水力旋流型网格絮凝池改造实例

董 野，叶旭阳，周少清，刘 伟，郭晓鸣

(深圳市深水龙华水务有限公司，广东深圳 518000)

随着社会经济的快速发展以及人民对健康意识的不断增强，提高饮用水品质成为供水行业的迫切需求[1]，作为社会主义先行示范区，深圳市提出到2025年实现全市自来水可直接饮用的目标。此外，深圳市于2020年5月开始实施深圳市《生活饮用水水质标准》(DB4403/T 60—2020)，对供水水质要求的提升将迫使供水企业对处理工艺实施升级改造和提高管理水平。深圳市某水厂一期网格絮凝工艺落后、运行年限长，在进水负荷较高的工况下处理能力和出水水质不能满足用水需求，随着深圳市新地方标准的实施以及远期深度处理工艺对预处理要求提高，需强化常规处理工艺处理效果，对絮凝池进行全面的技术改造。

絮凝反应是给水处理中重要的工艺环节，也是保障出水水质的第一步工艺流程。絮凝反应的效果不仅取决于絮凝剂的特性，还取决于絮凝装置所提供的动力学条件[2]。改造前该水厂采用栅条网格絮凝池，当水流通过栅条絮凝池时水流收缩，通过孔洞后水流扩大，在这一过程中水中颗粒与水流形成相对运动，促进颗粒碰撞形成絮体。但是当进水负荷升高时，栅条絮凝装置提供的水力条件难以达到理想的絮凝效果[3]，更换新型网格絮凝装置是提高絮凝反应效果的有效途径。张先斌等[4]将个旧市松矿水厂原穿孔旋流絮凝池改造为微涡流絮凝池，水流经过反应器时产生微涡流动，增加了颗粒碰撞几率，提高了絮凝反应效果，滤前水浑浊度由改造前的3～4 NTU降至3 NTU以下。何华良[5]将南方某水厂回旋式絮凝反应池改建成网格絮凝池，在出厂水浑浊度及各项指标均能达标的情况下，实现供水量超出设计处理能力8%和半年月均投矾量减少21.13%。

水力旋流网格絮凝装置是一种由三角组件、斜棱板两部分拼装而成的六边形网格絮凝装置。当水流通过絮凝装置时，斜楞板上的斜楞板对水流转向扰动，打破水流跟从效应，形成流体折转紊动。其特点是水流通过旋流网格过程中产生多层次微动力扰动，促进矾花的形成与结合，从而提升絮凝效果。此外，经水力旋流网格反应后的絮体沉降性能大幅度提升，有利于降低絮凝剂投加单耗。本次改造选用水力旋流型网格絮凝装置，因目前国内对于水力旋流型网格在给水厂工艺改造的应用研究较少，本文对改造方案和运行效能进行分析和探讨，为存在相似问题的水厂提供改造借鉴。

1 项目概况

该水厂一期工艺于1994年投产，设计规模为3万m3/d，采用预氧化-栅条网格絮凝池-平流沉淀池-虹吸滤池-消毒的强化常规处理工艺。在进水浑浊度较低时，沉淀池出水和滤池出水浑浊度可分别满足2.0 NTU和0.15 NTU左右，当进水浑浊度升高,超过200 NTU时，沉淀池和滤池出水水质恶化，为保障出水质，工艺需按设计负荷的50%～90%减产运行。表1为进水负荷与出水水质情况。

表1 进水负荷与出水水质Tab.1 Influent Load and Effluent Quality

1.1 进水水质

该水厂原水取自东深引水工程北线二期管道，因原水未经过水库调蓄，进水水质波动较大。2019年—2020年进水水质情况如表2所示。

表2 进水水质Tab.2 Influent Quality

1.2 絮凝池工艺

该水厂絮凝工艺采用栅条网格絮凝池，按1座2组配置，每组设置20格竖井，共分为3级。在第1级设置开孔比为38%的絮凝网格，第2、3级竖井内设置开孔比为50%的网格栅条絮凝装置，总絮凝时间为14.2 min。经过现场测算和絮凝条件分析，该絮凝池存在以下问题。

