沉積池工藝的運(yùn)行條件

沉積池工藝的運(yùn)行條件

中國(guó)北方的地表水水質(zhì)受到季節(jié)氣候的嚴(yán)重影響。一年中有4~5個(gè)月的冬季時(shí)間,水體被冰蓋封閉。此時(shí)江河水體的溫度降低到0~1℃,水庫(kù)水體的溫度降低到2~4℃。在這樣寒冷的季節(jié)中,水體的濁度也很低,江河水體一般在5~30mg/L,水庫(kù)水體一般在5~10mg/L,從而形成了北方地區(qū)地表水低溫低濁的特點(diǎn)。在融冰季節(jié)和夏季暴雨季節(jié),水體濁度又會(huì)有大幅的上升,同時(shí),地表水水源受污染程度日益加劇,水源富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象越來(lái)越普遍,藻類大量繁殖。目前水廠中最為常見(jiàn)的沉淀工藝很難有效去除密度較小的藻類,從而帶來(lái)濾池堵塞、水質(zhì)惡化等諸多問(wèn)題。1氣浮池的應(yīng)用氣浮法凈水是設(shè)法在水中通入或產(chǎn)生大量的微細(xì)氣泡,使其黏附于雜質(zhì)絮粒上,造成整體比重小于水的狀態(tài),并依靠浮力使其上浮于水面,從而獲得固、液分離的一種凈水方法。氣浮法對(duì)于低溫低濁水、高藻水有很好的去除效果,并已有成功的實(shí)例:如武漢東湖水廠將斜管沉淀池改建為一組6×104m3/d的氣浮池,對(duì)藻類的去除率達(dá)到80%;濟(jì)南市南郊水廠在原處理系統(tǒng)前增加了氣浮工藝,對(duì)藻類的去除率達(dá)到了94%。但當(dāng)原水濁度較高時(shí)氣浮工藝不能很好地保證出水水質(zhì),一般當(dāng)原水濁度>100NTU時(shí)已不適合采用氣浮工藝,這就大大縮小了氣浮工藝的應(yīng)用范圍。沉淀法工藝在水處理中的運(yùn)用歷史悠久,它具有沉淀截留污泥量大的優(yōu)點(diǎn),適合處理高濁度水,而且設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單,管理方便且運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低。因此,為了適應(yīng)原水的變化,從20世紀(jì)70年代起,世界上許多水廠開(kāi)始采用沉淀與氣浮相結(jié)合的浮沉池工藝,典型的有Sedilotazur(沉淀浮清池)、Sedilotor(沉淀浮選池)等。近年來(lái)在中國(guó)出現(xiàn)的浮沉池工藝綜合了氣浮池和沉淀池的優(yōu)點(diǎn),該工藝在氣浮池分離區(qū)內(nèi)加入側(cè)向流斜管(板)裝置,低溫低濁期或高藻期以氣浮方式運(yùn)行,高濁期以沉淀方式運(yùn)行,有效解決了傳統(tǒng)氣浮工藝難以應(yīng)對(duì)突發(fā)高濁水的難題,在中國(guó)北方地區(qū)得到了一定的應(yīng)用。2沉淀池的運(yùn)行效果適用于浮沉池工藝的原水包括:低溫低濁水、高藻水、天然色度較高的水以及水質(zhì)隨季節(jié)變化較大的水。當(dāng)原水溫度較低、濁度較低或含藻量較高時(shí),浮沉池以氣浮方式運(yùn)行。浮沉池以氣浮方式運(yùn)行處理低溫低濁水或高藻水的合理性在于:①水中懸浮雜質(zhì)少,氣浮的氣固比低,用氣量少,可節(jié)省加壓回流水的能耗;②低溫時(shí)空氣在水中的飽和溶解度提高,空氣更容易溶解于水中;③原水在加壓提升的過(guò)程中會(huì)溶入一些空氣,而且當(dāng)混凝劑水解時(shí)所產(chǎn)生的CO2微氣泡也容易與絮體接觸黏附在一起,強(qiáng)化絮體的上浮;④當(dāng)水中含藻量較高時(shí),藻類的比重接近水,即使增加混凝劑的投加量也難以將其從水中沉淀分離出來(lái),但在氣浮條件下,較少的混凝劑投加量即可獲得很好的去除效果;⑤浮沉池采用氣浮方式運(yùn)行,對(duì)前序混凝反應(yīng)的要求并不像沉淀法那樣高。