微涡旋混凝技术在老旧供水工程改造中的应用

谌贻胜,朱兰兰

(1.江西省赣西土木工程勘测设计院，江西 宜春 336000；2.江西省宜春市土木工程总承包有限公司，江西 宜春 336000)

1 问题的提出

为保障农村供水安全，我国于2005年启动农村饮水安全工程建设，后又于“十二五”期间启动农村自来水工程建设，“十三五”期间启动农村供水保障提升工程建设，十几年来，全国各地兴建了大量农村供水设施，工程的建设有力地保障了农村供水安全[1]。但由于农村供水工程存在特殊性，部分工程存在规模小，供水保证率不高，设施简陋等问题[2]。特别是早期兴建的部分山区农村供水工程，下雨天进水浊度大，出水水质不满足要求的情况较普遍[3]。随着社会的快速发展和人民生活水平的稳步提高，饮用水安全问题也越来越引起人们的关注[4]。近几年，国家开始大力推进城乡一体化供水，要求城市与农村供水达到同等供水标准，对农村供水水质提出了新的、更高的要求[5]。通过微涡旋混凝技术对老旧供水工程进行简单改造，降低运行管理难度，提高出水水质，是一种经济高效的方法[6]。

2 微涡旋混凝技术原理

混凝是自来水处理中最重要的过程，直接关系到自来水厂出水水质。混凝主要包括凝聚与絮凝两个过程，投加微涡旋反应器的作用是能有效地提高凝聚与絮凝的效率[7]。图1为微涡旋反应器实物图。

图1 微涡旋反应器

2.1 微涡旋凝聚

水中胶体脱稳的程度与碰撞的概率决定了凝聚的效率，投加涡旋反应器后，反应区能形成微涡旋流动，有效地促进水中胶体的扩散与碰撞。微涡旋能有效地促进水中胶体的扩散和碰撞，原因有两个方面：一是涡旋导致流层之间形成了较大的流速差，使得流层中微粒有了相对运动，提高了微粒之间的碰撞概率；二是微涡旋的旋转形成了离心力，促使胶体沿旋涡的径向运动，增加了微小胶体的碰撞概率。两种作用都会随涡旋尺寸的减小而增大，微涡旋反应器形成了有利于胶体凝聚的水力条件。其作用原理见图2。

图2 微涡旋混凝作用原理图示

2.2 立体接触絮凝

在混凝反应区投加涡旋反应器后，反应器内流速相对较小，运行一段时间后，会在上向水流区放置的涡旋反应器内形成絮体悬浮区，悬浮区内的絮体对穿过的脱稳胶体形成絮凝作用，所以其絮凝反应相较于传统反应池效率更高[8]。每个涡旋反应器内都具有悬浮絮体，体积大，可以形成立体接触絮凝的效果；此外，微涡旋反应器内的絮体质量更好，过大的絮体会在微涡旋的作用下破碎成较小絮体进而保持絮凝能力，而密实度较小的絮体容易在微涡旋的作用下破碎，再次絮凝成更密实的絮体，利于沉淀分离。

3 工程概况

宜春东岭水厂已运行十几年，原设计规模800 m3/d，向三个行政村供水，应急情况下向温汤镇供水，设计供水人口6200人，水厂设计1组净水构筑物，工艺流程为：溪水→混合器→穿孔旋流反应池→斜管沉淀池→重力无阀滤池→清水池，投加PAC絮凝，采用二氧化氯消毒。由于水源为山泉水，晴天时原水水质较好(浊度一般在3NTU以下)，水厂出水水质也较好(一般在1NTU以内)；但在下雨天(特别是暴雨、大雨时)由于原水浊度升高，水厂处理效果不稳定，时常导致出厂水浊度满足不了《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)不高于1NTU的要求，水厂一般采取停运的方式应对大雨及暴雨天出厂水水质不达标的问题。

