涡流澄清工艺除浊效果试验研究

董红军，童祯恭，杨静芝
（华东交通大学土木建筑学院， 江西 南昌  330013）

摘  要：涡流澄清工艺是集微涡流混凝技术及浅池沉淀理论而提出的。通过涡流澄清池与网格澄清池的除浊对比实验，考察了涡流澄清工艺对孔目湖湖水处理效果，得出了涡流澄清池优于网格澄清池的结论。通过宁波某公司运行调试，实践证明涡流澄清工艺具有混凝效率高、反应时间短、出水水质优、适应能力强、造价及运行成本低等优点，具有一定的推广价值。
关键词：净水工程；混凝；涡流反应器；澄清池；浊度
中图分类号：TU 991.2                 文献标志码：B              文章编号:1009-7767(2012)05-0000-00
 

Experimental Study of Turbidity Removal by Vortex Clarifier Process

Dong Hongjun, Tong Zhengong, Yang Jingzhi

 

    目前，我国城市供水行业面临水源水质污染、供水水质标准提高的双重压力。GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》[1]要求出厂水浊度保持在 1NTU 以下，这对水处理新工艺和设备的开发提出了新的要求。涡流澄清池是受国家自然科学基金资助研发的高效净水装置，其核心部分是集微涡流混凝与斜管沉淀于一体的微涡旋澄清技术。涡流澄清池具有出水水质好，单池产水率高，投资省，运行成本低，管理简单方便等特点[2]。
    笔者在确保出水水质的情况下，分析并确定相应进水水质条件下的最佳絮凝剂投加量；通过涡流澄清池与网格澄清池的处理效果对比，验证微涡流澄清工艺的优越性，并与传统工艺进行经济技术比较。
1  涡流澄清技术
1.1  处理工艺流程
    涡流澄清工艺流程如图1所示。
 

 
 图1  涡流澄清工艺流程

  

 

1.2  澄清池结构
    澄清池结构如图2所示。

图2  涡流澄清池

 

    加入混凝剂的原水经管道混合器后沿进水管从池底流入，经改装过的喷嘴及较短的喉管后流入配水喇叭口，进入第一涡流反应室，经过渡区后向下流入第二涡流反应室。然后，从第二反应室底部流出至缓冲区，具有良好沉淀效果的絮体沉淀至污泥浓缩区进行污泥浓缩，澄清水则通过在沉淀区设置的斜管(板)进一步固液分离，分离水经配水均匀的清水区流入沿池体外墙设置的环形集流槽。浓缩后的污泥少部分经喉管回流至第一反应室，其回流量可由设置在池顶的操作杆控制，但大部分通过在池底对称设置的环形排泥管排出池外。澄清池主要包括3个区域。
1.2.1  絮凝反应区
    在澄清池的絮凝反应单元（第一涡流反应室和第二涡流反应室）设置了华东交通大学自主研发的涡流反应器，同时实现微涡流絮凝和立体式接触絮凝，达到强化混凝的作用。
1.2.2  斜板（管）澄清区
    在澄清分离室内设置了斜管或斜板沉淀器，强化了对细小颗粒物的沉淀，更好地保证了澄清池的沉淀效果和澄清效率，具有较高的表面水力负荷（可按7～15 m3/(m2•h)设计）。
1.2.3  污泥浓缩区
    增设污泥浓缩单元能有效地完成污泥浓缩，排放的污泥含量高(污泥含固率可达1% ～3% ),减少了后续污泥处理设施的压力，降低了污泥处理费用[2]。
1.3  涡流反应原理
    涡流反应理论主要包括两方面：一是微涡旋凝聚，二是立体接触絮凝[3]。
1.3.1  微涡旋凝聚
    凝聚是指胶体脱稳后在水力作用下发生相互碰撞并形成絮体的过程，要提高凝聚效率就必须提高水体中胶体脱稳程度，增加胶体间碰撞机率[4]。澄清池投加微涡旋反应器后，水流穿过涡旋反应器时，反应器表面附近形成许多微涡旋，微涡旋各流层之间存在较大的流速差，增加了各流层间胶粒的碰撞机率；另外，当水流涡旋流动时，产生的离心力会造成胶粒沿微旋涡径向运动，增加径向胶粒间的碰撞机率。由于微涡旋的存在，加快了水体中胶粒的迁移，增加了胶粒碰撞机会，提高了凝聚效率。
1.3.2  立体接触絮凝
    絮凝是已经形成的较小絮体通过不断吸附脱稳胶体而变大、变密实的过程[4]。澄清池反应区投加涡旋反应器后，易在反应器内部形成絮体悬浮区，进入涡旋反应器内的脱稳胶体与内部悬浮絮体更容易发生碰撞，形成立体接触絮凝。另外，当絮体长大到一定程度时，在微涡旋的水力作用下，涡旋反应器内部密实度较低的絮体会破碎，并重新絮凝成密实度较高的絮体，提高了沉淀区泥水分离效果。
2  澄清工艺试验
2.1  试验装置
    该试验使用的网格澄清池池体结构及尺寸与涡流澄清池相同，涡流澄清池与网格澄清池结构分别如图2、3所示。

