水廠中的魯小班！水力旋流型網格絮凝池改造實例
絮凝工藝表現不佳，將直接影響渾濁度的去除，并影響后續工藝的運行效果，從而對出水的水質情況產生負面影響。而部分工藝上運行狀況的不佳和構筑物的設計存在一定關聯。針對構筑物設計的缺陷和相應的改建優化問題，文章以水廠運行過程中的一個小改造為切入點，對比了改造前后的效果，在水力旋流型網格絮凝池流道設計和絮凝裝置方面有創新點。該改造實例可為水司提供借鑒和參考。
某水廠網格絮凝工藝落后、運行年限長，在進水負荷較高的工況下處理能力和出水水質不能滿足用水需求，隨著更高水質標準的實施以及遠期深度處理工藝對預處理要求提高，需強化常規處理工藝處理效果，對絮凝池進行全面的技術改造。
絮凝反應是給水處理中重要的工藝環節，也是保障出水水質的第一步工藝流程。絮凝反應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力學條件。改造前該水廠采用柵條網格絮凝池，當水流通過柵條絮凝池時水流收縮，通過孔洞后水流擴大，在這一過程中水中顆粒與水流形成相對運動，促進顆粒碰撞形成絮體。但是當進水負荷升高時，柵條絮凝裝置提供的水力條件難以達到理想的絮凝效果，更換新型網格絮凝裝置是提高絮凝反應效果的有效途徑。張先斌等將個舊市松礦水廠原穿孔旋流絮凝池改造為微渦流絮凝池，水流經反應器時產生了微渦流動，增加了顆粒碰撞幾率，提高絮凝反應效果，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池改建成網格絮凝池，在出廠水渾濁度及各項指標均能達標的情況下，實現供水量超出設計處理能力8%和半年月均投礬量減少21.13%。
水力旋流網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格絮凝裝置（見文末的圖示）。當水流通過絮凝裝置時，斜楞板上的斜楞板對水流轉向擾動，打破水流跟從效應，形成流體折轉紊動，其特點是水流通過旋流網格過程中產生多層次微動力擾動，促進礬花的形成與結合，從而提升絮凝效果。此外，經水力旋流網格反應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格絮凝裝置，因目前國內對于水力旋流型網格在給水廠工藝改造的應用研究較少，本文將改造方案以及運行效能進行分析和探討，為存在相似問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，設計規模3萬m3/d，采用預氧化-柵條網格絮凝池-平流沉淀池-虹吸濾池-消毒的強化常規處理工藝。在進水渾濁度較低時，沉淀池出水和濾池出水渾濁度可分別滿足2.0NTU和0.15NTU的公司過程水水質管控要求，當進水渾濁度升高超過200NTU時，沉淀池和濾池出水水質惡化，為保障出水質，工藝需按設計負荷的50%-90%減產運行。
該水廠原水取自東深引水工程北線二期管道，因原水未經過水庫調蓄，進水水質波動較大。2019年-2020年進水水質情況見下表。
該水廠絮凝工藝采用柵條網格絮凝池，按1座2組配置，每組設置20格豎井，共分為三級。在第一級設置開孔比38%的絮凝網格，二、三級豎井內設置開孔比50%的網格柵條絮凝裝置，總絮凝時間為14.2 min。經過現場測算和絮凝條件分析，該絮凝池存在以下問題：
（1）構筑物池容利用不充分前端豎井流速偏小，且由于后端為經中間豎井向兩側分流再進入配水區，使后端豎井流速更小，僅為0.032mm/s。由中間向兩側分流的配水形式，雖然滿足了均勻布水的要求，但因為豎井流速過低，沒有使末端絮凝池容積得以充分利用，造成礬花生長過程中結合混合力度不夠，終端形成的顆粒不夠密實，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格，柵條分三級布置，在第一級安裝3層開孔比為50%的柵條裝置，在2級和3級分別安裝2層和1層開孔比為38%的柵條裝置。根據該絮凝工藝長期運行效果的分析以及現場測量水力學參數結果，該絮凝裝置在較短的絮凝時間內提供的局部紊動不足，絮體形成效果不佳，且不夠密實，致使礬花進入沉淀區后沉降性能較差。
水廠“手工耿”設計了哪些技改方案？
（1）更換絮凝裝置將原有絮凝裝置拆除，重新在絮凝池內安裝水力旋流網格絮凝裝置，在柵條網格提供的收放擾動效應的基礎上增加旋流擾動的作用，使水流在流道中發生產生高頻譜渦旋，增加懸浮物互相碰撞吸附的機會，為絮凝劑與水中的顆粒充分接觸提供動力學條件。
