杨开 摘要:本文以两个工程实例,具体地介绍了用气浮工艺改造采用混凝-沉淀-过滤工艺水厂的技术方法及效果。工程实践表明,气浮工艺用于水厂改造,具有实用性强,应用面广、投资少、见效快等特点,可作为处理微污染江河饮用水的一种备选方法。对于缓解由于水源污染而造成的处理难度,改善供水水质,降低制水成本,具有普遍的意义和较高的应用价值。 1 前言 众所周知,气浮法由于分离效率高,并兼有向水中充氧曝气的作用,所以特别适用于处理低温、低浊、高藻、高色和受有机物污染的原水。工程应用及研究均表明,除分离无机及有机悬浮物外,气浮法对于水中溶解性有机物也有一定的去除效果。 实际上,即使是在含沙量较大的江河水或混凝良好的水中,也还存同样适于为气浮法所去除的小沉速颗粒。更何况随着国内水环境受到日益严重的污染,许多河水兼有了江河水与湖、塘、水库水的水质特征,如含藻量增多、色臭味加重、并呈现季节性变化,增加了混凝-沉淀-过滤工艺的处理难度。因此,将气浮工艺引入传统水处理流程中,可充分发挥气浮法与沉淀法各自的特点,以期获得较好的处理效果。 气浮法用于水厂的改造,主要有三种形式: 1. 简单地将沉淀池改为气浮池; 2. 将沉淀池改为可切换交替运行的沉浮池; 3. 将滤池改为气浮滤池。 第一种方式虽可有效改善低温、低浊、高藻、高色和受有机物污染原水的处理效果,但不适应高浊期水质;第二种方式可根据原水水质,随时将沉浮池切换为沉淀池或气浮池使用,对原水水质有较强的适应性;第三种方式通过将滤池改造为气浮滤池,形成混凝-沉淀-气浮-过滤处理流程,进一步增强了对水质变化的适应性,可有效地改善处理效果。 本文主要以笔者完成的两项工程实例,介绍后两种改造方式。 2 实例一:气浮滤池 河南省某水厂建于1990年,取沙河水(属淮河流域),处理流程为: 原水–穿孔旋流絮凝池–斜管沉淀池–虹吸滤池–液氯消毒–管网 原设计流量2万吨/日,改造时实际平均日供水量为2.5万吨,高峰期超过3万吨,已处于超负荷运行状态。由于沙河上游工业废水排放增多,水源污染状况日趋严重,极大地干扰了水厂的正常运行。主要表现在: ①枯水期沙河水中污水(由上游排放)所占比例偏大,水质(有机)污染严重,历时较长,加之此时原水水质多处于低温低浊期,原有水处理工艺对此很不适应。 近期统计资料表明,低温低浊期一般在1-3月,原水浊度9-17 度,色度为20-30度,出水分别为3-7NTU和20-25度,采用人工加泥的方法后,分别为1-4度和8-13度;污染(同时也是枯水)期一般在3,4,5,11,12月,原水浊度约20度,色度40-50,臭和味高达5级,处理后分别为5-8度、25-35度和4级,人工加泥后水质有所提高。原水年平均浊度约25-100度,出厂水一般大于5NTU。 ②在7、8月高浊期,水中泥沙含量大,浊度最高达30000度,沉淀池浊度负荷过高,大量絮凝体溢流入滤池,堵塞滤料,此时出水水质虽有保证,但过滤周期缩短,处理系统整体性能难以正常发挥; ③由于水中存在大量的营养物质,春、夏季节水中藻类和其他浮游生物增多,腥味极重。镜检表明,藻类以丝藻、硅藻、绿藻和蓝藻(主要是鞘丝藻和鱼腥藻)居多。同时,水生物还在滤料表面繁殖,使过滤周期大为缩短,滤池冲洗频繁,难以洗净。而不良的冲洗又降低了滤池的过滤能力,形成恶性循环,使制水成本增加。 1995年初,在小试的基础上,通过将原虹吸滤池的6个滤格均改造为气浮式虹吸滤池,实现了混凝沉淀-气浮过滤的新工艺,流程如下: 因为采用的是分流式压力溶气气浮系统,所以未增加滤池的水量负荷,亦即无论气浮单元投入运行与否,滤速均未改变,同时,也无须增设新的处理构筑物。 气浮单元的运行方式非常灵活,可通过将气浮单元投入或撤出水处理系统,或调节溶气水回流比的大小等方法,控制滤前水质,以适应原水水质的变化,降低制水成本。因此,非常适用于季节性多变的水源水质,增强系统整体抗冲击负荷的能力。 改造完成后,在不同的溶气水回流比、投矾量及原水水质条件下,共进行了7个过滤周期的测试,表中所列为各周期平均水质、运行操作指标、以及采用气浮滤池后制水成本降低值。其中,滤池周期以滤后水浊度超过3度为限,溶气水压力控制在0.32-0.36MPa。