恒水位控制消除預臭氧接觸池及配水井漩渦

殷 祺

(吳江華衍水務有限公司，江蘇蘇州 215200)

1 遇到的問題

隨著經濟的高速發展和生活飲用水水質標準的提高，水源污染導致的飲用水安全問題突出，常規凈水工藝(混凝、沉淀、過濾、消毒)已難以滿足部分污染物的去除要求。為確保生活飲用水安全，目前，通常采用強化常規凈水工藝、在常規處理基礎上增加預處理工藝和深度處理工藝等[1-4]。為了進一步提高出廠水水質，增強供水安全保障能力，2011年5月，江蘇省住建廳明確要求省內以太湖等有關湖泊為水源地的水廠必須采用深度處理工藝。

臭氧活性炭工藝是目前我國較為流行并廣泛推廣的深度處理工藝之一。使用預臭氧工藝的水廠往往在平流沉淀池中會有浮渣產生，但產生的浮渣量不盡相同，當浮渣量大時會增加濾池的表面負荷，縮短沖洗周期，嚴重時甚至危及水廠連續、穩定運行。在蘇南某以太湖為水源的水廠的應用主要為預臭氧接觸池及配水井+常規制水工藝+后臭氧接觸池及生物活性炭濾池，詳細工藝流程如圖1所示。該廠在2016年底進行深度處理改造，于2017年具備調試條件。在調試過程中發現，在使用了預臭氧工藝后，沉淀池產生氣浮，本應隨重力沉降的絮凝體在沉淀池大量浮起，極大增加了濾池負荷，水廠無法穩定、連續運行。

圖1 蘇南某水廠工藝流程Fig.1 Process of a Water Treatment Plant in Southen Jiangsu Province

本文著重分析了使用預臭氧工藝后，沉淀池大量產生浮渣的原因，并尋求徹底解決的方案。

2 問題原因分析

為保障水廠穩定運行，對預臭氧接觸池剖面圖(圖2)進行分析，水廠運行人員制定了調試方案，探尋原因。通過調試發現：在不投加臭氧時，水流通過預臭氧配水井，沉淀池已產生浮渣，對配水井前后溶解氧進行檢測，發現溶解氧有所上升；當水流量變大，一次配水產生的落差減小，浮渣增多，溶解氧進一步上升；開始投加臭氧后，流量恒定，臭氧投加量從0 mg/L增加到1 mg/L，浮渣產生的量不隨臭氧投加量的增加而顯著增加，配水井前后的溶解氧差的絕對值不隨臭氧投加量的增加而增加。綜上所述，浮渣產生的原因與臭氧投加量無關，與一次配水跌落的高度無關，與流量大小顯著相關。為查明原因，工作人員在配水井出口管道上方安裝攝像頭。通過監控發現，出水管口處產生的不連續、不規則的澡盆渦導致氣體摻雜進水中，在后續的沉淀池受浮力上升釋放，是產生浮渣的主要原因。

圖2 預臭氧池及配水井結構Fig.2 Structure Diagram of Pre-Ozone Contact Tank and Distribution Well

3 裝置消旋方案

為消除漩渦，水廠工作人員分別采用孔板裝置、分層進水裝置來改善配水井內水流流態，消除配水井出水管口產生的不連續、不規則的澡盆渦，從而解決沉淀池浮渣問題。

3.1 孔板消旋

水廠試驗了多種漩渦消除裝置，包括孔板、米字形、十字形等導流體，試驗發現各種漩渦消除裝置對浮渣的產生均有改善，但不能完全消除。利用圖3孔板流量儀原理制作的漩渦消除裝置可以消除單一流量下的漩渦，但當流量發生變化時漩渦會重新產生或者因為截面積過小，后續流量損失。

圖3 孔板消旋裝置Fig.3 Orifice Racemization Device

3.2 分層進水消旋

為了兼顧水位和不同流量下對流態的控制，開展流動特征和泄水摻氣抑制結構研究。根據流體動力學基本原理，按照Froude數相似建立了能夠反映配水井主要流動特征的縮比模型，原型出水口管徑為1 620 mm，試驗比尺λ=5.8，模型出水口管徑為280 mm。通過疊加3個不同管徑的管道，抑制不同流量條件下的摻氣現象。根據物理模型試驗，通過尺度換算、工程結構優化，提出分層進水消旋方案，并通過開展流態觀測試驗提出了有效控制配水井內摻氣的裝置，如圖4所示。該方法能夠顯著消除5 000～25 000 m3/h流量狀態下的摻氣。

圖4 分層進水消旋裝置Fig.4 Stratified Water Inlet Vortex Eliminating Device

根據現場調試發現，分層進水裝置可以有效改善漩渦形成，但是，仍無法徹底消除配水井出水管口產生的不連續、不規則的澡盆渦和解決沉淀池浮渣問題。

4 恒水位控制消旋方案

配水井接垂直出水管是一種典型的排水方式，易出現典型的漩渦和摻氣流動。該水廠由于出水管管徑大，伴隨漩渦流動引起顯著的摻氣現象，造成下游沉淀池出現氣浮現象。

根據該水廠前期兩類不同改造試驗，主要是通過縮小過水斷面、添加管道流向隔板等途徑，可在不同流量下部分達到控制漩渦和摻氣現象，但仍不能達到在整個流量范圍內有效控制漩渦和摻氣的現象。根據試驗實測效果，當人工調節檢修閥保持配水井內水位控制在一定高度后，可達到控制沉淀池出現氣浮的目的。這種控制方法是由于在水流通過改造措施和檢修閥兩次連續減小過水斷面后，可保證配水井至排水管突縮流為全濕狀態，在配水井內水位達到一定高度后隔絕出水管與大氣的聯通，此時，出水管口突縮段盡管仍有漩渦存在，但不致引起水氣摻混。這一試驗觀測結果表明，通過自動控制途徑維持配水井水位是一種可行改造途徑。

5 工程實踐和總結

通過前兩階段試驗，發現各種消旋裝置均能有效改善漩渦，但不能徹底消除配水井出水管口產生的不連續、不規則的澡盆渦。根據現場情況分析，其主要原因有兩方面：(1)水廠運行流量變化區間大，從1萬～2.5萬m3/h，要解決不同流量下的漩渦；(2)施工空間有限，配水井位置狹長，空間小，所有施工材料均從上方1 m×1 m的人孔進入，大型設備無法展開，諸多措施無法在有限空間中實現。在前階段消旋裝置調試試驗中發現，沉淀池內浮渣產生與配水井內水位存在強關聯現象，當配水井內液位高度超過2 m時，配水井出水管口產生的不連續、不規則的澡盆渦消失，沉淀池不產生浮渣。

綜上，水廠制定了最終的解決方案：通過恒水位控制，消除預臭氧接觸池及配水井中產生的漩渦，進而消除后續沉淀池的氣浮現象，保障水廠在采用預臭氧工藝下的連續穩定運行。具體實施方案如下：(1)更換預臭氧接觸池及配水井出口手動蝶閥為調節型電動閥門；(2)在配水井上方加裝2個超聲波液位儀，加裝現場PLC控制柜；(3)其中一個液位儀反饋信號給調節閥門，通過閥門的開度保證配水井中的液位恒定，同時,滿足水廠生產所需的水量，另一個液位儀做備用，一旦其中一個液位儀故障，另一個自動切換。通過以上改造，既保障了水量，又保障了水廠在采用預臭氧工藝時的連續、穩定運行。