竖流折板絮凝工艺的设计与运行环境保护论文

摘要：竖流折板絮凝工艺是国内80年代初开始广泛应用的新型高效絮凝工艺，其基本原理是：运用折板缩放或转弯造成的边界层分离现象所产生的附壁紊流耗能方式，利用扰流机构形成的水力喷射、微涡旋紊动、角隅涡流综合效应和竖向流形成的絮粒网捕作用，在絮凝池内沿程保持横向均匀、纵向分散地输入微量而足够的能量，有效提高输入能量的利用率、絮凝效率和混凝沉淀设备的容积利用率，增加液流相对运动，以缩短絮凝时间，提高絮凝体沉降性能。1988年，南京市自来水公司上元门水厂2^#沉淀池原平流隔板絮凝工艺改造为竖流折板絮凝--斜管沉淀工艺，设计规模6×10^４m³/d，为当时国内单池设计规模最大的竖流折板絮凝池，运行效果良好。

关键词：竖流折板絮凝工艺絮凝时间

　　由于竖流折板絮凝工艺在国内应用仅20年，设计与运行中有诸多问题有待进一步研究，笔者就其若干主要问题进行探讨。

1 单池设计流量与折板间距

　　由于折板絮凝工艺属边壁附壁紊流耗能方式，折板壁板的边界效应对絮凝效果影响很大。当折板间距增大至一定距离时(笔者认为此距离约为0.8 m)，壁板边界效应将大为减弱甚至到可忽略程度，影响了絮凝效果，故折板间距不宜过大，因而折板絮凝池单池设计流量也不可过大，反之，间距过小会造成清洗絮凝池不便，故大型絮凝池的设计应合理确定单池流量和布置流程。上元门水厂2^#沉淀池采取大型水厂小型化措施，将池内流量在絮凝池前两段分为3个单元，后4段分为6个单元，增强了水流中附壁絮流作用。为提高折板絮凝池对运行流量变化的适应性，3个单元各设一根DN 500 mm进水管和闸阀以便调节水量。

2 絮凝时间

　　絮凝时间是絮凝池最重要的设计参数之一。最早建成的六合县水厂折板絮凝池絮凝时间为6min，镇江市金山水厂和湖北汉阳县水厂折板絮凝池絮凝时间分别为10min和7.7min，上元门水厂2^#絮凝池絮凝时间10.6min。现行设计规范和设计手册规定为6～15min。为确保工艺效果，提高折板絮凝池的适应能力并留有余地，折板絮凝工艺絮凝时间不宜少于10min。有些地方折板絮凝池因絮凝时间过短，出现絮凝效果欠佳或适应性差、药耗过大现象。

3 折板絮凝的组合方式

　　折板絮凝的组合方式分为同步折板和异步折板两类。异步折板水流速度和方向转变频繁，射流作用和液流左右振荡强烈，颗粒碰撞剧烈；同步折板水流运动状况变化程度较异步折板弱。为使输入能量与絮凝体成长过程相适应，折板絮凝的组合方式为：絮凝区前段采用异步折板，中段采用同步折板，后段为平板。上元门水厂2^#絮凝池前两段为异步折板，后4段中的12个流道为同步折板，最后1个流道为平板。

4 GT值和流速的选取

　　竖流折板絮凝工艺各段流速和时间的选取是决定絮凝效果的关键。G值和流速的递减必须与折板絮凝工艺流程中絮凝体由小到大的形成过程相适应，以提高絮凝效果。G值的递减不宜少于5段，每段流道数为3～4道，以防流速突变打碎已形成的絮凝体。异步折板段设计时，应注意后段波峰流速要小于前段波谷流速，起始流速宜为0.4 m/s左右，以增加颗粒碰撞几率，降低药耗；末端流速宜<0.07m/s，以保护已形成的大粒度絮凝体，同时降低Re数，便于絮凝区的紊流状态向沉淀区的层流状态过渡，保证沉淀效果。六合、汉阳县水厂及现行设计规范各段流速与时间取值见表1，上元门水厂2^#絮凝池设计参数见表2。实践表明：上元门水厂折板絮凝池GT值基本合理，已为南京地区许多改、扩建工程采用，并列入南京市自来水公司技术标准。

表1　六合、汉阳县水厂絮凝池设计参数
段序六合县水厂汉阳县水厂现行设计规范
1 2 3 4 5 1 2 3 1 2 3
折板类型同步异步同步平板异步同步平板
波峰流速（m/s） 0.29 0.35
波谷流速（m/s） 0.10 0.25
流速（m/s） 0.26 0.18 0.13 0.10 0.08 0.21 0.098 0.25～0.15 0.15～0.10
时间（s） 68 60 110 105 43 119 116 119 120 120 120

表2 上元门水厂2^#絮凝池设计参数
段序 1 2 3 4 5 6
G(S^-1) 204 80.79 61 32 23 13.7
T(s) 52 76 105 110 128 171
波峰流速（m/s） 0.40 0.24
波谷流速（m/s） 0.25 0.19
流速（m/s） 0.152 0.109 0.094 0.07

