给水常规处理及强化混凝工艺中试装置的设计及运行

给水常规处理及强化混凝工艺中试装置的设计及运行樊新源;汤峰;杨妍龑;王海虹;蔡燕勇【摘 要】为提高合肥市居民饮用水的水质，根据本地原水的水质特征，我们设计 和制作一套中试水处理装置，主要由常规水处理工艺和微涡强化混凝工艺构成。设 计的常规水处理工艺包括机械混凝、斜管沉淀和石英砂过滤。设计的强化混凝工艺 主要包括改造常规机械搅拌桨板和增设管道网格反应器两方面。实验结果表明：相 对于传统工艺，强化混凝有较好的处理效果，形成矾花密实易沉降，能减轻滤池负 担并且反应时间缩短。期刊名称】城镇供水年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P30-32,70) 【关键词】 中试水处理装置;设计;常规水处理工艺;微涡强化混凝【作 者】 樊新源;汤峰;杨妍龑;王海虹;蔡燕勇【作者单位】 合肥供水集团水检中心，安徽合肥 230011;合肥供水集团水检中心， 安徽合肥 230011;合肥供水集团水检中心，安徽合肥 230011;合肥供水集团水检 中心，安徽合肥 230011;合肥供水集团水检中心，安徽合肥 230011【正文语种】 中 文前言近年来，随着生活水平的提高和水质事故的发生，人们对饮用水的水质标准提出了 新的要求。虽然有大量关于如何提高水质的研究报道，但多为在实验室进行的理论研究，其结果很少进行中试放大研究或在实际生产中应用。众所周知，中试实验模 型的实验环境与实际生产条件相当，它不仅能帮助解决实验室中发现或实验室中解 决不了的关键技术问题，而且能避免生产性实验存在的风险。我们针对合肥市原水 水质特征，制作了一套中试水处理装置，通过该装置可以模拟各种生产实验，不仅 能为未来的合肥市饮用水处理工艺改造提供较准确的实验数据和资料，而且可以为 水质应急处理提供现场试验环境。1. 常规处理装置的设计 常规工艺流程为机械混凝、斜管沉淀、石英砂过滤，每套装置设计水量 5 吨/小时， 工艺参数见表1。1.1 流程图1.2 各阶段工艺参数设计工艺设计见表 1。机械絮凝分为三级，水的平均流速从 0.5 米/秒递减至 0.2 米/秒， 搅拌强度逐级递减；斜管沉淀池采用斗式重力排泥，池底和侧面分别装有多个排泥 口；砂滤池底布有丰字形配水管，管子上均匀开孔，便于过滤时均匀集水和反冲时 均匀布水。1.3 模拟生产运行 中试装置常规工艺运行参考水厂实际生产和搅拌实验情况进行，净水剂为聚合铝铁， 投加量范围11 16公斤/千吨水。进水量5吨/小时，每天24小时连续运行两个 月。定时对沉淀出水和滤后水进行常规项目的检测，结果见表2。表1中试常规工艺设计参数工艺名称装置长*宽*高（mm）工艺参数混合柱高700、直径 300 200-300 r/min、时间 25 s级反应 800*800*1500 150-200 r/min、时间 6 min 二级反应 800*800*1500 100 -150 r/min、时间 6 min 三级 反应 800*800*1500 50 80 r/min、时间 6 min 斜板沉淀 2000*800*1500 沉淀40 min过滤滤柱直径900、高2800、承托层厚400、石英砂厚700反冲洗强度14 L/s.m2 ；冲洗时间：7 min表2常规工艺的净水效果项目浊度NTU pH值氨氮mg/L亚硝酸盐氮mg/L耗 氧量mg/L加药量公斤/千吨水水量吨/小时源水16.9 7.76 0.25 0.010 2.2 13.2 4.8沉淀出水 3.4 7.72 0.16 0.006 1.5 / /滤后水 0.47 7.69 0.10 0.005 1.3 / /总去 除率% 97 / 60 50 41 / /结果表明，在加药量相同的情况下，中试常规工艺对以上几项指标的处理效果与实际生产接近，作为实验模型可完全发挥真实、可靠的现场模拟作用。