斜管沉淀池絮状物上浮成因探讨及对策

关 湛
湖北双环化工集团有限公司水厂

Causes and countermeasures of flocs flotating occurred in inclined tube sedimentation tank
Guan　 Zhan

　　湖北双环化工集团公司水厂斜管沉淀池自1997年底投入运行以来，长期出现大量絮体突然上浮聚集于池面的现象。部分上浮的细碎矾花随出水流出沉淀池进入三层滤池，使滤池的反冲次数增加，过滤周期缩短，严重影响了制水生产。上述现象多发生于冬、春季枯水季节，除每年丰水季节没有发生外，并无一定的时间限制，表现为突发性和间隔性。笔者经过几年的观察和试验总结出一些结论，以下和读者一起分析和探讨。

一、概况简介

　　双环公司为全国最大的联碱企业，其中自备水厂处理能力为10×10⁴m³/d。原水取自府河，是一条平原季节型河流，原水浊度常年不高，冬季最低时在20NTU以下。夏季暴雨后浊度可以在短时间内升至6000—8000NTU。采用河床式取水构筑物。河床主流处设菱形箱式取水头，经三根Φ700的虹吸管引水至独立的吸水井。圆形沉井式泵房中的四台卧式双吸离心泵在吸水井中取水。取水头设计洪水位与枯水位落差为13m，水泵在丰水季节为自灌式工作，在枯水季节为抽吸式工作。原水水质受轻微污染，取水点上游的一些造纸厂废水及农田污水排入河中，同时取水点下游2km公司排污口排放的含油废水和生活污水会在枯水季节扩散和回流至取水点水域。因此原水中随季节不同程度地含有造纸废水、油污和易起泡沫的表面活性剂物质。
　　该水厂的净水工艺流程如下图：

二、工程现象

　　经过几年的长期观察，发现如下现象：
　　1、斜管沉淀池清水区每年会突然发生数次大量细碎矾花上浮，间或有大块矾花团上浮的现象。上浮的泥渣聚集于孔式集水槽之间，厚度达10cm，呈土黄色，类似气浮池上部的浮渣层。泥渣中含有大量微小气泡。部分带有气泡的矾花颗粒随出水流入三层滤池，堵塞表层滤料孔隙，使滤池的过滤周期缩短，反冲次数增加。
　　2、每次沉淀池突然发生絮体大量上浮现象持续的时间为数天到数周，然后会逐渐自然消失。发生的时间并无季节性差异，除每年丰水期没有发生外，四季均有发生，表现为突发性和间隔性。现象发生时河水位低，原水浊度不高。
　　3、栅条反应池每个分格表面全年大部分时间均被上浮的矾花覆盖，只是泥渣层的厚度时有变化。当沉淀池出现大量絮体上浮时，反应池分格中的泥渣厚度明显加大，泥渣层有蜂窝状的明显孔洞。
　　4、为探明斜管沉淀池絮体上浮成因，曾在现象发生时对反应池和沉淀池进行全面清洗，打开斜管将积泥区泥渣全部清除，然后进水运行，絮体依旧上浮。
　　5、斜管沉淀池发生絮体上浮现象时，机械加速澄清池极少出现类似状况，仅在2004年冬季一次停池清洗后发生过。
　　6、斜管沉淀池絮体上浮现象发生时，减少投矾量，可以发现絮体上浮明显减少甚至消失。

