王鶴立　肖樹宏　赫俊國　徐立群

　　提要　通過機理分析和工程實例總結，介紹了強化常規混凝沉淀工藝的“渦旋混凝低脈動沉淀處理技術”。
　　關鍵詞　給水常規處理　強化　渦旋混凝　低脈動沉淀　除濁

　　1　強化常規處理工藝的必要性及對策

　　1.1　強化常規處理工藝的必要性
　　水資源匱乏、分布不均，原水污染嚴重，構成了我國給水處理的基本背景。據統計，全國600多座城市中，有300多座城市缺水，108座城市嚴重缺水，日均缺水1600萬m3/d；按建設部計劃，“八五”期間平均每年供水量將遞增515萬，“九五”規劃平均每年將遞增710萬。大規模的興建水廠投資歷巨大、周期較長、負擔沉重，因而如何強化現有處理工藝，充分發揮已有資源、設施的潛力是一個重要課題。
　　與此同時，有限的水資源還不斷受到水質惡化及水生態系統被破壞的嚴重威脅，因城市污水排放而污染的水源已占我國水資源總量的8.5%～11.1%,已有1/3的河段,90%的城市水域受到污染。因而，很多現有工藝需加強完善，以適應原水水質的變化。
　　另外，隨著工業的進步和人民生活水平的提高，對水質的要求也越來越高。《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》要求一類水司執行88項指標，濁度指標值為1NTU；二類水司執行51項指標，濁度指標值為2NTU。現有大多數水廠工藝參數不是按照此要求設計的，因而有必要采取強化措施，以達到國家標準。
　　針對上述狀況，我國水廠建設一般向以下幾個方面發展：1.長距離引水、多點輸配；2.合理使用高效藥劑；3.水廠自動化、管理的最優化；4.常規處理基礎上增加預處理及深度處理；5.加強常規處理。
　　結合當前我國經濟實力，要求普遍增加深度處理是不現實的，還是應該在常規處理上多想點辦法，某水司的生產試驗表明：1.水中濁度與有機物關系十分密切。將水中濁度降低至0.5NTU，則要機物可減少80%；2.加強常規處理，降低出水濁度，改進加氯點及加氯量，不僅有效地將出廠水中發揮性有機物降低50%，對半發揮性有機物也能降低30%～70%，衛生毒理方面Ames試驗致突變活性下降42%～47%，致溫血動物細胞染色體畸變活性下降27%～40%。
　　上述結果表明，為降低有機物減少其危害，當前采取加強常規處理的對策，既是有效的也是現實的。
　　1.2　強化常規處理工藝的對策
　　“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術”，是常規處理工藝的強化技術之一。工程實踐證實：此項技術用于新建水廠，構筑物基建投資可節省20%～30%；用于舊水廠技術改造，可使處理水量增加75%～100%，而其改造投資僅為與凈增水量同等規模新建水廠投資的30%～50%。采用此技術可使沉淀池出水濁度低于3NTU，濾后水接近0NTU，可節省濾池反沖洗水量50%，節省藥劑投加量20%～30%，大大降低了運行費用和制水成本。