 

 图3  网格澄清池

    该试验中网格澄清池使用的网格共分5 层，其中第一反应区共有3 层，第二反应区共有2 层，各层网格孔眼尺寸沿水流方向第一、二层为25 mm×25 mm，第三、四层为30mm×30 mm，第五层为35 mm×35 mm，制作网格的各层板条宽度均为30mm。各层网格间距沿水流方向逐渐增大。
该试验中采用的网格设计参数见表1。
 

2.2  试验方法及原水水质
2.2.1 原水水质
    原水取自华东交通大学孔目湖，原水水质见表2。

  

2.2.2  运行参数及试验方法
    采用进水流量为7m3/h，絮凝时间9.7min，沉淀区表面负荷为3.6m3/(m2•h)，无回流。经过烧杯试验确定相应原水的最佳投药量范围。试验主要考察在相同投药量下（网格澄清池出水浊度稳定在2NTU左右时PAC的投加量）即小湖原水投药量控制为20mg/L,大湖原水投药量控制为6.5mg/L时澄清池反应区投加涡流反应器与设置网格对孔目湖原水的除浊效率。共有两种工况：1）网格澄清池处理大小湖水；2）涡流澄清池处理大小湖水。

2.3 网格澄清池的处理效果
2.2.3  测定项目及设备
    测定项目为浊度，使用TDT-2型浊度仪测定。
2.3.1  孔目湖小湖原水
    如图4所示，以孔目湖小湖为原水时网格澄清池出水浊度稳定在2NTU左右，最低达1.66NTU，去除率稳定在79.4%以上。

图4  小湖原水的进出水浊度及去除率

 

2.3.2  孔目湖大湖原水
    如图5所示，以孔目湖大湖为原水时网格澄清池出水浊度稳定在2NTU左右，最低达1.94NTU，去除率稳定在77.6%以上。

图5  大湖原水的进出水浊度及去除率

 

2.4  涡流澄清池的处理效果
2.4.1  孔目湖小湖原水
    如图4所示，以孔目湖小湖为原水时涡流澄清池出水浊度稳定在1NTU以下，最低达0.73NTU，去除率稳定在89.8%以上。
2.4.2  孔目湖大湖原水
    如图5所示，以孔目湖大湖为原水时涡流澄清池出水浊度稳定在1.5NTU左右，最低达1.45NTU，去除率稳定在81.0%以上。
2.5  结果分析
    从图4可知，当以小湖为原水时，在PAC投药量为20mg/L时网格澄清池的出水浊度稳定在2NTU左右，最低达1.66NTU，去除率稳定在79.4%以上。涡流澄清池的浊度去除率达稳定在89.8%以上，出水浊度都在1NTU以下，最低浊度达到0.73NTU。对比可知在相同条件下，涡流澄清池出水浊度更低，除浊效率更高。
    从图5可知，当以大湖为原水时，在PAC投药量为6.5mg/L时网格澄清池出水浊度稳定在2NTU左右，最低达1.94NTU，去除率稳定在77.6%以上。涡流澄清池的浊度去除率达稳定在81.0%以上，最低浊度达到1.45NTU。对比可知，在相同条件下，涡流澄清池比网格的除浊效果好。
    涡流澄清工艺除浊效果好于网格澄清工艺，这主要是因为反应区放置的涡流反应器产生了微涡流凝聚和立体式接触絮凝作用[5-6]。凝聚的效率取决于水中胶体脱稳的程度和碰撞的机率。涡流反应器形成的微涡旋流动，与传统网格工艺相比，它是球面上形成的网格，具有多方位、多角度的特点，单位体积网格数远大于传统网格工艺，能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞；并在上向水流区的涡流反应器内部形成絮体悬浮区，进一步对水流中的脱稳胶体产生絮凝作用，形成了立体式接触絮凝，其与传统絮凝澄清池相比具有更高效率。
    在以小湖为原水，混凝剂投加量保持25mg/L不变且无回流的条件下，分别对两池在7、8、9、10、11、12、13m3/h七种不同的进水流量进行对比试验。将各个流量下的数据取平均值得图6。