沉淀法是依靠顆粒絮體長(zhǎng)成大而重的絮粒而下沉,絮粒的成長(zhǎng)過(guò)程需要足夠的時(shí)間(一般20~30min),氣浮則可借助于微氣泡的作用,因此,只需要絮粒成長(zhǎng)到足以被上升的微氣泡黏附住就可以,這就縮短了反應(yīng)時(shí)間,節(jié)省了投資,研究表明,5min的絮凝時(shí)間對(duì)氣浮工藝是合理的。實(shí)踐運(yùn)行結(jié)果也表明,浮沉池采用氣浮方式運(yùn)行對(duì)低溫低濁水、高藻水以及色度較高的水都有較好的處理效果。孟凡良等人在對(duì)大慶石化總廠給水處理中的浮沉池的運(yùn)行研究表明:1—4月和11—12月期間,水溫在5℃以下,濁度低于10NTU,斜管沉淀池對(duì)濁度的去除率較低,平均為32.93%;斜板浮沉池對(duì)濁度的平均去除率為68.9%,出水濁度在4NTU以下。劉善培等人在實(shí)驗(yàn)中得出:氣浮工藝對(duì)藻類的去除率為76.66%~93.79%,沉淀工藝對(duì)藻類的去除率為64.03%~86.77%,而且沉淀工藝易發(fā)生絮體上浮的現(xiàn)象,甚至?xí)霈F(xiàn)藻類堵塞濾池的現(xiàn)象。浮沉池以氣浮方式運(yùn)行對(duì)色度也有一定的去除作用,而且比采用沉淀工藝的去除效果要好。楊開(kāi)等人在對(duì)后港鎮(zhèn)水廠斜管沉淀池改造為浮沉池的研究中發(fā)現(xiàn):原水色度在15~25度時(shí),改造前水廠出水色度為10~17度,改造后水廠出水色度<5度。除此之外,浮沉池還適用于水質(zhì)變化較大的原水。這是因?yàn)橐环矫?氣浮工藝本身具有良好的穩(wěn)定性。張超越等人的研究表明:當(dāng)原水濁度在169.5~66.3NTU之間變化時(shí),氣浮工藝運(yùn)行穩(wěn)定,出水濁度均保持在3NTU以下。另一方面,浮沉池運(yùn)行管理靈活,沉淀、氣浮功能切換方便。當(dāng)原水濁度較高,不適合用氣浮處理時(shí),可切換為沉淀方式運(yùn)行;當(dāng)原水為低溫低濁水或含藻量較高時(shí),以氣浮方式運(yùn)行。3浮池技術(shù)的影響因素3.1溫度對(duì)氣浮效果的影響低溫低濁時(shí),分子的熱運(yùn)動(dòng)較弱,因此投加的混凝劑與水中雜質(zhì)結(jié)合形成的絮凝體顆粒松散,密度較小,且水中溶解的氣體多,有時(shí)還有氣體吸附于絮體的周圍,這兩種因素導(dǎo)致絮體顆粒難于沉淀去除,所以當(dāng)?shù)蜏氐蜐釙r(shí),浮沉池以氣浮方式運(yùn)行。原水溫度的降低對(duì)于容器氣浮效果也有不利的影響,一方面溫度降低影響絮凝過(guò)程;另一方面溫度降低,水粘度的增大會(huì)增加絮體與微氣泡的聚合體上升時(shí)的阻力,使其上升的速度減小,影響氣浮效果。Kempeneers等發(fā)現(xiàn),當(dāng)水溫從20~25℃下降到0~5℃時(shí),容器氣浮對(duì)濁度的去除率從70%降為56%。Edzwald等的研究表明,當(dāng)水溫從12~17℃下降到3~5℃時(shí),氣浮出水的濁度從0.28NTU上升至0.80NTU。但是總的來(lái)說(shuō),溫度的降低對(duì)于氣浮運(yùn)行的不利影響要小于對(duì)于沉淀運(yùn)行的影響。3.2投藥量對(duì)氣浮效果的影響由于浮沉池可以根據(jù)水質(zhì)的變化靈活地采用氣浮或是沉淀工藝運(yùn)行,所以混凝條件也應(yīng)適應(yīng)浮沉池的這種變化。當(dāng)浮沉池以沉淀方式運(yùn)行時(shí),對(duì)混凝條件的控制已研究較多。當(dāng)浮沉池以氣浮方式運(yùn)行時(shí),通過(guò)合適的絮凝條件使絮體顆粒的粒徑<100μm時(shí),可以獲得較高的上升速度,理論上認(rèn)為絮體顆粒的粒徑應(yīng)在10~30μm之間,而且5min的絮凝時(shí)間可以達(dá)到這個(gè)效果。Edzwald和Valade分別通過(guò)小試和中試證實(shí)了5min的絮凝時(shí)間對(duì)于容器氣浮是合理的,此外還發(fā)現(xiàn),5min的絮凝時(shí)間的氣浮效果要明顯優(yōu)于20min,而且這種差異不會(huì)因?yàn)榛炷齽┑姆N類、絮凝階段的數(shù)量和混凝強(qiáng)度的不同而消除。