徐 丹，衛(wèi)正剛，柳瑞瑤，張 回

(合肥供水集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230011)

回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池通過流體流動(dòng)的能量消耗，促使水中膠體顆粒在混合階段脫穩(wěn)，經(jīng)微絮粒相互接觸碰撞，逐步形成能滿足沉降分離要求的較大絮體，是給水工藝中十分重要的環(huán)節(jié)。其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、管理方便，是大型水廠常用的工藝形式。該池雖然絮凝時(shí)間長(zhǎng)、絮凝池容積大，但容積不能得到有效利用，與折板及網(wǎng)格式絮凝池相比，水力條件不甚理想，絮凝效果不佳[1-2]。特別對(duì)于冬季低溫低濁水，由于回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池的水力條件不佳，沉淀池出水渾濁度高。

目前，國(guó)內(nèi)各水廠在處理低溫低濁水時(shí)，通常采用合適的混凝劑和助凝劑或者預(yù)氧化技術(shù)，此方法經(jīng)濟(jì)且易實(shí)施，但降濁效果有限，還會(huì)帶來用水安全問題；部分水廠采用泥渣回流技術(shù)，該技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)較好，但存在廢水對(duì)回流的影響，會(huì)造成整體水質(zhì)問題[3]；也有部分水廠采用提高混凝強(qiáng)度的方法[4]，該措施相對(duì)較少產(chǎn)生水質(zhì)安全問題。研究指出折板絮凝與隔板絮凝相比，水流條件大大改善，在總水流能量消耗中，有效耗能比例提高，可以提高絮凝池混凝強(qiáng)度。

本文在安徽省合肥市某水廠一期工程的改造中，擬在原來的回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池中增設(shè)平流式折板。利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬[5-6]，從理論上進(jìn)行流態(tài)分析，測(cè)定改造前后絮凝池工藝參數(shù)，考察增設(shè)折板對(duì)絮凝池的速度梯度的影響，并通過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行對(duì)比，判斷該方案能夠達(dá)到增加混凝強(qiáng)度、降低低溫低濁水的出水渾濁度的效果。

1 改造方案與試驗(yàn)方法

安徽省合肥市某水廠一期工程總規(guī)模為25萬m3/d，共4座絮凝池(1#～4#絮凝池)，每座設(shè)計(jì)規(guī)模為6.25萬m3/d，給水工藝采用管道混合-回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池-平流沉淀池-普通快濾池，運(yùn)行至今已有30年。水源水為董鋪水庫水，絮凝劑采用固體聚合氯化鋁鐵，消毒劑采用次氯酸鈉。

1.1 增設(shè)折板方案

選取一期1#回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池進(jìn)行增設(shè)平流式折板改造。在1#絮凝池內(nèi)先后增設(shè)了平流異波折板和平流同波折板，如圖1所示。

注：前2圈①②渠道內(nèi)細(xì)線-異波折板；后3圈③④⑤渠道內(nèi)粗線-同波折板圖1 回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池內(nèi)折板布置Fig.1 Layout of Convential Rotary Clapboard Flocculation Tank Adding Folde Plates

圖2 平流異波折板實(shí)物圖Fig.2 Picture of Horizontal-Flow Opposite Folded Plates

《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于折板絮凝池的設(shè)計(jì)參數(shù)：第一階段為0.25～0.35 m/s(異波折板)；第二階段為0.15～0.25 m/s(同波折板)；第三階段為0.10～0.15 m/s(直板)?；剞D(zhuǎn)式隔板絮凝池中的第①、②渠道的平均流速為0.38、0.29 m/s，滿足第一階段，因此，平流異波折板放入絮凝池內(nèi)的第①、②渠道，渠道總長(zhǎng)約為69 m，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?；剞D(zhuǎn)式隔板絮凝池中的第③、④、⑤渠道的平均流速分別為0.25、0.20、0.16 m/s，滿足第二階段，平流同波折板放入絮凝池內(nèi)的第③、④、⑤渠道，渠道總長(zhǎng)約為158 m。折板夾角為90°，折板間距為1 m，折板板材為304不銹鋼，厚度為1.5 mm，折板具體尺寸和數(shù)量如表1所示。

