微渦流澄清技術在中水廠擴能工程中的應用

蔡正君

(九江市規劃設計集團有限公司，江西 九江 332000)

1 新型微渦流澄清技術

新型微渦流澄清技術的核心是渦流反應器[1]，其為多孔空心球結構，如圖1所示，具有以下特點：①無方向性，材質輕便，安裝簡單；②可根據水質情況選擇不同孔徑反應器配比，達到填料要求的孔隙率；③當水流穿過反應器上的小孔，會形成大量微小的渦旋，增加水流紊動性。

圖1 渦流反應器

新型微渦流澄清技術的原理主要是微渦旋凝聚和立體接觸絮凝[2]，通過改進傳統澄清技術的混凝反應，在混凝區加設渦流反應器，產生微小渦旋，使原水中較小雜質顆粒間的碰撞機率增加，產生同向凝聚，同時增加雜質與泥渣的接觸絮凝[3]；還可以通過改變渦流反應器的投配比，達到合理的混凝G值和GT值[4]。另外，在沉淀區安裝斜管沉淀系統，依靠“淺池理論”成倍提高沉淀效率，進一步提高凈水水質。

2 工程背景

本工程為儀征市某公司水務中心的改造項目，以生化裝置達標排放尾水作為原水，輸送至中水廠，經加礬混合后進入水力循環澄清池，再流入無閥濾池，并經投加二氧化氯殺菌、除味后進入清水池，最后經中水泵房提升至中水用戶。原水多數時段為低濁度，屬低濁水處理。水力循環澄清池的設計產水量為9600m3/d，即400m3/h；池體規格：直徑約12.5m，池高約6.5m，池容約500m3。

目前主要存在3個問題：①水處理能力不能滿足生產用水需要；②低溫低濁原水時，出水水質時不夠穩定；③水力循環澄清池配水轉盤部分因受力不均導致軸承磨損，進而影響配水效果，同時也增加運行維護的難度。

3 改造設計要點

為解決供需矛盾以及水質問題，要求擴大其生產規模，使產水量達到14400m3/d，同時要求澄清池出水水質穩定，濁度低于3.0NTU，以保證濾后水濁度在1.0NTU及以下。由于新建一座水廠工期長、投資大，而且廠區地理位置受限，擴建一組構筑物的可能性也較小，故只能對原有各構筑物進行改造，達到提高產量及水質的要求。

新型微渦流澄清技術適用于對傳統水力循環澄清池的改造，通過只換“內臟”不換“外殼”的方法改造[5]，在節約大量投資的情況下，可使澄清池產水量增加50%，且出水水質更好，非常適合解決本中水廠的問題。

3.1 工藝設計參數

首先進水流量增加50%，則流速也會相應增加，為了保證足夠的水力停留時間，只有延長水流路徑，故將原來的混凝反應區分成3個反應室，通過反應室橫截面積的遞增，由3.8m2—7.54m2—12.93m2；形成流速遞減的梯度，由0.044m/s—0.022m/s—0.013m/s，提升混凝反應效果。

其次在3個混凝反應室投加不同型號的渦流反應器，進一步提升混凝反應效果[6]。其中第一反應室上段為HJTM2型渦流反應器14m3，第一反應室下端為HJTM1型渦流反應器1m3(避免水流方向改變導致絮體破壞)，第二、三反應室為HJTM1型渦流反應器75m3。

然后在沉淀區水面以下1000mm處，安裝PP六角形蜂窩斜管，斜管斜長為1000mm，安裝后高度為833mm，口徑為50mm，安裝傾角為60°。

最后將原穿孔集水管改為三角堰出水系統，采用8根輻射出水槽加上環向出水槽，三角堰總長度為86m，堰口負荷滿足規范要求。

具體設計參數如下：

(1)設計處理規模：14400m3/d，即600m3/h；

(2)混凝反應區體積：94m3，其中有效體積為89.8m3；

(3)混凝反應時間：T=H/v=537s；

(4)沉淀區面積：有效面積約80m2；

(5)沉淀區上升流速：約8.3m/h；

(6)出水堰堰口負荷：約6.96m3/(m·h)。

第一反應室：G1=60.4s-1

第二反應室：G2=35.8s-1

第三反應室：G3=19.9s-1

3.2 改造內容

(1)進水系統優化設計及改造

原水力循環澄清池如圖2所示。由于水量增大50%，原有DN300mm的進水管滿足不了水量要求，故把進水管管徑增大到DN400mm。同時為盡可能均勻進水，在進水管出口處安裝擋流板。為防止澄清池剛開始進水時反應區與沉淀區水壓平衡問題，在進水管處考慮接變徑三通，接DN150mm的管子直接進水至沉淀區。