容器氣浮工藝絮凝段的水流狀態(tài)通常應(yīng)該是紊動(dòng)推流式,這樣既可以保證達(dá)到所需的絮凝強(qiáng)度(一般G值為70s-1最優(yōu)),又可以較大限度地減少短流的出現(xiàn)。因此絮凝段常由2~3個(gè)分隔池組成,并且每個(gè)池中的速度梯度常常是相同的,而不是逐步減弱的。投藥量對(duì)氣浮效果也與影響。劉杰使用二氯化鐵和泡花堿的混合溶液(質(zhì)量比為1∶1)作為絮凝劑,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)投藥量為10.5mg/L左右時(shí),氣浮出水濁度在1.2NTU左右,經(jīng)普通濾池過(guò)濾后,就能達(dá)到相關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)投藥量為7mg/L時(shí),氣浮出水的濁度增大到3NTU,甚至更高,不能保證過(guò)濾后能達(dá)到水質(zhì)要求。3.3壓力和回流比大量研究表明,填充填料的溶氣罐比空罐擁有更高的溶氣效率。空罐中的溶氣量很難達(dá)到飽和,而填充罐的溶氣效率大于90%。但在實(shí)際的運(yùn)用中,由于填充填料的溶氣罐不易檢修,所以常采用空罐,并配上內(nèi)部或外部的噴射器以提高溶氣效率。氣泡的大小直接影響氣浮的效果,大氣泡的存在會(huì)干擾氣浮層使氣浮出水的濁度升高。10~100μm的氣泡可穩(wěn)定存在,而運(yùn)行良好的氣浮池中氣泡的平均粒徑一般為40μm。溶氣罐的壓力越大則氣泡越小,但壓力超過(guò)500kPa時(shí),壓力的增高不能使氣泡粒徑顯著減小,一般建議壓力為400~600kPa。Chung等發(fā)現(xiàn),當(dāng)溶氣罐壓力分別為330,440和550kPa時(shí),溶氣氣浮對(duì)濁度的去除率分別為83%,87%和91%,這證明了溶氣罐的壓力大小對(duì)氣浮效果的直接影響?；亓髁康拇笮?duì)氣浮池中的供氣量和能量消耗影響很大,可以通過(guò)控制回流比達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。在冬季原水濁度較低、藻類較少的情況下,原水中的懸浮物濃度較高藻季節(jié)大大減少,而空氣溶解度較高溫時(shí)有所增大,所以低溫低濁期的回流比應(yīng)小于高濁高藻期。容器氣浮的回流比一般在5%~10%。溶氣釋放器對(duì)氣泡的大小也有很大的影響。目前,這種產(chǎn)品多為專利產(chǎn)品,其效果主要在于相同條件下釋放出的微氣泡的量,微氣泡越多,釋放器的效果越好。3.4沉積相關(guān),系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行在以往浮沉池的設(shè)計(jì)中,氣浮運(yùn)行和沉淀運(yùn)行采用同一套配、集水系統(tǒng),同時(shí)追求氣浮和沉淀的最佳運(yùn)行狀態(tài),結(jié)果導(dǎo)致氣浮效果和沉淀效果均不理想。為了解決這一問(wèn)題,設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以氣浮運(yùn)行為主,沉淀運(yùn)行為輔,氣浮與斜管(板)沉淀配、集水系統(tǒng)各自獨(dú)立。即采用在浮沉池池底設(shè)置穿孔集水管作為氣浮運(yùn)行的集水系統(tǒng),在浮沉池末端設(shè)置溢流堰作為沉淀運(yùn)行的集水系統(tǒng)?？紤]配水,在氣浮池接觸室擋板上設(shè)置聯(lián)通裝置,氣浮時(shí)關(guān)閉,沉淀時(shí)打開(kāi)。當(dāng)氣浮池以氣浮方式運(yùn)行時(shí),啟動(dòng)氣浮集水系統(tǒng),當(dāng)氣浮池以沉淀方式運(yùn)行時(shí),啟動(dòng)沉淀集水系統(tǒng)。3.5浮池的水力負(fù)荷浮沉池是以氣浮運(yùn)行設(shè)計(jì),沉淀運(yùn)行校核。