气浮设备在水厂升级改造中的应用及自动化控制研究

0引言

近年来,韩江流域受水利设施、气候变化情况和经济生产活动的影响,水源水质逐年下降,原水低浊、多藻趋于常态化。随着韩江水质恶化,藻类大量繁殖,水体呈现暗绿色。藻类会阻止水中泥土胶体颗粒的碰撞,影响凝结效果,结成的矾花又松散又轻,在流动过程中容易被冲散,造成出厂水浊度高;同时,会产生土腥味,影响饮用水的口感,各供水厂都深受其扰。

1 升级改造前概况

我单位第一水厂的孔室絮凝斜管沉淀池(供水规模为20 000 m³/d)自20世纪90年代建成投入使用,至今已运行近三十年。该沉淀池具有结构简单、体积小、运行稳定和维护方便等优点。然而,该池反应和停留时间短、流速快,对原水水质浊度要求较高,存在一定的局限性。近年来,原水浊度低、含藻量高,导致孔室絮凝斜管沉淀池处理效果不佳,出水浑浊;滤前水藻类数量和浊度偏高,缩短了滤池的反冲洗周期,甚至在某些时段会造成滤床堵塞和板结,严重影响了正常供水。

气候变化导致年降水量有限,汛期泄洪减少,河床底泥未能及时排除,淤积情况日益严重。韩江的水质下降趋势逐年明显,且有加剧迹象。原水PH值^[1]和藻类含量升高的现象从以前的枯水期偶发到近几年的发生天数增加,近三年已是全年不定期发生,发生时间延长。2024年春节前后,原水PH值曾超过9.0,氨氮飙升至往年的三四倍,藻类数量也比上年峰值增加了一个数量级。

2升级改造工艺的选择

为解决水厂复杂原水的处理难题,参考城镇给水工程设计规范及气浮相关案例^[2],选择了气浮法^[3]作为主要的改造工艺。气浮法通过向水中注入或电解的方法产生大量微气泡,这些气泡与待处理水中的固体或液体污染物微粒粘附,形成密度小于水的气浮体。在浮力作用下,气浮体上浮至水面形成浮渣,实现固液或液体分离。该技术主要用于去除水中相对密度小于1的悬浮物、油类和脂肪,已在水处理工程中广泛应用^[4]。

本项目的供水规模为20 000 m³/d。为了提升水质处理能力,在原有孔室絮凝斜管沉淀池的基础上加装了气浮设备,将其升级改造为一种具备双重功能的可切换气浮沉淀池^[5]。

可切换式气浮沉淀池原理图如图1、图2所示。

这种池体在构造上与传统反应沉淀池保持一致,能够根据水质情况灵活切换处理模式:在高藻低浊度时采用气浮处理,在高浊度高含泥量时则切换回传统沉淀过程。这样的设计不仅能有效去除水中的悬浮物、胶体杂质,如泥沙、藻类和微污染有机物等,还提高了工艺的适应性和灵活性。

该升级改造方案巧妙地解决了多个技术难题,包括常规沉淀池在处理高藻和有机物微污染原水时的局限性,气浮池在高浊度原水条件下的不适应性。可切换式气浮沉淀池的设计允许在不影响正常生产的情况下,轻松地将传统反应沉淀池升级改造为新模式。通过停运气浮溶气系统^[7],可以迅速恢复至原沉淀池状态,且在气浮与沉淀模式之间切换时,水质保持稳定。这种池体设计提供了一种经济高效的解决方案,不仅适用于新建水处理工艺,而且尤其适合对现有常规反应沉淀池进行改造升级。

气浮系统工艺流程如图3所示。

3 气浮设备

3.1 设计参数

根据我单位第一水厂(供水规模为20 000m³/d)的气浮设备选型设计要点(处理水量、加压溶气水量、气浮所需空气量、空压机所需额定气量、溶气释放器/溶气罐直径和容积等)分别进行计算,得到以下参数(具体计算步骤本文不列出):处理水量为875 m³/h;加压溶气水量为70 m³/h,回流比取8%;气浮所需空气量为3 360 L/h;空压机所需额定气量为0.084 m³/min;溶气释放器的出流量为5.18 m³/h,作用直径为80 cm,溶气释放器个数为13.5;溶气罐直径为94.43091365mm,容积为3.5 m³,水在溶气罐中的停留时间取3 min。

3.2 主要设备选型

结合我单位第一水厂的供水规模和工艺实际情况,气浮设备主要有加压溶气水泵、溶气释放器、空压机、溶气罐和排渣设备等,如图4所示。

3.2.1加压溶气水泵

因我单位第一水厂需全天候24 h制水,为避免水泵电机长期不停工作,需要采用一用一备的加压溶气水泵。考虑到自动化生产,选用普轩特管道循环泵PFL100—200—22/2,功率22kW,转速2900r/min,流量100 m³/h,扬程50 m,利用ABBACS530变频控制,该变频水泵为主用水泵,能实现自动化控制;系统设置一套备用水泵,因选原水作为气浮用水现场施工距离远、开孔难度大,所以选用 自来水作为气浮用水,且自来水本身带有压力,根据管网水压并出于省电考虑,该备用水泵采用工频控制,选用南方泵业 TD100—22G,核定功率7.5 kW,转速2 900 r/min,扬程22 m,起到节能降耗的作用。

