净水技术|个旧市松矿水厂穿孔旋流絮凝池提升改造
《净水技术》
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张先斌1，李 丽2，杨海梅3，陈爱梅2
（1云南华博工程设计有限公司，云南昆明 650200；2 西南林业大学土木工程学院，云南昆明 650224；3 云南省水环境监测中心西双版纳州分中心，云南西双版纳 666100）
工程背景
云南省个旧市松矿水厂，位于甲界山工业园区内，工程设计服务范围为个旧市大屯镇及综合片区、鸡街、沙甸片区。水源为松矿1 360矿坑地下承压水，于2006年开工建设，2007年建成并投入使用。水厂设计供水规模为2.4万 m3/d，采用常规处理工艺：1 306矿坑原水→穿孔旋流絮凝池→斜管沉淀池→重力无阀滤池→清水池→二级提升泵房→后山高位水池→居民用户及企事业单位。松矿水厂占地约9 700 m2，水厂现状已建混合池1座，穿孔旋流斜管沉淀池8组，重力无阀滤池8组，单组设计处理水量为3 000 m3/d。
2007年松矿水厂建成并投入运行，通过调试后运行正常，出厂水浊度在3 NTU以下，基本能够满足原设计出水水质标准要求。随着大屯镇松矿1 360矿坑作业平台的提高，水源取水点受到不同程度矿坑作业排水的影响，水源水质逐渐下降，目前松矿水厂出水水质浊度已不能保证在3 NTU以下，随着国家《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）水质标准的全面实施，急需对水厂处理工艺做进一步提升改造，以满足水厂出水水质要求。
由于城市供水比较紧张，当地政府要求优化水处理工艺流程、提高水厂处理能力。水厂经技术、经济、工期等各项因素考虑后，通过现场情况及相应的技术设计，决定在保证沉淀时间的基础上，改造穿孔旋流絮凝池及斜管沉淀池（絮凝沉淀池合建），以此来提高絮凝效果，从而降低出水浊度。
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微涡流絮凝池的理论
涡流反应器作为微涡流絮凝池最重要的组成部分，它的主要作用是为了提高混凝效果。为了在絮凝区形成微小的涡旋流动，将水力搅拌形式的絮凝设备在絮凝区布置成网格，增加涡流提高胶体碰撞几率及混凝效果。由于在微涡流絮凝池放置了大量的涡流反应器，形成了一个立体接触絮凝的作用，每格涡流反应器内均产生悬浮气体，水经反应器上的孔洞时其流速、流向的变化、与内外壁的摩擦阻力，形成微涡流动，增加颗粒扩散与碰撞几率，提高混凝效果。涡流反应器的结构特点主要是以下3个方面。
（1）空心球形状，内外表面打毛，直径由工艺确定。
（2）根据工艺确定球形表面小孔直径和开孔比。
（3）采用塑料材料，添加少量增强吸附性的原料，容重略大于水，壁厚由结构强度设计确定。
根据微涡流絮凝池的理论，加入涡流反应器的目的就是为了增加网格。因此，本工程将以涡流反应器的设计原理及其结构特点作为改造设计的基础，考虑利用Fluent软件对其在絮凝池内的流态进行模拟。涡流反应器表面开孔孔径可考虑为网格的格栅大小，其壁厚可考虑为栅板的厚度，现状水厂内的微涡流絮凝池是由穿孔旋流絮凝池改造而成的，可考虑将其简化为穿孔旋流网格絮凝池作为模拟对象。
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絮凝池改造方案
水厂只对穿孔絮凝旋流斜管沉淀池部分进行改造，且池子总体的长度、宽度、高度不进行改变，只是改变池子的划分方式。原水浊度基本在15~800 NUT波动，考虑到经济投资，尽量利用现有设施并对其进行升级改造，使水厂出水水质达到1 NTU以下的国家水质标准，具体改造方案如下。
（1）将水厂现状穿孔旋流絮凝池内增设支架和压板，加装涡流反应器改造成微涡流絮凝池，提升絮凝效果。
表1 絮凝池改造前后池子格数及尺寸对比
原穿孔絮凝池设计由8格单池组成（图1），改造后絮凝池内反应器安装高度从第1格到第7格分别为：2.70、2.85、2.93、2.68、2.40、2.35、1.50 m。网格设计控制G值逐步递减，末端G值较小，可平稳过度到沉淀区，达到良好的沉淀效果。
