殷 祺

(吳江華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215200)

1 遇到的問題

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，水源污染導(dǎo)致的飲用水安全問題突出，常規(guī)凈水工藝(混凝、沉淀、過濾、消毒)已難以滿足部分污染物的去除要求。為確保生活飲用水安全，目前，通常采用強(qiáng)化常規(guī)凈水工藝、在常規(guī)處理基礎(chǔ)上增加預(yù)處理工藝和深度處理工藝等[1-4]。為了進(jìn)一步提高出廠水水質(zhì)，增強(qiáng)供水安全保障能力，2011年5月，江蘇省住建廳明確要求省內(nèi)以太湖等有關(guān)湖泊為水源地的水廠必須采用深度處理工藝。

臭氧活性炭工藝是目前我國較為流行并廣泛推廣的深度處理工藝之一。使用預(yù)臭氧工藝的水廠往往在平流沉淀池中會(huì)有浮渣產(chǎn)生，但產(chǎn)生的浮渣量不盡相同，當(dāng)浮渣量大時(shí)會(huì)增加濾池的表面負(fù)荷，縮短沖洗周期，嚴(yán)重時(shí)甚至危及水廠連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。在蘇南某以太湖為水源的水廠的應(yīng)用主要為預(yù)臭氧接觸池及配水井+常規(guī)制水工藝+后臭氧接觸池及生物活性炭濾池，詳細(xì)工藝流程如圖1所示。該廠在2016年底進(jìn)行深度處理改造，于2017年具備調(diào)試條件。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，在使用了預(yù)臭氧工藝后，沉淀池產(chǎn)生氣浮，本應(yīng)隨重力沉降的絮凝體在沉淀池大量浮起，極大增加了濾池負(fù)荷，水廠無法穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。

圖1 蘇南某水廠工藝流程Fig.1 Process of a Water Treatment Plant in Southen Jiangsu Province

本文著重分析了使用預(yù)臭氧工藝后，沉淀池大量產(chǎn)生浮渣的原因，并尋求徹底解決的方案。

2 問題原因分析

為保障水廠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)預(yù)臭氧接觸池剖面圖(圖2)進(jìn)行分析，水廠運(yùn)行人員制定了調(diào)試方案，探尋原因。通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)：在不投加臭氧時(shí)，水流通過預(yù)臭氧配水井，沉淀池已產(chǎn)生浮渣，對(duì)配水井前后溶解氧進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)溶解氧有所上升；當(dāng)水流量變大，一次配水產(chǎn)生的落差減小，浮渣增多，溶解氧進(jìn)一步上升；開始投加臭氧后，流量恒定，臭氧投加量從0 mg/L增加到1 mg/L，浮渣產(chǎn)生的量不隨臭氧投加量的增加而顯著增加，配水井前后的溶解氧差的絕對(duì)值不隨臭氧投加量的增加而增加。綜上所述，浮渣產(chǎn)生的原因與臭氧投加量無關(guān)，與一次配水跌落的高度無關(guān)，與流量大小顯著相關(guān)。為查明原因，工作人員在配水井出口管道上方安裝攝像頭。通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，出水管口處產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦導(dǎo)致氣體摻雜進(jìn)水中，在后續(xù)的沉淀池受浮力上升釋放，是產(chǎn)生浮渣的主要原因。

圖2 預(yù)臭氧池及配水井結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure Diagram of Pre-Ozone Contact Tank and Distribution Well

3 裝置消旋方案

為消除漩渦，水廠工作人員分別采用孔板裝置、分層進(jìn)水裝置來改善配水井內(nèi)水流流態(tài)，消除配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦，從而解決沉淀池浮渣問題。

3.1 孔板消旋

水廠試驗(yàn)了多種漩渦消除裝置，包括孔板、米字形、十字形等導(dǎo)流體，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各種漩渦消除裝置對(duì)浮渣的產(chǎn)生均有改善，但不能完全消除。利用圖3孔板流量儀原理制作的漩渦消除裝置可以消除單一流量下的漩渦，但當(dāng)流量發(fā)生變化時(shí)漩渦會(huì)重新產(chǎn)生或者因?yàn)榻孛娣e過小，后續(xù)流量損失。

