關(guān) 湛
湖北雙環(huán)化工集團(tuán)有限公司水廠

Causes and countermeasures of flocs flotating occurred in inclined tube sedimentation tank
Guan　 Zhan

　　湖北雙環(huán)化工集團(tuán)公司水廠斜管沉淀池自1997年底投入運(yùn)行以來，長期出現(xiàn)大量絮體突然上浮聚集于池面的現(xiàn)象。部分上浮的細(xì)碎礬花隨出水流出沉淀池進(jìn)入三層濾池，使濾池的反沖次數(shù)增加，過濾周期縮短，嚴(yán)重影響了制水生產(chǎn)。上述現(xiàn)象多發(fā)生于冬、春季枯水季節(jié)，除每年豐水季節(jié)沒有發(fā)生外，并無一定的時間限制，表現(xiàn)為突發(fā)性和間隔性。筆者經(jīng)過幾年的觀察和試驗總結(jié)出一些結(jié)論，以下和讀者一起分析和探討。

一、概況簡介

　　雙環(huán)公司為全國最大的聯(lián)堿企業(yè)，其中自備水廠處理能力為10×10⁴m³/d。原水取自府河，是一條平原季節(jié)型河流，原水濁度常年不高，冬季最低時在20NTU以下。夏季暴雨后濁度可以在短時間內(nèi)升至6000—8000NTU。采用河床式取水構(gòu)筑物。河床主流處設(shè)菱形箱式取水頭，經(jīng)三根Φ700的虹吸管引水至獨(dú)立的吸水井。圓形沉井式泵房中的四臺臥式雙吸離心泵在吸水井中取水。取水頭設(shè)計洪水位與枯水位落差為13m，水泵在豐水季節(jié)為自灌式工作，在枯水季節(jié)為抽吸式工作。原水水質(zhì)受輕微污染，取水點(diǎn)上游的一些造紙廠廢水及農(nóng)田污水排入河中，同時取水點(diǎn)下游2km公司排污口排放的含油廢水和生活污水會在枯水季節(jié)擴(kuò)散和回流至取水點(diǎn)水域。因此原水中隨季節(jié)不同程度地含有造紙廢水、油污和易起泡沫的表面活性劑物質(zhì)。
　　該水廠的凈水工藝流程如下圖：

二、工程現(xiàn)象

　　經(jīng)過幾年的長期觀察，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：
　　1、斜管沉淀池清水區(qū)每年會突然發(fā)生數(shù)次大量細(xì)碎礬花上浮，間或有大塊礬花團(tuán)上浮的現(xiàn)象。上浮的泥渣聚集于孔式集水槽之間，厚度達(dá)10cm，呈土黃色，類似氣浮池上部的浮渣層。泥渣中含有大量微小氣泡。部分帶有氣泡的礬花顆粒隨出水流入三層濾池，堵塞表層濾料孔隙，使濾池的過濾周期縮短，反沖次數(shù)增加。
　　2、每次沉淀池突然發(fā)生絮體大量上浮現(xiàn)象持續(xù)的時間為數(shù)天到數(shù)周，然后會逐漸自然消失。發(fā)生的時間并無季節(jié)性差異，除每年豐水期沒有發(fā)生外，四季均有發(fā)生，表現(xiàn)為突發(fā)性和間隔性。現(xiàn)象發(fā)生時河水位低，原水濁度不高。
　　3、柵條反應(yīng)池每個分格表面全年大部分時間均被上浮的礬花覆蓋，只是泥渣層的厚度時有變化。當(dāng)沉淀池出現(xiàn)大量絮體上浮時，反應(yīng)池分格中的泥渣厚度明顯加大，泥渣層有蜂窩狀的明顯孔洞。
　　4、為探明斜管沉淀池絮體上浮成因，曾在現(xiàn)象發(fā)生時對反應(yīng)池和沉淀池進(jìn)行全面清洗，打開斜管將積泥區(qū)泥渣全部清除，然后進(jìn)水運(yùn)行，絮體依舊上浮。
　　5、斜管沉淀池發(fā)生絮體上浮現(xiàn)象時，機(jī)械加速澄清池極少出現(xiàn)類似狀況，僅在2004年冬季一次停池清洗后發(fā)生過。
　　6、斜管沉淀池絮體上浮現(xiàn)象發(fā)生時，減少投礬量，可以發(fā)現(xiàn)絮體上浮明顯減少甚至消失。