1.2 試驗(yàn)儀器、水源水水質(zhì)及分析方法

儀器：深圳中潤(rùn)水工業(yè)ZR4-6混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)；杭州飛華臺(tái)式TSZ濁度儀；雷磁PHSJ-4A酸度計(jì)。

試驗(yàn)周期內(nèi)水源水水質(zhì)：渾濁度為11.0～15.0 NTU、水溫為7～9 ℃、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)為1.9～2.4 mg/L、pH值為7.27～7.50。各項(xiàng)指標(biāo)均采用生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法相關(guān)分析中的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。

表1 折板尺寸和數(shù)量Tab.1 Size and Quantity of Folded Plates

2 結(jié)果和討論

2.1 絮凝池流態(tài)分析

2.1.1 計(jì)算模型與數(shù)值方法

選取了絮凝池第1圈初始增設(shè)異波折板處、第3圈初始增設(shè)同波折板處的剖面，模型網(wǎng)格選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。

數(shù)值使用k-w sst模型方程，邊界條件設(shè)置如下。①進(jìn)口邊界：采用模型左側(cè)邊為進(jìn)口邊界，異波折板模型流速為0.376 m/s，同波折板流速為0.266 m/s，設(shè)置模擬溫度為7 ℃。②出口邊界：采用自由出流，適用于不可壓縮流中完全發(fā)展出流的情況。③壁面邊界：固體邊界采用無滲透、無滑移的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，流體材料選擇水體(water-liquid)，按照溫度調(diào)節(jié)水的密度和黏度。

2.1.2 模擬結(jié)果

利用Fluent軟件模擬處理后，將模擬結(jié)果導(dǎo)出Tecplot格式后用Tecplot軟件打開數(shù)據(jù)，從中提取絮凝池廊道剖面處沿水流方向的速度分布矢量圖(圖3)和湍流動(dòng)能分布圖(圖4)。

圖3 改造前后觀測(cè)點(diǎn)水流速度矢量分布Fig.3 Velocity Vector in Observation Points before and after Adding Folded Plates

圖4 改造前后觀測(cè)點(diǎn)處湍動(dòng)能分布Fig.4 Diagram of Turbulent Kinetic Energy in Observation Points before and after Adding Folded Plates

速度矢量圖反映了絮凝池內(nèi)水體流向和速度分布的情況。由圖3可知，改造前絮凝池內(nèi)水體流向均為水平方向流動(dòng)，方向一致；增設(shè)折板后，絮凝池內(nèi)折板附近水流方向發(fā)生改變，水流流向變得復(fù)雜，使得折板附近存在大量的渦旋，促進(jìn)顆粒的擴(kuò)散和碰撞凝聚。由絮凝動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析可知，這樣的水流狀態(tài)對(duì)絮凝有利[7]。

由速度分布可知，未增設(shè)折板的絮凝池內(nèi)，絮凝池第①圈開始處[圖3(a)]僅在絮凝池壁的流速小，池體內(nèi)部流速均勻，幾乎無流速差。增設(shè)折板的絮凝池內(nèi)[圖3(b)、圖3(c)]，折板之間的平均流速>折板附近的平均流速>靠近折板壁處的水流速度。增設(shè)異波折板的絮凝池第①圈開始處[圖3(b)]的流速差為0.50 m/s，折板附近流速差較大，使得水與其中固體顆粒產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為不同尺度的顆粒碰撞提供了條件，有利于顆粒物碰撞。增設(shè)同波折板的絮凝池第③圈開始處[圖3(c)]的流速差為0.37 m/s，比異波折板處的速度差異小，湍流剪切力減少，有利于絮體的長(zhǎng)大。

表2 改造前后 1#回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池速度梯度G、絮凝時(shí)間TTab.2 Velocity Gradient G and Flocculation Time T Value of 1# Rotary Clapboard Flocculation Tank before and after Reconstruction

