題。為確保清水池出水水質滿足生活飲用水水質標準,同時能降低制水成本,該凈水廠綜合經濟、技術、工期,以及現場情況等各因素,以微渦流混凝工藝為技術標準,對現狀水廠開展工程改造,達到改善原水的絮凝效果,優化水質的目的。鄱陽湖,為長江流域中下游重要分支湖泊,是長江流域的過流能力強、吞吐規模大、受天氣影響大的重要湖泊,珠湖內湖,是鄱陽湖東部區域性湖泊,總磷是其水質的主要污染物;鄱陽湖湖區總磷濃度由2018年最高0.08 mg/L下降為2020年的0.06 mg/L,今年上半年進一步降至0.05 mg/L,創近年來同期最低,同比降低12.3%。尤其是鄱陽湖內珠湖,水質極佳,屬于一類水質,是優質型飲用水水源。

2 微渦流絮凝工藝

2.1 微渦流絮凝理論

微渦流絮凝的關鍵環節是圓形渦流反應器[1-2],微渦流絮凝理論支撐主要是膠體渦流型反應凝聚和多維度立體接觸絮凝[3-5]兩種方式。凝聚效果由水體中所含固體懸浮物穩定程度與顆粒之間相互混合接觸的概率所決定。(1)混凝劑在水體中分解形成膠體顆粒,在微渦流作用下迅速擴散,并與水中膠體最大程度混合,促使膠體顆粒迅速失去穩定性,開始沉淀。(2)微渦流內部各流層之間存在水體流動速度和水流方向的差異,促使各流層之間的膠體顆粒發生布朗運動,并且在離心力引導下,絮體向著反應器徑向運動,提高失穩顆粒的匯合幾率,大大提升絮凝反應效率。接觸絮凝是游離在水體中的絮體對水流中的失去穩定性的固體懸浮物產生附著作用,絮凝而不斷匯集的過程。(3)當水流通過渦流反應器時,由于一定數量的礬花絮狀體殘留在渦流反應器內部,使反應器外側水體的流速大于其內側流速;當水中失去穩定性的固體懸浮物與上述絮狀體接觸時,其被吸附在其表面,絮凝物不斷生成,粒徑較大的礬花體在微渦旋運動的作用下被重新組織成體積很小的絮狀體,從而保證了它的凝聚能力得以維持;緊實度較小的礬花物,在渦旋作用下,會發生結構重組,再次凝聚成高密度絮狀,從而保證絮狀平穩沉淀,水質效果得到保證。

2.2 微渦流絮凝工藝產品構造特性

微渦流絮凝工藝的關鍵環節是渦流反應器,渦流反應器設計初始的計劃是取代網格反應器,克服或削弱其安裝不方便、堵塞后清洗難度高、使用周期短,更換頻率高,運維難度大等缺點。渦流反應器其構造特點如下:(1)空心圓形結構,反應器外形大小依據工藝使用需要明確,反應器面層均需做特殊處理;(2)反應器面層開有孔洞,孔徑和面層孔洞分布規律根據實際運行需要確定;(3)反應器采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯復合聚合物,是材質優、韌性好、易定型的聚合復雜分子構造材質,壁厚由結合項目需要設計確定。

渦流反應器其使用特性如下:(1)無需固定,規律性堆積,但無孔洞堵塞的情況發生,直接投放;(2)生產周期段,批量化生產,有利于工程項目的推進,可廣泛的應用,大大縮短項目周期。(3)水體速度、水流方向變化,同時渦流反應器內外側面的碰撞阻力,水體形成微渦流運動;(4)材料韌性好,適用飲用水的材質,避免腐蝕困擾,使用周期較長,不易損壞,性價比高;(5)隨著不斷上向水流中會漂浮轉動,動態化運行,更有利于混凝反應發生,提高絮凝效果,改善出水水質。

2.3 微渦流絮凝反應運行機制

渦流反應器的工藝形式可根據水質特征、水處理構筑物布局、形狀及全流程給水處理工藝要求適時調整,詳細內容如下:(1)水流原則上應調整成垂直方向運動,就是垂直絮凝池底向上或向下的流動狀態,渦流反應器應該豎直方向放置在絮凝區,避免會絮體殘留在反應器內,因此,渦流反應器必須置于絮凝區。將渦流反應器投入水體向上流動的區域演化的絮凝區稱為上流絮凝集區,將渦流反應器投入水體向上流動的區域演化的絮凝區稱為下流絮凝集區。(2)上向/下向流絮凝區可依據工程項目實際情況調整,將上與下進行排列組合,形成多種工況,各反應段流速逐漸下降或保持不變,水體通過各反應段水力停留時間一般大于等于5～8 min。(3)水體流過孔道流速不同,不同面層開孔尺寸和開孔分布率的渦流反應器,前/后區在基本理論層面上存在一定程度的差異,建議選用同尺寸渦流反應器,有利于項目的實施和后期的運行維護。(4)優化設計排放泥水部分,大概率形成沉泥集中區域最下方安裝排泥設施,行進的反應器內會有浮動的沉泥,最下方排泥能夠最大程度的將反應器外部的沉泥排放。

