微渦旋混凝技術(shù)在老舊供水工程改造中的應用

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)

1 問題的提出

為保障農(nóng)村供水安全，我國于2005年啟動農(nóng)村飲水安全工程建設，后又于“十二五”期間啟動農(nóng)村自來水工程建設，“十三五”期間啟動農(nóng)村供水保障提升工程建設，十幾年來，全國各地興建了大量農(nóng)村供水設施，工程的建設有力地保障了農(nóng)村供水安全[1]。但由于農(nóng)村供水工程存在特殊性，部分工程存在規(guī)模小，供水保證率不高，設施簡陋等問題[2]。特別是早期興建的部分山區(qū)農(nóng)村供水工程，下雨天進水濁度大，出水水質(zhì)不滿足要求的情況較普遍[3]。隨著社會的快速發(fā)展和人民生活水平的穩(wěn)步提高，飲用水安全問題也越來越引起人們的關(guān)注[4]。近幾年，國家開始大力推進城鄉(xiāng)一體化供水，要求城市與農(nóng)村供水達到同等供水標準，對農(nóng)村供水水質(zhì)提出了新的、更高的要求[5]。通過微渦旋混凝技術(shù)對老舊供水工程進行簡單改造，降低運行管理難度，提高出水水質(zhì)，是一種經(jīng)濟高效的方法[6]。

2 微渦旋混凝技術(shù)原理

混凝是自來水處理中最重要的過程，直接關(guān)系到自來水廠出水水質(zhì)?；炷饕叟c絮凝兩個過程，投加微渦旋反應器的作用是能有效地提高凝聚與絮凝的效率[7]。圖1為微渦旋反應器實物圖。

圖1 微渦旋反應器

2.1 微渦旋凝聚

水中膠體脫穩(wěn)的程度與碰撞的概率決定了凝聚的效率，投加渦旋反應器后，反應區(qū)能形成微渦旋流動，有效地促進水中膠體的擴散與碰撞。微渦旋能有效地促進水中膠體的擴散和碰撞，原因有兩個方面：一是渦旋導致流層之間形成了較大的流速差，使得流層中微粒有了相對運動，提高了微粒之間的碰撞概率；二是微渦旋的旋轉(zhuǎn)形成了離心力，促使膠體沿旋渦的徑向運動，增加了微小膠體的碰撞概率。兩種作用都會隨渦旋尺寸的減小而增大，微渦旋反應器形成了有利于膠體凝聚的水力條件。其作用原理見圖2。

圖2 微渦旋混凝作用原理圖示

2.2 立體接觸絮凝

在混凝反應區(qū)投加渦旋反應器后，反應器內(nèi)流速相對較小，運行一段時間后，會在上向水流區(qū)放置的渦旋反應器內(nèi)形成絮體懸浮區(qū)，懸浮區(qū)內(nèi)的絮體對穿過的脫穩(wěn)膠體形成絮凝作用，所以其絮凝反應相較于傳統(tǒng)反應池效率更高[8]。每個渦旋反應器內(nèi)都具有懸浮絮體，體積大，可以形成立體接觸絮凝的效果；此外，微渦旋反應器內(nèi)的絮體質(zhì)量更好，過大的絮體會在微渦旋的作用下破碎成較小絮體進而保持絮凝能力，而密實度較小的絮體容易在微渦旋的作用下破碎，再次絮凝成更密實的絮體，利于沉淀分離。

3 工程概況

宜春東嶺水廠已運行十幾年，原設計規(guī)模800 m3/d，向三個行政村供水，應急情況下向溫湯鎮(zhèn)供水，設計供水人口6200人，水廠設計1組凈水構(gòu)筑物，工藝流程為：溪水→混合器→穿孔旋流反應池→斜管沉淀池→重力無閥濾池→清水池，投加PAC絮凝，采用二氧化氯消毒。由于水源為山泉水，晴天時原水水質(zhì)較好(濁度一般在3NTU以下)，水廠出水水質(zhì)也較好(一般在1NTU以內(nèi))；但在下雨天(特別是暴雨、大雨時)由于原水濁度升高，水廠處理效果不穩(wěn)定，時常導致出廠水濁度滿足不了《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)不高于1NTU的要求，水廠一般采取停運的方式應對大雨及暴雨天出廠水水質(zhì)不達標的問題。

