徐 丹，衛(wèi)正剛，柳瑞瑤，張 回

(合肥供水集團有限公司，安徽合肥 230011)

回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池通過流體流動的能量消耗，促使水中膠體顆粒在混合階段脫穩(wěn)，經(jīng)微絮粒相互接觸碰撞，逐步形成能滿足沉降分離要求的較大絮體，是給水工藝中十分重要的環(huán)節(jié)。其優(yōu)點是構(gòu)造簡單、管理方便，是大型水廠常用的工藝形式。該池雖然絮凝時間長、絮凝池容積大，但容積不能得到有效利用，與折板及網(wǎng)格式絮凝池相比，水力條件不甚理想，絮凝效果不佳[1-2]。特別對于冬季低溫低濁水，由于回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池的水力條件不佳，沉淀池出水渾濁度高。

目前，國內(nèi)各水廠在處理低溫低濁水時，通常采用合適的混凝劑和助凝劑或者預氧化技術(shù)，此方法經(jīng)濟且易實施，但降濁效果有限，還會帶來用水安全問題；部分水廠采用泥渣回流技術(shù)，該技術(shù)經(jīng)濟效應較好，但存在廢水對回流的影響，會造成整體水質(zhì)問題[3]；也有部分水廠采用提高混凝強度的方法[4]，該措施相對較少產(chǎn)生水質(zhì)安全問題。研究指出折板絮凝與隔板絮凝相比，水流條件大大改善，在總水流能量消耗中，有效耗能比例提高，可以提高絮凝池混凝強度。

本文在安徽省合肥市某水廠一期工程的改造中，擬在原來的回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池中增設平流式折板。利用計算流體力學(CFD)模擬[5-6]，從理論上進行流態(tài)分析，測定改造前后絮凝池工藝參數(shù)，考察增設折板對絮凝池的速度梯度的影響，并通過實際生產(chǎn)運行對比，判斷該方案能夠達到增加混凝強度、降低低溫低濁水的出水渾濁度的效果。

1 改造方案與試驗方法

安徽省合肥市某水廠一期工程總規(guī)模為25萬m3/d，共4座絮凝池(1#～4#絮凝池)，每座設計規(guī)模為6.25萬m3/d，給水工藝采用管道混合-回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池-平流沉淀池-普通快濾池，運行至今已有30年。水源水為董鋪水庫水，絮凝劑采用固體聚合氯化鋁鐵，消毒劑采用次氯酸鈉。

1.1 增設折板方案

選取一期1#回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池進行增設平流式折板改造。在1#絮凝池內(nèi)先后增設了平流異波折板和平流同波折板，如圖1所示。

注：前2圈①②渠道內(nèi)細線-異波折板；后3圈③④⑤渠道內(nèi)粗線-同波折板圖1 回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池內(nèi)折板布置Fig.1 Layout of Convential Rotary Clapboard Flocculation Tank Adding Folde Plates

圖2 平流異波折板實物圖Fig.2 Picture of Horizontal-Flow Opposite Folded Plates

《給水排水設計手冊》中關(guān)于折板絮凝池的設計參數(shù)：第一階段為0.25～0.35 m/s(異波折板)；第二階段為0.15～0.25 m/s(同波折板)；第三階段為0.10～0.15 m/s(直板)?；剞D(zhuǎn)式隔板絮凝池中的第①、②渠道的平均流速為0.38、0.29 m/s，滿足第一階段，因此，平流異波折板放入絮凝池內(nèi)的第①、②渠道，渠道總長約為69 m，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?；剞D(zhuǎn)式隔板絮凝池中的第③、④、⑤渠道的平均流速分別為0.25、0.20、0.16 m/s，滿足第二階段，平流同波折板放入絮凝池內(nèi)的第③、④、⑤渠道，渠道總長約為158 m。折板夾角為90°，折板間距為1 m，折板板材為304不銹鋼，厚度為1.5 mm，折板具體尺寸和數(shù)量如表1所示。