表中,沉淀水、过滤水和气滤水分别表示沉淀池、滤池和气浮滤池出水。试验期间,从第4个周期(4号样)起,天气转晴,气温升高,同时,上游工业废水排放量增大,致使原水水质变坏,有机物污染程度及藻类总数显著增加。 由表1可见,各样本气滤后水水质指标均明显优于过滤水,同时制水成本也大为下降。分析试验所测结果,影响出水水质及水处理系统整体性能的因素主要有: ①悬浮物尺度:与常规气浮系统不同,本试验气浮单元进水不是平缓地由反应池引入,而是经管渠系统而来,其中的悬浮物是破碎细小的矾花。所以,气滤池表面大量浮渣的形成,说明水中悬浮颗粒的大小不是影响气浮效果的主要因素; ②回流比:因为溶气水取自沉淀水,所以确切地说,溶气水与处理水量之比应称为“分流比”,但为便于理解,在此还是按习惯称其为回流比。 回流比在很大程度上控制着气滤水的水质。5,6,7样本中均含回流比相异的两组气浮过滤水测试结果。比较各对照组可见,回流比增加后,过滤周期延长很多。如与5号样,回流比由7%增至10%后,过滤周期由2小时延至 8.5小时。 增加回流比还可降低投矾量。如2号样与3号样的原水水质差别不大,当回流比由10.5%增到12%,对应投矾量由4.10mg/l降至1.70mg/l后,气滤池周期仅缩短18%,而滤池则缩短39%。 表1 气浮过滤试验综合测试表序号 | 测试指标 | 浊度 (度) | 色度 (度) | 臭味 (级) | CODCr (mg/L) | 氨氮 (mg/L) | 藻数,去除率 (万个/L,%) | 滤速 (m/h) | 周期 (h) | 冲洗水比耗 (m3/万m3) | 操作条件 | 气浮电耗 (度/万m3) | 成本降低 (万元/万m3) | 1 | 原水 | 8.6 | 17.5 | 3 | 25.00 | 0.40 | 25.4 | | | | | 146.46 | 312.68 | 沉淀水 | 6.6 | 16.1 | 3 | 20.00 | 0.30 | 22.3, 12.2 | | | | 矾5.0mg/L | 过滤水 | 4.1 | 14.3 | 2 | 11.00 | 0.25 | 15.7, 29.9 | 11.6 | 4.1 | 984.02 | | 气滤水 | 1.3 | 11.6 | 1 | 5.00 | 0.19 | 8.9, 60.1 | 11.6 | 18.8 | 214.60 | 回流比 10.0% | 2 | 原水 | 11.0 | 17.5 | 3 | 27.00 | 0.55 | 30.2 | | | | 矾 4.1mg/L 回流比 10.5% | 153.79 | 168.39 | 沉淀水 | 6.3 | 17.0 | 3 | 23.0 | 0.30 | 26.4,12.6 | | | | 过滤水 | 4.1 | 12.4 | 2 | 15.0 | 0.05 | 17.3,34.5 | 11.0 | 6.3 | 675.33 | 气滤水 | 1.5 | 9.9 | 1 | 5.00 | 0.03 | 8.2,67.0 | 11.0 | 20.6 | 206.53 | 3 | 原水 | 8.0 | 17.5 | 3 | 26.50 | 0.25 | 48.0 | | | | 矾1.7mg/L 回流比12.0% | 175.75 | 346.41 | 沉淀水 | 6.6 | 17.5 | 3 | 21.30 | 0.20 | 45.0, 6.3 | | | | 过滤水 | 3.3 | 15.3 | 2 | 18.50 | 0.04 | 42.0, 6.7 | 11.3 | 3.8 | 1089.89 | 气滤水 | 1.5 | 11.6 | 1 | 4.00 | 0.03 | 14.0,66.9 | 11.2 | 16.7 | 250.21 | 4 | 原水 | 13.5 | 30.0 | 4 | 30.00 | 3.00 | 42.0 | | | | 矾4.0mg/L 回流比7.0% | 102.52 | 880.93 | 沉淀水 | 11.2 | 27.9 | 4 | 29.50 | 3.00 | 31.2,26.1 | | | | 