（2）合理配置絮凝裝置放置密度依據水力旋流網格絮凝裝置的設備參數，合理分配絮凝裝置布置方式，控制絮凝過程中速度梯度均勻遞減，提供礬花生長環境，使懸浮物借助藥劑輔助作用互相碰撞吸附、絮凝長，且絮體具備良好的沉降性能。
本次改造將絮凝池分為四級，其中1-6#豎井為第一級，7-10#豎井為第二級，11-14#豎井為第三級，15-20#豎井為第四級，總絮凝時間為14.93 min。在第一、二、三級豎井內分別設置12套、9套、5套開孔比為55.18%的水力旋流型網格絮凝裝置，第四級放置2套開孔比為78.28%的水力旋流型網格絮凝裝置。通過對絮凝裝置密度的合理分配，調節各段絮凝速度梯度由大到小均勻遞減。
（3）合理改善原有構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時間減少。本次改造通過優化水流流道，使有效反應時間增加2.84min，在有限的絮凝時間內使構筑物容積得以有效利用，更好的實現絮凝段工藝功能。此外，在絮凝池出水端采用導流板對后端沉淀區進水進行均布，導流板布置在絮凝池出水端外側斜向安裝，降低水流由絮凝池進入沉淀池時產生的局部擾動，有利于絮體在沉淀池的快速沉淀。改造前后水流方向見下圖：
改造后運行效果見奇效
（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，反應速度梯度的提高有利于絮凝劑的快速擴散和礬花絮體的生成。此外，速度梯度隨著反應的進行而逐漸減小，第一級至第四級的速度梯度依次為71s-1、55s-1、35s-1和18s-1。絮凝池尾端過網流速由改造前0.1371m/s降低為0.0832m/s，可有效防止絮凝反應末期礬花因混合強度過大而破碎。
（2）水質指標在滿負荷運行工況下，對比改造前后沉后水水質情況，結果如下圖所示。在進水渾濁度最高值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%。以上結果說明，更換水力旋流型網格絮凝裝置以及改變進水流道等措施可以優化顆粒脫穩和凝聚過程，使形成的礬花密實，具有良好的沉降性能，從而有效提高絮凝效果。
（3）絮凝劑藥耗對比改造前后該水廠聚合氯化鋁藥耗（以Al2O3計）變化情況，結果如下圖所示。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用由228176.1元/年降至214287.1元/年。本次改造同時實現了沉淀池出水水質提升和混凝劑藥劑單耗降低，主要原因一是通過絮凝條件的改善，反應初期混合強度加強，有利于實現絮凝劑與水中顆粒充分反應。二是由于進水流道的改變使有效反應時間延長，進一步促進絮體密實生長，提高絮體沉降性能。
（4）改造費用本次改造總投資約103萬元，其中水力旋流型絮凝裝置采購費用約74萬元。水力旋流網格絮凝器的多邊形網格固定組件采用ABS材質，該材質具有質量輕、耐腐蝕的特點。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，結構本身可有效消除應力，不易損壞，拆裝和維護方便，絮凝裝置使用壽命約10年。
“手工耿”的小結論
該水廠采用水力旋流型網格對絮凝池進行改造，通過合理布置絮凝裝置和改變進水流道等方式，提高絮凝池反應效果，實現沉淀池出水水質的提升和混凝劑藥劑單耗降低，并得出以下結論：
（1）水力旋流型網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會，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值隨著反應進行而逐漸降低，有利于生成密實絮體。（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，可節約聚合氯化鋁藥劑費用13889元/年。
水力旋流型絮凝裝置
水力旋流網格絮凝裝置的特征在于整個裝置由三角組件、斜棱板兩部分拼裝而成，斜棱板通過三角組件拼接成多組六邊型，水流通過六邊形時，斜楞板上的斜楞板對水流轉向擾動，打破水流跟從效應，形成流體折轉紊動，從而造成“宏觀水流碰撞減弱，微觀水流碰撞加劇”的顆粒碰撞水力學環境，其特點是裝置結構本身根據斜楞板寬度分級，各級絮凝裝置形成不同的水流紊動速度，從而可以根據需要調整所需的速度梯度，提供工藝需要的水力學絮凝條件。水通過渦流網格，促使水流的折轉，增加水中懸浮顆粒碰撞機會，從而使絮體更快形成。
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