水厂处理工艺中不同设计的实践效果评估——以锡东水厂为例

陈 燚，笪跃武，袁 君，沈 浩，倪文琦，王晓云

(无锡市水务集团有限公司，江苏无锡 214031)

1 概况

当前，绝大多数净水厂按照规范标准手册与业主需求进行设计与建设，在一定程度上保证了净水厂各工艺环节的合理科学性。然而，水厂的设计先于实际运行，在水厂投产后的实际运行中，不可避免存在一些同原有设计预期认知存有偏差的地方，如设计大多从水质达标角度考虑，未进一步从水厂运营情况、精细管理、节能降耗等角度分析，后评估已建项目较少。本文以锡东水厂为例，其二期设计结合一期实际运行进行了部分改进，为更深入进行水厂精细化管理工作，在锡东一、二期经历长时间的探索与优化运行后，通过后评估比较锡东水厂一、二期理论设计和实际运行的差异，并对其进行原因分析，结合现状提出建议，促进水厂优化管理，保障优质出水的基础上节能降耗，以期为后续水厂新扩建提供设计与工程经验。

锡东水厂一期于2005年6月建成，形成30万t/d的生产能力。随着《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)的出台，为进一步优化出水，保障水质安全稳定，锡东水厂于2011年5月新增深度处理工艺(臭氧-活性炭)。为适应城市发展，该水厂于2012年7月进行二期扩建工程，并结合一期的实际运行进行了部分改进，如图1所示，包括矾的混合方式、平流沉淀池的导流墙和指型槽，砂滤池的进水方式和尾水浓缩池的池型等。同时，一、二期均增加了预处理工艺——预臭氧-曝气氧化，形成了60万t/d的生产能力。锡东水厂以太湖为原水，具有有机物浓度高、藻类代谢产物多的特点，CODMn质量浓度为2.02～6.88 mg/L，通过预臭氧-曝气氧化-沉淀-砂滤-后臭氧-生物活性炭工艺后，出水CODMn质量浓度为0.78～1.48 mg/L，且二期出水CODMn均值比一期约低2.93%(图2)。原水浑浊度受藻类等影响波动较大，出水浑浊度为0.09～0.13 NTU，二期出水浑浊度均值比一期略低。

图1 锡东水厂工艺一二期不同之处Fig.1 Differences of the First and Second Phase Project of Xidong WTP

图2 一、二期出水水质 (a)CODMn；(b)浑浊度Fig.2 Finished Water Quality of the First and Second Phase Project (a) CODMn; (b) Turbidity

2 工艺分析

2.1 混合方式

锡东水厂一期和二期均采用平流式沉淀池，一期采用管式静态混合和五级搅拌(速度依次减小)絮凝。实际运行中，管式静态混合器维护管理方便，无需外加动力设备，建厂以来未对其进行维修，但其最主要的缺点是水头损失较大[1]。实测流量为11 000 m3/h时，水头损失为0.9 m[2]。2012年扩建加了一期和二期的预处理工艺，在调试期间，由于管式静态混合器水头损失大，为了让一期曝气氧化池的水顺利流入沉淀池，一期曝气氧化池设置的出水堰板为6.3 m，高于二期的5.8 m[2]。管式静态混合器的另一缺点是运行水量变化影响混合效果，由于其相邻两节中反向的螺旋叶片使水流成对分流，同时产生漩涡反向旋转，使水和矾不断激烈掺混扩散[1]，流量越小混合效果越差。按设计流量选择DN1400的管式静态混合器，在实际运行中，处理水量往往小于设计流量，且季节变化也影响处理水量，此外，受太湖水质波动的影响，水厂会相应增产和减产。流量的大幅度变化不利于矾与水在管式静态混合器里充分混合。