三、成因分析

　　現(xiàn)象發(fā)生時，在斜管沉淀池上部懸浮礬花層取樣，肉眼觀察，礬花上粘附有大量白點(diǎn)。用放大鏡觀察，看到大量的微氣泡附著在礬花上，氣泡在礬花上附著很穩(wěn)定，很少有氣泡的合并和破裂現(xiàn)象發(fā)生。用1L燒杯在反應(yīng)池末端取樣進(jìn)行30分鐘靜沉試驗，發(fā)現(xiàn)礬花顆粒結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)輕，呈懸浮狀態(tài)，5分鐘后懸浮礬花開始上浮，上浮的礬花表面和內(nèi)部孔隙處粘附有大量微氣泡。將試樣靜置1天后，燒杯上部的浮渣并未減少。因此初步推斷認(rèn)為絮體上浮與原水中夾氣存在一定的因果關(guān)系。
　　上浮泥渣中的氣泡究竟來自何處？筆者經(jīng)過分析，對下列可能的成因進(jìn)行了甄別：
1、 池底沉泥厭氧發(fā)酵
　　柵條反應(yīng)池和斜管沉淀池的穿孔排泥管存在排泥不徹底的缺點(diǎn)，導(dǎo)致積泥區(qū)沉泥聚集板結(jié)，時間一長厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳及少量的硫化氫等氣體。然而通過現(xiàn)象4證明，即使池體放空并清除底部積泥重新進(jìn)水后，絮體上浮現(xiàn)象依舊發(fā)生，該條可以排除。
2、 藻類作用
　　盡管原水取自一條微污染河流，水體中在某些季節(jié)藻類含量可能較高。如果藻類呼吸、光合作用強(qiáng)烈，可觀測到產(chǎn)氣現(xiàn)象。但即使在春季沉淀池發(fā)生絮體上浮現(xiàn)象時，在取水點(diǎn)取樣進(jìn)行燒杯試驗，并未發(fā)生礬花上浮現(xiàn)象。并且現(xiàn)象2證明，即使冬季室外溫度在-2℃至10℃之間，藻類不宜生長的條件下，沉淀池絮體上浮現(xiàn)象依舊發(fā)生，藻類產(chǎn)氣的因素也可以排除。
3、 水泵夾氣
　　水泵壓水管至柵條反應(yīng)池入口的管路處于正壓狀態(tài)，基本沒有進(jìn)氣可能。而府河常年水位不高，取水泵大部分時間處于抽吸式工況運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)有以下進(jìn)氣的可能：
　?、俦皿w本身漏氣：雙吸離心泵采取填料密封，當(dāng)泵的吸入口處于負(fù)壓狀態(tài)時，空氣可能從軸封處進(jìn)入泵體。
　?、谖浑y以滿足吸水管喇叭口最小浸沒水深的要求：三條虹吸管內(nèi)淤積和結(jié)垢現(xiàn)象使過水?dāng)嗝婵s小,以及實(shí)際流量比設(shè)計流量增大,造成水流經(jīng)過虹吸管的水頭損失加大。當(dāng)河水位較低時，水面產(chǎn)生的旋渦可能將氣體卷帶進(jìn)入吸水管。
　?、郾梦苈猓河捎趯?shí)際取水量已經(jīng)超過設(shè)計值、吸水管壁結(jié)垢、吸水井水位下降等原因，離心泵長期在汽蝕工況下運(yùn)行,吸水管路存在局部穿孔漏氣的可能性是存在的。
　　通過上述分析，證明水泵夾氣是上浮泥渣中氣泡的主要來源。
　　那么水泵夾氣影響沉淀池絮體上浮的機(jī)理如何?其它觀察到的工程現(xiàn)象如何解釋？
　　筆者認(rèn)為可以從以下幾個方面進(jìn)行闡述：
