王鶴立　肖樹(shù)宏　赫俊國(guó)　徐立群

　　提要　通過(guò)機(jī)理分析和工程實(shí)例總結(jié)，介紹了強(qiáng)化常規(guī)混凝沉淀工藝的“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀處理技術(shù)”。
　　關(guān)鍵詞　給水常規(guī)處理　強(qiáng)化　渦旋混凝　低脈動(dòng)沉淀　除濁

　　1　強(qiáng)化常規(guī)處理工藝的必要性及對(duì)策

　　1.1　強(qiáng)化常規(guī)處理工藝的必要性
　　水資源匱乏、分布不均，原水污染嚴(yán)重，構(gòu)成了我國(guó)給水處理的基本背景。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)600多座城市中，有300多座城市缺水，108座城市嚴(yán)重缺水，日均缺水1600萬(wàn)m3/d；按建設(shè)部計(jì)劃，“八五”期間平均每年供水量將遞增515萬(wàn)，“九五”規(guī)劃平均每年將遞增710萬(wàn)。大規(guī)模的興建水廠投資歷巨大、周期較長(zhǎng)、負(fù)擔(dān)沉重，因而如何強(qiáng)化現(xiàn)有處理工藝，充分發(fā)揮已有資源、設(shè)施的潛力是一個(gè)重要課題。
　　與此同時(shí)，有限的水資源還不斷受到水質(zhì)惡化及水生態(tài)系統(tǒng)被破壞的嚴(yán)重威脅，因城市污水排放而污染的水源已占我國(guó)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(xiàn)有工藝需加強(qiáng)完善，以適應(yīng)原水水質(zhì)的變化。
　　另外，隨著工業(yè)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，對(duì)水質(zhì)的要求也越來(lái)越高?！冻鞘泄┧袠I(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》要求一類水司執(zhí)行88項(xiàng)指標(biāo)，濁度指標(biāo)值為1NTU；二類水司執(zhí)行51項(xiàng)指標(biāo)，濁度指標(biāo)值為2NTU。現(xiàn)有大多數(shù)水廠工藝參數(shù)不是按照此要求設(shè)計(jì)的，因而有必要采取強(qiáng)化措施，以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
　　針對(duì)上述狀況，我國(guó)水廠建設(shè)一般向以下幾個(gè)方面發(fā)展：1.長(zhǎng)距離引水、多點(diǎn)輸配；2.合理使用高效藥劑；3.水廠自動(dòng)化、管理的最優(yōu)化；4.常規(guī)處理基礎(chǔ)上增加預(yù)處理及深度處理；5.加強(qiáng)常規(guī)處理。
　　結(jié)合當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力，要求普遍增加深度處理是不現(xiàn)實(shí)的，還是應(yīng)該在常規(guī)處理上多想點(diǎn)辦法，某水司的生產(chǎn)試驗(yàn)表明：1.水中濁度與有機(jī)物關(guān)系十分密切。將水中濁度降低至0.5NTU，則要機(jī)物可減少80%；2.加強(qiáng)常規(guī)處理，降低出水濁度，改進(jìn)加氯點(diǎn)及加氯量，不僅有效地將出廠水中發(fā)揮性有機(jī)物降低50%，對(duì)半發(fā)揮性有機(jī)物也能降低30%～70%，衛(wèi)生毒理方面Ames試驗(yàn)致突變活性下降42%～47%，致溫血?jiǎng)游锛?xì)胞染色體畸變活性下降27%～40%。
　　上述結(jié)果表明，為降低有機(jī)物減少其危害，當(dāng)前采取加強(qiáng)常規(guī)處理的對(duì)策，既是有效的也是現(xiàn)實(shí)的。
　　1.2　強(qiáng)化常規(guī)處理工藝的對(duì)策
　　“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)”，是常規(guī)處理工藝的強(qiáng)化技術(shù)之一。工程實(shí)踐證實(shí)：此項(xiàng)技術(shù)用于新建水廠，構(gòu)筑物基建投資可節(jié)省20%～30%；用于舊水廠技術(shù)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(guī)模新建水廠投資的30%～50%。采用此技術(shù)可使沉淀池出水濁度低于3NTU，濾后水接近0NTU，可節(jié)省濾池反沖洗水量50%，節(jié)省藥劑投加量20%～30%，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用和制水成本。