过滤水 | 5.2 | 21.4 | 3 | 25.50 | 2.90 | 20.0,35.5 | 11.4 | 1.3 | 3157.89 | 气滤水 | 3.3 | 19.8 | 2 | 18.00 | 1.50 | 12.8,59.0 | 11.1 | 3.5 | 1204.63 | 5 | 原水 | 15.0 | 30.7 | 3 | 28.00 | 7.00 | 148 | | | | | | | 沉淀水 | 7.9 | 30.7 | 3 | 24.00 | 7.00 | 33.2,77.6 | | | | 矾 8.0mg/L | 过滤水 | 4.1 | 22.0 | 3 | 20.00 | 6.00 | 43.6, | 11.7 | 4.2 | 952.38 | | 气滤水1 | 1.8 | 14.8 | 2 | 12.00 | 3.00 | 10.8,67.5 | 11.0 | 16.0 | 265.91 | 回流比12.0% | 175.75 | 199.36 | 气滤水2 | 2.5 | 19.8 | 2 | 15.00 | 4.00 | 16.8,49.4 | 11.6 | 9.6 | 420.26 | 7.4% | 108.38 | 272.87 | 6 | 原水 | 70.0 | 27.5 | 4 | 56.00 | 8.00 | 150 | | 0.7 | | | | | | 沉淀水 | 12.9 | 27.5 | 4 | 24.00 | 7.50 | 41.3,72.5 | | | | 矾6.6mg/L | | | | 过滤水 | 6.1 | 20.5 | 3 | 20.00 | 7.50 | 41.3,0.00 | 12.0 | 0.7 | 5571.43 | | | | | 气滤水1 | 4.1 | 18.0 | 2 | 16.00 | 5.50 | 21.9, 47.0 | 12.0 | 2.0 | 1950.00 | 回流比7.0% | 102.52 | 1681.45 | | 气滤水2 | 2.1 | 15.7 | 2 | 12.00 | 3.50 | 16.8, 59.3 | 10.9 | 8.5 | 505.13 | 10.0% | 146.46 | 2375.18 | 7 | 原水 | 51.0 | 35.0 | 3 | 40.00 | 5.00 | 105.2 | | | | | | | 沉淀水 | 12.7 | 25.5 | 3 | 8.00 | 4.80 | 76.8,23.0 | | | | 矾6.6mg/L | | | 过滤水 | 4.8 | 21.2 | 2 | 8.00 | 4.80 | 28.0,63.5 | 12.1 | 0.8 | 4834.71 | | | | 气滤水1 | 3.0 | 18.0 | 2 | 4.00 | 3.50 | 12.8,83.3 | 12.2 | 5.7 | 672.99 | 回流比10.0% | 146.46 | 1940.99 | 气滤水2 | 1.8 | 15 | 2 | 4.00 | 3.50 | 10.4,87.0 | 11.5 | 12.0 | 339.13 | 12.0% | 175.75 | 2101.04 | 除沉淀水水质外,影响回流比的主要因素是滤速。对比现行《室外给水设计规范》(BGJ13-86)规定,气浮池向下流速一般采用5.40-9.00 m/h,回流比为5-10%,溶气压力为0.2-0.4MPa。而本试验中,一般在回流比大于10%的条件下,才能保证气滤水水质以及足够长的过滤周期。其原因除正处于高污染、高藻期外,滤速(等于气浮池向下流速)过大(11-12 m/h)是一个主要原因。过大的滤速一方面减少了气泡释放与浮升的时间,同时会在滤料层中产生气阻现象。另一方面浮渣层由于缺乏足够多的气泡顶托,也不易稳定。再由于气滤池改建施工上的原因,难以保证待滤水与溶气水的均匀分布与有效接触,也使回流比增加。 因为试验期间正处于用城市供水紧张期,水厂清水池的水位总是处于低线,所以不宜减产进行试验,以求得较低滤速条件下的最优回流比。