三、成因分析

　　现象发生时，在斜管沉淀池上部悬浮矾花层取样，肉眼观察，矾花上粘附有大量白点。用放大镜观察，看到大量的微气泡附着在矾花上，气泡在矾花上附着很稳定，很少有气泡的合并和破裂现象发生。用1L烧杯在反应池末端取样进行30分钟静沉试验，发现矾花颗粒结构疏松、质轻，呈悬浮状态，5分钟后悬浮矾花开始上浮，上浮的矾花表面和内部孔隙处粘附有大量微气泡。将试样静置1天后，烧杯上部的浮渣并未减少。因此初步推断认为絮体上浮与原水中夹气存在一定的因果关系。
　　上浮泥渣中的气泡究竟来自何处？笔者经过分析，对下列可能的成因进行了甄别：
1、 池底沉泥厌氧发酵
　　栅条反应池和斜管沉淀池的穿孔排泥管存在排泥不彻底的缺点，导致积泥区沉泥聚集板结，时间一长厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳及少量的硫化氢等气体。然而通过现象4证明，即使池体放空并清除底部积泥重新进水后，絮体上浮现象依旧发生，该条可以排除。
2、 藻类作用
　　尽管原水取自一条微污染河流，水体中在某些季节藻类含量可能较高。如果藻类呼吸、光合作用强烈，可观测到产气现象。但即使在春季沉淀池发生絮体上浮现象时，在取水点取样进行烧杯试验，并未发生矾花上浮现象。并且现象2证明，即使冬季室外温度在-2℃至10℃之间，藻类不宜生长的条件下，沉淀池絮体上浮现象依旧发生，藻类产气的因素也可以排除。
3、 水泵夹气
　　水泵压水管至栅条反应池入口的管路处于正压状态，基本没有进气可能。而府河常年水位不高，取水泵大部分时间处于抽吸式工况运行，发现有以下进气的可能：
　　①泵体本身漏气：双吸离心泵采取填料密封，当泵的吸入口处于负压状态时，空气可能从轴封处进入泵体。
　　②吸水井水位难以满足吸水管喇叭口最小浸没水深的要求：三条虹吸管内淤积和结垢现象使过水断面缩小,以及实际流量比设计流量增大,造成水流经过虹吸管的水头损失加大。当河水位较低时，水面产生的旋涡可能将气体卷带进入吸水管。
　　③泵吸水管漏气：由于实际取水量已经超过设计值、吸水管壁结垢、吸水井水位下降等原因，离心泵长期在汽蚀工况下运行,吸水管路存在局部穿孔漏气的可能性是存在的。
　　通过上述分析，证明水泵夹气是上浮泥渣中气泡的主要来源。
　　那么水泵夹气影响沉淀池絮体上浮的机理如何?其它观察到的工程现象如何解释？
　　笔者认为可以从以下几个方面进行阐述：
　　1、形成沉淀池“气浮”现象的机理主要是气体的溶入与析出。根据亨利定律可知，气体在水中的溶解度与所受的压力成正比。当取水泵夹气以后，水、气通过叶轮高速旋转得以充分混合。水通过水泵获得能量，气体在高压的作用下向水中溶解。溶入的空气量与温度、压力、进气的多寡、传质阻力、浓差扩散速度等因素有关。^[6]当水进入敞开的反应池时，压力突然减小，气体溶解度降低，不能在水中继续稳定存在而释放出来，形成大量微小的气泡，此时正处于絮凝剂在水中形成矾花及矾花长大的过程，气泡与矾花粘附，使矾花上浮。已粘附有气泡的絮粒之间互相碰撞时，通过吸附架桥生成更为稳定的夹气絮粒，因此可以观察到在大量细碎矾花上浮的过程中间或夹杂有大块矾花团。
　　2、清洁的水体表面张力大，产生的气泡易破裂，不利于气浮。而当原水被生活污水、农药及其它化学物质污染时，含有一定量的表面活性剂物质，有利于溶气水形成稳定的微气泡，有利于气泡与絮体的粘附。观察气泡的形态，微小气泡极为稳定，其中的气体不易通过气泡破裂而释放出来。该因素可能是沉淀池絮体上浮现象的重要成因之一。同时原水中不同程度地含有纤维素、油类等密度接近或小于水的污染物也可能对沉淀池絮体上浮造成一定的影响。
　　3、絮粒的结构形态对其上浮的影响：
　　具有疏松结构的絮粒由于具有较大的孔隙，有利于加快气泡的扩散和粘附，气浮性好，而密实絮粒则气浮性能差。^[5]原水浊度较高时，形成的矾花密集、细小、结实，气泡在矾花表面的粘附量有限，很难将矾花浮起。原水浊度低时，形成的矾花结构疏松而质轻，矾花表面和孔壁被大量气泡粘附后很容易被浮起。
　　斜管沉淀池絮体上浮时，用1L烧杯在加速澄清池二反应室取样做静沉试验，发现形成的矾花密集而结实，呈下沉趋势，5分钟后大部分矾花已沉入杯底，部分沉入杯底的矾花表面粘附有微小气泡。在加速澄清池中，投入絮凝剂的原水和呈悬浮状的高浓度回流泥渣之间通过接触絮凝作用,生成密实易沉的粗大絮粒，气泡即使粘附在这种絮粒的表面也难将其浮起。笔者曾观察到这样一个案例：某座加速澄清池停池清洗后，发生泥渣上浮现象。经调查，工人清洗时将池内泥渣全部排空，在回流泥渣尚未形成的情况下按正常水量进水运行。此后采取办法形成回流泥渣，现象也随之消失。这个案例恰从反面证明了回流泥渣参与接触絮凝产生的密实絮粒难以被气泡浮起的事实。
　　控制投矾量可以抑制絮体上浮现象的发生。笔者在2004年冬季现象发生时对两组斜管沉淀池进行了生产对比试验，一组仍按照原量加矾，一组只少量投加。一段时间后发现少量加矾的一组沉淀池虽然出水较浑浊，但是絮体上浮现象逐渐减轻和消失，而另一组沉淀池则现象依旧。笔者认为在低浊度下，原水按常量加矾形成的矾花呈小雪花状，结构疏松、多孔隙，气体很容易粘附在矾花表面和内壁，使矾花上浮；而在原水中少量投矾，微絮凝所形成的微小絮粒很难被气泡粘附，现象自然不会发生。
　　4、溶入的气体受传质阻力、浓差扩散速度、气泡成长、聚集速度等因素影响，释放速度缓慢。^[6]水泵夹气量较大时，气体直至沉淀池还在大量析出，造成大量矾花上浮；反之气体到反应池末端已基本析出，因此只能看到反应池分格中被上浮的矾花覆盖。