　　2　“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術”的機理

　　“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術”涉及了給水處理中混合、絮凝、沉淀三大主要工藝環節。
　　2.1　對混合工藝的強化
　　從理論上指出傳統意義上的宏觀擴散應分為宏觀擴散和微觀擴散兩個不同的物理過程，而在水處理反應中亞微觀擴散是起決定性作用的動力學因素．亞微觀擴散究其實質是層流擴散，其擴散規律與用Fick定律的宏觀擴散規律完全不同，在湍動水流中亞微觀傳質主要是由慣性效應導致的物質遷移造成的，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應。
　　根據這一理論發明的管式微渦初級混凝設備和立管串連式初級混凝設備，就是利用高比例高強度微渦旋的離心慣性效應來克服亞微觀傳質阻力，增加亞微觀傳策速率，可在很短的時間內實現藥劑的充分擴散，使混凝劑水解產物迅速到達水體每一細部而得以充分的利用。生產使用證明，這兩種設備效率高、占地少、效果好，混合時間僅為3s～30s，不僅比傳統的靜態混合器大幅度提高處理能力，而且一般較傳統工藝節省藥劑投加量20%～30%。
　　2.2　對絮凝工藝的強化
　　在理論上從湍流微結構的尺度對混凝的動力學問題進行了深入的研究，提出的絮凝的動力學致因是“慣性效應”，湍流剪切力是絮凝反應中決定性的動力學因素，并由此建立了絮凝的動力學相似準則。
　　根據這一理論發明了小孔眼網格絮凝設備。在絮凝反應池中增設小孔眼網格之后有如下作用：（1）水流通過網格的區段是速度激烈變化的區段，也是慣性效應最強、顆粒碰撞幾率最大高的區段；（2）小孔眼網格之后湍流的渦旋尺度大幅度減小，微渦旋比例增強，渦旋的離心慣性效應增加，有效地增加了顆粒碰撞次數；（3）由于過網水流的尼慣性作用，礬花產生強烈的變形，使礬花中吸附能級低的部分，由于其變形揉動作用達到高吸附能級，這樣就使得通過網格之后礬花變得更密實；（4）可以通過在水流通道中科學地布設小孔眼網格，控制湍流剪切梯度，使其通過合理的有效碰撞，形成均勻密實、易城沉淀的礬花。
　　因為大幅度地提高了反應效率，絮凝時間可縮短至5min～10min。
　　2.3　對沉淀工藝的強化
　　沉淀設備是水處理工藝中泥水分離的重要環節，其運行狀況直接影響出水水質。傳統的平流沉淀池優點是構造簡單易操作，工作比較安全可靠，因此要求的運行管理水平較低；缺點是占地面積大，處理效率低，要想降低濾前水的濁度就要較大地增加沉淀池的長度。淺池理論的出現使沉淀技術有了長足的進步。70年代以后，我國各地水廠普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了大幅度提高。但經過幾十年應用，其可靠性遠不如平流池。這主要是斜管沉淀設備自躬結構的不合理性造成的。
　　傳統沉淀理論認為斜板、斜管沉淀池中水流處于層流狀態。其實不然，實際上在斜管沉淀池中水流是有脈動的，這是因為當斜管中大的礬花顆粒后天面產生小旋渦，這些旋渦的產生與運動造成了水流的脈動。這些脈動對于大的礬花顆粒的沉淀起到頂托作用，故此也就影響了出水水質。
　　為了克服這一現象，抑制水流的脈動，而發明了小間距斜板沉淀設備。這一設備還有下面一些優點：（1）沉淀面積與排泥面積相等，消除了側向約束。對普通斜管來說排泥面積只占其沉淀面積的一半，在特殊時期如高濁期、低溫低濁期或加藥失誤時期污泥沉降性能、特別是排泥性能明顯變壞，在斜管排泥面的邊源處由沉積數量與斜面上滑落下來的污泥數量大于排走的數量，造成了污泥的堆積。一旦在斜管角落處產生污泥的堆積，既使過水斷面減少，上升流速增加，增加了污泥下滑的頂托力，又進一步增加污泥堆積，產生了污泥堆積的惡生循環。這種作用開始時由于斜管上升流速的增加，沉淀效果變壞，沉后水濁度增高，當污泥堆積到一定程度時，由于上升流速的提高，可以把已積沉在斜管上的污泥卷起，使水質嚴重惡化。正是這一原因才使得南方很多地區又由斜管沉淀池改為平流沉淀池。面小間距斜板沉淀池其總排泥面積是普通斜管的4倍多，單位面積排泥負荷尚不到斜管的1/4，故在任何時期排泥均無障礙；（2）由于間距明顯減少，礬花沉淀距離也明顯變短，使更多小顆粒可以沉淀下來，而小礬花是否沉淀下來是決定沉淀池最終出水水質的關鍵因素；（3）由于間距減少，水力阻力增大，使之成為水流在沉淀池中水力阻力的主要部分，這樣可使沉淀池中流量更均勻，基本消除了池頭池尾的差別，與斜管相比明顯地改善了沉淀條件。
　　生產使用證明，小間距斜板沉淀池上升流速按3.0mm/s～3.5mm/s設計時尚有很大潛力，因此占地面積大幅度減少而抗沖擊負荷較強，沉淀池出水水質穩定，沉后不濁度一般不超過3NTU，濾后不濁度接近0NTU。
　　2.4　對過濾工藝的強化
　　傳統給水處理工藝一般沉后水濁度較高，所以濾池負擔較重，水質較難保障，反洗水消耗浪費較大。而“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術”把濁度解決在濾前，濾池只用來把關，因此濾池的濾速可得到較大提高，而反沖洗水量則可節省50%以上。

