孫堅偉，姜偉毅，丁李鋼，張 力，蔣 希

(1.上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127；2.威立雅環(huán)境服務(wù)有限公司，上海 200041)

臨江水廠位于上海市浦東新區(qū)與閔行區(qū)的浦東交界處，一期設(shè)計供水能力為400 000 m3/d，二期設(shè)計供水能力為200 000 m3/d，原水自青草沙水源地通過原水管道輸送到臨江泵站調(diào)節(jié)池，再輸送至臨江水廠，主要服務(wù)區(qū)域為浦東西南地區(qū)、張江高科技園區(qū)以及浦東國際機(jī)場等。臨江水廠生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 臨江水廠工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Linjiang WTP

Actiflo澄清池于2006年投入運(yùn)行，初期采取持續(xù)加砂的運(yùn)行方式。2008年6月開始，Actiflo處于不補(bǔ)砂的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，Actiflo澄清池實際處理水量一直低于設(shè)計值，隨著運(yùn)行時間的增加、設(shè)備老化的加劇，微砂濃度記錄和積累的缺失，必然會增加運(yùn)行風(fēng)險。本文對Actiflo澄清池進(jìn)行一次全面且系統(tǒng)的科學(xué)評估，確定今后Actiflo最佳運(yùn)行模式下的科學(xué)管理，從而實現(xiàn)處理負(fù)荷、運(yùn)行成本、設(shè)備維護(hù)管理的最優(yōu)化。

1 工藝原理

臨江水廠共建有3組Actiflo澄清池，總占地面積為1 600 m2，每組Actiflo澄清池包括混凝池、投加池、絮凝熟化池以及斜管沉淀池，單組設(shè)計處理能力為2 900 m3/h，是一種通過使用微砂幫助絮團(tuán)形成的緊湊工藝，具有占地面積小、沉淀效率高的特點(diǎn)，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 Actiflo澄清池工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Actiflo Clarifier

經(jīng)Actiflo配水井，水流進(jìn)入混凝池進(jìn)行快速混合。投加池中投加作為絮體凝核的微砂，提高絮凝效果并增加絮體的重量；所投加的高分子助凝劑(PAM)具有吸附架橋作用，加大了絮體、懸浮固體和微砂之間的黏結(jié)，形成更大、更重的絮體。含微砂的污泥沉淀在斜管沉淀池底部，旋轉(zhuǎn)刮板將污泥混合物刮向中心坑內(nèi)。污泥循環(huán)泵24 h連續(xù)抽取坑內(nèi)污泥到Actiflo系統(tǒng)投加池上方的水力旋流裝置，借助離心力使泥漿和微砂得到很好的分離。泥漿從旋流器上部流出，進(jìn)入排泥水處理系統(tǒng)，約占回流量的80%；分離出的微砂則由旋流器的下部流出，直接投到投加池中繼續(xù)參與反應(yīng)，約占回流量的20%。

Actiflo澄清池的關(guān)鍵設(shè)備是微砂和污泥的循環(huán)系統(tǒng)，也就是水力旋流器和污泥循環(huán)泵。這兩個設(shè)備一方面直接影響微砂和污泥的循環(huán)狀態(tài)，從而影響出水水質(zhì)；另一方面，二者的狀態(tài)與Actiflo的運(yùn)行成本密切相關(guān)——污泥循環(huán)泵的運(yùn)行是該工藝能耗的主要來源之一，水力旋流器的分離效果直接影響該工藝的水損情況。因此，對關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)維不僅僅是保證出水水質(zhì)的前提，也是工藝成本優(yōu)化的基礎(chǔ)。

2 優(yōu)化測試內(nèi)容

開展工藝優(yōu)化研究前，先確定Actiflo加砂工藝在滿足水質(zhì)要求情況下的最大處理水量及其運(yùn)行條件，確定Actiflo今后的運(yùn)行模式(補(bǔ)砂或不補(bǔ)砂，污泥回流或不回流)，以及相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)維更新方案。試驗時間自2016年7月至2018年6月，試驗期間選取5# Actiflo恢復(fù)補(bǔ)砂(2017年4月—2018年1月，陸續(xù)投加197.5 t微砂)，6#、7#保持不補(bǔ)砂，進(jìn)行比對試驗。

