臨江水廠Actiflo澄清池運行優(yōu)化

孫堅偉，姜偉毅，丁李鋼，張 力，蔣 希

(1.上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127；2.威立雅環(huán)境服務有限公司，上海 200041)

臨江水廠位于上海市浦東新區(qū)與閔行區(qū)的浦東交界處，一期設計供水能力為400 000 m3/d，二期設計供水能力為200 000 m3/d，原水自青草沙水源地通過原水管道輸送到臨江泵站調(diào)節(jié)池，再輸送至臨江水廠，主要服務區(qū)域為浦東西南地區(qū)、張江高科技園區(qū)以及浦東國際機場等。臨江水廠生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 臨江水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Linjiang WTP

Actiflo澄清池于2006年投入運行，初期采取持續(xù)加砂的運行方式。2008年6月開始，Actiflo處于不補砂的運行狀態(tài)。根據(jù)運行數(shù)據(jù)，Actiflo澄清池實際處理水量一直低于設計值，隨著運行時間的增加、設備老化的加劇，微砂濃度記錄和積累的缺失，必然會增加運行風險。本文對Actiflo澄清池進行一次全面且系統(tǒng)的科學評估，確定今后Actiflo最佳運行模式下的科學管理，從而實現(xiàn)處理負荷、運行成本、設備維護管理的最優(yōu)化。

1 工藝原理

臨江水廠共建有3組Actiflo澄清池，總占地面積為1 600 m2，每組Actiflo澄清池包括混凝池、投加池、絮凝熟化池以及斜管沉淀池，單組設計處理能力為2 900 m3/h，是一種通過使用微砂幫助絮團形成的緊湊工藝，具有占地面積小、沉淀效率高的特點，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 Actiflo澄清池工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Actiflo Clarifier

經(jīng)Actiflo配水井，水流進入混凝池進行快速混合。投加池中投加作為絮體凝核的微砂，提高絮凝效果并增加絮體的重量；所投加的高分子助凝劑(PAM)具有吸附架橋作用，加大了絮體、懸浮固體和微砂之間的黏結，形成更大、更重的絮體。含微砂的污泥沉淀在斜管沉淀池底部，旋轉刮板將污泥混合物刮向中心坑內(nèi)。污泥循環(huán)泵24 h連續(xù)抽取坑內(nèi)污泥到Actiflo系統(tǒng)投加池上方的水力旋流裝置，借助離心力使泥漿和微砂得到很好的分離。泥漿從旋流器上部流出，進入排泥水處理系統(tǒng)，約占回流量的80%；分離出的微砂則由旋流器的下部流出，直接投到投加池中繼續(xù)參與反應，約占回流量的20%。

Actiflo澄清池的關鍵設備是微砂和污泥的循環(huán)系統(tǒng)，也就是水力旋流器和污泥循環(huán)泵。這兩個設備一方面直接影響微砂和污泥的循環(huán)狀態(tài)，從而影響出水水質(zhì)；另一方面，二者的狀態(tài)與Actiflo的運行成本密切相關——污泥循環(huán)泵的運行是該工藝能耗的主要來源之一，水力旋流器的分離效果直接影響該工藝的水損情況。因此，對關鍵設備的運維不僅僅是保證出水水質(zhì)的前提，也是工藝成本優(yōu)化的基礎。

2 優(yōu)化測試內(nèi)容

開展工藝優(yōu)化研究前，先確定Actiflo加砂工藝在滿足水質(zhì)要求情況下的最大處理水量及其運行條件，確定Actiflo今后的運行模式(補砂或不補砂，污泥回流或不回流)，以及相應的設備運維更新方案。試驗時間自2016年7月至2018年6月，試驗期間選取5# Actiflo恢復補砂(2017年4月—2018年1月，陸續(xù)投加197.5 t微砂)，6#、7#保持不補砂，進行比對試驗。

2.1 開展燒杯試驗

Actiflo加砂工藝是集合化學混凝沉淀、微砂加重絮凝、斜管沉淀等技術的組合工藝。本試驗旨在充分理解加砂工藝原理，并直觀驗證加砂作用。試驗結果顯示：(1)驗證了微砂助凝的理論，加砂最大的優(yōu)勢在于其沉降速度快，1 min可基本完成沉降，加砂礬花更為細小而密實，且沉降時間更長，如圖3所示；(2)加砂工藝本身對于PAC濃度不敏感，轉速對其影響較大，微砂需要一定轉速來維持懸浮狀態(tài)，即存在轉速最低值，當?shù)陀诖酥禃r，出水效果明顯下降；(3)原水條件對于混凝沉降效果影響較大，相同原水在不同季節(jié)也存在差異，冬季原水條件較差時(低溫低濁原水)，微砂的作用更加凸顯；(4)現(xiàn)有水質(zhì)條件下，微砂濃度對試驗效果影響不大(不同微砂濃度下，混凝絮凝效果相仿，沉降速度沒有明顯變化，沉后水渾濁度相近)，低微砂濃度即可實現(xiàn)助凝效果。

