關 湛
湖北雙環化工集團有限公司水廠

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

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

一、概況簡介

　　雙環公司為全國最大的聯堿企業，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升至6000—8000NTU。采用河床式取水構筑物。河床主流處設菱形箱式取水頭，經三根Φ700的虹吸管引水至獨立的吸水井。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。取水頭設計洪水位與枯水位落差為13m，水泵在豐水季節為自灌式工作，在枯水季節為抽吸式工作。原水水質受輕微污染，取水點上游的一些造紙廠廢水及農田污水排入河中，同時取水點下游2km公司排污口排放的含油廢水和生活污水會在枯水季節擴散和回流至取水點水域。因此原水中隨季節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。
　　該水廠的凈水工藝流程如下圖：

二、工程現象

　　經過幾年的長期觀察，發現如下現象：
　　1、斜管沉淀池清水區每年會突然發生數次大量細碎礬花上浮，間或有大塊礬花團上浮的現象。上浮的泥渣聚集于孔式集水槽之間，厚度達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，反沖次數增加。
　　2、每次沉淀池突然發生絮體大量上浮現象持續的時間為數天到數周，然后會逐漸自然消失。發生的時間并無季節性差異，除每年豐水期沒有發生外，四季均有發生，表現為突發性和間隔性。現象發生時河水位低，原水濁度不高。
　　3、柵條反應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。當沉淀池出現大量絮體上浮時，反應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，曾在現象發生時對反應池和沉淀池進行全面清洗，打開斜管將積泥區泥渣全部清除，然后進水運行，絮體依舊上浮。
　　5、斜管沉淀池發生絮體上浮現象時，機械加速澄清池極少出現類似狀況，僅在2004年冬季一次停池清洗后發生過。
　　6、斜管沉淀池絮體上浮現象發生時，減少投礬量，可以發現絮體上浮明顯減少甚至消失。

