童佳佳，李 綱，侯寶芹，戴趙欽

(杭州蕭山供水有限公司，浙江杭州 311203)

1 水廠概況

某老舊水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為15萬(wàn)m3/d，水廠建廠距今已有34年歷史，生產(chǎn)工藝按照20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)水平建造，主要凈水工藝采用5組網(wǎng)格反應(yīng)池、平流沉淀池、移動(dòng)鐘罩虹吸濾池加清水池連體的綜合池方式，清水池在沉淀池、濾池下部。每組綜合池原水進(jìn)水管裝有管道混合器及加藥管，工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程圖

2 主要問(wèn)題及分析

該水廠無(wú)深度水處理單元，導(dǎo)致水廠生產(chǎn)抗沖擊能力差，當(dāng)水廠滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如原水水質(zhì)平穩(wěn)，水質(zhì)能夠得到較好保障，一旦原水水質(zhì)突變，應(yīng)對(duì)手段則相對(duì)薄弱，過(guò)程水和出廠水水質(zhì)容易出現(xiàn)較大波動(dòng)，且能耗較高。主要原因有以下幾點(diǎn)。

2.1 能耗大、混凝效果差

(1)水廠原采取傳統(tǒng)的管式靜態(tài)混合器(圖2)，該工藝管內(nèi)固定翼片水阻高、水頭損失大(水廠混合器由于設(shè)備老化等原因，水頭損失在3.0 m左右)、進(jìn)水量提升困難，且混凝劑單點(diǎn)投加不夠均勻，混合效果差。

圖2 傳統(tǒng)靜態(tài)混合器示意圖

(2)反應(yīng)區(qū)采用20世紀(jì)80年代安裝使用的普通鋼制網(wǎng)格柵，由于長(zhǎng)期與原水中投加的消毒劑(含次氯酸)進(jìn)行反應(yīng)，腐蝕嚴(yán)重，影響了聚合氯化鋁的混凝反應(yīng)效果，所結(jié)礬花顆粒較小，不易沉淀，沉淀效果不佳。

2.2 沉淀池“跑礬”現(xiàn)象嚴(yán)重，濾池負(fù)擔(dān)較大

水廠共設(shè)有5個(gè)平流沉淀池，長(zhǎng)為60 m，寬為7 m，單池設(shè)計(jì)最大進(jìn)水量為1 250 m3/h，流速為15 mm/s，沉淀時(shí)間為1 h。高峰供水期間，單池進(jìn)水量達(dá)到1 600 m3/h，超設(shè)計(jì)最大流量20%以上，沉淀池流速加快至21 mm/s，沉淀池停留時(shí)間縮減至約45 min，沉淀不充分。

(2)水廠沉淀池每組安裝6條集水槽，B×H=650 cm×350 cm，L=4 m，設(shè)計(jì)最大溢流率為300 m3/(m2·h)。高峰供水期間，沉淀池集水槽溢流率為625 m3/(m2·h)，負(fù)荷過(guò)高會(huì)造成礬花上浮，并隨著水流帶入濾池，增加濾池負(fù)荷，縮短濾池反沖洗周期。

2.3 濾后水流量變化大，加氯反饋時(shí)間長(zhǎng)，水質(zhì)波動(dòng)大

水廠采用虹吸鐘罩濾池工藝，由于結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式等，濾后水流量波動(dòng)較大[經(jīng)觀測(cè)，濾后水流量可在7 min內(nèi)，由滿管最大流量(3 000 m3/h)降至最小空管的(0)]，且未安裝在線流量計(jì)，會(huì)造成清水池次氯酸鈉二次投加不準(zhǔn)確。

水廠二次加氯采用出廠水余氯作為投加控制反饋，投加點(diǎn)與出廠水余氯儀采樣點(diǎn)之間的距離過(guò)長(zhǎng)，采樣點(diǎn)位于出廠水閥門井(圖3)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋有1.5 h的間隔，容易造成投加操作不精準(zhǔn)，出現(xiàn)余氯波動(dòng)幅度大的現(xiàn)象。

圖3 次氯酸鈉投加點(diǎn)示意圖

3 改造方案

為提升水質(zhì)，確保優(yōu)質(zhì)供水，需對(duì)水廠進(jìn)行升級(jí)改造。改造的目標(biāo)是在確保供水安全及供水量的前提下，提升水質(zhì)和產(chǎn)水率，同時(shí)合理降低運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效[1]。另外，由于水廠位于城區(qū)中心位置，廠內(nèi)空間受限，難以進(jìn)行大規(guī)模大投入的工藝改造。改造設(shè)計(jì)時(shí)，采用節(jié)地型、“騰籠換鳥(niǎo)”式分階段實(shí)施升級(jí)改造[2-3]，在不改變現(xiàn)狀凈水構(gòu)筑物池體結(jié)構(gòu)的前提下，采用小規(guī)模、見(jiàn)效快的改造模式。通過(guò)更換可降低水頭損失、提高水質(zhì)水量的微阻力管道混合器[4]、安裝及更新相關(guān)管道閥門、工藝制件、儀表設(shè)備等模式[5]，實(shí)現(xiàn)了老水廠的升級(jí)改造。具體改造方案如下。