3 技術設計改造

3.1 改造前水廠運行概況

水廠處理規模5.0×104m3/d,分兩座尺寸及技術指標一致的絮凝反應池,并且左右對稱各分布10小格,單格平面尺寸為2.6 m×2.28 m,高度4.1 m,有效水深3.2 m,絮凝時間22 min。每座孔室絮凝池平面布置如圖1所示。

圖1 絮凝池示意圖

原水濁度3.8 NTU,絮凝時間22 min,PAC(聚合氯化鋁)配合比0.64%,隔膜式計量泵開啟度50%,PAC藥劑投入量為2.0 mg/L,濾池進水濁度3.3 NTU。水廠整體平穩運行,進濾池前水體的濁度去除率僅為14.3%,濾池反沖洗(水洗)頻率每天一次,頻率較高,沉淀反應池內礬花尺寸小,出現大面積礬花,外溢情況明顯,水質差。

首先調整PAC投入量,PAC投入量為5.0 mg/L,水源濁度4.4 NTU,絮凝時間22 min,PAC配合比1%,隔膜式計量開啟度90%,濾前水濁度3.7 NTU,濾池水洗周期一天一次,礬花尺寸小,礬花外溢至集水槽,出水絮凝效果不理想。

依據監測數據可知,調整PAC投藥量,原水濁度去除率優化到17.0%,但進濾池前的水體濁度值3.69 NTU,濾前水濁度大于3 NTU,濾池承擔負荷重,水洗頻率高,制水成本高。單純的增加PAC投加量,絮體沉淀效果并不明顯,未能有效解決水廠濁度無法有效去除,水質安全無法保證。

3.2 技術設計改造方案研究

(1)維持絮凝池構筑物內部構造不變,第一座第2至6格絮凝池底部0.6 m以上位置固定316L不銹鋼材料方條支撐(池內凈空間:2.57 m×2.25 m;方條間距12 cm)。(2)在第一座絮凝池內左右兩邊的第2至6格對稱投放渦流反應器(φ為20 cm,表層孔洞尺寸為35 mm),放置后立體總高度為1.6 m。單格孔室改造后效果圖如圖2所示。

圖2 單格改造效果圖

3.3 關鍵設計技術參數計算

3.3.1 改造后絮凝反應時間計算

依據改造升級后剖面圖,316L不銹鋼架結構固定在第2至6格距離絮凝池底0.6 m處,用于承載渦流反應器,其放置后立體總高度為1.6 m,則微渦流反應時間T1,非渦流反應時間T2:

總絮凝時間:T=T1+T2=5.5+14.2=19.7 min。

3.3.2 微渦流絮凝工藝水體流速計算

微渦流絮凝區域水體流動速度應維持在60～80 m/h以內,若超流體速度限值,需在向上流區域采用隔擋的工程方案,避免渦流反應器隨水體上向溢出,影響常規工藝正常運行,水質保障性低,反應池通過技術措施調整,升級成為微渦流絮凝池后,池體內水流上行的速度為:

通過計算數據顯示,水體流速未在限值區間內,建議采用隔擋的工程方案。

3.3.3 絮凝反應G值及GT值計算

結合現場實際情況,理論核算,水體從第2格至第10格的全部水頭損失為0.3 m,G值核算:

平均GT=47×19.7×60=5.5×104,上述數據符合絮凝時期理論限制參數:平均G=20～70 s-1,平均GT=1×104～1×105,設計G值及GT值合理。

3.4 工程改造后運行情況

兩座絮凝反應池設計規模為2.5×104m3/d,其中一座絮凝沉淀反應池技術改造完成后,藥劑投加量5 mg/L,水廠穩定運行,通過與未經改造孔室絮凝池出水濁度對比,數據顯示微渦流混凝優化效果符合改造目的。改造后濾前水濁度低于2 NTU,反沖洗周期由24 h提升至36 h,絮凝時間由22 min縮短為19.7 min,出水濁度由1 NTU降到0.5 NTU以下。(1)絮凝反應池內礬花顆粒大、緊實,礬花實體清晰可視;(2)通過沉淀池出泥水工況可知,礬花大部分在沉淀反應池的前半段下沉,后半段污泥量顯著少于前半段,混凝反應效果得以改善,絮體沉降難的問題得到一定程度解決。

3.5 工程方案運行結果小結

(1)現狀絮凝反應池技術升級前,提高PAC投入量,整個工藝流程運行平穩,檢測分析進濾池前原水濁度,PAC的增加,并未改善膠體去除率,原水濁度值下降不明顯;(2)工程設計升級,加入PAC 5 mg/L,放入渦流反應器的濾前進水濁度,低于未投加產品的濾前進水濁度,未經技術升級的后反應池內礬花尺寸小,下沉難度大,進濾池前水體的濁度值在4 NTU以下,水廠終端濁度值在1 NTU以下,普通濾池反沖洗(水洗)周期為每天一次,技術改升級后絮凝區域內礬花緊實,凝聚成果明顯,易下沉,進濾池前水體濁度值在2 NTU以下,水廠終端濁度值在0.5 NTU以下,水洗周期提升至36 h,反沖洗頻率降低,絮凝效果提高。