三、成因分析

　　現象發生時，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。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定，很少有氣泡的合并和破裂現象發生。用1L燒杯在反應池末端取樣進行30分鐘靜沉試驗，發現礬花顆粒結構疏松、質輕，呈懸浮狀態，5分鐘后懸浮礬花開始上浮，上浮的礬花表面和內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。因此初步推斷認為絮體上浮與原水中夾氣存在一定的因果關系。
　　上浮泥渣中的氣泡究竟來自何處？筆者經過分析，對下列可能的成因進行了甄別：
1、 池底沉泥厭氧發酵
　　柵條反應池和斜管沉淀池的穿孔排泥管存在排泥不徹底的缺點，導致積泥區沉泥聚集板結，時間一長厭氧發酵，產生甲烷、二氧化碳及少量的硫化氫等氣體。然而通過現象4證明，即使池體放空并清除底部積泥重新進水后，絮體上浮現象依舊發生，該條可以排除。
2、 藻類作用
　　盡管原水取自一條微污染河流，水體中在某些季節藻類含量可能較高。如果藻類呼吸、光合作用強烈，可觀測到產氣現象。但即使在春季沉淀池發生絮體上浮現象時，在取水點取樣進行燒杯試驗，并未發生礬花上浮現象。并且現象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，沉淀池絮體上浮現象依舊發生，藻類產氣的因素也可以排除。
3、 水泵夾氣
　　水泵壓水管至柵條反應池入口的管路處于正壓狀態，基本沒有進氣可能。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行，發現有以下進氣的可能：
　　①泵體本身漏氣：雙吸離心泵采取填料密封，當泵的吸入口處于負壓狀態時，空氣可能從軸封處進入泵體。
　　②吸水井水位難以滿足吸水管喇叭口最小浸沒水深的要求：三條虹吸管內淤積和結垢現象使過水斷面縮小,以及實際流量比設計流量增大,造成水流經過虹吸管的水頭損失加大。當河水位較低時，水面產生的旋渦可能將氣體卷帶進入吸水管。
　　③泵吸水管漏氣：由于實際取水量已經超過設計值、吸水管壁結垢、吸水井水位下降等原因，離心泵長期在汽蝕工況下運行,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理如何?其它觀察到的工程現象如何解釋？
　　筆者認為可以從以下幾個方面進行闡述：
　　1、形成沉淀池“氣浮”現象的機理主要是氣體的溶入與析出。根據亨利定律可知，氣體在水中的溶解度與所受的壓力成正比。當取水泵夾氣以后，水、氣通過葉輪高速旋轉得以充分混合。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、進氣的多寡、傳質阻力、濃差擴散速度等因素有關。^[6]當水進入敞開的反應池時，壓力突然減小，氣體溶解度降低，不能在水中繼續穩定存在而釋放出來，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定的夾氣絮粒，因此可以觀察到在大量細碎礬花上浮的過程中間或夾雜有大塊礬花團。
　　2、清潔的水體表面張力大，產生的氣泡易破裂，不利于氣浮。而當原水被生活污水、農藥及其它化學物質污染時，含有一定量的表面活性劑物質，有利于溶氣水形成穩定的微氣泡，有利于氣泡與絮體的粘附。觀察氣泡的形態，微小氣泡極為穩定，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、絮粒的結構形態對其上浮的影響：
　　具有疏松結構的絮粒由于具有較大的孔隙，有利于加快氣泡的擴散和粘附，氣浮性好，而密實絮粒則氣浮性能差。^[5]原水濁度較高時，形成的礬花密集、細小、結實，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，形成的礬花結構疏松而質輕，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室取樣做靜沉試驗，發現形成的礬花密集而結實，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，發生泥渣上浮現象。經調查，工人清洗時將池內泥渣全部排空，在回流泥渣尚未形成的情況下按正常水量進水運行。此后采取辦法形成回流泥渣，現象也隨之消失。這個案例恰從反面證明了回流泥渣參與接觸絮凝產生的密實絮粒難以被氣泡浮起的事實。
　　控制投礬量可以抑制絮體上浮現象的發生。筆者在2004年冬季現象發生時對兩組斜管沉淀池進行了生產對比試驗，一組仍按照原量加礬，一組只少量投加。一段時間后發現少量加礬的一組沉淀池雖然出水較渾濁，但是絮體上浮現象逐漸減輕和消失，而另一組沉淀池則現象依舊。筆者認為在低濁度下，原水按常量加礬形成的礬花呈小雪花狀，結構疏松、多孔隙，氣體很容易粘附在礬花表面和內壁，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，現象自然不會發生。
　　4、溶入的氣體受傳質阻力、濃差擴散速度、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，造成大量礬花上浮；反之氣體到反應池末端已基本析出，因此只能看到反應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生的機理可解釋為“加壓溶氣氣浮”現象，成因可歸結為三點：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。可以從以下幾方面考慮解決問題的方法：
　　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，發現水封環沒有對準水封管口，水封沒有起到作用。更換填料并調整水封后，沉淀池內礬花上浮明顯減少，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。而檢查吸水井內四臺水泵吸水管的漏氣點非常困難，所以可以從降低取水頭至吸水井水頭損失，提高吸水井內水位優先考慮。一方面清除取水頭部格柵處的淤積物，發現清淤后吸水井內水位上升了50cm，沉淀池的上浮礬花逐漸消失；另一方面則考慮增設一條虹吸管，采取此措施既減小了旋渦卷帶空氣進入吸水管的可能性，又降低了水泵在汽蝕工況下運行的機率，是一舉兩得的長久辦法。
　　2、筆者在現象發生時曾用兩只1L燒杯從反應池末端取樣進行靜沉對比試驗：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烈攪拌1分鐘，30分鐘后觀察發現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，向反應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生。此間進行生產試驗，向一組反應池中投入適量粘土，另一組反應池未作其他處理，一段時間后發現進水中投入粘土的反應沉淀池礬花上浮現象逐漸消失，而另一組則現象依舊。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。因為礬花上浮的現象都發生于原水低濁期間，濁度在20NTU左右，因此可以根據實際情況少量投礬，采取微絮凝直接過濾的處理方法。
　　4、要防止反應沉淀池超負荷運行，使水流在反應池內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、鑒于原水水質受輕微污染，枯水季節含有較高濃度的藻類、有機物，而且常年濁度不高，但在渾水季節濁度短時間內可以升至6000—8000NTU的實際情況，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。當采取氣浮方式運行時，由于氣泡捕捉絮粒的機率很高，一般不存在“跑礬花”現象，因此出水水質較好，有利于后續處理中濾池沖洗周期的延長、沖洗耗水量的節約。特別是在原水中含有藻類、有機雜質多以及冬季低溫、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

1、嚴煦世主編　 給水工程，第四版.北京:中國建筑工業出版社，1999.
2、張自杰主編　 排水工程（下冊），第四版.北京:中國建筑工業出版社，2000.
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5、鐘淳昌主編　 凈水廠設計.北京:中國建筑工業出版社，1986
6、王寶林、韓硯萍.氣體對常規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