　　1、形成沉淀池“氣浮”現(xiàn)象的機(jī)理主要是氣體的溶入與析出。根據(jù)亨利定律可知，氣體在水中的溶解度與所受的壓力成正比。當(dāng)取水泵夾氣以后，水、氣通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)得以充分混合。水通過水泵獲得能量，氣體在高壓的作用下向水中溶解。溶入的空氣量與溫度、壓力、進(jìn)氣的多寡、傳質(zhì)阻力、濃差擴(kuò)散速度等因素有關(guān)。^[6]當(dāng)水進(jìn)入敞開的反應(yīng)池時，壓力突然減小，氣體溶解度降低，不能在水中繼續(xù)穩(wěn)定存在而釋放出來，形成大量微小的氣泡，此時正處于絮凝劑在水中形成礬花及礬花長大的過程，氣泡與礬花粘附，使礬花上浮。已粘附有氣泡的絮粒之間互相碰撞時，通過吸附架橋生成更為穩(wěn)定的夾氣絮粒，因此可以觀察到在大量細(xì)碎礬花上浮的過程中間或夾雜有大塊礬花團(tuán)。
　　2、清潔的水體表面張力大，產(chǎn)生的氣泡易破裂，不利于氣浮。而當(dāng)原水被生活污水、農(nóng)藥及其它化學(xué)物質(zhì)污染時，含有一定量的表面活性劑物質(zhì)，有利于溶氣水形成穩(wěn)定的微氣泡，有利于氣泡與絮體的粘附。觀察氣泡的形態(tài)，微小氣泡極為穩(wěn)定，其中的氣體不易通過氣泡破裂而釋放出來。該因素可能是沉淀池絮體上浮現(xiàn)象的重要成因之一。同時原水中不同程度地含有纖維素、油類等密度接近或小于水的污染物也可能對沉淀池絮體上浮造成一定的影響。
　　3、絮粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)對其上浮的影響：
　　具有疏松結(jié)構(gòu)的絮粒由于具有較大的孔隙，有利于加快氣泡的擴(kuò)散和粘附，氣浮性好，而密實(shí)絮粒則氣浮性能差。^[5]原水濁度較高時，形成的礬花密集、細(xì)小、結(jié)實(shí)，氣泡在礬花表面的粘附量有限，很難將礬花浮起。原水濁度低時，形成的礬花結(jié)構(gòu)疏松而質(zhì)輕，礬花表面和孔壁被大量氣泡粘附后很容易被浮起。
　　斜管沉淀池絮體上浮時，用1L燒杯在加速澄清池二反應(yīng)室取樣做靜沉試驗，發(fā)現(xiàn)形成的礬花密集而結(jié)實(shí)，呈下沉趨勢，5分鐘后大部分礬花已沉入杯底，部分沉入杯底的礬花表面粘附有微小氣泡。在加速澄清池中，投入絮凝劑的原水和呈懸浮狀的高濃度回流泥渣之間通過接觸絮凝作用,生成密實(shí)易沉的粗大絮粒，氣泡即使粘附在這種絮粒的表面也難將其浮起。筆者曾觀察到這樣一個案例：某座加速澄清池停池清洗后，發(fā)生泥渣上浮現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查，工人清洗時將池內(nèi)泥渣全部排空，在回流泥渣尚未形成的情況下按正常水量進(jìn)水運(yùn)行。此后采取辦法形成回流泥渣，現(xiàn)象也隨之消失。這個案例恰從反面證明了回流泥渣參與接觸絮凝產(chǎn)生的密實(shí)絮粒難以被氣泡浮起的事實(shí)。
　　控制投礬量可以抑制絮體上浮現(xiàn)象的發(fā)生。筆者在2004年冬季現(xiàn)象發(fā)生時對兩組斜管沉淀池進(jìn)行了生產(chǎn)對比試驗，一組仍按照原量加礬，一組只少量投加。一段時間后發(fā)現(xiàn)少量加礬的一組沉淀池雖然出水較渾濁，但是絮體上浮現(xiàn)象逐漸減輕和消失，而另一組沉淀池則現(xiàn)象依舊。筆者認(rèn)為在低濁度下，原水按常量加礬形成的礬花呈小雪花狀，結(jié)構(gòu)疏松、多孔隙，氣體很容易粘附在礬花表面和內(nèi)壁，使礬花上浮；而在原水中少量投礬，微絮凝所形成的微小絮粒很難被氣泡粘附，現(xiàn)象自然不會發(fā)生。
　　4、溶入的氣體受傳質(zhì)阻力、濃差擴(kuò)散速度、氣泡成長、聚集速度等因素影響，釋放速度緩慢。^[6]水泵夾氣量較大時，氣體直至沉淀池還在大量析出，造成大量礬花上?。环粗畾怏w到反應(yīng)池末端已基本析出，因此只能看到反應(yīng)池分格中被上浮的礬花覆蓋。