　　2　“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)”的機(jī)理

　　“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)”涉及了給水處理中混合、絮凝、沉淀三大主要工藝環(huán)節(jié)。
　　2.1　對(duì)混合工藝的強(qiáng)化
　　從理論上指出傳統(tǒng)意義上的宏觀擴(kuò)散應(yīng)分為宏觀擴(kuò)散和微觀擴(kuò)散兩個(gè)不同的物理過(guò)程，而在水處理反應(yīng)中亞微觀擴(kuò)散是起決定性作用的動(dòng)力學(xué)因素．亞微觀擴(kuò)散究其實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散，其擴(kuò)散規(guī)律與用Fick定律的宏觀擴(kuò)散規(guī)律完全不同，在湍動(dòng)水流中亞微觀傳質(zhì)主要是由慣性效應(yīng)導(dǎo)致的物質(zhì)遷移造成的，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。
　　根據(jù)這一理論發(fā)明的管式微渦初級(jí)混凝設(shè)備和立管串連式初級(jí)混凝設(shè)備，就是利用高比例高強(qiáng)度微渦旋的離心慣性效應(yīng)來(lái)克服亞微觀傳質(zhì)阻力，增加亞微觀傳策速率，可在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)藥劑的充分?jǐn)U散，使混凝劑水解產(chǎn)物迅速到達(dá)水體每一細(xì)部而得以充分的利用。生產(chǎn)使用證明，這兩種設(shè)備效率高、占地少、效果好，混合時(shí)間僅為3s～30s，不僅比傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器大幅度提高處理能力，而且一般較傳統(tǒng)工藝節(jié)省藥劑投加量20%～30%。
　　2.2　對(duì)絮凝工藝的強(qiáng)化
　　在理論上從湍流微結(jié)構(gòu)的尺度對(duì)混凝的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，提出的絮凝的動(dòng)力學(xué)致因是“慣性效應(yīng)”，湍流剪切力是絮凝反應(yīng)中決定性的動(dòng)力學(xué)因素，并由此建立了絮凝的動(dòng)力學(xué)相似準(zhǔn)則。
　　根據(jù)這一理論發(fā)明了小孔眼網(wǎng)格絮凝設(shè)備。在絮凝反應(yīng)池中增設(shè)小孔眼網(wǎng)格之后有如下作用：（1）水流通過(guò)網(wǎng)格的區(qū)段是速度激烈變化的區(qū)段，也是慣性效應(yīng)最強(qiáng)、顆粒碰撞幾率最大高的區(qū)段；（2）小孔眼網(wǎng)格之后湍流的渦旋尺度大幅度減小，微渦旋比例增強(qiáng)，渦旋的離心慣性效應(yīng)增加，有效地增加了顆粒碰撞次數(shù)；（3）由于過(guò)網(wǎng)水流的尼慣性作用，礬花產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，使礬花中吸附能級(jí)低的部分，由于其變形揉動(dòng)作用達(dá)到高吸附能級(jí)，這樣就使得通過(guò)網(wǎng)格之后礬花變得更密實(shí)；（4）可以通過(guò)在水流通道中科學(xué)地布設(shè)小孔眼網(wǎng)格，控制湍流剪切梯度，使其通過(guò)合理的有效碰撞，形成均勻密實(shí)、易城沉淀的礬花。
　　因?yàn)榇蠓鹊靥岣吡朔磻?yīng)效率，絮凝時(shí)間可縮短至5min～10min。
　　2.3　對(duì)沉淀工藝的強(qiáng)化
