水廠中的魯小班！水力旋流型網(wǎng)格絮凝池改造實(shí)例

絮凝工藝表現(xiàn)不佳，將直接影響渾濁度的去除，并影響后續(xù)工藝的運(yùn)行效果，從而對(duì)出水的水質(zhì)情況產(chǎn)生負(fù)面影響。而部分工藝上運(yùn)行狀況的不佳和構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)存在一定關(guān)聯(lián)。針對(duì)構(gòu)筑物設(shè)計(jì)的缺陷和相應(yīng)的改建優(yōu)化問(wèn)題，文章以水廠運(yùn)行過(guò)程中的一個(gè)小改造為切入點(diǎn)，對(duì)比了改造前后的效果，在水力旋流型網(wǎng)格絮凝池流道設(shè)計(jì)和絮凝裝置方面有創(chuàng)新點(diǎn)。該改造實(shí)例可為水司提供借鑒和參考。

某水廠網(wǎng)格絮凝工藝落后、運(yùn)行年限長(zhǎng)，在進(jìn)水負(fù)荷較高的工況下處理能力和出水水質(zhì)不能滿足用水需求，隨著更高水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施以及遠(yuǎn)期深度處理工藝對(duì)預(yù)處理要求提高，需強(qiáng)化常規(guī)處理工藝處理效果，對(duì)絮凝池進(jìn)行全面的技術(shù)改造。

絮凝反應(yīng)是給水處理中重要的工藝環(huán)節(jié)，也是保障出水水質(zhì)的第一步工藝流程。絮凝反應(yīng)的效果不僅取決于絮凝劑的特性，還取決于絮凝裝置所提供的動(dòng)力學(xué)條件。改造前該水廠采用柵條網(wǎng)格絮凝池，當(dāng)水流通過(guò)柵條絮凝池時(shí)水流收縮，通過(guò)孔洞后水流擴(kuò)大，在這一過(guò)程中水中顆粒與水流形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)顆粒碰撞形成絮體。但是當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷升高時(shí)，柵條絮凝裝置提供的水力條件難以達(dá)到理想的絮凝效果，更換新型網(wǎng)格絮凝裝置是提高絮凝反應(yīng)效果的有效途徑。張先斌等將個(gè)舊市松礦水廠原穿孔旋流絮凝池改造為微渦流絮凝池，水流經(jīng)反應(yīng)器時(shí)產(chǎn)生了微渦流動(dòng)，增加了顆粒碰撞幾率，提高絮凝反應(yīng)效果，濾前水渾濁度由改造前3-4NTU降低至3NTU以下。何華良將南方某水廠回旋式絮凝反應(yīng)池改建成網(wǎng)格絮凝池，在出廠水渾濁度及各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)的情況下，實(shí)現(xiàn)供水量超出設(shè)計(jì)處理能力8%和半年月均投礬量減少21.13%。

水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置是一種由三角組件、斜棱板兩部分拼裝而成的六邊形網(wǎng)格絮凝裝置（見(jiàn)文末的圖示）。當(dāng)水流通過(guò)絮凝裝置時(shí)，斜楞板上的斜楞板對(duì)水流轉(zhuǎn)向擾動(dòng)，打破水流跟從效應(yīng)，形成流體折轉(zhuǎn)紊動(dòng)，其特點(diǎn)是水流通過(guò)旋流網(wǎng)格過(guò)程中產(chǎn)生多層次微動(dòng)力擾動(dòng)，促進(jìn)礬花的形成與結(jié)合，從而提升絮凝效果。此外，經(jīng)水力旋流網(wǎng)格反應(yīng)后的絮體沉降性能大幅度改善，有利于降低絮凝劑投加單耗。本次改造選用水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置，因目前國(guó)內(nèi)對(duì)于水力旋流型網(wǎng)格在給水廠工藝改造的應(yīng)用研究較少，本文將改造方案以及運(yùn)行效能進(jìn)行分析和探討，為存在相似問(wèn)題的水廠提供改造借鑒。

該案例改造前的工藝概況

該水廠一期工藝于1994年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)規(guī)模3萬(wàn)m3/d，采用預(yù)氧化-柵條網(wǎng)格絮凝池-平流沉淀池-虹吸濾池-消毒的強(qiáng)化常規(guī)處理工藝。在進(jìn)水渾濁度較低時(shí)，沉淀池出水和濾池出水渾濁度可分別滿足2.0NTU和0.15NTU的公司過(guò)程水水質(zhì)管控要求，當(dāng)進(jìn)水渾濁度升高超過(guò)200NTU時(shí)，沉淀池和濾池出水水質(zhì)惡化，為保障出水質(zhì)，工藝需按設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%-90%減產(chǎn)運(yùn)行。

該水廠原水取自東深引水工程北線二期管道，因原水未經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)蓄，進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大。2019年-2020年進(jìn)水水質(zhì)情況見(jiàn)下表。