(1)构筑物池容利用不充分

前端竖井流速偏小，且由于后端为了经过中间竖井向两侧分流再进入配水区，后端竖井流速更小，仅为0.032 mm/s。由中间向两侧分流的配水形式，虽然满足了均匀布水的要求，但因为竖井流速过低，没有使末端絮凝池容积得以充分利用，造成矾花生长过程中结合混合力度不够，终端形成的颗粒不够密实，沉淀性能不佳。

(2)絮凝装置布置不合理

改造前该水厂絮凝装置采用栅条网格，栅条分3级布置，在第1级安装3层开孔比为50%的栅条装置，在第2级和第3级分别安装2层和1层开孔比为38%的栅条装置。根据该絮凝工艺长期运行效果的分析以及现场测量水力学参数结果，该絮凝装置在较短的絮凝时间内提供的局部紊动不足，絮体形成效果不佳，且不够密实，致使矾花进入沉淀区后沉降性能较差。

1.3 水力旋流型絮凝装置

水力旋流网格絮凝装置如图1所示，其特征在于整个装置由三角组件、斜棱板两部分拼装而成，斜棱板通过三角组件拼接成多组六边形。水流通过六边形时，斜楞板上的斜楞板对水流转向扰动，打破水流跟从效应，形成流体折转紊动，从而造成“宏观水流碰撞减弱，微观水流碰撞加剧”的颗粒碰撞水力学环境。其特点是装置结构本身根据斜楞板宽度分级，各级絮凝装置形成不同的水流紊动速度，从而可以根据需要调整所需的速度梯度，提供工艺需要的水力学絮凝条件。水通过涡流网格，促使水流的折转，增加水中悬浮颗粒碰撞机会，从而使絮体更快形成。

图1 水力旋流型絮凝装置Fig.1 Hydrocyclone Flocculation Device

2 改造方案

2.1 更换絮凝装置

将原有絮凝装置拆除，重新在絮凝池内安装水力旋流网格絮凝装置，在栅条网格提供的收放扰动效应的基础上增加旋流扰动的作用，使水流在流道中发生高频谱涡旋，增加悬浮物互相碰撞吸附的机会，为絮凝剂与水中的颗粒充分接触提供动力学条件。

2.2 合理配置絮凝装置放置密度

依据水力旋流网格絮凝装置的设备参数，合理分配絮凝装置布置方式，控制絮凝过程中速度梯度均匀递减，提供矾花生长环境，使悬浮物借助药剂辅助作用互相碰撞吸附、絮凝，且絮体具备良好的沉降性能。

本次改造将絮凝池分为4级，其中1#～6#竖井为第1级，7#～10#竖井为第2级，11#～14#竖井为第3级，15#～20#竖井为第4级，总絮凝时间为14.93 min。在第1、2、3级竖井内分别设置12、9、5套开孔比为55.18%的水力旋流型网格絮凝装置，第4级放置2套开孔比为78.28%的水力旋流型网格絮凝装置。通过对絮凝装置密度的合理分配，调节各段絮凝速度梯度由大到小均匀递减。

2.3 合理改善原有构筑物流道条件

改造前絮凝池尾端16#～20#竖井采用由中间向两侧分流的布水形式，其主要起均匀配水的作用，但是也造成了絮凝工艺有效反应时间减少。本次改造通过优化水流流道，使有效反应时间增加2.84 min，在有限的絮凝时间内使构筑物容积得以有效利用，更好地实现絮凝段工艺功能。此外，在絮凝池出水端采用导流板对后端沉淀区进水进行均布，导流板布置在絮凝池出水端外侧斜向安装，降低水流由絮凝池进入沉淀池时产生的局部扰动，有利于絮体在沉淀池的快速沉淀[6]。改造前后水流方向如图2所示。