研究还发现，常规工艺对氨氮、亚硝酸盐氮的去除率分别达到60%和50%，对有机污染物也有一定的去除能力，所以常规工艺的去污能力不容忽视，尤其是对混凝沉淀工艺的优 化、改进非常重要。2. 强化处理工艺设计目前，董铺原水存在低温低浊难处理、沉淀池“跑矾花”现象严重等问题，主要因 为低温低浊水在混凝阶段颗粒之间碰撞机率小，矾花难以形成，混凝效果较差。微 涡强化混凝就是通过在混凝各阶段形成很多大小不同的漩涡来增大速度梯度 G 值， 便于药剂均匀快速的扩散于水体以及增加脱稳颗粒相互碰撞机率，凝结成大颗粒。2.1 机械混凝装置改造在本试验中，主要是将常规机械混凝各阶段桨板叶片均匀打上不同孔径的孔眼，或 直接用不同直径的尼龙绳或铝线结成孔状板，如图1，其特点是1：（1）消除了普通叶片产生的不利于絮粒成长和能耗较大的大涡旋，网孔板则使能 耗小的密集小涡旋更接近于絮粒尺寸，从而增加了絮粒碰撞机会。（2）网孔板的流速分布比普通叶片更加均匀，容积利用系数提高，减少大量积泥 的可能性。(3 )絮凝时间短，仅为一般絮凝池的1/ 22/3。絮体沉速加快，剩余浊度低，絮凝效果好。图1 带孔桨板示意图带孔叶片主要设计参数如下：混合和絮凝共分四级，IIV级网孑L板边缘线速度从1.0 m/s至0.2 m/s依次递减。混合阶段网孔为圆形，孑孑径10-20 mm;絮凝阶 段网孔为正方形，尺寸从30 mm x 30 mm至60 mm x 60 mm逐级增大；具 体孔径尺寸可通过试验不断调整优化。2.2 管式网格絮凝装置设计考虑中试处理水量较小，混凝阶段竖井网格尺寸太小难以加工，故试验中将反应池 水流通道设计成管道型，示意图见图2 ，尽量将水流组织成竖向流，即垂直于水平 面向上或向下的水流，因为涡流反应器最好放置于竖向水流中，否则会在反应器内 产生絮体沉积。试验设计管径DN200 ,空床流速约150 m/h，整个反应器水停留 时间10min，水流方向为“下-上-下-上”，各段通道流速基本一样，通过控制管 道内置微涡反应器尺寸参数来增强絮凝效果。管道内填充微涡反应器按如下两种方 案设计。图2管式微涡反应装置2.2.1 带孔空心球设计空心球模型见如图3。球体直径与管道直径一致，为200 mm ；球表面开有小孔， 孔径和开孔率依据具体试验结果进行调整，一般孔径在25 mm40 mm之间逐 级增大，开孔率60%左右；球体为塑料材质，容重略大于水，壁厚由结构强度设 计确定。图3空心球反应器混凝作用2.2.2 圆形带孔网格板设计如图4所示，在管道竖井内填充等直径的带孔圆钢板，每块钢板用不锈钢丝串起 来固定。反应各阶段絮凝强度的大小由钢板上开孔孔径、开孔率及钢板间距等参数 决定。本试验开孔孔径从25 mm至40 mm逐级增大，水流过孔速度从0.3 m/s 至0.05 m/s逐级减小，钢板间距20 cm左右，最佳尺寸参数通过后续试验调整 优化。图4 圆柱状带孔网格 网格板构造简单易于施工，在絮体积泥方面优于球形反应器。