該水廠絮凝工藝采用柵條網(wǎng)格絮凝池，按1座2組配置，每組設(shè)置20格豎井，共分為三級(jí)。在第一級(jí)設(shè)置開(kāi)孔比38%的絮凝網(wǎng)格，二、三級(jí)豎井內(nèi)設(shè)置開(kāi)孔比50%的網(wǎng)格柵條絮凝裝置，總絮凝時(shí)間為14.2 min。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算和絮凝條件分析，該絮凝池存在以下問(wèn)題：

（1）構(gòu)筑物池容利用不充分前端豎井流速偏小，且由于后端為經(jīng)中間豎井向兩側(cè)分流再進(jìn)入配水區(qū)，使后端豎井流速更小，僅為0.032mm/s。由中間向兩側(cè)分流的配水形式，雖然滿足了均勻布水的要求，但因?yàn)樨Q井流速過(guò)低，沒(méi)有使末端絮凝池容積得以充分利用，造成礬花生長(zhǎng)過(guò)程中結(jié)合混合力度不夠，終端形成的顆粒不夠密實(shí)，沉淀性能不佳。

（2）絮凝裝置布置不合理改造前該水廠絮凝裝置采用柵條網(wǎng)格，柵條分三級(jí)布置，在第一級(jí)安裝3層開(kāi)孔比為50%的柵條裝置，在2級(jí)和3級(jí)分別安裝2層和1層開(kāi)孔比為38%的柵條裝置。根據(jù)該絮凝工藝長(zhǎng)期運(yùn)行效果的分析以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水力學(xué)參數(shù)結(jié)果，該絮凝裝置在較短的絮凝時(shí)間內(nèi)提供的局部紊動(dòng)不足，絮體形成效果不佳，且不夠密實(shí)，致使礬花進(jìn)入沉淀區(qū)后沉降性能較差。

水廠“手工耿”設(shè)計(jì)了哪些技改方案？

（1）更換絮凝裝置將原有絮凝裝置拆除，重新在絮凝池內(nèi)安裝水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置，在柵條網(wǎng)格提供的收放擾動(dòng)效應(yīng)的基礎(chǔ)上增加旋流擾動(dòng)的作用，使水流在流道中發(fā)生產(chǎn)生高頻譜渦旋，增加懸浮物互相碰撞吸附的機(jī)會(huì)，為絮凝劑與水中的顆粒充分接觸提供動(dòng)力學(xué)條件。

（2）合理配置絮凝裝置放置密度依據(jù)水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置的設(shè)備參數(shù)，合理分配絮凝裝置布置方式，控制絮凝過(guò)程中速度梯度均勻遞減，提供礬花生長(zhǎng)環(huán)境，使懸浮物借助藥劑輔助作用互相碰撞吸附、絮凝長(zhǎng)，且絮體具備良好的沉降性能。

本次改造將絮凝池分為四級(jí)，其中1-6#豎井為第一級(jí)，7-10#豎井為第二級(jí)，11-14#豎井為第三級(jí)，15-20#豎井為第四級(jí)，總絮凝時(shí)間為14.93 min。在第一、二、三級(jí)豎井內(nèi)分別設(shè)置12套、9套、5套開(kāi)孔比為55.18%的水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置，第四級(jí)放置2套開(kāi)孔比為78.28%的水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置。通過(guò)對(duì)絮凝裝置密度的合理分配，調(diào)節(jié)各段絮凝速度梯度由大到小均勻遞減。

（3）合理改善原有構(gòu)筑物流道條件改造前絮凝池尾端16#-20#豎井采用由中間向兩側(cè)分流的布水形式，其主要起均勻配水的作用，但是也造成了絮凝工藝有效反應(yīng)時(shí)間減少。本次改造通過(guò)優(yōu)化水流流道，使有效反應(yīng)時(shí)間增加2.84min，在有限的絮凝時(shí)間內(nèi)使構(gòu)筑物容積得以有效利用，更好的實(shí)現(xiàn)絮凝段工藝功能。此外，在絮凝池出水端采用導(dǎo)流板對(duì)后端沉淀區(qū)進(jìn)水進(jìn)行均布，導(dǎo)流板布置在絮凝池出水端外側(cè)斜向安裝，降低水流由絮凝池進(jìn)入沉淀池時(shí)產(chǎn)生的局部擾動(dòng)，有利于絮體在沉淀池的快速沉淀。改造前后水流方向見(jiàn)下圖：

改造后運(yùn)行效果見(jiàn)奇效

（1）水力條件改造后絮凝池平均G值由40.246s-1提升至52.346s-1，反應(yīng)速度梯度的提高有利于絮凝劑的快速擴(kuò)散和礬花絮體的生成。此外，速度梯度隨著反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸減小，第一級(jí)至第四級(jí)的速度梯度依次為71s-1、55s-1、35s-1和18s-1。絮凝池尾端過(guò)網(wǎng)流速由改造前0.1371m/s降低為0.0832m/s，可有效防止絮凝反應(yīng)末期礬花因混合強(qiáng)度過(guò)大而破碎。