图6  不同流量下涡流澄清池和网格澄清池出水浊度对比

 

    从图6可知，涡流澄清池在流量为10m3/h时运行效果最佳，对应的絮凝时间为6.8min，沉淀区表面负荷5.1 m3/(m2•h)。网格澄清池在流量为9m3/h时运行效果最佳，对应的絮凝时间为7.6min，沉淀区表面负荷4.6 m3/(m2•h)。若以出水浊度低于1NTU为控制指标对比两池的流量可知，涡流澄清池流量为12m3/h时，出水浊度依然在1NTU以下，而网格澄清池允许的最大流量为9m3/h，在此工况下，涡流澄清池的产水量比网格澄清池高33%以上。
    从以上对比可知，投药量和流量相同时，涡流澄清池出水优于网格澄清池。在投药量和出水要求相同时，涡流澄清池产水量大于网格澄清池。若以相同出水浊度为指标的话，则相同流量下投加涡流反应器比网格能节省药量。
3  工程应用
    宁波某公司因生产需要拟改扩建净水处理系统以增大供水量，需要选择合理的技术，在保证水质的前提下，以最小资金投入，创造最大的效益，同时要求工期最短，占地面积最小，这是该公司对供水系统改扩建工作的指导方针。涡流澄清技术在现场试运行中显示出良好的经济性。
3.1  除浊试验结果
    在调试过程中，原水浊度平均23NTU,pH为6.0～8.5。公司设计要求出水浊度在2.5NTU以下。调试结果如表3。

 
    图7、8表明，涡流澄清池浊度去除率均在93.1%以上，最高达96.8%，出水浊度稳定1～1.5NTU之间，达到了该公司设计出水浊度低于2.5NTU的目标，说明涡流澄清池除浊性能优异。

 

 

 
图7  出水浊度与出水要求

图8  进出水浊度及去除率

 

3.2 经济性分析
    涡流澄清池运行成本主要包括部分：一是取水泵等设备能耗费用，二是药剂费用。
    1）能耗费用
    在此次调试中，能耗主要消耗于取水泵上，其额定功率为0.37kw，计量泵的动力消耗按取水泵的8%计算，即为0.03kw，合计动力设备总功率为：P=P1+P2=0.37+0.03=0.4kw。
    则电耗为0.4 kw•h，工业用电按0.8元/(kw•h)计算，则微涡流澄清池吨水能耗费用为：￥1= =0.091元。
    2）药剂费用
    按进水流量为3.5m3/h，絮凝剂投加量为12mg/L计算，则消耗的絮凝剂为42g/h。絮凝剂价格按2000元/t计算，则吨水药剂成本为：￥2= =0.024元。
    涡流澄清池吨水运行成本为：￥=￥1+￥2=0.091+0.024=0.115元。
4  结论
    当涡流澄清池稳定运行时，澄清池出水浊度稳定在3NTU以下，浊度去除率均在81.0%以上，最高达96.8%，除浊性能良好。实践证明涡流澄清工艺的除浊效果优于传统水处理工艺，相同出水条件下能节省药量，提高产水量。通过试验及现场调试等表明，涡流絮凝澄清技术具有澄清效率高、出水水质量优、适应变化能力强、施工方便等优点，具有一定的推广价值。

参考文献：
[1] 中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所．GB5749-2006 生活饮用水卫生标准[S]．北京：中国标准出版社，2007．
[2] 童祯恭，胡锋平，方永忠．涡流絮凝澄清技术在嘉兴某净水厂中的运用[J].给水排水，2009，35(10)：15-17．
[3] 童祯恭，胡锋平．一体化涡旋网格澄清工艺的研制与应用[J]．中国给水排水，2010，26(6)：63-68．
[4] 严煦世，范瑾初．给水工程[M]．4版．北京：中国建筑工业出版社，1999：254．
[5] 方永忠，沈顺东．微涡流混凝给水处理新工艺[J]．铁道劳动安全卫生与环保，2004，31(5)：210-212．
[6] 童祯恭，胡锋平．涡流澄清技术在污水处理中的应用[J]．水处理技术，2009，35(9)：117-119．
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50868005)
收稿日期: 2010-06-20
作者简介: 董红军，男，在读研究生，研究方向为给水处理理论与技术.

注：本文刊载于《市政技术》2012年第5期，第55页至第59页。