4 微渦流絮凝工藝多因素探討

4.1 微渦流絮凝工藝運用范圍

微渦流絮凝工藝不僅適用新建供水廠,也適用于現狀水廠構筑物優化升級,對絮凝區域采取合適物理隔離措施,確保上/下向流體環境和優化把控水流行進快慢,絮凝區的外形可根據現場實際情況去調整,多為圓形、長方形、正方形等多變外形,深度同樣根據水質需要優化。

諸多實際案例證明,微渦流反應器也用于常規污水處理工藝,經過渦旋凝聚以及多維度碰撞絮凝,最大程度適用絮凝區域、渦旋動力與絮體活性,顯著改善絮凝效果,改善出水質量,保障出水水質,優化公司運維成本,提升生產效益。

4.2 微渦流混凝工藝技術討論

4.2.1 微渦流工藝處理低溫低濁度原水

水溫較低時,水體的黏附能力增大,水體內中固態懸浮物不規則運動活性降低,匯集機會少,影響固態懸浮物失穩凝聚,而且影響絮凝生成。低溫工況下懸浮顆粒的水化影響面廣,削弱膠體凝聚,以及固態懸浮物間的黏附能力。水中固態顆粒大小、帶電性都會不可避免地影響絮凝反應。懸浮物尺寸小且均勻,絮凝反應不理想,固態懸浮物濃度低,顆粒碰撞概率低,影響出水水質;微渦流混凝反應器可充分地利用流動水體的影響,增加脫離穩定性的膠體相互碰撞的概率,極大的促進水體膠體的運動,使得低溫低濁度的水體在渦流反應器的流動下,利于絮凝沉淀,礬花尺寸合理,絮凝效果明顯,水質好。

4.2.2 微渦流工藝處理酸堿度異常原水

pH值是水酸堿性的參數,原水的pH值會較大程度改變混凝劑的水化反應,當水體的pH值處于定量區間,才可以確保混凝效果。水體投加混凝藥劑,藥劑發生水化反應,使水體的H+濃度升高,會引起水體的pH值降低,影響水化的進行。確保pH值維持在合理區間,水體中需要定量的堿性物質與H+稀釋。自然水體基本都有部分堿度(一般是HCO3-),可稀釋混凝劑水化過程形成H+, pH值有緩沖作用。當自然水體堿度量過小或藥劑量過大,pH值將顯著降低,破壞絮凝反應。

4.2.3 微渦流工藝處理突發情況下水量負荷工況

水量沖擊是指非常規的、突發性水量變化。對于供水廠城鎮最高時用水量及源頭供水調整均影響進水水量,特別是夏天高峰供水時期,水廠進水量變化幅度大,引起調整藥劑投入量次數增加,且沉淀后出水效果不理想。但需要留意的是,此類變化并非線性調整,隨后要重點關注反應池的絮體,以免投加不合理,影響絮凝成效。

4.2.4 微渦流工藝與藥劑的種類與投加量的關聯

不同混凝劑的最優投加量與藥劑的性質及類型相關。一般來說,混凝劑的投加量應該滿足攪拌物料的要求,以達到最佳的黏度和流動性。(1)根據實驗結果確定:通過燒杯試驗,可以通過改變混凝劑投加量,分析不同投加量下混凝劑的變化,從而確定最優投加量;(2)根據混凝劑的性質:混凝劑的性質決定了它的最佳投加量,比如黏度、濃度、抗滲透性等,可以根據不同性質確定最佳投加量;(3)根據混凝劑的用途:混凝劑的用途也決定了它的最佳投加量,比如用于抗剝落、抗滲透、抗滑移等,可以根據不同用途確定最佳投加量;(4)根據攪拌物料要求:投加量應該滿足攪拌物料的要求,以達到最佳的稠度和流動性。優選適宜的混凝劑及投加量,從而更好地促進微渦流混凝工藝的應用,保障更好的絮凝沉淀效果。

4.2.5 微渦流工藝與藥劑投加方式的關聯

干式投加和濕式投加是兩種不同方式,因為固態藥劑與液態藥劑,以及不同配比的液態藥劑之間,藥劑水化形態雖有時不完全一致,但依然具備壓縮雙電層或電中和能力,可能加入到原水后出現的絮凝反應不同。如若除投加主藥劑外仍投入額外助凝劑,那么各藥劑相互投入先后順序,對絮凝反應也會區別,需要經過燒杯實驗和實際水廠運行試驗明確合適的投加藥劑種類及順序。管式靜態藥劑混合裝置是無外部動力機械混合,藥劑伴隨水流轉動,水流經過后除形成降壓以外,主要是流體分割、徑向運動、異向渦旋,藥劑充分擴散碰撞,混合充分,利于絮體形成。微渦流絮凝反應器在同類水廠技術升級的應用為工程實踐提供關鍵數據和參考意義。