二期采用机械搅拌混合和五级搅拌絮凝。考虑到机械搅拌混合水头损失小，混合效果基本不受水流变化影响，故设计采用4台型号为15XRD-20的快速混合桨式搅拌机。该搅拌机的设备购置费与管式混合器相差不大，但机械混合池的土建工程造价高于管式混合器，且需耗动能，该搅拌机功率为15 kW，二期共4台，一年的用电量约为52万kW·h。搅拌机维护管理较复杂，需定期维护，出现事故时须停机检修。锡东二期机械混合刚投运时混凝效果不好，水质难以做“清”，且一、二期加矾量相差较大，2013年和2014年的5月—10月，加矾量相差5.7～22.0 mg/L(图3)。推测是温度升高时硫酸铝水解反应速度增长较快，桨式搅拌机的转速未能根据温度、浑浊度等智能调节让其加快混合扩散[3]，在高温时，硫酸铝可能会出现先水解后混合的现象，大大减弱了混凝剂的作用，导致矾耗增加。故水厂停用机械搅拌，并进行了多项生产性试验，如调整水量、前移和后移加矾点、测试生物氧化池出水堰口不同跌落度、调节混合搅拌速度等。试验发现进水阀门开启约1/3时，水流湍急形成紊流，与矾混合效果较好，一、二期矾耗差异逐渐减小。近2年(2018年和2019年)的一、二期矾耗差异小于3 mg/L，除个别原水水质波动影响外，二期矾耗基本大于一期。由图3可知，夏季矾耗普遍大于冬季，但易受水源水质波动影响出现冬季矾耗较高的情况，如氨氮变化、台风、藻类等。2019年12月，矾耗达到最大值，经排查发现原水水质受某一污染因子影响，原水氨氮均值高于0.2 mg/L，峰值为0.5 mg/L，混凝效果不佳，矾耗增加。

图3 一期和二期矾耗情况 (a)2013年;(b)2014年;(c)2018年;(d)2019年Fig.3 Dosage of Alum of the First and Second Phase Project (a)2013;(b)2014;(c)2018;(d)2019

综上，管式混合器水头损失大、运行简单，机械搅拌需根据流量、温度、浑浊度等自动调节。如何更好地实现机械混合效果有待进一步研究。

2.2 沉淀池导流墙

一期和二期平流沉淀池参数如表1所示，根据《给水排水设计手册:城镇给水》[1]，沉淀池每格宽度或导流墙间距一般为3～8 m，最大为15 m，二期设导流墙以减少水力半径。水力半径和弗劳德数成反比，一期和二期沉淀池的弗劳德数均为1×10-5～1×10-4，弗劳德数小于1说明作用在水流上的重力起主要作用，流动为缓流。水力半径与雷诺数成正比，一期雷诺数大于二期，雷诺数大意味着惯性力对流场的影响大于黏滞力，流速的微小变化容易发展、增强，形成不规则的紊流流场，说明一期沉淀池里水的流动状态更紊乱，不利于矾花下沉，从而减弱混凝效果。

表1 一期和二期沉淀池参数Tab.1 Horizontal Flow Sedimentation Tank Parameter of the First and Second Phase Project

综上，二期的导流墙改善了水力条件，形成有利于沉淀池的稳定流动，进而提高了沉淀池的处理效果[4]。但实际运行中，如图4所示，水生植物会依附导流墙生长，需人工定期处理，且采用虹吸式排泥车走动时，部分泥会堆积在墙根，较难清理。

图4 水生植物依附导流墙情况Fig.4 Attachment of Aquatic Plants to Diversion Walls

2.3 沉淀池指型槽

一期沉淀池出水指型槽属“短宽型”，二期指型槽属“细长型”， 单位堰宽负荷可由式(1)得出。由表2可知，二期具有较小的单位堰宽负荷，意味着较小的出水流速。魏文礼等[5]对平流沉淀池固液两相流水力特性进行数值模拟，发现在出水口附近减小流速能减少已沉降的絮体被扰动的可能。许畅[6]对各沉淀池宽度方向的中心截面进行流速监测，发现指型槽长度越长，出水口流速增加越缓慢，能减少对沉淀池尾部微小絮体的裹挟，从而保证沉淀池的集水效果。

表2 一期和二期沉淀池指型槽参数Tab.2 Finger Sink Parameter of the First and Second Phase Project of Horizontal Flow Sedimentation Tank

q=Q/(2nL+B)

(1)

其中：q——单位堰宽负荷，m3/(m·d)；

L——指型槽长，m；

Q——沉淀池处理水量，m3/d；

B——沉淀池池宽，m；

n——指型槽个数，个。

如图5所示，沉淀池二期出水浑浊度均值为0.79 NTU，略低于一期浑浊度(0.84 NTU)。但指型槽太长意味着有效沉淀区长度的减少，池内悬浮颗粒还未完全沉降就溢流进入出水槽内，影响最终出水水质。所以，应合理地选择相应参数，以达到最佳的处理效果。