浮沉池的水力負(fù)荷在滿足氣浮運(yùn)行的條件下,不應(yīng)偏離沉淀?xiàng)l件太遠(yuǎn)。氣浮池的水力負(fù)荷經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展:第一代氣浮池的水力負(fù)荷為2~3m3/(m2·h),池中水流以層流為主,流速較小;第二代氣浮池的水力負(fù)荷在5~15m3/(m2·h)之間,池中水流方向與水平成30°~50°角,流態(tài)為層流;第三代氣浮池的水力負(fù)荷為25~40m3/(m2·h),最高時(shí)可達(dá)60m3/(m2·h)。但是水力負(fù)荷增大后(>10m3/(m2·h))容易出現(xiàn)氣浮出水?dāng)y帶氣泡進(jìn)入后續(xù)濾池的情況,進(jìn)而影響濾池的正常運(yùn)行。當(dāng)浮沉池氣浮運(yùn)行的水力負(fù)荷>10m3/(m2·h)時(shí),應(yīng)在氣浮池后(內(nèi))增加脫氣系統(tǒng),以防止氣泡進(jìn)入后續(xù)濾池。脫氣系統(tǒng)分為內(nèi)部和外部脫氣系統(tǒng)兩種。內(nèi)部脫氣系統(tǒng)的關(guān)鍵是提供一個(gè)合并表面,此表面可以促進(jìn)多余小氣泡合并成大氣泡,然后上升除去。外部脫氣系統(tǒng)有很多形式,浮沉池與濾池之間的自由跌落水堰和停留池就是其中比較簡(jiǎn)單的兩種。近年來(lái),高效、節(jié)能的脫氣技術(shù)是氣浮工藝研究的熱點(diǎn)。3.6蒸濕期濕周浮沉池中的斜管(板)裝置有利于沉淀方式運(yùn)行,即斜管(板)沉淀池的水力條件優(yōu)于平流沉淀池。但是浮沉池以氣浮方式運(yùn)行時(shí),斜管(板)的加入有利有弊。優(yōu)點(diǎn)在于:①斜管(板)起到均勻布水的作用,有利于提高出水水質(zhì);②斜管(板)裝置的加入有效降低了斜管(板)間的水流濕周,從而有效降低了水流雷諾數(shù)和水流紊動(dòng)強(qiáng)度,有利于氣泡絮體結(jié)合在分離區(qū)的上浮;③斜管(板)有脫氣作用,可防止剩余氣泡進(jìn)入后續(xù)濾池;④由于斜管(板)間距較小,水流進(jìn)入斜管(板)區(qū)后會(huì)在水流剪切作用下發(fā)生二次絮凝,進(jìn)一步降低出水濁度。缺點(diǎn)在于:①斜管(板)的加入降低了氣浮分離區(qū)的有效水深,降低了泡絮結(jié)合體在分離區(qū)的有效分離時(shí)間;②脫氣作用形成的大氣泡的上升會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的水流擾動(dòng),可打破部分泡絮結(jié)合體而影響出水水質(zhì);③在斜管(板)下表面聚集產(chǎn)生的較大氣泡浮到浮渣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大撞擊力,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致局部浮渣層破壞而產(chǎn)生落渣現(xiàn)象,使出水水質(zhì)濁度增高。王靜超、馬軍等以松花江水為原水通過(guò)試驗(yàn)得出:斜管(板)裝置對(duì)氣浮凈水效果具有一定的不利影響,對(duì)低溫低濁水基本無(wú)影響;隨著原水濁度和浮渣層厚度的增加,不利影響略有增加;加入斜管(板)裝置后落渣現(xiàn)象嚴(yán)重,排渣周期有縮短的趨勢(shì)。3.7渣機(jī)逆差,導(dǎo)致水渣沉降,排泥管道通暢浮沉池排渣的方式可以分為機(jī)械刮渣和水力溢渣。機(jī)械刮渣又分為順流刮渣和逆流刮渣,其中逆流刮渣效果較差,可能是刮渣機(jī)逆行加大了浮渣與水體分界面上的移動(dòng)剪切力,以及刮板處浮渣受擠壓的程度相對(duì)較大,造成泥渣向下部沉降或延伸的結(jié)果。水力溢渣的優(yōu)點(diǎn)是提高了水廠的產(chǎn)水率,節(jié)省了能耗。浮沉池的排泥大都采用穿孔管排泥,即使冬季以氣浮方式運(yùn)行