2.1 開展燒杯試驗

Actiflo加砂工藝是集合化學(xué)混凝沉淀、微砂加重絮凝、斜管沉淀等技術(shù)的組合工藝。本試驗旨在充分理解加砂工藝原理，并直觀驗證加砂作用。試驗結(jié)果顯示：(1)驗證了微砂助凝的理論，加砂最大的優(yōu)勢在于其沉降速度快，1 min可基本完成沉降，加砂礬花更為細(xì)小而密實，且沉降時間更長，如圖3所示；(2)加砂工藝本身對于PAC濃度不敏感，轉(zhuǎn)速對其影響較大，微砂需要一定轉(zhuǎn)速來維持懸浮狀態(tài)，即存在轉(zhuǎn)速最低值，當(dāng)?shù)陀诖酥禃r，出水效果明顯下降；(3)原水條件對于混凝沉降效果影響較大，相同原水在不同季節(jié)也存在差異，冬季原水條件較差時(低溫低濁原水)，微砂的作用更加凸顯；(4)現(xiàn)有水質(zhì)條件下，微砂濃度對試驗效果影響不大(不同微砂濃度下，混凝絮凝效果相仿，沉降速度沒有明顯變化，沉后水渾濁度相近)，低微砂濃度即可實現(xiàn)助凝效果。

圖3 燒杯試驗(沉淀開始1 min后，左三為加砂組，右三為不加砂組)Fig.3 Jar Test (after Sedimentation for 1 min, Microsand Dosing Only in the Left Three Jars)

2.2 測定微砂濃度

微砂濃度作為一項重要的跟蹤指標(biāo)，是通過循環(huán)到Actiflo的微砂量與Actiflo的處理水量推算得出，其中，微砂量是通過水力旋流器的水量和下噴口的微砂濃度計算得出。然而，因為運(yùn)行年限長，水力旋流器下噴口的流量與實際設(shè)計流量誤差較大。因此，決定對設(shè)備進(jìn)行開孔，同時制作底面積為S的箱子(圖4)，使用體積法進(jìn)行水力旋流器下噴口流量Q的測定。即循環(huán)泵啟動出水5 min后開始計時，液位上升至40～50 cm停止計時，測量并記錄液位高度H，測量時長t，然后將箱子內(nèi)水放空，鏟平箱子內(nèi)微砂，測量并記錄微砂高度h，如式(1)～式(2)。

(1)

其中：Q——水力旋流器下噴口流量，m3/h；

S——箱子底面積，m2；

H——液位高度，cm；

t——測量時長，min。

(2)

其中：C——微砂濃度；kg/m3；

h——微砂高度，cm；

H——液位高度，cm；

Q——水力旋流器下噴口流量，m3/h；

ρ——微砂密度，kg/m3；

q——Actiflo進(jìn)水流量，m3/h；

n——運(yùn)行數(shù)量。

圖4 體積法測量水力旋流器下噴口流量Fig.4 Measurement of Hydrocyclone Underflow via Volumetric Method

按此方法持續(xù)檢測，5# Actiflo在持續(xù)補(bǔ)砂的情況下，微砂濃度基本保持在1.5 kg/m3左右。6#和7# Actiflo不補(bǔ)砂，僅存在較少的微砂，濃度基本保持在0.5 kg/m3左右，并通過篩分試驗確認(rèn)為多年前加入的微砂殘留。

2.3 高水力負(fù)荷測試

臨江水廠Actiflo設(shè)計日處理水量為20萬m3，斜管沉淀區(qū)設(shè)計上升流速為34 m/h。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，實際處理水量一直低于設(shè)計水量。為掌握Actiflo在現(xiàn)有條件下可以運(yùn)行的最大負(fù)荷，開展進(jìn)行高水力負(fù)荷測試，5#加砂池持續(xù)運(yùn)行，6#與7#不補(bǔ)砂池交替間歇運(yùn)行)。