圖2 原水力循環澄清池

(2)渦流反應區優化設計與改造

拆除原水力循環澄清池反應系統(水力轉盤、水力旋轉噴管)，設計及加工3個不銹鋼渦流反應區及鋼結構支撐系統，即第一反應室、第二反應室及第三反應室；第一、第二反應室配套污泥斗、排泥管等；按設計的配比(約1∶5)安裝不同型號的渦流反應器。

(3)沉淀系統優化設計與改造

在沉淀區增設斜管，采用斜管沉淀系統，設計及加工斜管鋼結構支撐系統，然后安裝并固定斜管。斜管配套清洗系統，沉淀區排泥管設置反沖吸系統。

(4)出水系統優化設計與改造

拆除原水力循環澄清池8根DN200mm穿孔集水管，并在其相應位置制作并安裝不銹鋼集水槽及三角堰。因產水量增大，此中應適當提高出水系統的液位標高，但始終保持環形出水槽三角堰與輻射槽中三角堰的標高一致，以保證均勻出水。

改造后的高效微渦流澄清池如圖3所示。

圖3 高效微渦流澄清池

4 調試運行情況

中水廠澄清池的改造從2015年8月10日開始，到2015年9月18日全部完工，整個改造工程簡單、施工方便、工期短。在澄清池改造后兩個多月的調試運行期間，對其出水水質進行檢測，記錄其排泥周期及濾池工作周期，并與改造前進行比較分析。澄清池改造后的運行情況較改造前有明顯改善，具體表現在：①在混凝反應區，生成的礬花清晰，顆粒明顯，而改造前在混凝反應區基本看不見礬花顆粒。②沉淀區呈碧綠色，而改造前沉淀區呈淺黃色，水質明顯改善。③重力無閥濾池工作周期延長，反沖洗時間縮短，反洗耗水量減少，表明待濾水(澄清池出水)濁度降低，即礬花絮凝質量提高。

在72h考核運行期間，產水量及水質情況見表1，可以看出采用新型高效微渦流澄清技術后，產水量增加，出水濁度降低，滿足中水廠的改造要求，且后期運行非常穩定。

表1 考核運行流量及濁度情況

5 經濟分析

(1)改造后的澄清池排泥周期延長了，由原先12h排泥一次提升為現在24h排泥一次。每次排泥3min，每分鐘排泥耗水5m3，則每次排泥耗水為15m3，故每天節約排泥耗水30m3。

(2)澄清池對應的3#重力無閥濾池，反沖洗周期延長50%，由原先的12h提升為18h。濾池單格水箱尺寸為：長×寬=4m×4m，每格沖洗1次按5min計算，沖洗強度為15L/(s·m2)，則耗水72m3。3#濾池為2格，合計為每天節約反沖洗水96m3。

(3)澄清池投加的混凝劑是聚合氯化鋁，濃度為10%，改造前單位投藥量為15.6mg/L，改造后單位投藥量為10.4mg/L。按照澄清池目前的單位投藥量計算，每天節約投藥量75kg。中水廠產水成本為1.0元/t，混凝劑聚合氯化鋁價格為700元/t，則改造后的經濟收益65152.5元/年。

根據相關工程資料可知，采用高密度澄清池噸水投資約200元/m3(不考慮用地成本)，且規模越小單位投資越大。而本項目中，在保持原有澄清池外形尺寸不變情況下(即不新增用地)，新增水量4800m3/d，總投資63萬元，噸水投資約130元/m3，低于高密度澄清池投資，經濟效益顯著。

6 結語

儀征市某中水廠應用新型微渦流澄清技術，對原水力循環澄清池進行改造，使產水量增加50%，且出水水質更好，滿足中水廠擴能改造要求。經工程應用證明，新型微渦流澄清技術不僅能提高絮凝反應效率、縮短絮凝時間、減少水頭損失、降低藥耗，還能提高沉淀效率及污泥含固率；同時具有占地面積小、耐沖擊負荷、節省工程投資、降低制水成本、安裝使用方便、運行維護簡單等優點，在中水廠擴能改造中具有較高的經濟效益及推廣應用價值。但渦流反應器應定期沖洗，防止滋生苔蘚、藻類等物質，影響出水水質[3]。