圖3 孔板消旋裝置Fig.3 Orifice Racemization Device

3.2 分層進(jìn)水消旋

為了兼顧水位和不同流量下對(duì)流態(tài)的控制，開展流動(dòng)特征和泄水摻氣抑制結(jié)構(gòu)研究。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)基本原理，按照Froude數(shù)相似建立了能夠反映配水井主要流動(dòng)特征的縮比模型，原型出水口管徑為1 620 mm，試驗(yàn)比尺λ=5.8，模型出水口管徑為280 mm。通過疊加3個(gè)不同管徑的管道，抑制不同流量條件下的摻氣現(xiàn)象。根據(jù)物理模型試驗(yàn)，通過尺度換算、工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出分層進(jìn)水消旋方案，并通過開展流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)提出了有效控制配水井內(nèi)摻氣的裝置，如圖4所示。該方法能夠顯著消除5 000～25 000 m3/h流量狀態(tài)下的摻氣。

圖4 分層進(jìn)水消旋裝置Fig.4 Stratified Water Inlet Vortex Eliminating Device

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，分層進(jìn)水裝置可以有效改善漩渦形成，但是，仍無法徹底消除配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦和解決沉淀池浮渣問題。

4 恒水位控制消旋方案

配水井接垂直出水管是一種典型的排水方式，易出現(xiàn)典型的漩渦和摻氣流動(dòng)。該水廠由于出水管管徑大，伴隨漩渦流動(dòng)引起顯著的摻氣現(xiàn)象，造成下游沉淀池出現(xiàn)氣浮現(xiàn)象。

根據(jù)該水廠前期兩類不同改造試驗(yàn)，主要是通過縮小過水?dāng)嗝?、添加管道流向隔板等途徑，可在不同流量下部分達(dá)到控制漩渦和摻氣現(xiàn)象，但仍不能達(dá)到在整個(gè)流量范圍內(nèi)有效控制漩渦和摻氣的現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)效果，當(dāng)人工調(diào)節(jié)檢修閥保持配水井內(nèi)水位控制在一定高度后，可達(dá)到控制沉淀池出現(xiàn)氣浮的目的。這種控制方法是由于在水流通過改造措施和檢修閥兩次連續(xù)減小過水?dāng)嗝婧?，可保證配水井至排水管突縮流為全濕狀態(tài)，在配水井內(nèi)水位達(dá)到一定高度后隔絕出水管與大氣的聯(lián)通，此時(shí)，出水管口突縮段盡管仍有漩渦存在，但不致引起水氣摻混。這一試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，通過自動(dòng)控制途徑維持配水井水位是一種可行改造途徑。

5 工程實(shí)踐和總結(jié)

通過前兩階段試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各種消旋裝置均能有效改善漩渦，但不能徹底消除配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，其主要原因有兩方面：(1)水廠運(yùn)行流量變化區(qū)間大，從1萬～2.5萬m3/h，要解決不同流量下的漩渦；(2)施工空間有限，配水井位置狹長，空間小，所有施工材料均從上方1 m×1 m的人孔進(jìn)入，大型設(shè)備無法展開，諸多措施無法在有限空間中實(shí)現(xiàn)。在前階段消旋裝置調(diào)試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，沉淀池內(nèi)浮渣產(chǎn)生與配水井內(nèi)水位存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，當(dāng)配水井內(nèi)液位高度超過2 m時(shí)，配水井出水管口產(chǎn)生的不連續(xù)、不規(guī)則的澡盆渦消失，沉淀池不產(chǎn)生浮渣。

綜上，水廠制定了最終的解決方案：通過恒水位控制，消除預(yù)臭氧接觸池及配水井中產(chǎn)生的漩渦，進(jìn)而消除后續(xù)沉淀池的氣浮現(xiàn)象，保障水廠在采用預(yù)臭氧工藝下的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。具體實(shí)施方案如下：(1)更換預(yù)臭氧接觸池及配水井出口手動(dòng)蝶閥為調(diào)節(jié)型電動(dòng)閥門；(2)在配水井上方加裝2個(gè)超聲波液位儀，加裝現(xiàn)場(chǎng)PLC控制柜；(3)其中一個(gè)液位儀反饋信號(hào)給調(diào)節(jié)閥門，通過閥門的開度保證配水井中的液位恒定，同時(shí),滿足水廠生產(chǎn)所需的水量，另一個(gè)液位儀做備用，一旦其中一個(gè)液位儀故障，另一個(gè)自動(dòng)切換。通過以上改造，既保障了水量，又保障了水廠在采用預(yù)臭氧工藝時(shí)的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。