3.2.2溶气释放器

溶气释放器的型号及个数应根据单个释放器在选定压力下的出流量及作用范围确定^[8]。根据选定的溶气压力及加压溶气水量,选定TV—Ⅱ型释放器,该 释放器的出流量Qp=5.18 m³/h,作用直径80 cm。该释放器带有反冲洗装置,清洗周期为3个月/次。

3.2.3空压机

根据空压机所需额定气量为0.084 m³/min,并考虑安全效率系数(取1.5倍),选用的空压机额定气量必须大于0.126 m³/min。浙江红五环LW10008A活塞空气压缩机,其额定气量为0.17m³/min,额定功率7.5 kW,最高排气压力0.9 Mpa,能满足本项目气浮设备的要求。

3.2.4溶气罐

根据溶气罐所需溶气压力、回流比、直径、容积等要求,选用铨衡晟定制溶气罐,规格RQG—100,储气量0.9 m3,工作压力0.4 Mpa,能满足本项目气浮设备的要求。

3.2.5排渣设备

根据气浮池生产的需要采用水力排渣槽,即设计5个排渣槽,利用现场水流情况在反应区做可调节高度漏斗,利用水流推动浮渣进入漏斗,比起采用刮渣机排渣,能大大减少维护成本。在漏斗下方的排水管上设置排渣阀门控制排渣。

3.2.6其他设备

为维持溶气罐恒水位控制,采用浮球阀电气开关量触点机械控制进气电磁阀;为调节水压大小、藻类高低所需的气量和降低空压机运行频率,采用气量微调阀控制;因空压机输出气体中含有油水,气量微调阀出气孔较为精密,经常被油水堵塞,所以需在空压机后增加一台高精密空气净化器将油水分离;在变频水泵及工频水泵分别对应设置出水电动阀门控制是否进水;为实现自动化控制,需配套各类设备的控制箱。

其中气浮控制箱如图5所示。

4气浮设备控制原理及运行控制系统

当原水处于高藻低浊度时,通过自动化程序控制打开变频水泵及变频水泵对应的阀门(变频水泵,可通过压力传感器,利用设定的压力值自动调节变频水泵的频率大小,在自动化控制中是最值得推荐的;工频水泵为备用设备,对比变频水泵,其最大特点是省电),使水进入溶气罐,控制打开空压机,空压机的气体首先通过空气净化器将气体中含有的油水分离,再通过气量微调阀调节所需气量进入溶气罐,与罐内的水混合,最后通过安装在反应区的溶气释放器释放入水中,开始气浮工作,利用水流推动浮渣进入漏斗,并控制打开漏斗下方的排渣阀将浮渣排出;当原水处于高浊度时,通过自动化程序控制变频水泵、阀门、空压机、排渣阀关闭,变为普通沉淀池使用。因生产需要,气浮设备经常长时间工作,为避免变频水泵的电机工作时间过长发热或发生故障,正常情况下可通过自动控制程序设置切换到备用的工频水泵进行轮休(应根据电机的实际情况设定)。

气浮控制箱控制信号如图6所示。

气浮设备运行控制系统如图7所示。

在本气浮设备自动化控制系统中还设置了防误操作,即自动状态下要判定水泵已开才能打开阀门,判断水泵停止的话能关闭对应阀门;空压机如果连续运行5 min会报警关闭空压机,防止空压机输出气管、空气净化器、气量微调阀、气体流量计、手动球阀和气管快速接头等漏气使空压机连续工作而发热发生故障,在条件允许的情况下,建议增加一台空压机作为备用(一用一备),设置为联锁控制,当主用空压机故障或供气压力低于设定值时,启动备用空压机,并发出报警提示维护信号。

5运行效果

我单位第一水厂的升级改造工程已于2022年投运,选用的气浮设备在自动化控制中操作简单、反应速度快、安全性强、可靠稳定,使各气浮工艺单元运行良好,出水水质稳定。反应沉淀池区上层的水更加澄清、透明,含藻量大大减少,浊度下降到1.6NTU~3NTU之间;排泥周期由原来的8 h延长至24 h,滤池的反冲洗周期也由24 h延长至48 h,产水量提升了17个百分点;从改造后的生产情况来看,可以除去水中60%~80%的藻类,有效降低生产成本,提升出厂水水质,满足居民用水的质量要求。

本项目所采用的具备双重功能可切换气浮沉淀池及气浮设备操作系统与现有技术相比,具有以下技术创新的效果:与传统的沉淀池和气浮池相比,具备沉淀和气浮双重功能,适应各种原水水质,改造后不影响作为沉淀池使用的效果;可切换气浮沉淀池配合本气浮设备的 自动化操作,切换简单、效率更高、性能更安全可靠;相比较其他水厂浮沉池的改造升级项目,本项目不涉及结构,且施工工期和停水时间能大大缩短,改造费用大大减少。

6结论

本具备双重功能的可切换气浮沉淀池及气浮设备的升级改造项目资金投入少,设计精巧,除藻效果佳, 自动化生产降低了人工及操作失误率,不仅能满足居民用水质量,而且大大降低了停水频率,能实现增效降耗的效果;对原有孔室絮凝斜管沉淀池的改动小,增强了对水质浊度的适应能力。该项目在升级改造后,经过一年多时间的使用证明:在高藻低浊度时气浮设备能自动开启,利用气浮工艺自动除藻;在洪水到来浊度提高时气浮设备、排渣口能自动关闭,恢复传统沉淀效果。本项目升级改造的成功案例,为我单位第二水厂供水规模为100000 m³/d和60000 m³/d的升级改造奠定了基础。

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2024年第23期第14篇