圖4可以直觀地表現(xiàn)湍動(dòng)能k在池體中轉(zhuǎn)移和耗散的情況[8-9]。改造前絮凝池內(nèi)湍動(dòng)能分布均勻，湍動(dòng)能小，絮凝池第①圈開始處[圖4(a)]k僅為1.8×10-13m2/s2；增設(shè)異波折板后，在折板附近水流湍動(dòng)能較大，絮凝池第①圈開始處[圖4(b)]折板附近平均k為4.8×10-3m2/s2，有利于形成渦流，膠體顆粒間碰撞幾率更大，由此形成的礬花更密實(shí)，絮凝效果更佳。絮凝池第③圈開始處[圖4(c)]同波折板附近平均k為3.2×10-3m2/s2，比異波階段的稍小，有利于礬花長(zhǎng)大。湍動(dòng)能和速度矢量云圖在分布上具有相似性，存在內(nèi)在的相互關(guān)聯(lián)。由計(jì)算流體力學(xué)模擬結(jié)果可知，增設(shè)折板增加了水流渦流數(shù)量、改善了水利條件。

2.2 絮凝池工藝參數(shù)對(duì)比

對(duì)1#絮凝池增設(shè)折板改造前后進(jìn)行了速度梯度G、絮凝時(shí)間T工藝測(cè)定，測(cè)定時(shí)水溫為7 ℃，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，1#絮凝池改造后的各階段絮凝強(qiáng)度均比改造前大。同比孔室階段，改造后的GT約是改造前的1.3倍；同比第①圈至第②圈結(jié)束處，該段改造后的GT約是改造前的3.9倍；同比第③圈至第⑤圈結(jié)束處，該段改造后的GT約是改造前的2.2倍。因此，增設(shè)折板能夠增大GT，提高絮凝效果。

2.3 實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行效果

1#(改造)、2#(未改造)回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池對(duì)應(yīng)的1#、2#平流式沉淀池，其結(jié)構(gòu)和尺寸相同，因此，將2#沉淀池作為對(duì)比池，同時(shí)沉淀池自身影響可忽略，采用沉淀池出水渾濁度代表絮凝池絮凝效果。改造前后2周內(nèi)進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)水量及凈水劑投加不變。增設(shè)折板前后實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的1#、2#沉淀池出水渾濁度如圖5和圖6所示。

圖5 實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的1#、2#沉淀池出水渾濁度Fig.5 Effluent Turbidity of 1# and 2# Sedimentation Tanks in Practical Treatment Process

圖6 1#絮凝池改造前后一周內(nèi)1#、2#沉淀池出水平均渾濁度Fig.6 Turbidity of 1# and 2# Sedimentation Tank within One Week before and after Adding Folded Plate

如圖6所示，改造前1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度為1.68 NTU。改造后經(jīng)2 d左右適應(yīng)期，出水水質(zhì)穩(wěn)定。改造后1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度為1.16 NTU，增設(shè)折板改造后出水渾濁度降低31%。改造前1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度比2#高5.7%；改造后1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度比2#低24%。絮凝池增設(shè)折板能夠有效提高絮凝效果，降低在低溫低濁條件下的出水渾濁度。

1#～4#回轉(zhuǎn)式絮凝池的設(shè)計(jì)負(fù)荷為2 600 m3/h，絮凝池增設(shè)折板后，水頭損失增加。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行試驗(yàn)，改造后1#絮凝池的最大負(fù)荷可達(dá)4 000 m3/h，增設(shè)折板后不影響水廠負(fù)荷。

3 結(jié)論

(1)計(jì)算流體力學(xué)模擬從理論上證實(shí)了增設(shè)平流折板能夠增加折板附近水流渦流數(shù)量，改善回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池內(nèi)水流狀態(tài)。

(2)增設(shè)折板能提高回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池的絮凝強(qiáng)度。在絮凝池前2圈，增設(shè)折板的1#絮凝池GT約是未增設(shè)折板的3.9倍；在絮凝池后3圈，增設(shè)折板的1#絮凝池GT約是未增設(shè)折板的2.2倍。

(3)絮凝池增設(shè)折板能有效降低冬季低溫低濁情況下的沉淀池出水渾濁度。實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行效果表明，增設(shè)折板后的1#沉淀池出口水渾濁度降低了31%。

回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池中增設(shè)平流折板能有效改善水力條件，該改造方案可為老舊水廠在現(xiàn)有條件下絮凝池提升改造提供借鑒和參考。