但从几次单池短时降流的实际观测所见,在同样的回流比条件下,浮渣层的厚度、密度及稳定性明显增加。 实际上,对回流比的大小应作全面衡量。从实效上看,降低回流比的目的无非是希望节省气浮系统动力费用,降低制水成本。由表2可见,尽管高的回流比增加了气浮动力费,但却大大延长了滤池的过滤周期,节约了大量的冲洗水。况且12%与 7%回流比间的的电费差额很小(29元/万吨),相比之下,在水质提高的同时,总成本也降低了很多。 因此,应根据实际情况与要求的不同,合理选择或确定回流比,不宜一概而论。如英国推荐的回流比就高达10-25%。本研究建议在原水受有机物污染,或滤速大于9m/h的情况下,采用大的回流比(大于10%-12%),在经济上与技术上都是有利的。当原水水质一般时,回流比则以小于10%为宜。根据这一原则,并考虑到离心泵Q-N曲线较为平缓的特点(水泵轴功率随流量减少的降差很小),选泵时宜选用两大一小三台泵,单泵工作,其中一台大泵为备用泵,以适应不同水质及回流比要求; ③对有机物及藻类的去除:对比各样本,气滤池对有机物的去除明显高于滤池,尤其是对藻类的去除。在多数样本中,滤池对藻的去除很少,尤其是样本5(6),过滤水藻含量甚至高于沉淀水,这可能是由于滤层已为藻所饱和而致; ④过滤周期:过滤周期的长短直接反映了滤前水处理效果的好坏,特别是水中有机物对滤料絮凝吸附能力的干扰很大,往往造成浊度提前穿透。新工艺与原有工艺的最大区别正在于待滤水的水质更好。 由表1可见,一般情况下(样本1-3)气浮滤池过滤周期较滤池延长约14小时,而在水源污染期(样本4-7),滤池周期极短,但当采用较高回流比时,气滤池周期可延长5-11小时。 对水厂而言,在改善出厂水质的同时能增加过滤周期,就意味着生产成本的下降,尤其是在原周期较短的情况下,效益更加突出; ⑤经济分析:表1中制水成本下降为根据各周期实测电耗值,按周口市工业电价(C电=0.40元/度电)和二水厂实际制水成本(C水=0.48元/吨水,其中已扣除二泵房输配水成本)折算而得。 折算结果表明,一般情况下制水成本可降低160-350元/万吨,原水污染时,降幅更多。按日产水量3万吨、成本降低 225元/万吨计,每年可节省成本近30万元,若计入减少的矾耗,经济效益将更为显著。 ⑥操作水平:考虑到研究成果的实用性与可重复性,本次试验完全是在水厂实际的操作水平、运行条件及运行状态下进行的,对实际存在的很多的不利因素未加以排除,同时,试验期间正处于源水水质污染的不利条件下,因此所得研究成果真实地反映了混凝沉淀-气浮过滤新工艺的实际应用效果,具有较大的参考价值。 试验结果表明: ①合理分配水处理系统中各单元悬浮物负荷,改善待滤水水质是保证滤池正常功能和滤后水质的关键; ②在传统的混凝沉淀-过滤工艺中,增加气浮工序后可形成的一种高效、低耗、实用的饮用水处理新工艺,其经济技术指标明显优于传统的沉淀-过滤工艺。通过处理单元的优化组合,使悬浮物负荷分配更趋合理,提高了水处理系统抗冲击负荷的能力与运行操作的灵活性,强化了整体性能; ③由于新工艺放宽了对沉淀水水质的要求,因此,可以增加已有沉淀池的处理流量或提高新建沉淀池的设计负荷。这样,新工艺除可节省运行费用外,还可降低改、扩建或新建工程投资; ④在周口二水厂的试验条件下,气浮滤池制水成本一般可降低1.6-3.6分/吨,污染期超过7分/吨,经济效益十分明显。 ⑤延长过滤周期,改善出水水质,收到了良好的经济效益与社会效益; ⑥气浮式虹吸滤池与气浮式双阀滤池工艺简单,易于实现,不需增设构筑物与刮渣机,投资省、见效快,尤其适合现有滤池的改造,还可作为其他类型滤池改造时的参考; ⑦溶气水回流比的大小,对气浮处理效果起着十分重要的控制作用。可以通过调节回流比的大小,适应不同的水质。因此,回流比的范围以7-12%为宜,最好选用二大一小三台泵,以单泵方式工作,其中一台为备用泵,以适应不同水质及回流比要求; ⑧气浮滤池滤速以小于9m/h为宜,否则应采用大的回流比。 3 实例二:沉浮池 湖北某乡镇水厂以长湖为水源,设计日供水量6千吨,原设计净水流程及构筑物池型为: 原水–穿孔旋流絮凝池–斜管沉淀池–重力式无阀滤池–液氯消毒–管网 工程建成后,随着沿湖地区经济的快速发展,大量未经处理的工业及生活污水排入其中,再加上水产养殖业的影响,长湖水质受到严重污染,溶解性有机物含量加,水体呈富营养化,色、嗅、味显著。