3.2 工程设计
本工程将要改造的2A沉淀池是北京市第九水厂二期工程(50万m3/d)两系列中的一个,日水处理规模25万m3,校核流量为34万m3/d。原2A处理构筑物采用了密集型、集团式布置方式,将混合、反应、沉淀、过滤、活性炭吸附等主要构筑物连体布置,本次改造内容主要包含前部分—混合、反应、沉淀部分。
本次改造将保留原有2A处理来水的大格局,即2A系列下设二组并列的混合、反应、沉淀工序。每组工序中将保留原有混合井结构形式、尺寸,同时将原有搅拌器拆除,取消其原有的混合药剂的功能;原有反应池通过拆除、新建等措施形成2座混凝池、2座投加池以及4座絮凝熟化池,同时新增相应的设备、仪表;原有沉淀池将通过拆除、新建等措施形成2座ACTIFLO沉淀池,同时新增相应的设备、仪表;总出水渠进行相应改建,维持原有功能不变。二组工序之间的设备间在保留原有电气仪表间以及水质仪表台的同时,新建适当的设备以满足新工艺的需要。
改造完成后,2A系列共分二组工序,每组工序分二个单元,每个单元由1座混凝池、1座投加池、2座絮凝熟化池以及1座ACTIFLO沉淀池组成。
图3 改造工程完成后首层平面图
图4 改造工程完成后主体部分剖面图
3.2.1 混凝池
水中浊度是由细微悬浮物所造成,其分散度处于胶体状态时将产生最大的光散射,因而胶体物质是形成浊度的主要因素。源水中胶体物质可以长期处于稳定状态,很难靠重力自然沉降而得以去除。为了去除它们,首先要对这些微粒进行脱稳,这个过程需要混凝剂的投加(如:聚合氯化铝,硫酸铝,氯化铁)。混凝过程的动力学过程非常短,铝盐和氯化铁投加到混凝池中并因为搅拌的能量从而可以保证一个快速和完全的扩散作用。
单池平面尺寸为4.9x5.15m,水深6.73m,单池有效容积约为170m 3,池内水力停留时间约为3min。池内设快速搅拌器1台,池底部设有导流体,池进水处设有导流板。来自九厂原有加药系统的混凝剂(PAC)通过加药管投加在池子的进水口。
3.2.2 投加池
投加池中投加粒径为100 µm的微砂,微砂持续更新的目的:增加凝聚的几率和保证合适的絮状体以增加它们的增长速率和重量。另外,对于通常由于低温水或泥浆水而导致的絮凝困难,微砂可以显著的增大反应范围而得到良好的处理效果。
补充微砂量约为2.55g/m 3,补充微砂可在每个工作周期内平均添加。
单池平面尺寸为4.9x5.15m,水深6.71m,单池有效容积约为174m3,池内水力停留时间约为3min。内设快速搅拌器1台,池底部设有导流体。池顶板设有新微砂的投加孔以及循环微砂的投加孔。
每池设有2台新微砂投加用螺杆以及4台循环微砂投加用砂分离器,每组工序中的2座投加池共享1套微砂砂斗。
3.2.3 熟化絮凝池
熟化阶段的作用是为了形成大的絮凝体。絮凝是一个物理机械过程,该过程由于分子间的作用力和物理搅拌作用而增强絮凝体的生长。食物等级的阴离子高分子电解质的投加可以通过吸附、电性中和和颗粒之间的架桥作用来提高絮凝体生成。由于微砂的加速絮凝的作用,其速度梯度远大于传统絮凝工艺在相同情况下的速度梯度。在搅拌时间有限和絮凝体积有限的情况下,高效的絮凝动力将导致颗粒间碰撞机率的增加。在该阶段中采用低功率搅拌机柔和的搅动水体防止打断絮体,但尽管其搅动程度小于先前的混凝阶段,但也要保持絮体的悬浮。
单池平面尺寸为4.9x7.4m,水深6.68m,单池有效容积约为242m 3,池内水力停留时间约为8min。内设熟化搅拌器1台,池底部设有导流体。絮凝剂(PAM)通过进药管投加在池子的进水口。
图5 反应池改造后 砂分离器单元 图6 微砂(新)制备投加单元
3.2.4 ACTIFLO沉淀池(微砂循环泵房)
沉淀效果的提高得益于微砂的应用,矾花加重和斜板的逆向流系统。
每格沉淀池都安装有塑料(食品等级)蜂窝状的斜管模块。在絮凝后,水进入沉淀池的底部然后从斜板底部向上方流动至渠道。颗粒和絮体沉淀在斜板的片板上受重力作用下滑,由于较大的沉降速率和斜板的60度倾角可以形成一个连续自刮的过程,从而有效的在斜板上减少了絮体的积累。
单池平面尺寸为12.4x10.1m,清水区面积为2x5.3x8.4m,清水区上升流速约为10.8mm/s。池内设旋转式刮泥机1台,塑料(食品等级)蜂窝状斜管(倾斜角度为60°),集水槽以及用于收集浮渣的排放槽。
当水中的溶解氧饱和时,絮体可能会漂浮起来。因此需要对浮渣进行去除。沿池体宽度方向上布置一个水槽,在通常的运行过程中,这个水槽是淹没的;当浮渣产生时,排渣阀门打开排出表层液体。