圖3 燒杯試驗(沉淀開始1 min后，左三為加砂組，右三為不加砂組)Fig.3 Jar Test (after Sedimentation for 1 min, Microsand Dosing Only in the Left Three Jars)

2.2 測定微砂濃度

微砂濃度作為一項重要的跟蹤指標，是通過循環(huán)到Actiflo的微砂量與Actiflo的處理水量推算得出，其中，微砂量是通過水力旋流器的水量和下噴口的微砂濃度計算得出。然而，因為運行年限長，水力旋流器下噴口的流量與實際設計流量誤差較大。因此，決定對設備進行開孔，同時制作底面積為S的箱子(圖4)，使用體積法進行水力旋流器下噴口流量Q的測定。即循環(huán)泵啟動出水5 min后開始計時，液位上升至40～50 cm停止計時，測量并記錄液位高度H，測量時長t，然后將箱子內(nèi)水放空，鏟平箱子內(nèi)微砂，測量并記錄微砂高度h，如式(1)～式(2)。

(1)

其中：Q——水力旋流器下噴口流量，m3/h；

S——箱子底面積，m2；

H——液位高度，cm；

t——測量時長，min。

(2)

其中：C——微砂濃度；kg/m3；

h——微砂高度，cm；

H——液位高度，cm；

Q——水力旋流器下噴口流量，m3/h；

ρ——微砂密度，kg/m3；

q——Actiflo進水流量，m3/h；

n——運行數(shù)量。

圖4 體積法測量水力旋流器下噴口流量Fig.4 Measurement of Hydrocyclone Underflow via Volumetric Method

按此方法持續(xù)檢測，5# Actiflo在持續(xù)補砂的情況下，微砂濃度基本保持在1.5 kg/m3左右。6#和7# Actiflo不補砂，僅存在較少的微砂，濃度基本保持在0.5 kg/m3左右，并通過篩分試驗確認為多年前加入的微砂殘留。

2.3 高水力負荷測試

臨江水廠Actiflo設計日處理水量為20萬m3，斜管沉淀區(qū)設計上升流速為34 m/h。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，實際處理水量一直低于設計水量。為掌握Actiflo在現(xiàn)有條件下可以運行的最大負荷，開展進行高水力負荷測試，5#加砂池持續(xù)運行，6#與7#不補砂池交替間歇運行)。

測試期間，單池處理水量最高達到4 000 m3/h，其他時間段單池運行水量基本穩(wěn)定在2 600～3 000 m3/h，達到設計負荷。在此期間，在持續(xù)補砂狀態(tài)下，5# Actiflo的微砂濃度基本在1.5 g/L左右，沉后出水渾濁度基本控制在2 NTU以下，不補砂的6#和7# Actiflo的微砂濃度低于5# Actiflo，在0.5 g/L左右，出水水質(zhì)與5#相近，具體如圖5和圖6所示。

圖5 高水力負荷測試期間的水量、加砂、微砂濃度Fig.5 Treated Flow, Microsand Dosage and Microsand Concentration during High Hydraulic Load Test

圖6 高水力負荷測試期間的沉后出水水質(zhì)Fig.6 Turbidity of Settled Water during High Hydraulic Load Test

通過高水力負荷試驗可知，在青草沙原水水質(zhì)條件、低微砂濃度情況下，臨江水廠Actiflo可達到滿負荷運行，出水水質(zhì)符合要求，這為未來在有水量需求的情況下進行水量提升提供了依據(jù)。

2.4 降低水損測試

Actiflo澄清池工藝由于存在不間斷的污泥回流和排放，水損較高，運行初期約為3%，隨著設備的磨損，水損會有所下降，但仍遠高于同廠的平流式沉淀池水損(約為0.7%)。從運行成本上考慮，是否可以在保證出水水質(zhì)的前提下，適當降低工藝水損，也是本次測試的一項重要內(nèi)容。