四、解決方案：

　　斜管沉淀池絮體上浮產(chǎn)生的機(jī)理可解釋為“加壓溶氣氣浮”現(xiàn)象，成因可歸結(jié)為三點(diǎn)：①原水中溶入夾氣；②原水低濁并含有利于“氣浮”作用的污染物；③在工藝過程中不適量地投加絮凝劑?？梢詮囊韵聨追矫婵紤]解決問題的方法：
　　1、原水中的溶入氣體主要來自水泵夾氣。檢查水泵的軸封，觀察到填料處沒有壓力水滲出。揭開泵蓋，發(fā)現(xiàn)水封環(huán)沒有對準(zhǔn)水封管口，水封沒有起到作用。更換填料并調(diào)整水封后，沉淀池內(nèi)礬花上浮明顯減少，但并沒有完全消失。因此吸水管和喇叭口還有吸入空氣的可能。而檢查吸水井內(nèi)四臺水泵吸水管的漏氣點(diǎn)非常困難，所以可以從降低取水頭至吸水井水頭損失，提高吸水井內(nèi)水位優(yōu)先考慮。一方面清除取水頭部格柵處的淤積物，發(fā)現(xiàn)清淤后吸水井內(nèi)水位上升了50cm，沉淀池的上浮礬花逐漸消失；另一方面則考慮增設(shè)一條虹吸管，采取此措施既減小了旋渦卷帶空氣進(jìn)入吸水管的可能性，又降低了水泵在汽蝕工況下運(yùn)行的機(jī)率，是一舉兩得的長久辦法。
　　2、筆者在現(xiàn)象發(fā)生時曾用兩只1L燒杯從反應(yīng)池末端取樣進(jìn)行靜沉對比試驗：一只燒杯中的試樣不作任何處理，向另一只燒杯中加入適量粘土并用玻棒強(qiáng)烈攪拌1分鐘，30分鐘后觀察發(fā)現(xiàn)未加粘土的燒杯中大量礬花浮于表面，而加入粘土的試樣水色清亮，礬花已大部分沉于杯底。由此從試驗得到啟發(fā)，向反應(yīng)池中投入適量粘土提高原水的濁度可以抑制礬花上浮的發(fā)生。此間進(jìn)行生產(chǎn)試驗，向一組反應(yīng)池中投入適量粘土，另一組反應(yīng)池未作其他處理，一段時間后發(fā)現(xiàn)進(jìn)水中投入粘土的反應(yīng)沉淀池礬花上浮現(xiàn)象逐漸消失，而另一組則現(xiàn)象依舊。該辦法在不投入大量人力的前提下是可行的，有條件的單位則可以考慮用計量泵投加PAM等助凝劑。
　　3、在前述的生產(chǎn)試驗中已提及控制投礬量可以有效抑制礬花的上浮。因為礬花上浮的現(xiàn)象都發(fā)生于原水低濁期間，濁度在20NTU左右，因此可以根據(jù)實(shí)際情況少量投礬，采取微絮凝直接過濾的處理方法。
　　4、要防止反應(yīng)沉淀池超負(fù)荷運(yùn)行，使水流在反應(yīng)池內(nèi)停留時間縮短來不及將溶入氣體析出，而將大量氣體帶入沉淀池。
　　5、鑒于原水水質(zhì)受輕微污染，枯水季節(jié)含有較高濃度的藻類、有機(jī)物，而且常年濁度不高，但在渾水季節(jié)濁度短時間內(nèi)可以升至6000—8000NTU的實(shí)際情況，可考慮將原有的斜管沉淀池改造成異相流斜管浮沉池，濁度高時用斜管沉淀，濁度低時用氣浮。當(dāng)采取氣浮方式運(yùn)行時，由于氣泡捕捉絮粒的機(jī)率很高，一般不存在“跑礬花”現(xiàn)象，因此出水水質(zhì)較好，有利于后續(xù)處理中濾池沖洗周期的延長、沖洗耗水量的節(jié)約。特別是在原水中含有藻類、有機(jī)雜質(zhì)多以及冬季低溫、低濁采取沉淀工藝難以處理的情況下，采取氣浮工藝將會有明顯的效果。

參考文獻(xiàn)

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6、王寶林、韓硯萍.氣體對常規(guī)水處理工藝的干擾和解決辦法.中國給水排水，2000，（11）.

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二○○五年三月