多面球填料拦截沉淀工艺在水厂改造中的应用

李雅雯，程胜高，李如意

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；2.湖北禹洋水务工程有限公司，湖北 武汉 430062)

沉淀在水处理工艺中发挥着至关重要的作用，目前大多数水厂采用较多的仍然是传统的斜管斜板沉淀池，它是基于浅池理论发展形成的，如今已经得到了广泛的应用[1-2]。近年来国外在优化沉淀池方面取得了一定的进展[3]，具有代表性的主要是法国得利满公司的Densadeg 高密度沉淀池、德国帕萨旺-洛蒂格公司的Turbo-LME 高速沉淀池、法国威立雅公司的Actiflo 高效澄清池[4]等，其原理是通过增加原水在混凝过程中絮凝物的絮凝程度，增加悬浮物的浓度，从而使矾花更密实易沉淀而被去除。除此之外，还有Watanabe等[5]研究了射流混合分离器(JMS)的性能，将其与斜管沉淀池相结合，代替机械絮凝池和沉淀池的组合，应用于快速砂滤系统。针对实际工程中的沉淀池无法满足理想沉淀池的假设条件，一些学者将数值模拟技术应用于沉淀池的优化设计中。如Xiang等[6]利用计算流体力学(CFD)软件ANSYS Fluent模拟格栅絮凝池的流动状态，为电絮凝与水力絮凝的结合提供了理论依据;张莹等[7]阐述并总结了电絮凝技术在给水净化方面的研究现状。但由于我国的水质情况较复杂，且水污染程度较国外更为严重，因此国外的沉淀工艺并不适用，因此迫切需要提出一种打破传统沉淀理论，且更加符合我国水质国情的给水净化方法。已有研究表明，要想提高沉淀工艺的效率可从三个方面入手：沉淀面积的增大、水流流态的变化以及增加沉淀的动力因素[8]。目前的研究主要集中在前两个方面，然而第三个方面才是影响沉淀工艺最主要的因素，所以对于沉淀池内部颗粒受力情况及实际变化行为的研究应该成为关注的重点。

一般来说，沉淀池出水中的颗粒绝大部分都是小粒径颗粒，也是水处理的难点。已有研究表明，沉后水以及滤后水中小于5 μm的颗粒占据主要的部分[9]，这些颗粒会对饮用水水质造成很大的干扰，而且絮体在沉淀池中实际上也会发生破碎、重组等过程，针对该问题很多学者提出利用絮体本身的接触絮凝作用来截留小颗粒[10]。如孙红梅等[11]总结了生物填料在微污染水处理中的应用；吕春生等[12]提出了微絮凝拦截沉淀技术，该技术根据水中微絮体的化学作用特性和流体力学特性,用一种耐水浸、高吸附的天然植物作为拦截材料,制成特定结构和尺寸的拦截体和沉淀池,实现了颗粒的吸附碰撞、接触凝聚、聚集沉淀的多过程协同作用；在此基础上，王华生等[13]指出拦截斜板沉淀池会因为运行时间增加而出现出水浊度上升的问题，可考虑在拦截沉淀池后增设一组异流式斜板，试验结果表明该方法是行之有效的；郭海平[14]通过向传统沉淀池内投加填料强化拦截沉淀作用，用来去除污水中的污染物质。

基于上述研究，受拦截沉淀技术和改进的沉淀池优化方案启发，本文从拦截材料入手，提出将一种用于污水处理、发电厂脱碳(CO2)及脱硫以及净水塔内的多面球填料作为拦截体的沉淀工艺，并对该工艺的技术特点和实际应用效果进行了研究。

1 多面球填料拦截沉淀工艺及技术特点

1. 1 多面球填料拦截沉淀工艺

本文从突破传统沉淀技术的角度出发，在微絮凝拦截沉淀技术的基础上，提出了一种将多面球填料作为拦截材料用于沉淀池中的水处理工艺，即多面球填料拦截沉淀工艺。该工艺利用多面球的特性，能够让絮体与水流产生相对运动，并连续不断地改变水流方向产生湍流涡旋，当水流作涡旋运动时，在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿水流涡旋的径向碰撞提供了条件，从而使微小的絮体在通过叶片时不断碰撞聚集变大，提高矾花在水中的浓度，最终在重力作用下沉淀去除。