首先，Actiflo工藝的高水損主要源于其連續(xù)的污泥排放。污泥循環(huán)泵24 h連續(xù)抽取沉淀區(qū)的底泥到投加池上方的水力旋流器，該設備借助離心力使得泥漿和微砂很好地被分離，其中約20%的污泥回流到投加池中，80%的泥漿從旋流器的上部流出進入排泥水處理系統(tǒng)。因此，降低水損的測試思路主要包括：(1)通過間歇式運行污泥循環(huán)泵來達到減少污泥水外排的效果；(2)通過調(diào)整水力旋流器來改變污泥循環(huán)和污泥外排的比例，增加污泥水循環(huán)，減少污泥水外排。

2.4.1 間斷停止污泥循環(huán)泵

測試結果表明，污泥循環(huán)不能采用間歇式運行的模式，沉淀區(qū)排泥頻次的降低會直接影響沉淀區(qū)的出水水質(zhì)，大量礬花無法沉淀在斜管上而進入后續(xù)濾池。因此，為了保證足夠的排泥和出水水質(zhì)要求，污泥循環(huán)需要連續(xù)運行，不可通過間歇式運行的方式來降低工藝水損。

2.4.2 改變水力旋流器分離效果

改變水力旋流器的分離效果，增加回流水量，減少排泥水量，通過長期的現(xiàn)場觀察和數(shù)據(jù)積累可以發(fā)現(xiàn)，水力旋流器的分離效果與其下噴口的內(nèi)襯橡膠的磨損有著非常緊密的聯(lián)系。隨著運行時間的增加，下噴口不斷地被磨損，口徑不斷增加，導致下噴口的回流流量增加，由于水力旋流器的進口流量相對穩(wěn)定，因此，可知排泥水的流量隨之降低。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水力旋流器下噴口尺寸與流量之間的相關關系很強，如圖7所示，該結果對于實際生產(chǎn)有著非常積極的幫助。首先，為了掌握工藝水損狀況，需要記錄下噴口的流量，但是流量的檢測(體積法)需要較多的人力，導致測量頻次較低。后續(xù)運行中可以通過測量下噴口的尺寸來推算下噴口流量，掌握水損情況。其次，可以根據(jù)實際運行需要，在水力旋流器下噴口橡膠進行更換時，根據(jù)需要的循環(huán)水量，選擇相應尺寸的下噴口，而不是選擇統(tǒng)一尺寸規(guī)格。

圖7 水力旋流器下噴口尺寸與流量的相關關系Fig.7 Correlation between Spigot Diameter and Underflow of Hydrocyclone

通過對比同一個Actiflo澄清池的水力旋流器下噴口尺寸變化時對應的運行情況可以發(fā)現(xiàn)，在較低微砂濃度下，下噴口的磨損處于相對緩慢的狀態(tài)，循環(huán)量的增加及外排量的減少不會對水質(zhì)產(chǎn)生影響，但當下噴口磨損到一定程度時，排泥量不夠，出水水質(zhì)無法得到保障。同時，通過補砂組與不補砂組的對比可以看出，連續(xù)補砂會加劇下噴口的磨損進度，下噴口更換周期會隨之縮短。

因此，通過一系列降低工藝水損的測試可得出：(1)污泥循環(huán)泵需要連續(xù)運行保證足夠污泥的外排和污泥的內(nèi)循環(huán)；(2)水力旋流器下噴口的回流量適當增加，排泥量適當降低不會影響出水水質(zhì)，同時，可以降低工藝水損，但需要密切關注下噴口的尺寸變化情況，在排泥量不足以影響水質(zhì)的情況下進行及時更換。

2.5 微砂投加模式確定

通過大量燒杯實驗發(fā)現(xiàn)，低濃度的微砂可實現(xiàn)明顯的助凝作用。測試期間，對5#Actiflo澄清池進行持續(xù)補砂，同時對6#、7# Actiflo澄清池微砂濃度進行檢測(圖8)。結果發(fā)現(xiàn)，即使對于不補砂的澄清池，當微砂濃度處于較低水平(0.5 g/L左右)時，出水水質(zhì)仍可保證達到要求，澄清池出水渾濁度可控制在2.0 NTU以下，濾后水渾濁度控制在0.15 NTU以下。