測試期間，單池處理水量最高達(dá)到4 000 m3/h，其他時間段單池運(yùn)行水量基本穩(wěn)定在2 600～3 000 m3/h，達(dá)到設(shè)計負(fù)荷。在此期間，在持續(xù)補(bǔ)砂狀態(tài)下，5# Actiflo的微砂濃度基本在1.5 g/L左右，沉后出水渾濁度基本控制在2 NTU以下，不補(bǔ)砂的6#和7# Actiflo的微砂濃度低于5# Actiflo，在0.5 g/L左右，出水水質(zhì)與5#相近，具體如圖5和圖6所示。

圖5 高水力負(fù)荷測試期間的水量、加砂、微砂濃度Fig.5 Treated Flow, Microsand Dosage and Microsand Concentration during High Hydraulic Load Test

圖6 高水力負(fù)荷測試期間的沉后出水水質(zhì)Fig.6 Turbidity of Settled Water during High Hydraulic Load Test

通過高水力負(fù)荷試驗可知，在青草沙原水水質(zhì)條件、低微砂濃度情況下，臨江水廠Actiflo可達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，出水水質(zhì)符合要求，這為未來在有水量需求的情況下進(jìn)行水量提升提供了依據(jù)。

2.4 降低水損測試

Actiflo澄清池工藝由于存在不間斷的污泥回流和排放，水損較高，運(yùn)行初期約為3%，隨著設(shè)備的磨損，水損會有所下降，但仍遠(yuǎn)高于同廠的平流式沉淀池水損(約為0.7%)。從運(yùn)行成本上考慮，是否可以在保證出水水質(zhì)的前提下，適當(dāng)降低工藝水損，也是本次測試的一項重要內(nèi)容。

首先，Actiflo工藝的高水損主要源于其連續(xù)的污泥排放。污泥循環(huán)泵24 h連續(xù)抽取沉淀區(qū)的底泥到投加池上方的水力旋流器，該設(shè)備借助離心力使得泥漿和微砂很好地被分離，其中約20%的污泥回流到投加池中，80%的泥漿從旋流器的上部流出進(jìn)入排泥水處理系統(tǒng)。因此，降低水損的測試思路主要包括：(1)通過間歇式運(yùn)行污泥循環(huán)泵來達(dá)到減少污泥水外排的效果；(2)通過調(diào)整水力旋流器來改變污泥循環(huán)和污泥外排的比例，增加污泥水循環(huán)，減少污泥水外排。

2.4.1 間斷停止污泥循環(huán)泵

測試結(jié)果表明，污泥循環(huán)不能采用間歇式運(yùn)行的模式，沉淀區(qū)排泥頻次的降低會直接影響沉淀區(qū)的出水水質(zhì)，大量礬花無法沉淀在斜管上而進(jìn)入后續(xù)濾池。因此，為了保證足夠的排泥和出水水質(zhì)要求，污泥循環(huán)需要連續(xù)運(yùn)行，不可通過間歇式運(yùn)行的方式來降低工藝水損。

2.4.2 改變水力旋流器分離效果

改變水力旋流器的分離效果，增加回流水量，減少排泥水量，通過長期的現(xiàn)場觀察和數(shù)據(jù)積累可以發(fā)現(xiàn)，水力旋流器的分離效果與其下噴口的內(nèi)襯橡膠的磨損有著非常緊密的聯(lián)系。隨著運(yùn)行時間的增加，下噴口不斷地被磨損，口徑不斷增加，導(dǎo)致下噴口的回流流量增加，由于水力旋流器的進(jìn)口流量相對穩(wěn)定，因此，可知排泥水的流量隨之降低。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，水力旋流器下噴口尺寸與流量之間的相關(guān)關(guān)系很強(qiáng)，如圖7所示，該結(jié)果對于實際生產(chǎn)有著非常積極的幫助。首先，為了掌握工藝水損狀況，需要記錄下噴口的流量，但是流量的檢測(體積法)需要較多的人力，導(dǎo)致測量頻次較低。后續(xù)運(yùn)行中可以通過測量下噴口的尺寸來推算下噴口流量，掌握水損情況。其次，可以根據(jù)實際運(yùn)行需要，在水力旋流器下噴口橡膠進(jìn)行更換時，根據(jù)需要的循環(huán)水量，選擇相應(yīng)尺寸的下噴口，而不是選擇統(tǒng)一尺寸規(guī)格。