1. 2 多面球填料拦截沉淀工艺的技术特点

本文提出的多面球填料拦截沉淀工艺具有如下技术特点。

1.2.1 改变水流方向

多面球填料的材质为聚丙烯，由两个半球合成一个球形体，每一个半球由12片厚度为1 mm的半扇形面组成，两个半球的扇形相互错开，具有比表面积大、传质性能良好的特点[15]，见图1。

图1 多面球填料实物图Fig.1 Physical drawing of polyhedral sphere filler

由于原水的浊度低，形成的颗粒絮体尺寸很小，其比重与水接近，几乎跟随水流同步运动，没有速度差，絮体也就不能进行有效碰撞，因此填料自身所具有的多面性质和杂乱无章的堆积方式能够让絮体与水流产生相对运动，并连续不断地改变水流方向产生湍流涡旋，也就能够使水流对颗粒产生阻力。根据惯性效应理论[16]，假设水中颗粒形状是半径为r的球形，水的密度为ρ，颗粒与水流的相对速度为v，则颗粒所受的水力阻力F的计算公式为

(1)

式中：Cd为水流的绕流阻力系数，其计算公式如下：

(2)

其中，D为水流阻力；ρ为流体密度；U∞为来流速度；A为物体的迎流面积。

物体的形态、壁面粗糙程度、来流紊动强度、水流雷诺数都是影响Cd的因素[17]。单位质量球形颗粒所受的水力阻力f为

(3)

式中:ρ0为球形颗粒的密度。

由公式(3)可见，单位质量球形颗粒所受的水力阻力f与球形颗粒半径r成反比，即球形颗粒半径越大，单位质量上其所受的水力阻力则越小，因此不同半径的球形颗粒所受的水力阻力不同，从而能够产生速度差。当水流作涡旋运动时，在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动,为不同尺度颗粒沿水流涡旋的径向碰撞提供了条件[17]，从而进一步强化了对低浊水中颗粒的处理。

1.2.2 增加矾花的有效碰撞

在絮凝沉淀的过程中，水流的流动条件决定了湍流的剪切力，其中湍流剪切力的控制则能够保证絮凝沉淀的效果。湍流剪切力是由湍流的涡旋所形成，涡流尺寸越小，则涡旋强度越大，即涡旋对矾花的剪切作用越强。矾花的密实程度可用湍动度e来表示：

(4)

显然e值越大，表明单位时间内流经单位空间的涡旋数量越多，涡旋强度越大，矾花也就越密实。虽然e值在实际应用中是无法获得的，但是可以将研究方向投入到如何有效地提高单位空间点内涡旋的数量上。水流经过多面球填料时，絮体颗粒与填料发生碰撞进行接触吸附，速度变化激烈，此时水流的离心惯性效应最强，大涡旋变成小涡旋，其数量不断增加，并且已经形成的矾花因原水浊度低其体积不大且松散，当矾花经过多面球填料时由于水流的惯性作用会发生强烈的变形，矾花会变得更加紧凑密实，在水力剪切的作用下部分絮团因重力沉降而被去除。多面球填料相较斜管而言，更加显著地提高了絮体浓度，也使絮体碰撞的次数大幅增加，水中的颗粒不断进行脱稳和被填料吸附，一直处于更新状态。

1.2.3 工艺改造方便简单

该多面球填料拦截沉淀工艺流程较常规，只是在斜管沉淀池的基础上，将斜管换成了多面球填料，因此既能用于新建水厂，也能用于老水厂的工艺升级改造，且操作简便、成本较低。

2 工程应用与分析

2. 1 工程概况

2013年初，湖南省“引兰入市”工程从兰家洞水库取水，通过29.54 km的输水管道将兰家洞水库的水输送到汨罗新市地区，沿途经过智峰、长乐、天井、红花、新市5个乡镇。其中，汨罗新市水厂的提标改造中，由于原水取自兰家洞水库，秋冬季水温基本低于5℃、浊度小于4 NTU，因此原水黏度大，水中微粒尺寸小且粒径分布均匀，絮凝反应慢，生成的矾花小且不易沉降，常规过滤工艺无法拦截将其去除。为了解决这一问题，该水厂除了改造穿孔旋流絮凝池外，还增加了一组多面球填料絮凝沉淀池，并保留原有斜管沉淀池，一并投入运行以形成对照。图2为多面球填料沉淀池的实物图。