4 工程改造方案

為了保障供水安全，解決當?shù)叵掠晏鞜o法正常供水的問題，提高供水可靠性，計劃采用微渦旋混凝技術(shù)對水廠進行技術(shù)改造。本次改造不會破壞反應池原有結(jié)構(gòu)，安裝支架后直接投加微渦旋反應器即可，保障沉淀池出水濁度低于3NTU，過濾后出廠水水質(zhì)滿足標準GB 5749—2006的要求，即確保水廠出廠水濁度小于等于1NTU。原有工藝中反應池存在反應不充分，效果不理想的問題[9]，導致絮凝沉淀功效難以充分發(fā)揮，本次對絮凝反應池進行改造，在原穿孔旋流反應池內(nèi)投加微渦旋反應器，提高絮凝效果[10]，保障水廠出水水質(zhì)。

改造后的工藝流程如圖3。

圖3 改造石工藝流程

在反應池中投加了微渦旋反應器，型號為HJTM1微渦旋反應器與HJTM2微渦旋反應器，反應池第1格投加開孔孔徑15 mm的HJTM2型微渦旋反應器，反應池第2、3格分別投入比例40%的HJTM2型微渦旋反應器、60%且開孔孔徑為35 mm的HJTM1型微渦旋反應器，第4格之后僅投加HJTM1型微渦旋反應器。在投加反應器之前，需要反應池的底部放置鋼架，起到支撐反應器的作用，保證排泥通暢，避開絮凝反應的無效段，提高反應器的利用效率。反應池第1格至第6格投加的微渦旋反應器的體積分別為：1.1 m3、1.0 m3、0.9 m3、0.8 m3、0.8 m3、0.7 m3，絮凝區(qū)投加的反應器體積合計為5.3 m3。

5 調(diào)試運行情況

改造結(jié)束后，經(jīng)過三個月的調(diào)試及運行，效果令人滿意。出水水質(zhì)較原工藝有明顯改善，具體表現(xiàn)在: ①在反應池中，生成的礬花清晰，顆粒明顯，沉降性好，而改造前在反應池基本看不見礬花顆粒。②沉淀池出水水質(zhì)明顯改善。改造前，雨天原水濁度高時沉淀池出水大部分區(qū)域都呈淺白色，而改造后沉淀池出水呈碧綠色，表明水質(zhì)明顯改善。③濾池工作周期延長，反沖洗時間縮短，反洗水耗降低，表明待濾水濁度降低，且礬花的絮凝質(zhì)量提高。④濾后水濁度均在1NTU以下。

6 數(shù)據(jù)分析

(1)可保障沉淀池出水濁度低于3NTU。2020年2月1日至4月4日對凈水設施進行各種工況條件下的調(diào)試，期間根據(jù)進水濁度的變化情況，及時調(diào)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，滿足標準GB 5749—2006要求。

(2)混凝反應時間縮短為5～8 min。東嶺水廠供水水質(zhì)之所以容易出現(xiàn)濁度超標的情況，有個重要原因是水廠施工時，穿孔旋流反應池的穿孔高度出現(xiàn)了誤差。通過現(xiàn)場復核，上下兩孔之間的間距由平均1.6 m縮短到了0.8 m左右，導致水廠原反應池反應區(qū)絮凝反應時間從16分鐘縮短到8分鐘左右。而8分鐘，在微渦旋反應器要求的停留時間范圍內(nèi)，而根據(jù)現(xiàn)場運行調(diào)試，投加微渦旋反應器后，可以解決因施工不到位導致的缺陷，保證水廠正常運行，保障出水水質(zhì)。

(3)混凝劑消耗降低10%以上。改造前，進水濁度在20NTU、30NTU、40NTU的情況，需分別投加10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L；改造后，進水濁度在20NTU、30NTU、40NTU的情況，需分別投加8 mg/L、12 mg/L、15 mg/L，可知相同情況下，投加反應器后，混凝劑投加量可以降低20%左右。

(4)濾池反沖洗水量節(jié)約15%以上。根據(jù)咨詢水廠運行負責人，在未安裝微渦旋反應器的情況下，水廠大約15 d進行一次自動反沖洗；安裝微渦旋反應器的情況下，水廠大約20～25 d進行一次自動反沖洗。反沖洗周期由平均15 d變成了平均22 d，可節(jié)約濾池反沖洗水量40%。由于反沖洗周期較長，反沖洗周期的間隔不一，后期還需要后續(xù)的運行中進行觀察分析。

7 結(jié) 論

微渦旋混凝技術(shù)最大的特點是混凝效率高、抗沖擊負荷低、出水水質(zhì)好、改造簡單，改造成本低，每立方米反應器成本約為1500～2000元，反應器投資僅占供水工程的1%左右，對于不少因雨天水源濁度大，出水濁度超標，雨天無法正常運行的已建農(nóng)村供水工程，具有較好應用推廣價值，可降低農(nóng)村供水工程運行管理難度，提高供水保障程度。