圖8 單池進水量及各池微砂濃度Fig.8 Treated Flow and Microsand Concentration of Single Tank

由圖8可知，Actiflo運行僅需維持較低的微砂濃度，即可保證出水水質(zhì)的要求。在冬季低溫低濁、原水水質(zhì)發(fā)生變化、持續(xù)的大水量運行、澄清池跑礬花的情況下，可根據(jù)燒杯試驗的結果，進行少量的補砂，使其達到水質(zhì)合格的要求。這樣的運行模式，一方面降低了采購微砂的成本；另一方面，減少了持續(xù)補砂帶來的對相關設備的磨損及相應的維修工作。

3 運行優(yōu)化的效果和意義

3.1 明確最大水力負荷

通過對臨江水廠Actiflo澄清池工藝進行系統(tǒng)性的優(yōu)化測試，掌握了該工藝的最高運行負荷水平，為將來的水量提升提供依據(jù)。同時，促進了水廠對Actiflo澄清池工藝的日常運行管理，包括燒杯實驗的進行、現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的積累與分析。首先，通過定期燒杯試驗，可以及時反映出原水的變化情況，給出工藝調(diào)整的方向。同時，可以通過對燒杯實驗參數(shù)的進一步優(yōu)化，使其不斷完善。其次，對于日常運行數(shù)據(jù)的關注和積累也是管理水平提高的一個重要體現(xiàn)。在目前確定采取低微砂濃度運行的模式下，仍然需要定期檢測微砂濃度、水力旋流器下噴口尺寸等，并結合加藥數(shù)據(jù)、出水數(shù)據(jù)對系統(tǒng)運行進行綜合評估，并做出預判。

3.2 確定低微砂濃度運行方式

通過長達兩年的測試優(yōu)化，燒杯試驗的結果驗證了微砂在低濃度的水平下可以實現(xiàn)明顯的助凝作用。由于水力旋流器的連續(xù)運行，系統(tǒng)在外界極少補砂的條件下可維持較低的微砂濃度。水力旋流器下噴口的回流量適當增加，排泥量適當降低不會影響出水水質(zhì)，同時，可以降低工藝水損。

3.3 制定關鍵設備的運維更新策略

通過此次對Actiflo關鍵設備循環(huán)泵和水力旋流器的系統(tǒng)性評估，改變原來對水力旋流器和循環(huán)泵性能的認識不足，制定更科學合理的維護更新策略。即定期通過便攜外夾式超聲波流量計測定循環(huán)泵流量、頻率，采用創(chuàng)新方法定期檢測水力旋流器下噴口流量和尺寸，進而提前判斷整個循環(huán)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，采取預防性維護措施，及時更新關鍵配件，延長設備使用周期。

3.4 優(yōu)化運行成本

Actiflo澄清池的運行成本較一般傳統(tǒng)工藝高，其成本包括連續(xù)運行的污泥循環(huán)帶來的電耗、連續(xù)排泥帶來的水損和補砂帶來的購砂成本。本次優(yōu)化結果顯示，購砂成本和水損能夠得到進一步優(yōu)化。在現(xiàn)有水質(zhì)條件下，維持Actiflo低微砂濃度的運行方式，可極大的減少補砂量，大大減少了微砂的采購成本(約45萬元/年)，同時，降低了微砂對設備磨損帶來的相關運行成本(如水力旋流器內(nèi)襯的更換維修成本，按每2個月更換1次，每個單價1萬元計算，12個水力旋流器共計12萬元，在低微砂濃度運行的情況下可降低內(nèi)襯更換頻率，約1年更換1次，共計可節(jié)約60萬元/年)。針對水損的優(yōu)化，可以根據(jù)實際運行需要選擇合適的水力旋流器下噴口尺寸，在保證出水水質(zhì)安全的前提下實現(xiàn)工藝水損的最優(yōu)。按照設計Actiflo水損為3%，不補砂運行后水力旋流器下噴口流量可適當加大，水損可降低到2%，每日可節(jié)約2 000 m3, 按原水費0.63元/m3計算，節(jié)約成本約為1 260元/d(約合46萬元/年)。可見，通過Actiflo運行優(yōu)化，預計每年至少可節(jié)約運行成本150萬元。

3.5 提升運行管理人員專業(yè)能力

Actiflo澄清池雖然在臨江水廠運行超過十年，但由于長期處于不補砂狀態(tài)，新進技術人員和現(xiàn)場運行人員對于加砂工藝本身的理解相對有限。測試結果促進全體技術人員與運行人員加深對工藝本身的設計與原理的理解，更利于日常的水廠生產(chǎn)運行，并形成指導手冊，幫助日后運行中更好地應對各種工況條件的變化。