5 折板设计参数

　　折板的夹角有90°和120°两种。折板夹角过大会减少波折数，影响紊流强度；夹角过小则不易滑泥。实践证明：折板夹角为120°运行效果较好。
　　在有效水深一定的情况下，折板的波折数取决于折板夹角和折板宽度，并影响液流的紊流强度。折板宽度小则波折数多，液流紊流强度大，折板块数也增多。折板宽度应随着絮凝体成长情况而沿程递减，宜采用30、40、50 cm三种宽度。折板长度与流程布置有关，但过大会增加结构厚度。
　　折板的材质有钢丝网水泥板、铝板和轻质填料3类，一般宜采用铝板。折板的安装有嵌入池壁预留的凹槽和装入固定在池壁上的角钢槽两种，后者耐久性较差。

6 阻力系数ζ的选取

　　目前国内已投产的竖流折板絮凝池存在的一个突出问题是水头损失的设计计算值与实测值相差较大，实测值<设计计算值，以致絮凝池设计水位与实际不符，弦高过大，上端转折处流速改变，甚至影响絮凝效果。究其原因是阻力系数ζ值选值不当，部分国内水厂水头损失实测情况见表3。
　　实践证明，折板絮凝工艺阻力系数ζ值宜取：同步折板0.3，异步折板渐缩0.05、渐放0.2、上转弯1.8、下转弯3。

**表3　部分水厂折板絮凝池水头损失值**
Pa
厂名	水头损失设计值	水头损失实测值
镇江金山水厂	3136	2458
镇江江边水厂	2195	1225
南京上元门水厂	3724	3136

7 排泥

　　絮凝池通常不设排泥设施，但因竖流折板絮凝工艺各段尤其是末端流速较低，且为上、下翻腾，造成絮凝区池底易积泥，故应考虑排泥设施，一般采用穿孔管排泥，排泥周期可为72 h。

8 过渡区的设置

　　在絮凝区与沉淀区之间设置过渡区的作用在于：①从絮凝区向沉淀区均匀布水；②降低Re数，使絮凝区所要求的紊流过渡到沉淀区所要求的层流。若合理布置流程即絮凝区流程，形成絮凝区向沉淀区的多点布水，同时降低末端流速，则可不设过渡区以节省混凝沉淀设备容积，这尤其适用于老水厂挖潜改造工程。上元门水厂2^#沉淀池未专设过渡区，首先将反应区后四段分为6个单元，沿池长方向平行排列，在絮凝区进入沉淀区处形成六点均匀布水，布水均匀性良好，均匀性优于通常设置的穿孔墙、整流堰等过渡区形式；同时降低絮凝区末端流速，最后一段流速为0.07 m/s，Re数已很小，完全满足流态过渡的需要。

9 运行情况

　　1989年至1990年测试情况见表4，1995年测试情况见表5。

**表4　上元门水厂2^#沉淀池运行测试情况(1989～1990年)**
测定日期	原水浊度(NTU)	FeCl3单耗(mg/L)	聚合硫酸铁单耗(mg/L)	运行水量(10⁴m³/d)	沉淀池出水浊度(NTU)	絮凝时间(min)
1987-07-24	920	16.09		8.66	5.2	6.83
1989-08-15	580	14.97		7.54	9.2	7.84
1989-07-05	600	14.03		8.82	6.8	6.71
1989-09-09	420	4.28		8.44	8.8	7.01
1989-10-31	345	6.15		8.80	7.4	6.72
1989-10-14	310	5.08		8.10	10.0	7.25
1990-06-02	205		7.12	8.4	5.4	7.03
1990-07-10	870		18.4	8.80	8.2	6.80
注　1 运行流量采用进水室内矩形薄壁计量堰测得　　2 根据南京市自来水公司规定，聚合硫酸铁单耗按单位重量价格比(FeCl₃与聚合硫酸铁之比为1:5.62)折合为FeCl₃单耗。

表5　上元门水厂2#沉淀池运行测试情况(1995年)
原水浊度(NTU) 292 原水碱度(mg/L) 90 运行流量(10⁴m³/d) 4.72 沉淀区上升流速(mm/s) 1.51
反应区各段取样静置5min 后剩余浊度(NTU) 段序 2 3 4 5 6
数值 1362～162 116～122 108～122 82～102 82～102
反应区各段矾花状况未形成形成碎小较密实密实
混凝剂品种聚合硫酸铁折合FeCl₃单耗(mg/L) 92
沉淀池排泥水浓度(mg/L) 序号 1 2 3
起始 45000 18500 15000
结束 810 440 720
排泥周期(h) 8 排泥历时(min) 5
注　1 运行流量采用测定沉淀区上升流速法测得；
　　2 聚合硫酸铁单耗按单位重量价格比折合为FeCl₃单耗。

　　上元门水厂2^#沉淀池改造工程自1989年3月竣工通水，至今运行效果良好。
　　实践证明：竖流折板絮凝工艺应用前景良好，同时也是老水厂挖潜改造的有效途径，但其设计参数的选取合理与否，对絮凝效果至关重要。