4 工程改造方案

为了保障供水安全，解决当地下雨天无法正常供水的问题，提高供水可靠性，计划采用微涡旋混凝技术对水厂进行技术改造。本次改造不会破坏反应池原有结构，安装支架后直接投加微涡旋反应器即可，保障沉淀池出水浊度低于3NTU，过滤后出厂水水质满足标准GB 5749—2006的要求，即确保水厂出厂水浊度小于等于1NTU。原有工艺中反应池存在反应不充分，效果不理想的问题[9]，导致絮凝沉淀功效难以充分发挥，本次对絮凝反应池进行改造，在原穿孔旋流反应池内投加微涡旋反应器，提高絮凝效果[10]，保障水厂出水水质。

改造后的工艺流程如图3。

图3 改造石工艺流程

在反应池中投加了微涡旋反应器，型号为HJTM1微涡旋反应器与HJTM2微涡旋反应器，反应池第1格投加开孔孔径15 mm的HJTM2型微涡旋反应器，反应池第2、3格分别投入比例40%的HJTM2型微涡旋反应器、60%且开孔孔径为35 mm的HJTM1型微涡旋反应器，第4格之后仅投加HJTM1型微涡旋反应器。在投加反应器之前，需要反应池的底部放置钢架，起到支撑反应器的作用，保证排泥通畅，避开絮凝反应的无效段，提高反应器的利用效率。反应池第1格至第6格投加的微涡旋反应器的体积分别为：1.1 m3、1.0 m3、0.9 m3、0.8 m3、0.8 m3、0.7 m3，絮凝区投加的反应器体积合计为5.3 m3。

5 调试运行情况

改造结束后，经过三个月的调试及运行，效果令人满意。出水水质较原工艺有明显改善，具体表现在: ①在反应池中，生成的矾花清晰，颗粒明显，沉降性好，而改造前在反应池基本看不见矾花颗粒。②沉淀池出水水质明显改善。改造前，雨天原水浊度高时沉淀池出水大部分区域都呈浅白色，而改造后沉淀池出水呈碧绿色，表明水质明显改善。③滤池工作周期延长，反冲洗时间缩短，反洗水耗降低，表明待滤水浊度降低，且矾花的絮凝质量提高。④滤后水浊度均在1NTU以下。

6 数据分析

(1)可保障沉淀池出水浊度低于3NTU。2020年2月1日至4月4日对净水设施进行各种工况条件下的调试，期间根据进水浊度的变化情况，及时调整絮凝剂投加量，可以保证沉淀池出水在3NTU以下，滤后水浊度在1NTU以下，满足标准GB 5749—2006要求。

(2)混凝反应时间缩短为5～8 min。东岭水厂供水水质之所以容易出现浊度超标的情况，有个重要原因是水厂施工时，穿孔旋流反应池的穿孔高度出现了误差。通过现场复核，上下两孔之间的间距由平均1.6 m缩短到了0.8 m左右，导致水厂原反应池反应区絮凝反应时间从16分钟缩短到8分钟左右。而8分钟，在微涡旋反应器要求的停留时间范围内，而根据现场运行调试，投加微涡旋反应器后，可以解决因施工不到位导致的缺陷，保证水厂正常运行，保障出水水质。

(3)混凝剂消耗降低10%以上。改造前，进水浊度在20NTU、30NTU、40NTU的情况，需分别投加10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L；改造后，进水浊度在20NTU、30NTU、40NTU的情况，需分别投加8 mg/L、12 mg/L、15 mg/L，可知相同情况下，投加反应器后，混凝剂投加量可以降低20%左右。

(4)滤池反冲洗水量节约15%以上。根据咨询水厂运行负责人，在未安装微涡旋反应器的情况下，水厂大约15 d进行一次自动反冲洗；安装微涡旋反应器的情况下，水厂大约20～25 d进行一次自动反冲洗。反冲洗周期由平均15 d变成了平均22 d，可节约滤池反冲洗水量40%。由于反冲洗周期较长，反冲洗周期的间隔不一，后期还需要后续的运行中进行观察分析。

7 结 论

微涡旋混凝技术最大的特点是混凝效率高、抗冲击负荷低、出水水质好、改造简单，改造成本低，每立方米反应器成本约为1500～2000元，反应器投资仅占供水工程的1%左右，对于不少因雨天水源浊度大，出水浊度超标，雨天无法正常运行的已建农村供水工程，具有较好应用推广价值，可降低农村供水工程运行管理难度，提高供水保障程度。