四、解决方案：

　　斜管沉淀池絮体上浮产生的机理可解释为“加压溶气气浮”现象，成因可归结为三点：①原水中溶入夹气；②原水低浊并含有利于“气浮”作用的污染物；③在工艺过程中不适量地投加絮凝剂。可以从以下几方面考虑解决问题的方法：
　　1、原水中的溶入气体主要来自水泵夹气。检查水泵的轴封，观察到填料处没有压力水渗出。揭开泵盖，发现水封环没有对准水封管口，水封没有起到作用。更换填料并调整水封后，沉淀池内矾花上浮明显减少，但并没有完全消失。因此吸水管和喇叭口还有吸入空气的可能。而检查吸水井内四台水泵吸水管的漏气点非常困难，所以可以从降低取水头至吸水井水头损失，提高吸水井内水位优先考虑。一方面清除取水头部格栅处的淤积物，发现清淤后吸水井内水位上升了50cm，沉淀池的上浮矾花逐渐消失；另一方面则考虑增设一条虹吸管，采取此措施既减小了旋涡卷带空气进入吸水管的可能性，又降低了水泵在汽蚀工况下运行的机率，是一举两得的长久办法。
　　2、笔者在现象发生时曾用两只1L烧杯从反应池末端取样进行静沉对比试验：一只烧杯中的试样不作任何处理，向另一只烧杯中加入适量粘土并用玻棒强烈搅拌1分钟，30分钟后观察发现未加粘土的烧杯中大量矾花浮于表面，而加入粘土的试样水色清亮，矾花已大部分沉于杯底。由此从试验得到启发，向反应池中投入适量粘土提高原水的浊度可以抑制矾花上浮的发生。此间进行生产试验，向一组反应池中投入适量粘土，另一组反应池未作其他处理，一段时间后发现进水中投入粘土的反应沉淀池矾花上浮现象逐渐消失，而另一组则现象依旧。该办法在不投入大量人力的前提下是可行的，有条件的单位则可以考虑用计量泵投加PAM等助凝剂。
　　3、在前述的生产试验中已提及控制投矾量可以有效抑制矾花的上浮。因为矾花上浮的现象都发生于原水低浊期间，浊度在20NTU左右，因此可以根据实际情况少量投矾，采取微絮凝直接过滤的处理方法。
　　4、要防止反应沉淀池超负荷运行，使水流在反应池内停留时间缩短来不及将溶入气体析出，而将大量气体带入沉淀池。
　　5、鉴于原水水质受轻微污染，枯水季节含有较高浓度的藻类、有机物，而且常年浊度不高，但在浑水季节浊度短时间内可以升至6000—8000NTU的实际情况，可考虑将原有的斜管沉淀池改造成异相流斜管浮沉池，浊度高时用斜管沉淀，浊度低时用气浮。当采取气浮方式运行时，由于气泡捕捉絮粒的机率很高，一般不存在“跑矾花”现象，因此出水水质较好，有利于后续处理中滤池冲洗周期的延长、冲洗耗水量的节约。特别是在原水中含有藻类、有机杂质多以及冬季低温、低浊采取沉淀工艺难以处理的情况下，采取气浮工艺将会有明显的效果。

参考文献

1、严煦世主编　 给水工程，第四版.北京:中国建筑工业出版社，1999.
2、张自杰主编　 排水工程（下册），第四版.北京:中国建筑工业出版社，2000.
3、严煦世主编　 水工业工程设计手册, 水资源及给水处理.北京:中国建筑工业出版社，2001.
4、严煦世主编　 给水排水工程快速设计手册 ，给水工程.北京:中国建筑工业出版社，1995
5、钟淳昌主编　 净水厂设计.北京:中国建筑工业出版社，1986
6、王宝林、韩砚萍.气体对常规水处理工艺的干扰和解决办法.中国给水排水，2000，（11）.

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二○○五年三月