除汛水期外(历时几周),水中悬浮物以有机颗粒及水微生物(如水藻)为主。这类物质比重一般接近于水,即使加大投矾量,也很难由水中沉淀分离出来,从而使水微生物得以在滤池内大量繁殖,一方面堵塞滤料层,使过滤周期缩短,另一方面,由于滤料受到污染,出水水质难以满足国家饮用水卫生标准。更有甚者,滤后水水质差于原水水质的现象时有发生。严重时,水呈酱褐色,被用户称为“酱油水”,“腥臭水”。因为水质差,用户数量锐减,水厂日供水量仅2千吨左右,以致生产成本高,水厂的经济效益及社会效益均受到严重影响。 现场情况分析表明,要获得好的水处理效果,关键在于提高滤前水的水质。因此,根据原水水质特点,考虑将斜管沉淀池改为可切换为沉淀池或气浮池运行的“斜管沉淀/气浮池”。 改造后的沉淀池仅在原池中增设了两面导流墙。隔墙1设于沉淀池起端,用于形成气泡捕捉区(微气泡与水中悬浮颗粒在此相互碰撞凝聚),隔墙2设于沉淀池未端,用于隔开浮渣并将澄清水从池的下部导入出水槽。 在隔墙1下方开有导流孔,并设闸板1控制孔的开闭。当原水浊度较高时(如汛期),打开闸板,这时水从池底进入,向上通过斜管,沉淀水由集水槽收集,经集水总渠送往滤池。这时池子的功能与一般斜管沉淀池无异。若将闸板关闭,并启动产微气泡系统,水池即成为气浮池。这时,水在气泡捕捉区内与微气泡混合,向上溢流入气浮区,气-固凝聚体浮升水面成为浮渣,定期刮入排渣槽排除。澄清水向下通过斜管进入出水区,由集水槽收集后送往滤池。沉淀与气浮功能的切换非常方便。 1996年年中,改造后的斜管沉淀/气浮池投入运行。滤前水质获得明显改善,出厂水质经当地卫生防疫部门检测,各项指标均符合国家《生活饮用水卫生标准》(BG5749-85)(表2)。 表2 水质检测表水质指标 | 色度(度) | 浊度(度) | 细菌总数 (cfu/ml) | 大肠菌数 (个/L) | COD (mg/L) | 臭和味 | 原 水 改造前 改造后 | 15-25 10-17 <5 | 20-40 3-8.5 <3 | 660-900 10-50 3 | >230 3-12 <3 | 25-150 8-15 1.5-3.8 | 异臭、异味 臭味显著 不明显 | 该技术改造成功的经验说明,将斜管沉淀池改造为斜管沉淀/气浮池是一种投入少,见效快、效益好的实用技术,具有以下几个特点: ①社会效益,经济效益显著。水质改善后,根据优质优价的原则,经当地物价部门核准,水价得到调整。同时用水量及用户数量也不断增加,与96年同期相比,97年末水厂利润增加287.1%,做到了政府满意、用户满意、水厂满意。 ②投资省,简单易行。由示意图可见,整个改造工程仅增加两面隔墙和一套压力溶气水制取及释气系统,斜管沉淀池的原有构造不变; ③处理效果好,滤池过滤周期明显延长。另外,与常规气浮池相比,充分利用了池中原有的斜管,一方面提高了气浮分离效率,另一方面斜管上附着的生物膜在水中溶解氧较为充足的条件下,对于氧化水中溶解性有机物有一定的辅助作用; ④运行管理灵活,沉淀、气浮功能切换方便,对原水水质变化的适应性强; 4 结束语 综上所述,无论是气浮滤池或浮沉池,均可在不新增构筑物的前提下,有效地优化水处理流程的整体性能。至于具体采用哪一种方式,主要取决于水厂中现有的构筑物形式。其中,虹吸滤池、双阀滤池和移动罩滤池易于改造为氯浮滤池,前两种池型浮渣可随反冲洗水一同排除,从而不须设专用的刮渣设备;斜管沉淀池易于改造为浮沉池。这几种池型国内均为数不少,因此,将气浮工艺用于现有水厂的改造具有实用性强,应用面广、投资少、见效快等特点,不失为解决微污染江河饮用水处理的一条有效途径。对于缓解由于水源污染而造成的处理难度,改善供水水质,降低制水成本,具有普遍的意义和较高的应用价值。
杨开,武汉水利电力大学副教授。武汉市武昌珞珈山(430072), 电话:027-87647080,传真:027-87882212-2235,E-mail:[email protected] |