每池设有2台微砂循环泵,安装于原反应池与沉淀池之间形成的通道(微砂循环泵房)内。沉淀池中微砂和污泥的混合物通过旋转式刮泥机集中于沉淀池中心坑,而后通过吸泥管进入微砂循环泵,污泥循环泵24小时连续抽取集中在中心坑中的污泥以防止堵塞,排除的流量取决于于进水水质的情况。由微砂循环泵将混合物加压后通过微砂循环管送至投加池顶板上的砂分离器,在离心力的作用下砂分离器将微砂和污泥进行分离,从污泥混合物下层流中分离出来的微砂直接投加在投加池中,剩余污泥从上层流中溢出通过污泥排放管排放至原有中间排泥槽内。微砂的粒径和水力分离器的自身性能保证了微砂的分离和循环。通过水力分离器的溢流损失的微砂不超过3g/m 3处理水,损耗的微砂及时进行补充。
循环率意指循环的微砂和处理水量之间的比例。对应于不同的水量这个比例可以调节,这一比例可以根据不同的进水流量通过每个沉淀池的一个或两个循环泵进行调解。
图7 改造后沉淀池 图8 改造后形成的微砂循环泵房
3.2.5 中间设备间
由于改造工程中增加了大量的辅助设备及备用的药剂、微砂,而需要对其放置,考虑根据构筑物的实际的建造情况,设置中间设备间以满足改造后的使用情况,其分为上层设备间和下层设备间。
上层设备间:
设备间内在保留原有电气仪表间以及水质仪表台(检测总进水水质)的同时,对电气仪表间进行扩建;另新建有压缩空气系统以及堆料平台。压缩空气系统包含有2套独立的制备系统以及1套压缩空气管路,用于供应新工艺中所有的气动阀门。设置新的堆料平台用于堆放备用的袋装絮凝剂以及微砂。袋装的絮凝剂以及微砂可以使用原有的吊车通过首层平台上的开孔进行运输、投加等工况。
下层设备间:
设备间内保留原有混凝剂加药管,增设新管路将混凝剂加入池进水口处,加药管上均设有流量计。同时,新建絮凝剂制备投加系统,絮凝剂采用阴离子PAM(聚丙烯酰胺),平均加药量为0.15mg/L,最大加药量为0.20mg/L,共有2套系统,分别对应2A系列的2组工序。
设备间内依靠原有放空沟、中间排泥槽继续承担整个构筑物的排水出路。其中混凝池排空管、反应池排空管、设备间以及微砂循环泵房内排水的最终出路为放空沟;循环微砂系统中的污泥排放管、沉淀池的排渣管、局部排空管的最终出路为中间排泥槽。
图9 压缩空气单元 图10 PAM制备投加单元
4 工程总结
4.1 药剂
在原有的九厂设计中,投加的混凝剂为碱式氯化铝,是针对密云水库原有低温、低浊水质选用的,但随着九厂的源水水质的变化,以及微砂的投加,单纯向源水中投加碱式氯化铝,已不能满足处理水的要求,于是考虑在此次工程增加絮凝剂—聚丙烯酰胺的(PAM)作为有益的补充。聚丙烯酰胺水解体,是处理高浊度水最有效的高分子絮凝剂之一,可单独使用,也可与普通混凝剂同时使用。在处理含砂量为10~150kg/m 3的高浊度水时,效果显著,既可以保证出水水质,又可减少絮凝剂用量和沉淀池的面积。投加药剂的增加使得水厂处理工艺对源水水质的变化增加了适用性。
4.2 微砂系统
此次改造工程的核心技术即投加微砂技术,而整个微砂运转系统中应充分考虑微砂对于系统管道的阻塞以及磨损。在实际布置中,应尽可能减少管道的转角,微砂管道转弯时,根据OTV公司的经验,输砂管的转弯半径应大于5倍的管道直径,同时管道壁厚应考虑适当加强。在整个微砂输送系统中应充分考虑设置冲洗管路。微砂投加泵应选用螺杆泵,在投加新微砂的砂斗上应设置粉尘吸收装置,砂分离器应选用专用设备。
因微砂存在日常损耗,损耗值不大于3g/m 3,故因其产生的污泥量约为750kg微砂/d~1020 kg微砂/d(基于日常处理水量为25万m3/d,校核流量为34万m3/d),但因微砂粒径较小,不会对水厂原有污泥处理系统产生不良影响。有条件时,可考虑于泥渣(含少量微砂)外排处设置沉砂井。
微砂投加量、补充投加量以及微砂与药剂的配比是一个建立在运行经验上的数据,在运行期间尤其是源水水质发生变化的时候,应对微砂、药剂的投加量及时进行调整,以保证出水水质的稳定。
5 结语
随着城市的发展、建设以及城市人口的迅速增长,土地资源的短缺,源水水质的下降在短时期不会有大的改变,选用一种占地少,效率高的工艺将是未来水处理发展的趋势,而此次工程所采用的ACTIFLO®技术满足了目前九厂的需求,随着此项技术在实际运行中的不断改进和完善,必将会为今后其它系列的改造积累成功的经验,拓展常规的设计思路和理念。
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