氣浮設備在水廠升級改造中的應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行升級改造，并加裝氣浮設備，將其升級改造為一種具備雙重功能的可切換氣浮沉淀池，與氣浮設備自動化程序配合，在高藻低濁度時開啟氣浮設備，利用氣浮工藝除藻；在洪水到來濁度提高時關閉氣浮設備，關閉排渣口，恢復傳統沉淀效果，有效降低生產成本，提升出廠水水質。該升級改造技術，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，能實現增效降耗的效果。

關鍵詞：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；排渣設備

中圖分類號：TP29" " 文獻標志碼：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，韓江流域受水利設施、氣候變化情況和經濟生產活動的影響，水源水質逐年下降，原水低濁、多藻趨于常態化。隨著韓江水質惡化，藻類大量繁殖，水體呈現暗綠色。藻類會阻止水中泥土膠體顆粒的碰撞，影響凝結效果，結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（供水規模為20 000 m3/d）自20世紀90年代建成投入使用，至今已運行近三十年。該沉淀池具有結構簡單、體積小、運行穩定和維護方便等優點。然而，該池反應和停留時間短、流速快，對原水水質濁度要求較高，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，嚴重影響了正常供水。

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

2" " 升級改造工藝的選擇

為解決水廠復雜原水的處理難題，參考城鎮給水工程設計規范及氣浮相關案例[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，實現固液或液體分離。該技術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用[4]。

本項目的供水規模為20 000 m3/d。為了提升水質處理能力，在原有孔室絮凝斜管沉淀池的基礎上加裝了氣浮設備，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。

這種池體在構造上與傳統反應沉淀池保持一致，能夠根據水質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沉淀過程。這樣的設計不僅能有效去除水中的懸浮物、膠體雜質，如泥沙、藻類和微污染有機物等，還提高了工藝的適應性和靈活性。

該升級改造方案巧妙地解決了多個技術難題，包括常規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性。可切換式氣浮沉淀池的設計允許在不影響正常生產的情況下，輕松地將傳統反應沉淀池升級改造為新模式。通過停運氣浮溶氣系統[7]，可以迅速恢復至原沉淀池狀態，且在氣浮與沉淀模式之間切換時，水質保持穩定。這種池體設計提供了一種經濟高效的解決方案，不僅適用于新建水處理工藝，而且尤其適合對現有常規反應沉淀池進行改造升級。

氣浮系統工藝流程如圖3所示。

3" " 氣浮設備

3.1" " 設計參數

根據我單位第一水廠（供水規模為20 000 m3/d）的氣浮設備選型設計要點（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）分別進行計算，得到以下參數（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" " 主要設備選型

結合我單位第一水廠的供水規模和工藝實際情況，氣浮設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。考慮到自動化生產，選用普軒特管道循環泵PFL100-200-22/2，功率22 kW，轉速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，能實現自動化控制；系統設置一套備用水泵，因選原水作為氣浮用水現場施工距離遠、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，根據管網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TD100-22G，核定功率7.5 kW，轉速2 900 r/min，揚程22 m，起到節能降耗的作用。

3.2.2" " 溶氣釋放器

溶氣釋放器的型號及個數應根據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

根據空壓機所需額定氣量為0.084 m3/min，并考慮安全效率系數（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備的要求。

3.2.4" " 溶氣罐

根據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備的要求。

3.2.5" " 排渣設備

根據氣浮池生產的需要采用水力排渣槽，即設計5個排渣槽，利用現場水流情況在反應區做可調節高度漏斗，利用水流推動浮渣進入漏斗，比起采用刮渣機排渣，能大大減少維護成本。在漏斗下方的排水管上設置排渣閥門控制排渣。

3.2.6" " 其他設備

為維持溶氣罐恒水位控制，采用浮球閥電氣開關量觸點機械控制進氣電磁閥；為調節水壓大小、藻類高低所需的氣量和降低空壓機運行頻率，采用氣量微調閥控制；因空壓機輸出氣體中含有油水，氣量微調閥出氣孔較為精密，經常被油水堵塞，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設置出水電動閥門控制是否進水；為實現自動化控制，需配套各類設備的控制箱。

其中氣浮控制箱如圖5所示。

4" " 氣浮設備控制原理及運行控制系統

當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的閥門（變頻水泵，可通過壓力傳感器，利用設定的壓力值自動調節變頻水泵的頻率大小，在自動化控制中是最值得推薦的；工頻水泵為備用設備，對比變頻水泵，其最大特點是省電），使水進入溶氣罐，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，再通過氣量微調閥調節所需氣量進入溶氣罐，與罐內的水混合，最后通過安裝在反應區的溶氣釋放器釋放入水中，開始氣浮工作，利用水流推動浮渣進入漏斗，并控制打開漏斗下方的排渣閥將浮渣排出；當原水處于高濁度時，通過自動化程序控制變頻水泵、閥門、空壓機、排渣閥關閉，變為普通沉淀池使用。因生產需要，氣浮設備經常長時間工作，為避免變頻水泵的電機工作時間過長發熱或發生故障，正常情況下可通過自動控制程序設置切換到備用的工頻水泵進行輪休（應根據電機的實際情況設定）。

氣浮控制箱控制信號如圖6所示。

氣浮設備運行控制系統如圖7所示。

在本氣浮設備自動化控制系統中還設置了防誤操作，即自動狀態下要判定水泵已開才能打開閥門，判斷水泵停止的話能關閉對應閥門；空壓機如果連續運行5 min會報警關閉空壓機，防止空壓機輸出氣管、空氣凈化器、氣量微調閥、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工作而發熱發生故障，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），設置為聯鎖控制，當主用空壓機故障或供氣壓力低于設定值時，啟動備用空壓機，并發出報警提示維護信號。

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，選用的氣浮設備在自動化控制中操作簡單、反應速度快、安全性強、可靠穩定，使各氣浮工藝單元運行良好，出水水質穩定。反應沉淀池區上層的水更加澄清、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，產水量提升了17個百分點；從改造后的生產情況來看，可以除去水中60%～80%的藻類，有效降低生產成本，提升出廠水水質，滿足居民用水的質量要求。

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備操作系統與現有技術相比，具有以下技術創新的效果：與傳統的沉淀池和氣浮池相比，具備沉淀和氣浮雙重功能，適應各種原水水質，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，本項目不涉及結構，且施工工期和停水時間能大大縮短，改造費用大大減少。

6" " 結論

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

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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：閥門設計與制造、機械設計制造及其自動化。