（2）水質(zhì)指標(biāo)在滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，對(duì)比改造前后沉后水水質(zhì)情況，結(jié)果如下圖所示。在進(jìn)水渾濁度最高值28.02NTU，最低值3.02NTU，平均13.03NTU的條件下，改造后沉后水渾濁度平均值為0.71NTU，優(yōu)于改造前0.88NTU，改造前后沉后水的渾濁度去除率分別是93.03%和92.69%。以上結(jié)果說(shuō)明，更換水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置以及改變進(jìn)水流道等措施可以優(yōu)化顆粒脫穩(wěn)和凝聚過(guò)程，使形成的礬花密實(shí)，具有良好的沉降性能，從而有效提高絮凝效果。

（3）絮凝劑藥耗對(duì)比改造前后該水廠聚合氯化鋁藥耗（以Al₂O₃計(jì)）變化情況，結(jié)果如下圖所示。改造后聚合氯化鋁藥劑投加量下降，藥劑投加量由改造前2.3mg/L降低至2.16mg/L，平均藥劑單耗下降6.09%。按照理論處理水量估算，全年聚合氯化鋁藥劑費(fèi)用由228176.1元/年降至214287.1元/年。本次改造同時(shí)實(shí)現(xiàn)了沉淀池出水水質(zhì)提升和混凝劑藥劑單耗降低，主要原因一是通過(guò)絮凝條件的改善，反應(yīng)初期混合強(qiáng)度加強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)絮凝劑與水中顆粒充分反應(yīng)。二是由于進(jìn)水流道的改變使有效反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)一步促進(jìn)絮體密實(shí)生長(zhǎng)，提高絮體沉降性能。

（4）改造費(fèi)用本次改造總投資約103萬(wàn)元，其中水力旋流型絮凝裝置采購(gòu)費(fèi)用約74萬(wàn)元。水力旋流網(wǎng)格絮凝器的多邊形網(wǎng)格固定組件采用ABS材質(zhì)，該材質(zhì)具有質(zhì)量輕、耐腐蝕的特點(diǎn)。絮凝器由三角組件、斜棱板兩部分拼裝后模塊化組裝，不需要焊接或粘結(jié)，結(jié)構(gòu)本身可有效消除應(yīng)力，不易損壞，拆裝和維護(hù)方便，絮凝裝置使用壽命約10年。

“手工耿”的小結(jié)論

該水廠采用水力旋流型網(wǎng)格對(duì)絮凝池進(jìn)行改造，通過(guò)合理布置絮凝裝置和改變進(jìn)水流道等方式，提高絮凝池反應(yīng)效果，實(shí)現(xiàn)沉淀池出水水質(zhì)的提升和混凝劑藥劑單耗降低，并得出以下結(jié)論：

（1）水力旋流型網(wǎng)格絮凝裝置可以提供高頻譜渦旋的水力條件，增加懸浮物互相碰撞吸附的機(jī)會(huì)，使絮凝劑與水中的顆粒充分接觸，礬花沉降性能提高。（2）改造后絮凝池G值顯著提高，并且G值隨著反應(yīng)進(jìn)行而逐漸降低，有利于生成密實(shí)絮體。（3）改造后沉淀池出水渾濁度平均0.71NTU，較改造前沉淀池出水渾濁度0.88NTU相比降低19.32%，沉淀池出水水質(zhì)提升。（4）改造后絮凝劑藥劑單耗由2.3mg/L降低至2.16mg/L，可節(jié)約聚合氯化鋁藥劑費(fèi)用13889元/年。

水力旋流型絮凝裝置

水力旋流網(wǎng)格絮凝裝置的特征在于整個(gè)裝置由三角組件、斜棱板兩部分拼裝而成，斜棱板通過(guò)三角組件拼接成多組六邊型，水流通過(guò)六邊形時(shí)，斜楞板上的斜楞板對(duì)水流轉(zhuǎn)向擾動(dòng)，打破水流跟從效應(yīng)，形成流體折轉(zhuǎn)紊動(dòng)，從而造成“宏觀水流碰撞減弱，微觀水流碰撞加劇”的顆粒碰撞水力學(xué)環(huán)境，其特點(diǎn)是裝置結(jié)構(gòu)本身根據(jù)斜楞板寬度分級(jí)，各級(jí)絮凝裝置形成不同的水流紊動(dòng)速度，從而可以根據(jù)需要調(diào)整所需的速度梯度，提供工藝需要的水力學(xué)絮凝條件。水通過(guò)渦流網(wǎng)格，促使水流的折轉(zhuǎn)，增加水中懸浮顆粒碰撞機(jī)會(huì)，從而使絮體更快形成。