图2 多面球填料沉淀池实物图Fig.2 Physical drawing of polyhedral sphere filler sedimentation tank

2. 2 拦截沉淀工艺设计流程与参数

该水厂多面球填料拦截沉淀工艺设计的流程见图3,设计的参数如下：进水流量Q为200 m3/h，配水区高度为0.7～1.4 m,多面球填料堆积高度为0.87 m,集水区高度为0.6～1.0 m，清水区上升流速采用1.94 mm/s，进水管流速控制在1 m/s左右。

图3 多面球填料拦截沉淀工艺设计的流程(单位：mm)Fig.3 Flow chart of the sedimentation process with polyhedral sphere filler(unit:mm)

由于原水浊度基本在10 NTU以下，大都以微小矾花分布在水体中，传统工艺处理后出水浊度始终无法降到1 NTU以下。原水在加入次氯酸钠、聚合氯化铝在管道中混合之后，进入射流加跌落式曝气进行混合反应；经格栅微絮凝之后进入多面球填料沉淀池，即配水区，此时的原水已经充分脱稳，流经多面球填料区，与填料充分接触，矾花不断进行有效碰撞并变大，在重力作用下沉淀到排泥斗内，并通过管道进入排泥井；最终沉淀后的清水则通过集水三角堰，统一汇集到总集水槽内进入下一个构筑物滤池内进行处理。

水流在多面球填料中，形成无数大大小小的湍流涡旋，将每个湍流涡旋中颗粒物分成若干个单独的脱离体，脱离体在涡旋径向上的受力分为两种，一是离心惯性力，二是压力的合力。那么，某个湍流涡旋中必然存在直径为D的脱离体受力平衡，直径小于D的脱离体离心力作用占主导沿涡旋径向向外运动，直径大于D的脱离体压力作用占主导沿涡旋径向向内运动。正是该作用加大了各种不同尺寸颗粒之间沿水流涡旋径向碰撞的概率，提高了对颗粒物的处理效果。

2. 3 工艺运行效果检验

在该水厂工艺改造运行几年后，于2018年10月份内连续三天对原水、多面球填料沉淀池出水和原斜管沉淀池出水进行了取样测定，原水和各沉淀池出水浊度的对比见图4。

图4 某水厂原水和各沉淀池出水浊度的对比Fig.4 Comparison of turbidity of raw water and effluent from each sedimentation tank of a water plant

根据我国《生活饮用水卫生标准标准》(GB 5749—2006)，水厂出水浊度要求≤1 NTU。根据行业标准，沉淀池出水浊度要控制在10 NTU以内，保守一点要控制在5 NTU以内。由图4可见，在原水浊度为5 NTU左右的低浊度情况下，多面球填料沉淀池出水浊度比斜管沉淀池平均要低1 NTU左右，表明多面球填料沉淀池对于低浊度原水的处理效果较斜管沉淀池更好。

2. 4 工艺存在的问题

多面球填料拦截沉淀工艺仍是一种不成熟的水处理工艺，到目前为止其应用中主要存在以下问题：①该工艺仅应用于农村小型自来水厂，在进水量不大且浊度不高的情况下能达到较好的水处理效果，但针对大中型水厂以及高浊度水的处理能力仍未知，因此具有局限性；②多面球填料在絮凝沉淀过程中，不仅能拦截大颗粒矾花，也能吸附小颗粒矾花并使之凝聚成大颗粒矾花并脱落，长此以往填料内部必然容易堵塞，因此需要频繁冲洗填料，对水厂运行会造成一定的影响；③多面球填料用于饮用水处理中，其材质的安全无毒性必须要严格保障。

3 结 论

(1) 多面球填料对颗粒物的去除主要是通过不断改变水流方向形成涡旋，从而增加矾花的有效碰撞，使得矾花变得密实，以利于其沉淀去除。

(2) 实际工程应用效果表明：低浊度原水经过多面球填料沉淀池处理后其出水浊度比斜管沉淀池平均要低1 NTU，表明多面球填料拦截沉淀工艺对于低浊度原水的处理效果较斜管沉淀池略胜一筹，然而多面球填料沉淀池对中高浊度原水是否也有良好的处理效果仍需进行深入研究。

(3) 多面球填料拦截沉淀工艺流程简单、成本较低，可用于新、老水厂的建设与改造。