3.1 更換管道混合器，減少水頭損失

改造水廠更換傳統(tǒng)的管式靜態(tài)混合器，采用微阻力管道混合器(圖4)。該設(shè)備取消了管內(nèi)翼片卡阻，改用雙層管腔分流，擴(kuò)散管流壓力，旋流混合技術(shù)優(yōu)越，水頭損失?。徊捎脟娚涫届F狀加藥，內(nèi)外腔雙層雙向、周邊均布多層多點(diǎn)噴藥，混合效果好。微阻力混合器同時(shí)具備管式混合器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維修、免維護(hù)以及防堵塞等優(yōu)點(diǎn)，改造前后混合器設(shè)計(jì)參數(shù)變化如表1所示。

圖4 微阻靜態(tài)混合器示意圖

表1 混合器設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 更換新型格柵，加強(qiáng)絮凝效果

拆除原普通鋼格柵，更換為新型的渦旋流反應(yīng)器，并適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量以增強(qiáng)絮凝強(qiáng)度。更換后的新型渦旋流反應(yīng)器其材質(zhì)為丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)，支撐固定件為SUS304不銹鋼，材質(zhì)安全，并設(shè)有網(wǎng)孔的網(wǎng)格板，網(wǎng)孔至少一側(cè)向外延伸以形成錐狀的延伸體，該延伸體具有使水流形成渦流效果的內(nèi)壁。反應(yīng)器形成的水流渦旋度大，渦旋效果是傳統(tǒng)的微渦旋效果的5 倍以上。

3.3 更換集水槽，降低負(fù)荷，減少“跑礬”

本次改造將拆除原集水槽，更換為新型不銹鋼集水槽，槽體數(shù)量及槽體斷面不變，將槽體由4.0 m增加至9.0 m，使溢流率由原先的625 m3/(m2·h)降低至278 m3/(m2·h)。同時(shí)，在每根槽下增加防礬花上浮裝置，減少礬花帶出，有效降低濾前水渾濁度，改造前后集水槽設(shè)計(jì)參數(shù)變化如表2所示。

表2 集水槽設(shè)計(jì)參數(shù)

3.4 增加加氯控制反饋在線儀表

改造水廠增加濾后水流量計(jì)、余氯儀等在線儀表，具體位置如圖5所示。通過(guò)PLC采集實(shí)時(shí)濾后水流量以及濾后水余氯數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二次加氯隨流量變化自控投加。另外，投加點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)的反饋時(shí)間間隔大大縮短，由原來(lái)的1.5 h縮短至10 min，幫助水廠加藥系統(tǒng)實(shí)施精準(zhǔn)投加，保證出廠水水質(zhì)全面優(yōu)質(zhì)達(dá)標(biāo)。

圖5 新增在線儀表位置示意圖

4 改造成效

4.1 混合反應(yīng)效果

混合反應(yīng)效果提升主要體現(xiàn)在混凝效果充分、反應(yīng)池形成的礬花大且密實(shí)、沉淀后出水及出廠水渾濁度降低、沉淀池末端跑礬現(xiàn)象緩解。

4.1.1 沉淀池出水效果

水廠改造于2021年1月4日全部完成。改造前后1個(gè)月內(nèi)原水渾濁度基本穩(wěn)定，平均值為50.00 NTU，礬耗平均約為1.9×10-3kg/m3。由于對(duì)進(jìn)水管道混合器及反應(yīng)區(qū)格柵進(jìn)行更換，藥劑與原水反應(yīng)更充分，改造后沉淀池末端集水槽側(cè)礬花明顯減少，濾池負(fù)荷減小。

圖6～圖7為改造前后沉淀池出水渾濁度變化情況，改造前沉淀池出水渾濁度在1.44～4.00 NTU，平均渾濁度為3.11 NTU，改造后沉淀池出水渾濁度明顯下降，為1.68～2.43 NTU，平均為1.99 NTU，相比改造前渾濁度降低了36%，表明改造完成后混凝效果明顯提升，沉淀池末端“跑礬”現(xiàn)象明顯得到緩解。

圖6 改造前沉淀池出水渾濁度

圖7 改造后沉淀池出水渾濁度

4.1.2 出廠水質(zhì)效果

經(jīng)工藝改造后，混凝效果提升，濾池負(fù)擔(dān)減輕，出廠水渾濁度得到有效改善，圖8～圖9為改造前后出廠水渾濁度變化情況。改造前出廠水渾濁度在0.09～0.27 NTU，平均值為0.14 NTU，改造后出廠水渾濁度降低為0.07～0.12 NTU，平均值為0.09 NTU，平均降低了0.05 NTU，基本滿足浙江省現(xiàn)代化水廠出廠水渾濁度不高于0.10 NTU的要求[6]。