　　沉淀設(shè)備是水處理工藝中泥水分離的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀況直接影響出水水質(zhì)。傳統(tǒng)的平流沉淀池優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單易操作，工作比較安全可靠，因此要求的運(yùn)行管理水平較低；缺點(diǎn)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(zhǎng)度。淺池理論的出現(xiàn)使沉淀技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。70年代以后，我國(guó)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(jīng)過(guò)幾十年應(yīng)用，其可靠性遠(yuǎn)不如平流池。這主要是斜管沉淀設(shè)備自躬結(jié)構(gòu)的不合理性造成的。
　　傳統(tǒng)沉淀理論認(rèn)為斜板、斜管沉淀池中水流處于層流狀態(tài)。其實(shí)不然，實(shí)際上在斜管沉淀池中水流是有脈動(dòng)的，這是因?yàn)楫?dāng)斜管中大的礬花顆粒后天面產(chǎn)生小旋渦，這些旋渦的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)造成了水流的脈動(dòng)。這些脈動(dòng)對(duì)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(zhì)。
　　為了克服這一現(xiàn)象，抑制水流的脈動(dòng)，而發(fā)明了小間距斜板沉淀設(shè)備。這一設(shè)備還有下面一些優(yōu)點(diǎn)：（1）沉淀面積與排泥面積相等，消除了側(cè)向約束。對(duì)普通斜管來(lái)說(shuō)排泥面積只占其沉淀面積的一半，在特殊時(shí)期如高濁期、低溫低濁期或加藥失誤時(shí)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(shù)量與斜面上滑落下來(lái)的污泥數(shù)量大于排走的數(shù)量，造成了污泥的堆積。一旦在斜管角落處產(chǎn)生污泥的堆積，既使過(guò)水?dāng)嗝鏈p少，上升流速增加，增加了污泥下滑的頂托力，又進(jìn)一步增加污泥堆積，產(chǎn)生了污泥堆積的惡生循環(huán)。這種作用開(kāi)始時(shí)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(dāng)污泥堆積到一定程度時(shí)，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(zhì)嚴(yán)重惡化。正是這一原因才使得南方很多地區(qū)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(fù)荷尚不到斜管的1/4，故在任何時(shí)期排泥均無(wú)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?？梢猿恋硐聛?lái)，而小礬花是否沉淀下來(lái)是決定沉淀池最終出水水質(zhì)的關(guān)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?xiàng)l件。
　　生產(chǎn)使用證明，小間距斜板沉淀池上升流速按3.0mm/s～3.5mm/s設(shè)計(jì)時(shí)尚有很大潛力，因此占地面積大幅度減少而抗沖擊負(fù)荷較強(qiáng)，沉淀池出水水質(zhì)穩(wěn)定，沉后不濁度一般不超過(guò)3NTU，濾后不濁度接近0NTU。
　　2.4　對(duì)過(guò)濾工藝的強(qiáng)化
　　傳統(tǒng)給水處理工藝一般沉后水濁度較高，所以濾池負(fù)擔(dān)較重，水質(zhì)較難保障，反洗水消耗浪費(fèi)較大。而“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)”把濁度解決在濾前，濾池只用來(lái)把關(guān)，因此濾池的濾速可得到較大提高，而反沖洗水量則可節(jié)省50%以上。