1.2 試驗儀器、水源水水質(zhì)及分析方法

儀器：深圳中潤水工業(yè)ZR4-6混凝試驗攪拌機；杭州飛華臺式TSZ濁度儀；雷磁PHSJ-4A酸度計。

試驗周期內(nèi)水源水水質(zhì)：渾濁度為11.0～15.0 NTU、水溫為7～9 ℃、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)為1.9～2.4 mg/L、pH值為7.27～7.50。各項指標均采用生活飲用水標準檢驗方法相關(guān)分析中的標準方法測定。

表1 折板尺寸和數(shù)量Tab.1 Size and Quantity of Folded Plates

2 結(jié)果和討論

2.1 絮凝池流態(tài)分析

2.1.1 計算模型與數(shù)值方法

選取了絮凝池第1圈初始增設異波折板處、第3圈初始增設同波折板處的剖面，模型網(wǎng)格選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。

數(shù)值使用k-w sst模型方程，邊界條件設置如下。①進口邊界：采用模型左側(cè)邊為進口邊界，異波折板模型流速為0.376 m/s，同波折板流速為0.266 m/s，設置模擬溫度為7 ℃。②出口邊界：采用自由出流，適用于不可壓縮流中完全發(fā)展出流的情況。③壁面邊界：固體邊界采用無滲透、無滑移的標準壁面函數(shù)，流體材料選擇水體(water-liquid)，按照溫度調(diào)節(jié)水的密度和黏度。

2.1.2 模擬結(jié)果

利用Fluent軟件模擬處理后，將模擬結(jié)果導出Tecplot格式后用Tecplot軟件打開數(shù)據(jù)，從中提取絮凝池廊道剖面處沿水流方向的速度分布矢量圖(圖3)和湍流動能分布圖(圖4)。

圖3 改造前后觀測點水流速度矢量分布Fig.3 Velocity Vector in Observation Points before and after Adding Folded Plates

圖4 改造前后觀測點處湍動能分布Fig.4 Diagram of Turbulent Kinetic Energy in Observation Points before and after Adding Folded Plates

速度矢量圖反映了絮凝池內(nèi)水體流向和速度分布的情況。由圖3可知，改造前絮凝池內(nèi)水體流向均為水平方向流動，方向一致；增設折板后，絮凝池內(nèi)折板附近水流方向發(fā)生改變，水流流向變得復雜，使得折板附近存在大量的渦旋，促進顆粒的擴散和碰撞凝聚。由絮凝動力學機理分析可知，這樣的水流狀態(tài)對絮凝有利[7]。

由速度分布可知，未增設折板的絮凝池內(nèi)，絮凝池第①圈開始處[圖3(a)]僅在絮凝池壁的流速小，池體內(nèi)部流速均勻，幾乎無流速差。增設折板的絮凝池內(nèi)[圖3(b)、圖3(c)]，折板之間的平均流速>折板附近的平均流速>靠近折板壁處的水流速度。增設異波折板的絮凝池第①圈開始處[圖3(b)]的流速差為0.50 m/s，折板附近流速差較大，使得水與其中固體顆粒產(chǎn)生了相對運動，為不同尺度的顆粒碰撞提供了條件，有利于顆粒物碰撞。增設同波折板的絮凝池第③圈開始處[圖3(c)]的流速差為0.37 m/s，比異波折板處的速度差異小，湍流剪切力減少，有利于絮體的長大。

表2 改造前后 1#回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池速度梯度G、絮凝時間TTab.2 Velocity Gradient G and Flocculation Time T Value of 1# Rotary Clapboard Flocculation Tank before and after Reconstruction