圖7 水力旋流器下噴口尺寸與流量的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between Spigot Diameter and Underflow of Hydrocyclone

通過對比同一個Actiflo澄清池的水力旋流器下噴口尺寸變化時對應(yīng)的運(yùn)行情況可以發(fā)現(xiàn)，在較低微砂濃度下，下噴口的磨損處于相對緩慢的狀態(tài)，循環(huán)量的增加及外排量的減少不會對水質(zhì)產(chǎn)生影響，但當(dāng)下噴口磨損到一定程度時，排泥量不夠，出水水質(zhì)無法得到保障。同時，通過補(bǔ)砂組與不補(bǔ)砂組的對比可以看出，連續(xù)補(bǔ)砂會加劇下噴口的磨損進(jìn)度，下噴口更換周期會隨之縮短。

因此，通過一系列降低工藝水損的測試可得出：(1)污泥循環(huán)泵需要連續(xù)運(yùn)行保證足夠污泥的外排和污泥的內(nèi)循環(huán)；(2)水力旋流器下噴口的回流量適當(dāng)增加，排泥量適當(dāng)降低不會影響出水水質(zhì)，同時，可以降低工藝水損，但需要密切關(guān)注下噴口的尺寸變化情況，在排泥量不足以影響水質(zhì)的情況下進(jìn)行及時更換。

2.5 微砂投加模式確定

通過大量燒杯實驗發(fā)現(xiàn)，低濃度的微砂可實現(xiàn)明顯的助凝作用。測試期間，對5#Actiflo澄清池進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)砂，同時對6#、7# Actiflo澄清池微砂濃度進(jìn)行檢測(圖8)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使對于不補(bǔ)砂的澄清池，當(dāng)微砂濃度處于較低水平(0.5 g/L左右)時，出水水質(zhì)仍可保證達(dá)到要求，澄清池出水渾濁度可控制在2.0 NTU以下，濾后水渾濁度控制在0.15 NTU以下。

圖8 單池進(jìn)水量及各池微砂濃度Fig.8 Treated Flow and Microsand Concentration of Single Tank

由圖8可知，Actiflo運(yùn)行僅需維持較低的微砂濃度，即可保證出水水質(zhì)的要求。在冬季低溫低濁、原水水質(zhì)發(fā)生變化、持續(xù)的大水量運(yùn)行、澄清池跑礬花的情況下，可根據(jù)燒杯試驗的結(jié)果，進(jìn)行少量的補(bǔ)砂，使其達(dá)到水質(zhì)合格的要求。這樣的運(yùn)行模式，一方面降低了采購微砂的成本；另一方面，減少了持續(xù)補(bǔ)砂帶來的對相關(guān)設(shè)備的磨損及相應(yīng)的維修工作。

3 運(yùn)行優(yōu)化的效果和意義

3.1 明確最大水力負(fù)荷

通過對臨江水廠Actiflo澄清池工藝進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化測試，掌握了該工藝的最高運(yùn)行負(fù)荷水平，為將來的水量提升提供依據(jù)。同時，促進(jìn)了水廠對Actiflo澄清池工藝的日常運(yùn)行管理，包括燒杯實驗的進(jìn)行、現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的積累與分析。首先，通過定期燒杯試驗，可以及時反映出原水的變化情況，給出工藝調(diào)整的方向。同時，可以通過對燒杯實驗參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，使其不斷完善。其次，對于日常運(yùn)行數(shù)據(jù)的關(guān)注和積累也是管理水平提高的一個重要體現(xiàn)。在目前確定采取低微砂濃度運(yùn)行的模式下，仍然需要定期檢測微砂濃度、水力旋流器下噴口尺寸等，并結(jié)合加藥數(shù)據(jù)、出水?dāng)?shù)據(jù)對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行綜合評估，并做出預(yù)判。