格网的布设一方面形 成微涡旋，使颗粒碰撞合并，另一方面利用过网的剪切使絮体压实，密度增大，可 以有效提高单位时间内颗粒的碰撞几率，因而在低温低浊水处理中显示出较强的适 应性2。2.3 强化混凝试验运行效果强化混凝试验主要在冬季运行，源水水温05工，浊度v 5 NTU。目前传统工艺 运行沉淀池末端“跑矾花”现象明显，严重影响后续过滤效果。强化混凝试验主要 包括以下几个方面：2.3.1 机械网格桨板与传统桨板对比试验 混合阶段网孔直径及三级絮凝阶段方形孔边长分别为 10 mm、25 mm、30 mm35 mm，开孔率均为50%左右。考虑短时间内原水水质变化不大，对比试验不是同步运行。更换网格桨板后反应池形成的絮体大而密实，沉淀池表面“跑矾花”现 象明显优于常规运行，同等加药量的情况下沉淀池出水浊度和传统工艺差别不大（均在1.0 NTU左右），但滤池反冲洗时间间隔加长，能够节省冲洗水量，反冲 时间由中试常规机械运行24小时延长至36小时。为达到更好的处理效果，网格 尺寸和开孔率可以通过试验进行调整。2.3.2 管式网格反应与常规运行对比试验（1）管道填充空心球的制作需要固定模型，本试验空心球是从厂家（上海富大同 诺环境科技有限公司）定制购买，絮凝各阶段空心球规格一致，球体直径200mm，开孔率60%，孑L径30 mm。试验连续运行一个月，整个管道反应时间为10 min ，由六根竖管组成，试验中将空心球填充管道，分别对比填充4根、5根 和6根管道的处理效果。结果表明，填充6根管道的反应效果较好，处理效果与 机械网格桨板相当。在同等加药量和出水浊度的情况下，与常规工艺相比，能大大 节省冲洗水量，反冲洗时间从常规运行1天1次提高到3天2次，同时反应时间 从常规工艺的18 min缩短至U10 min。（2）管道填充圆形带孔网格板替换空心球，试验运行2个月，分别试验反应各阶 段网格尺寸参数一致和分段布设不同尺寸参数网格的运行情况，主要包括网孔径、 开孔率、网格板间距的调整。运行结果显示最佳尺寸参数如下：反应时间共10 min，分为两阶段：第一阶段开孔率40%左右，孑L径25 mm，间 距8 mm ;第二阶段开孔率60%左右，孔径32 mm ,间距10 mm。保持前面同样的试验条件，用上述尺寸参数连续运行的结果为：沉淀出水保持在1.0 NTU以下，滤后水稳定在0.3 NTU以下，沉淀池末端“跑矶花”现象好转， 并能节省反冲洗水量和缩短反应时间。只因常规工艺出水浊度本身较低，所以目前 试验还未达至明显降低出水浊度的效果。3. 结语（1）建立中试模型模拟水厂工艺指导生产，为工艺优化、工艺改造、应急处理等 提供真实可靠的数据资料。（2）常规工艺有一定的除污染能力，除污效果关键在混凝阶段。相对于建造专门 的除污工艺，强化常规工艺无疑是经济、简便的途径。运用微涡旋技术强化传统混 凝工艺，创造更适合絮体碰撞的吸附条件，达至混凝最佳效果和节能的目的。（3）从设计角度，探索不同工程技术措施，将网孔作不同形式的布置，根据本地 原水水质状况寻找最佳工艺参数。（4）微涡强化混凝较传统处理工艺有明显效果，反应阶段矾花大而密实易于沉降， 能够减轻滤池负担，并且反应时间缩短为10 min左右。参考文献1颉调云，刘文林中小型水厂絮凝池的设计探讨几给水排水,2006,32 (9) :11-14.2赫俊国,宋学峰，金昌锦.微涡旋凝低脉动沉淀技术处理低温低浊水.中国给水排水,1999,15(4):17-19.