圖8 改造前出廠水渾濁度

圖9 改造后出廠水渾濁度

4.2 出廠水余氯有效可控

水廠采用增加濾后水流量計(jì)、濁度儀、余氯儀等在線儀表等措施，縮短了次氯酸鈉投加點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)的反饋時(shí)間間隔，協(xié)助水廠加藥系統(tǒng)實(shí)施精準(zhǔn)投加。通過(guò)加強(qiáng)過(guò)程水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，保證出廠水水質(zhì)全面優(yōu)質(zhì)達(dá)標(biāo)。

圖10為改造前出廠水余氯變化情況。如圖10所示，改造前缺少過(guò)程水監(jiān)測(cè)儀表，余氯反饋時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致出廠水余氯持續(xù)上下波動(dòng)，波動(dòng)差值高達(dá)約0.6 mg/L。圖11為改造后出廠水余氯變化情況，增加濾后水余氯儀，水廠加藥得到有效精準(zhǔn)投加，出廠水余氯基本穩(wěn)定在1.0 mg/L，確保出廠水余氯穩(wěn)定可控。

圖10 改造前出廠水余氯情況

圖11 改造后出廠水余氯情況

4.3 節(jié)能降耗水平提升

(1)電耗

改造水廠主供原水管為某取水口泵站1# DN1400原水管，供水流量為4 800～5 300 m3/h。改造后，水廠進(jìn)水管壓力由0.07 MPa降低至0.04 MPa，節(jié)省水頭損失約為3.0 m。對(duì)應(yīng)取水泵站原水管壓力降低值為0.03～0.04 MPa(表3)，原水從取水口到改造水廠管線總長(zhǎng)為13.6 km，可節(jié)約12×10-3kW·h/m3。同時(shí)，原水管線由于運(yùn)行壓力降低，管道漏損率大大降低，原水供應(yīng)更加安全穩(wěn)定。

表3 改造前后原水管壓變化

(2)藥耗

改造水廠藥耗的降低主要體現(xiàn)在氯耗的降低，改造水廠通過(guò)PLC采集實(shí)時(shí)濾后水流量以及濾后水余氯數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二次加氯隨流量變化自控投加，2021年3月氯耗較2020年同期下降1.12×10-3kg/m3(按10%濃度次氯酸鈉計(jì)算)。

另外，由于沉淀池以及管道混合器改造主要目的是降低能耗的同時(shí)改善加藥混凝效果，礬耗改造前后無(wú)明顯變化，2021年3月以及2020年同期礬耗分別為21.96×10-3kg/m3和21.78×10-3kg/m3(按原液計(jì)算)，礬耗無(wú)明顯變化。

5 結(jié)論與建議

(1)沉淀池更換微阻力混合器、反應(yīng)池更換渦旋反應(yīng)器后，混凝效果提升明顯，沉淀水出水平均渾濁度由3.11 NTU降為1.99 NTU，降低了36%；

(2)沉淀池后端更換加長(zhǎng)集水槽后，溢流率降低，“跑礬”現(xiàn)象明顯緩解，濾池負(fù)擔(dān)有效減輕，出廠水渾濁度由0.14 NTU降低為0.09 NTU，基本滿足浙江省現(xiàn)代化水廠渾濁度要求；

(3)出廠水余氯有效可控，通過(guò)增加濾后水流量計(jì)、余氯儀在線儀表，水廠二次加氯實(shí)現(xiàn)自控投加，濾后水余氯反饋快而準(zhǔn)，有效協(xié)助廠內(nèi)精準(zhǔn)加氯，氯耗較改造前降低1.12×10-3kg/m3，同時(shí)出水優(yōu)質(zhì)更加穩(wěn)定；

(4)更換微阻力混合器后，混合器水頭損失下降至0.3 m以下，水廠原水管管壓由0.07 MPa降低為0.04 MPa，節(jié)約12×10-3kW·h/m3，原水管線運(yùn)行安全穩(wěn)定。

本文著力探究水廠工藝改造對(duì)水廠運(yùn)行效果的影響，通過(guò)采用微阻力管道混合器、更換新型格柵以及新型不銹鋼集水槽等工藝改造措施，加強(qiáng)絮凝效果，降低沉淀池出水和出廠水渾濁度，減少“跑礬”現(xiàn)象，增加加藥控制反饋在線儀表，協(xié)助水廠加藥系統(tǒng)有效精準(zhǔn)投加，在節(jié)能降耗的同時(shí)保障出廠水優(yōu)質(zhì)供水，為同行老舊水廠改造提供建議。