综上，后期平流沉淀池扩建应结合实际情况，根据水量水质及构筑物自身特点，考虑在一定的单位堰宽负荷[120～300 m3/(m·d)]情况下适量增加指型槽长度。

2.4 砂滤池进水方式

如图6所示，一期砂滤池从中间进水，向两侧配水，配水较为均匀，而二期砂滤池从头部进水，向尾部配水，水流动过程中损失了部分动能，水体漂浮杂质集中进入尾部滤池，导致其进水浑浊度较高。如图7所示，二期尾部池子1号和2号的浑浊度高于其他池子，其过滤阻力增加。为保证配水效果，建议采用中间进水，向两侧配水的方式。

图6 一期和二期砂滤池进水示意图Fig.6 Inflow of the First and Second Phase Project of Sand Filters

图7 一期和二期砂滤池池面浑浊度Fig.7 Surface Turbidity of the First and Second Phase Project of Sand Filters

2.5 尾水浓缩池

如表3所示，一期设计1座平流式浓缩池，分3格，上清液从池尾溢流出水。每格安装1套刮泥机系统，将底部污泥刮到集泥槽，并配污泥提升泵房1座，安装6台排泥泵，集泥槽达到一定泥量后由排泥泵打入平衡池。实际运行中，因刮泥机行程长，连杆强度不能达到正常运行要求，刮泥机多次出现连杆焊接处断裂故障，导致浓缩池不能正常排泥。另外，底部刮板间隙过小，中心轴稍有偏移就会导致刮板交错。因该浓缩池故障频发，维修前放空、清淤工作费时费力，故停用该池，仅作为备用池使用。

表3 一期和二期浓缩池参数Tab.3 Sludge Thickener Parameters of the First and Second Phase Project of Horizontal Flow Sedimentation Tank

二期设计4座辐流式浓缩池，废水自池中心进水管进入，并在进水管外设置导流筒改变出水流向，防止中心进水径向流速高而影响沉淀效果，上清液从池周溢流出水。如图8所示，实际运行中该辐流式浓缩池近30 d上清液出水浑浊度相较于以太湖为水源的其他水厂平流式浓缩池稍低，推测中进周出对水体的搅动力小，有利于污泥沉降。二期采用回转式刮泥机，竖向栅条随刮泥机旋臂一起旋转，破坏污泥间架桥现象，帮助排出夹在污泥中的间隙水和气体，促进浓缩[1]。回转式刮泥机故障率较低，但实际运行中也会出现传动链条松脱、集电环故障、电机过载等导致的异常停滞。刮泥机将沉至池底的污泥刮至池中心的污泥斗，依靠重力排至平衡池，但重力排泥需要浓缩池与平衡池之间存在足够的压差，且排出的污泥含固率不易稳定控制。

图8 辐流式及平流式浓缩池出水浑浊度Fig.8 Treated Water Turbidity of Radial Sludge Thickener and Horizontal Sludge Thickener

综上，从占地面积、运行效果及故障维修考虑，建议采用辐流式浓缩池，配套回转式刮泥机及排泥泵房。

3 结论

结合锡东水厂一、二期长时间的运行效果，通过后评估分析并总结了不同混凝方式、沉淀池水力条件及其出水方式、砂滤进水方式以及尾水浓缩效果，提出如下建议。

(1)为优化沉淀出水，平流沉淀池的出水堰在一定的单位堰宽负荷范围内适量增加指型槽长度，以降低出水浑浊度。

(2)为保证砂滤池配水效果，建议进水管从砂滤池中间进水，向两侧配水，均匀配水有助于统一管理各滤池的反冲洗强度及洗池周期等。

(3)辐流式浓缩池相较于平流式浓缩池占地面积小、运行效果好、故障维修率低，建议配套排泥泵房以保障排泥的稳定性，有利于后续板框压滤机的处理效果。

(4)太湖原水具有有机物浓度高、藻类及代谢产物多、季节性波动大的特点。水厂宜根据流量、温度、水质等实现机械混合的自动调节，如何智能化实现机械混合效果有待进一步研究。平流沉淀池增设导流墙，改善水流条件利于沉淀，同时，应关注墙上附着生长的水生植物和墙根堆积的积泥，相应的运营管理方式有待进一步完善。