注：单位为mm;数字1～20代表竖井编号图2 絮凝池流道改造示意图Fig.2 Schematic Diagram of Flocculation Tank Channel Reconstruction

3 改造后运行效果分析

3.1 水力条件

改造后絮凝池平均速度梯度G由40.246 s-1提升至52.346 s-1，反应速度梯度的提高有利于絮凝剂的快速扩散和矾花絮体的生成。此外，速度梯度随着反应的进行而逐渐减小，第1、2、3、4级的速度梯度依次为71、55、35、18 s-1。絮凝池尾端过网流速由改造前的0.137 1 m/s降至0.083 2 m/s，可有效防止絮凝反应末期矾花因混合强度过大而破碎[7]。改造前后水力条件对比如表3所示。

3.2 水质指标

在满负荷运行工况下，对比改造前后沉后水水质情况，结果如图3所示。在进水浑浊度最高值为28.02 NTU、最低值为3.02 NTU、平均值为13.03 NTU的条件下，改造后沉后水浑浊度平均值为0.71 NTU，优于改造前的0.88 NTU，改造前后沉后水的浑浊度去除率分别是93.25%和94.55%。以上结果说明，更换水力旋流型网格絮凝装置以及改变进水流道等措施可以优化颗粒脱稳和凝聚过程，使形成的矾花密实，具有良好的沉降性能，从而有效提高絮凝效果。

表3 絮凝池水力条件Tab.3 Hydraulic Conditions of Flocculation Tank

图3 沉后水浑浊度Fig.3 Turbidity of Sedimentation Effuent

3.3 絮凝剂药耗

对比改造前后该水厂聚合氯化铝药耗(以Al2O3计)变化情况，结果如图4所示。改造后聚合氯化铝药剂投加量下降，药剂平均投加量由改造前的2.3 mg/L降至2.16 mg/L，平均药剂单耗下降6.09%。按照理论处理水量估算，全年聚合氯化铝药剂费用由228 176.1元/a降至214 287.1元/a。本次改造同时实现了沉淀池出水水质提升和混凝剂药剂单耗降低，主要原因一是通过絮凝条件的改善，反应初期混合强度加强，有利于实现絮凝剂与水中颗粒充分反应[8]，二是由于进水流道的改变使有效反应时间延长，进一步促进絮体密实生长，提高絮体沉降性能。

图4 聚合氯化铝药剂单耗Fig.4 Consumption of Polyaluminium Chloride

3.4 改造费用

本次改造总投资约为103万元，其中水力旋流型絮凝装置采购费用约为74万元。水力旋流网格絮凝器的多边形网格固定组件采用ABS材质，该材质具有质量轻、耐腐蚀的特点。絮凝器由三角组件、斜棱板两部分拼装后模块化组装，不需要焊接或黏结，结构本身可有效消除应力，不易损坏，拆装和维护方便，絮凝装置使用寿命约为10年。

4 结论

该水厂采用水力旋流型网格对絮凝池进行改造，通过合理布置絮凝装置和改变进水流道等方式，提高絮凝池反应效果，实现沉淀池出水水质的提升和混凝剂药剂单耗降低，并得出以下结论。

(1)水力旋流型网格絮凝装置可以提供高频谱涡旋的水力条件，增加悬浮物互相碰撞吸附的机会，使絮凝剂与水中的颗粒充分接触，矾花沉降性能提高。

(2)改造后絮凝池G显著提高，且G随着反应进行而逐渐降低，有利于生成密实絮体。

(3)改造后沉淀池出水浑浊度平均值为0.71 NTU，较改造前沉淀池出水浑浊度(0.88 NTU)相比降低19.32%，沉淀池出水水质提升。

(4)改造后絮凝剂药剂平均单耗由2.3 mg/L降至2.16 mg/L，可节约聚合氯化铝药剂费用13 889元/a。