工业水站改善水质降低能耗

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  【摘 要】在现有设施基础上对工业水站运行情况进行分析,重新设计计算斜板沉淀工艺,改良混凝剂的使用工艺,改进重力滤池过滤效果,达到改善工业水水质要求;通过优化工艺达到节能降耗的效果。
  【关键词】工业水站;水质改善;节能降耗
  1.前言
  桥口坝厂区工业用水由自备水站供水,用水量200m3/d。其工业水站建于1964年,水质处理采用以斜管沉淀加滤池为主的净水处理工艺。近年来随一品河水质的恶化,水站运行负荷加大,管道有堵塞现象、设备老化、过滤效果不好,水质发生恶化,斜管沉淀池中清水区都出现了大量的藻类物质,SS、浊度偏高。出水多项指标达不到工业用水要求。
  由于悬浮物及浊度偏高,导致重力无阀滤池过滤负荷增大,从过滤到反冲洗之间时间不断缩短,改造前期平均每半小时反冲洗一次,排放掉约100立方水,约为无阀滤池一半的水量,每天工作8小时,排放水量为1600方水,而相同水量的水从河里抽取,到混凝到沉淀等环节消耗的能源为370度电,20kg碱式氯化铝,每月浪费的费用约为1.8万元。
  因此目前工业水站的水质处理效果差,能耗极高,生产现场使用的循环水结垢多,影响换热效率。为满足生产用水,必须对现有处理设施进行改造和新建部分处理设施、优化运行管理方案,使整个处理系统运行稳定,操作安全便捷,各项水质指标达到工业用水水质标准,污泥合理处置。
  2.目标及可行性分析
  2.1水质提升目标
  遵照公司要求,工业水站要充分发掘现有处理设施的潜能,能恢复的恢复,能利用的处理设施要尽量利用,不盲目添置新的处理设施,要尽可能节约投资费用。为此此次提升工业水站水质从悬浮物、着色物等的去除以及溶解盐类的去除为主。在现有工况及设备设施的情况下可以通过优化工艺提升水质,降低进入无阀滤池悬浮物的总量,保证无阀滤池的稳定、高效运行,满足节约能源降低药耗,达到经济运行的效果。
  2.2可行性分析
  目前桥口坝工业用水水质处理主要有5个环节,河水经加药到反应池反应,然后到沉淀池沉淀,到无阀滤池进行过滤,到清水池储存,经泵送至生产单位。
  由于目前工业水站的水质问题集中在悬浮物、浊度,溶解盐等问题上,要想提高水质,在目前的基础设施条件下,可以从加药混凝,沉淀,过滤三个环节上进行改进。
  加药混凝环节:由于目前我们工业水站中使用的是聚合氯化铝(碱式氯化铝),它形成絮凝体快且颗粒大而重,易沉淀,适用的PH值范围较宽,在5-9 之间。但它的加入量不宜过多,否则也会使水发浑。聚合氯化铝水解和缩聚反应交错进行,与水中胶体微粒最终生成中性氢氧化铝而沉淀。在反应水解过程中,并且不断有H+解离出来,这会降低水的PH值,对水解产生Al(OH)3不利,进入循环冷却水系统后,由于循环冷却水PH 值自然升高,在换热系统中会有氢氧化铝沉淀,产生污垢。故考虑适当添加一些石灰,以提高PH值,满足水解反应的需要。
  考虑到工业水站中藻类较多,需要水处理系统中加氯,其目的是为了抑制水中的微生物、菌类、藻类的生长与繁殖。
  为充分满足混凝反应要求,混凝反应流速以0.6-0.15米/秒为宜,反应时间不低于15-20分钟,而目前采用的水泵为174m3/h,DN200管径,管内流速为1.5米/秒,流速太快,混凝反应不好,改为流量为42m3/h的潜水泵,DN200管径,管内流速为0.37米/秒,可以提高混凝反应效果。
  沉淀环节:通常工业水站使用的沉淀方式是平流沉淀或者斜管沉淀方式。并且斜管沉淀池按管内水流方向可以分为横向流、上向流、下向流、前向流及后向流等五种。由于上向流的水流方向与沉泥的滑行方向相反,因而又称异向流;下向流的水流与沉泥方向一致,故又称同向流。原有工业水站斜管沉淀采用的是同向流沉淀方式。但通过计算并结合工程实际,异向流斜管沉淀池沉淀效果更好。此外,通过提高斜管在沉淀池内的位置,为混凝后的水进入沉淀池留下足够的布水空间,将进入斜管沉淀池的水流调整为水平平向,形成平流沉淀后进入斜管沉淀。这样科学合理的进水和配水布置设计可以将异向流斜管与平流沉淀结合起来,使斜管沉淀区的负荷达到均匀。