圖4可以直觀地表現(xiàn)湍動能k在池體中轉(zhuǎn)移和耗散的情況[8-9]。改造前絮凝池內(nèi)湍動能分布均勻，湍動能小，絮凝池第①圈開始處[圖4(a)]k僅為1.8×10-13m2/s2；增設異波折板后，在折板附近水流湍動能較大，絮凝池第①圈開始處[圖4(b)]折板附近平均k為4.8×10-3m2/s2，有利于形成渦流，膠體顆粒間碰撞幾率更大，由此形成的礬花更密實，絮凝效果更佳。絮凝池第③圈開始處[圖4(c)]同波折板附近平均k為3.2×10-3m2/s2，比異波階段的稍小，有利于礬花長大。湍動能和速度矢量云圖在分布上具有相似性，存在內(nèi)在的相互關(guān)聯(lián)。由計算流體力學模擬結(jié)果可知，增設折板增加了水流渦流數(shù)量、改善了水利條件。

2.2 絮凝池工藝參數(shù)對比

對1#絮凝池增設折板改造前后進行了速度梯度G、絮凝時間T工藝測定，測定時水溫為7 ℃，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，1#絮凝池改造后的各階段絮凝強度均比改造前大。同比孔室階段，改造后的GT約是改造前的1.3倍；同比第①圈至第②圈結(jié)束處，該段改造后的GT約是改造前的3.9倍；同比第③圈至第⑤圈結(jié)束處，該段改造后的GT約是改造前的2.2倍。因此，增設折板能夠增大GT，提高絮凝效果。

2.3 實際生產(chǎn)運行效果

1#(改造)、2#(未改造)回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池對應的1#、2#平流式沉淀池，其結(jié)構(gòu)和尺寸相同，因此，將2#沉淀池作為對比池，同時沉淀池自身影響可忽略，采用沉淀池出水渾濁度代表絮凝池絮凝效果。改造前后2周內(nèi)進水水質(zhì)穩(wěn)定，進水量及凈水劑投加不變。增設折板前后實際生產(chǎn)運行的1#、2#沉淀池出水渾濁度如圖5和圖6所示。

圖5 實際生產(chǎn)運行的1#、2#沉淀池出水渾濁度Fig.5 Effluent Turbidity of 1# and 2# Sedimentation Tanks in Practical Treatment Process

圖6 1#絮凝池改造前后一周內(nèi)1#、2#沉淀池出水平均渾濁度Fig.6 Turbidity of 1# and 2# Sedimentation Tank within One Week before and after Adding Folded Plate

如圖6所示，改造前1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度為1.68 NTU。改造后經(jīng)2 d左右適應期，出水水質(zhì)穩(wěn)定。改造后1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度為1.16 NTU，增設折板改造后出水渾濁度降低31%。改造前1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度比2#高5.7%；改造后1#沉淀池出水一周內(nèi)平均渾濁度比2#低24%。絮凝池增設折板能夠有效提高絮凝效果，降低在低溫低濁條件下的出水渾濁度。

1#～4#回轉(zhuǎn)式絮凝池的設計負荷為2 600 m3/h，絮凝池增設折板后，水頭損失增加。經(jīng)實際生產(chǎn)運行試驗，改造后1#絮凝池的最大負荷可達4 000 m3/h，增設折板后不影響水廠負荷。

3 結(jié)論

(1)計算流體力學模擬從理論上證實了增設平流折板能夠增加折板附近水流渦流數(shù)量，改善回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池內(nèi)水流狀態(tài)。

(2)增設折板能提高回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池的絮凝強度。在絮凝池前2圈，增設折板的1#絮凝池GT約是未增設折板的3.9倍；在絮凝池后3圈，增設折板的1#絮凝池GT約是未增設折板的2.2倍。

(3)絮凝池增設折板能有效降低冬季低溫低濁情況下的沉淀池出水渾濁度。實際生產(chǎn)運行效果表明，增設折板后的1#沉淀池出口水渾濁度降低了31%。

回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池中增設平流折板能有效改善水力條件，該改造方案可為老舊水廠在現(xiàn)有條件下絮凝池提升改造提供借鑒和參考。