涡流反应器材料为ABS塑料（图2），表面开有多个圆形孔洞，比重在1.05左右，略大于水的密度，结构简单、使用周期长、使用方便，投加无方向性，可直接投到水体反应区中，无需固定安装，随水流发生转动和浮动，壁孔不易堵塞。水流经球体内、外时，改变了流速和方向，反应器内外表面由于打毛产生较大的摩擦力，水流中产生大量微涡旋，增强胶粒间的碰撞和凝聚。反应区上升流速前段为0.12~0.14 m/s，后段为0.10~0.14 m/s。通过调节排泥时间和次数，降低反应器积泥，如雨季原水浊度偏高致反应器积泥严重，可及时进行打捞并进行清洗。
图2 涡流反应器（外径φ200 mm，表面开有φ34 mm的小孔）
（2）沉淀部分保持原状的斜管沉淀，仅对尺寸进行整改（图3）。长度由原来的3.25 m改造成4.98 m，宽度和池深不变，分别为3.21 m和4.55 m。沉淀区上升流速由原4.0 mm/s降低为2.5 mm/s，满足设计规范要求，提高了沉淀效果。沉淀池内设置乙丙共聚d 35蜂窝斜管，高度1.0 m。
絮凝池入流速度设计为0.95 m/s，絮凝时间一般在5~8 min，微涡流混凝工艺中絮体形态在6~8 min时变化趋势较小，絮凝反应已基本完成。因此，本工程设计絮凝时间为8 min。经过长时间的运行和调试，处理效果达到预期目标。
改造前
改造后
图3 松矿水厂絮凝沉淀池改造前后对比
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改造前后对比
为了保证水厂在改造期间仍有一定的供水能力，改造分为3期进行，每期改造两组穿孔旋流絮凝池和斜管沉淀池。目前松矿水厂已完成了3期改造，并已投入运行。水厂在运行中不断对改造后池子进行调试，在运行一个月后，每d每4 h测定一次原水浊度、滤前浊度、滤后浊度。
由于改造工程主要是针对浊度处理，而研究絮凝池的絮凝效果，主要考虑也是浊度问题。同时，因水厂所在地年平均气温16.4 ℃，水温变化不大，温度对絮凝效果影响较小，本次暂不考虑温度的影响。现场测定的浊度数据如图4~图6所示（所测数据均为在最佳投药量下测得）。
由图4、5可知，原水浊度在15~800 NTU时，改造前的滤前浊度基本在4~5 NTU，经过虹吸滤池过滤后，浊度为1~2 NTU。对絮凝池和沉淀池改造后，滤前浊度稳定在3 NTU以下，而经未改造的虹吸滤池过滤后，出水浊度稳定在1 NTU以下，达到新标准要求。图6为两组改造前后池子在同一原水浊度下进行比较，结果表明，经提升改造后水厂出水水质明显优于改造前水质。因此，改造后的微涡流絮凝池出水效果较穿孔旋流絮凝池要好，而原水浊度在47~142 NTU时为最利水质适用条件，此时水厂出水效果最为理想。
涡流反应器增加的水涡流提高胶体碰撞几率，提高了混凝效果，同时增加了沉淀区的面积，降低沉淀池表面负荷，提高了水厂出水水质。通过改造后实现了快速混合，增强絮凝效果，沉淀池均匀配水，改善了排泥新系统，节省混凝剂用量，降低了制水的总成本。
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实测运行数据
松矿水厂通过对絮凝池进行改造后，经过长时间调试和运行，现在出厂水浊度已稳定在1 NTU以下，满足国家新标准水质要求，水厂近段时间运行数据采集如表2所示。
表2 水厂运行数据采集表
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结论
微涡流絮凝池是穿孔旋流絮凝池和网格絮凝池的结合体，其综合两种水力絮凝池的优点，提高絮凝效果，但其池内的水流流动是一个相对复杂的流动问题，此池型的改造对实际工程设计及现有水厂内的改造问题具有重要的指导作用。本次改造工程得出以下研究结论。
（1）根据微涡流絮凝池过栅紊流特性，当竖井内加入栅条后可以改变整个流场的流态，同时通过合理布置栅条的网孔尺寸等因素可以改变池内的紊流状态从而改变絮凝效果。
（2）根据运行结果可知，微涡流絮凝池内的混凝效果要优于传统的穿孔旋流絮凝池，其加入的网格将增加池内流体的紊动性，增加胶体脱稳碰撞几率，从而提高絮凝效果，减少混凝剂使用量，降低了制水成本。
（3）由于条件有限未能对絮凝池整体进行模拟，仅以一个竖井为研究对象，而水厂实际运行是连续的整体，若条件可以，应对池子整体进行研究。
（4）微涡流絮凝池的絮凝效果要优于穿孔旋流絮凝池，而通过对主要的设计参数网孔尺寸、栅板厚度和入流流速的改变而引起的池内水流流场的变化情况可确定其各个因素的影响大小，以此为实际设计工作起到一定的指导作用。