3.2 確定低微砂濃度運(yùn)行方式

通過長達(dá)兩年的測試優(yōu)化，燒杯試驗的結(jié)果驗證了微砂在低濃度的水平下可以實現(xiàn)明顯的助凝作用。由于水力旋流器的連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)在外界極少補(bǔ)砂的條件下可維持較低的微砂濃度。水力旋流器下噴口的回流量適當(dāng)增加，排泥量適當(dāng)降低不會影響出水水質(zhì)，同時，可以降低工藝水損。

3.3 制定關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)維更新策略

通過此次對Actiflo關(guān)鍵設(shè)備循環(huán)泵和水力旋流器的系統(tǒng)性評估，改變原來對水力旋流器和循環(huán)泵性能的認(rèn)識不足，制定更科學(xué)合理的維護(hù)更新策略。即定期通過便攜外夾式超聲波流量計測定循環(huán)泵流量、頻率，采用創(chuàng)新方法定期檢測水力旋流器下噴口流量和尺寸，進(jìn)而提前判斷整個循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，采取預(yù)防性維護(hù)措施，及時更新關(guān)鍵配件，延長設(shè)備使用周期。

3.4 優(yōu)化運(yùn)行成本

Actiflo澄清池的運(yùn)行成本較一般傳統(tǒng)工藝高，其成本包括連續(xù)運(yùn)行的污泥循環(huán)帶來的電耗、連續(xù)排泥帶來的水損和補(bǔ)砂帶來的購砂成本。本次優(yōu)化結(jié)果顯示，購砂成本和水損能夠得到進(jìn)一步優(yōu)化。在現(xiàn)有水質(zhì)條件下，維持Actiflo低微砂濃度的運(yùn)行方式，可極大的減少補(bǔ)砂量，大大減少了微砂的采購成本(約45萬元/年)，同時，降低了微砂對設(shè)備磨損帶來的相關(guān)運(yùn)行成本(如水力旋流器內(nèi)襯的更換維修成本，按每2個月更換1次，每個單價1萬元計算，12個水力旋流器共計12萬元，在低微砂濃度運(yùn)行的情況下可降低內(nèi)襯更換頻率，約1年更換1次，共計可節(jié)約60萬元/年)。針對水損的優(yōu)化，可以根據(jù)實際運(yùn)行需要選擇合適的水力旋流器下噴口尺寸，在保證出水水質(zhì)安全的前提下實現(xiàn)工藝水損的最優(yōu)。按照設(shè)計Actiflo水損為3%，不補(bǔ)砂運(yùn)行后水力旋流器下噴口流量可適當(dāng)加大，水損可降低到2%，每日可節(jié)約2 000 m3, 按原水費(fèi)0.63元/m3計算，節(jié)約成本約為1 260元/d(約合46萬元/年)?？梢姡ㄟ^Actiflo運(yùn)行優(yōu)化，預(yù)計每年至少可節(jié)約運(yùn)行成本150萬元。

3.5 提升運(yùn)行管理人員專業(yè)能力

Actiflo澄清池雖然在臨江水廠運(yùn)行超過十年，但由于長期處于不補(bǔ)砂狀態(tài)，新進(jìn)技術(shù)人員和現(xiàn)場運(yùn)行人員對于加砂工藝本身的理解相對有限。測試結(jié)果促進(jìn)全體技術(shù)人員與運(yùn)行人員加深對工藝本身的設(shè)計與原理的理解，更利于日常的水廠生產(chǎn)運(yùn)行，并形成指導(dǎo)手冊，幫助日后運(yùn)行中更好地應(yīng)對各種工況條件的變化。