　　3　工程實(shí)踐

　　“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)”在秦皇島、大慶、撫順、賓縣等地進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)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(zhuǎn)反應(yīng)、斜管沉淀池設(shè)計(jì)能力5萬(wàn)m3/d，為解決城市缺水狀況，要求水量提高到10萬(wàn)m3/d,并改善水質(zhì)。
　　采用以下方案改造：（1）在絮凝池前端增設(shè)立管串聯(lián)式初級(jí)混凝設(shè)備，取代原管式靜態(tài)混合器，混合時(shí)間30s；（2）采取隔板式反應(yīng)池取代原回轉(zhuǎn)反應(yīng)池，廊道中垂直布置小孔眼網(wǎng)格，反應(yīng)時(shí)間7min較原工藝縮短了13min，因而可節(jié)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(duì)原工藝進(jìn)行改造。在原構(gòu)筑物容積不變的情況下，使反應(yīng)效率大幅度提高，處理水量提高到10萬(wàn)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(jié)省幾千萬(wàn)元。實(shí)際運(yùn)行2年表明：新工藝在水質(zhì)水量穩(wěn)定的同時(shí)，藥劑投加量節(jié)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(kuò)建工程
　　東州水廠設(shè)計(jì)能力為2萬(wàn)m3/d，原處理工藝流程為：原水——一級(jí)泵站－虹吸濾池－清水池——管網(wǎng)。該水廠原水取自大伙房水庫(kù)，1994年以前水質(zhì)濁度常年在20NTU內(nèi)，因此一直末建濾前處理設(shè)施。1995年“七.二九”特大洪水之后，水庫(kù)水質(zhì)發(fā)生顯著變化，該水廠持續(xù)幾個(gè)月出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，對(duì)此用戶反映極為強(qiáng)烈，因此公司決定完善處理工藝，平加反應(yīng)沉淀工藝。
　　東州凈水廠反應(yīng)沉淀池?cái)U(kuò)建工程于1996年5月開(kāi)始施工，7月27日竣工?；旌喜捎霉苁轿u初級(jí)混凝設(shè)備，混合時(shí)間3s，反應(yīng)采用小孔眼網(wǎng)格絮凝設(shè)備，反應(yīng)時(shí)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(dá)500NTU以上，該設(shè)備在此情況下開(kāi)始啟動(dòng)，經(jīng)2h調(diào)試運(yùn)行以后，沉后水濁度達(dá)到3NTU以下，確保了水廠的正常運(yùn)行。
　　從兩年多的運(yùn)行情況來(lái)看，該項(xiàng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：
　?。?）經(jīng)濟(jì)效益顯著。由于反應(yīng)時(shí)間短，沉淀池上升流速高，大大節(jié)省了反應(yīng)沉淀池面積，從而節(jié)省基建投資達(dá)30%以上；（2）處理水質(zhì)好，沉后水濁度可穩(wěn)定在3NTU以下；（3）啟動(dòng)方便，抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)，運(yùn)行操作簡(jiǎn)單；（4）日常運(yùn)行費(fèi)用低，由于采用了管式微渦初級(jí)混合設(shè)備，節(jié)省投藥量30%左右，同時(shí)由于沉后水水質(zhì)好，節(jié)約了反沖洗水量，延長(zhǎng)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(wàn)m3/d一期工程采用比較成熟的傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)，即靜態(tài)混合器普通網(wǎng)格反應(yīng)池三層側(cè)向流斜板。平時(shí)運(yùn)行效果基本滿足水質(zhì)要求。在低溫低濁時(shí)處理能力可達(dá)20萬(wàn)m3/左右，但在春季開(kāi)湖時(shí)出現(xiàn)少見(jiàn)的低溫高濁水質(zhì)現(xiàn)象，且pH高達(dá)8.9以上。傳統(tǒng)處理技術(shù)無(wú)法處理這種惡劣水質(zhì)，僅能處理不到12萬(wàn)m3/d的水量，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和生活用水。
　　1997年9月始，對(duì)原工藝進(jìn)行了改造：用管式微渦初級(jí)混凝設(shè)備取代原靜態(tài)混合器；在孔式反應(yīng)池中拆除原普通網(wǎng)格；拆除沉淀池中三層側(cè)向流斜板，換以逆向流小間距斜板；為使過(guò)渡段布局均勻，采取了“網(wǎng)格過(guò)渡段”及“同程同阻尾端集水技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了短邊布水，且省去表面集水槽。
　　改造后，不但使處理能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且明顯改善了水質(zhì)，取得了令人滿意的效果。故中引水廠二期25萬(wàn)m3/d新建工程亦已采用這項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)施工。
　　3.4　賓縣水廠新建工程
　　賓縣自來(lái)水公司新建2萬(wàn)m³/d水廠采用“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)”設(shè)計(jì)。1994年8月竣工通水，已安全運(yùn)行4年多，取得了令人滿意的效果：（1）總基建投資節(jié)省約100萬(wàn)元。（2）兩個(gè)1萬(wàn)m3系列，其混合、絮凝部分同樣采用新技術(shù)，而沉淀池內(nèi)一套安裝小間距斜板沉淀設(shè)備，另一套安裝傳統(tǒng)的普通話通斜管沉淀設(shè)備。運(yùn)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(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，采用新技術(shù)投藥量還可節(jié)省濾池反沖洗水量，使制水成本大幅度降低。

　　4　結(jié)論

　　總之，這項(xiàng)新技術(shù)具有投資省、占地少，處理效果高、水質(zhì)好，工期短、見(jiàn)效快，制水成本低、適應(yīng)廣泛等特點(diǎn)，不僅對(duì)低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時(shí)對(duì)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(guó)　徐立群　15008　哈爾濱建筑大學(xué)多相工藝研究中心
電話：(0451)6282109
肖樹(shù)宏　130041　長(zhǎng)春市大經(jīng)路67號(hào)
長(zhǎng)春市自來(lái)水公司
收稿日期：1998-12-3