　　3　工程實踐

　　“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術”在秦皇島、大慶、撫順、賓縣等地進行了應用實踐。
　　3.1　秦皇島市海港水廠改造工程
　　秦皇島市海港水廠原回轉反應、斜管沉淀池設計能力5萬m3/d，為解決城市缺水狀況，要求水量提高到10萬m3/d,并改善水質。
　　采用以下方案改造：（1）在絮凝池前端增設立管串聯式初級混凝設備，取代原管式靜態混合器，混合時間30s；（2）采取隔板式反應池取代原回轉反應池，廊道中垂直布置小孔眼網格，反應時間7min較原工藝縮短了13min，因而可節省一些面積給沉淀池；（3）用小間距斜板取代斜管，沉淀池上升流速3.5mm/s。
　　1996年1月至7月，對原工藝進行改造。在原構筑物容積不變的情況下，使反應效率大幅度提高，處理水量提高到10萬m3/d，且沉后水濁度可保持在3NTU以下。與新建水廠比較，基建投資節省幾千萬元。實際運行2年表明：新工藝在水質水量穩定的同時，藥劑投加量節省30%；濾池反沖洗水量改造前約4000m3/d，改造后降低到僅1000m3/d。
　　3.2　撫順市東州水廠擴建工程
　　東州水廠設計能力為2萬m3/d，原處理工藝流程為：原水——一級泵站－虹吸濾池－清水池——管網。該水廠原水取自大伙房水庫，1994年以前水質濁度常年在20NTU內，因此一直末建濾前處理設施。1995年“七.二九”特大洪水之后，水庫水質發生顯著變化，該水廠持續幾個月出水水質不達標，對此用戶反映極為強烈，因此公司決定完善處理工藝，平加反應沉淀工藝。
　　東州凈水廠反應沉淀池擴建工程于1996年5月開始施工，7月27日竣工。混合采用管式微渦初級混凝設備，混合時間3s，反應采用小孔眼網格絮凝設備，反應時間為10min；沉淀池采用小間距斜板，上升流速2.5mm/s。7月28日，突降暴雨，原水濁度達500NTU以上，該設備在此情況下開始啟動，經2h調試運行以后，沉后水濁度達到3NTU以下，確保了水廠的正常運行。
　　從兩年多的運行情況來看，該項技術有以下優點：
　　（1）經濟效益顯著。由于反應時間短，沉淀池上升流速高，大大節省了反應沉淀池面積，從而節省基建投資達30%以上；（2）處理水質好，沉后水濁度可穩定在3NTU以下；（3）啟動方便，抗沖擊負荷強，運行操作簡單；（4）日常運行費用低，由于采用了管式微渦初級混合設備，節省投藥量30%左右，同時由于沉后水水質好，節約了反沖洗水量，延長了濾料的更換周期。
　　3.3　大慶市中引水廠改造工程
　　大慶中引水廠25萬m3/d一期工程采用比較成熟的傳統工藝設計，即靜態混合器普通網格反應池三層側向流斜板。平時運行效果基本滿足水質要求。在低溫低濁時處理能力可達20萬m3/左右，但在春季開湖時出現少見的低溫高濁水質現象，且pH高達8.9以上。傳統處理技術無法處理這種惡劣水質，僅能處理不到12萬m3/d的水量，嚴重影響生產和生活用水。
　　1997年9月始，對原工藝進行了改造：用管式微渦初級混凝設備取代原靜態混合器；在孔式反應池中拆除原普通網格；拆除沉淀池中三層側向流斜板，換以逆向流小間距斜板；為使過渡段布局均勻，采取了“網格過渡段”及“同程同阻尾端集水技術”，實現了短邊布水，且省去表面集水槽。
　　改造后，不但使處理能力達到了設計要求，而且明顯改善了水質，取得了令人滿意的效果。故中引水廠二期25萬m3/d新建工程亦已采用這項技術設計施工。
　　3.4　賓縣水廠新建工程
　　賓縣自來水公司新建2萬m³/d水廠采用“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術”設計。1994年8月竣工通水，已安全運行4年多，取得了令人滿意的效果：（1）總基建投資節省約100萬元。（2）兩個1萬m3系列，其混合、絮凝部分同樣采用新技術，而沉淀池內一套安裝小間距斜板沉淀設備，另一套安裝傳統的普通話通斜管沉淀設備。運行中，小間距斜板沉淀池出水始終保持在3NTU以下，而普通斜管沉淀池出水始終在5NTU以上，反差鮮明。（3）經長期運行統計計算，采用新技術投藥量還可節省濾池反沖洗水量，使制水成本大幅度降低。

　　4　結論

　　總之，這項新技術具有投資省、占地少，處理效果高、水質好，工期短、見效快，制水成本低、適應廣泛等特點，不僅對低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時對其它特殊原水也具有較好的處理效果。

---

作者通訊處：王鶴立　赫俊國　徐立群　15008　哈爾濱建筑大學多相工藝研究中心
電話：(0451)6282109
肖樹宏　130041　長春市大經路67號
長春市自來水公司
收稿日期：1998-12-3