  由于现有基础设施的限制,我们可以根据进入沉淀池后在池内沉淀时间、池内流速、水深,按照斜管沉淀“特性参数”原则,选择斜管形态。以斜管内平均流速,颗粒沉降速度,管长,管径,倾角等参数,改善颗粒在斜管内沉降效果。因此我们要求出水浊度在5毫克/升以下,上升流速控制在4-5毫米/秒,斜管沉淀池穿孔墙孔眼流速控制在0.02-0.05m/s时(原穿孔墙孔眼共4个为350mm*400mm,在原有水泵情况下流速为0.125m/s,需改善),推算斜管的选用情况:
  工业水站采用水流为异向流。斜管沉淀区液面负荷,按运行经验确定,采用9.0~11.0。水站目前日供水量为200m3/d(按8小时工作时间计为0.07 m3/s)。
  选用蜂窝六边形塑料斜管,管径为25~35 毫米;根据雷诺数及弗鲁德数,采用上升速度v=3mm/s,假定颗粒沉降速度v=0.4mm/s,斜管倾角为60°,利用系数95%。
  斜管计算如下:
  (1)清水面积A=Q/v=0.07/0.003=23.3m2,约为24 m2。
  斜管部分面积=24×(100/95)=25.26m2。
  (2)目前沉淀池进水方式为:5米长度方向有4个进水孔。
  为改善流速,可以将穿墙入水口扩到到450mm*450mm;配合流量为42m3/h的取水泵,可以将流速控制为0.03 m/s。
  (3)斜管长度L
  斜管管内水流速度v=v/sin60°=3.0/0.866=3.5mm/s,
  考虑水量波动的情况,管内流速按4 mm/s计算,查阅正六边形斜管L/d计算曲线,管内流速为4 mm/s时,L/d=32,当d=25mm,则L=32×25=800mm。   考虑超管端紊流,积泥等因素,斜管需留过渡区,过渡区采用200mm,斜管总长为以上两者之和,为1000mm。
  (4)沉淀池高度
  清水区高1.2m,布水区高1.5m(原布水区为1.3m),斜管高1000×sin60°=0.87m,穿孔排泥斗槽高0.8m,超高0.3m,池子总高H =0.3+1.2+1.5+0.87+0.8=4.7m。
  斜管安装长度=L×cos60°=1×0.5=0.5m
  穿孔墙布于布水区1.5m的范围内。
  因此,可以根据以上计算情况可以在目前基础设施不做较大变动的情况下,调整沉淀池内布水区的高度,改进斜管的方向与长度,改进反应池到沉淀池入水孔的口径,以改善水流速度,改善沉淀效果。
  重力式无阀滤池环节,目前无阀滤池内采用的是滤料为双层滤料,上层为密度小、粒径大(1.2-1.6)的无烟煤,厚度300mm;下层为密度大、粒径小(0.5-1.0)的石英砂,厚度400mm。双层滤料对进水浊度要求较低,出水浊度可以降低到5mg/L,但由于河水中存在较多铁离子,含铁量在4-30ml 左右。铁离子极易污染离子交换树脂,使树脂中毒而降低交换能力。当用含铁水做锅炉补给水时,容易在锅炉受热面上结成铁垢,不仅影响传热,还易引起管壁腐蚀。冷却水中铁含量超过0.5mg/L时,会促使铁细菌繁殖,产生的粘泥除会堵塞管路外,还会加速换热设备的腐蚀,因此,除铁要引起足够的重视。以前重力无阀滤池没有考虑除铁,此次需要考虑曝气除铁和锰砂过滤除铁。
  增加跌水曝气是将以前进入无阀滤池的管道拆除,将重力式无阀滤池的跌水装置的高度适当增加,将沉淀后的水提至无阀滤池入口后经溢流堰自高处自由下落,使水变薄变细。水在下落过程中,可与空气充分接触,达到曝气目的。调整后跌水高度在1m时,可满足含铁量在5-10mg/L的地下水除铁的要求。
  重力无阀滤池结构示意图
  原有过滤池中采用的是不同细度的石英砂及无烟煤,考虑到能更好除铁,在滤料中增加锰砂除铁。天然锰砂中含有MnO2,它是Fe2+氧化成Fe3+的良好催化剂,形成Fe(OH)3沉淀物,经锰砂层过滤后除去。锰砂过滤除铁反应中,仍要求水中有足够的溶解O2。因此,锰砂过滤除铁将曝气装置和锰砂过滤结合在一起有较好效果。
  3.实施过程
  根据前面分析情况,增加加氯装置一套,采用前加氯,加在混合器前起杀藻及氧化助凝作用,从分析中考虑到原水藻类含量较高,最大加氯量取4mg/L;为降低投资,没有购置新设备而是采用氯片加入到混凝剂药桶中,混合均匀后与混凝剂相同随泵的启停工作,每日加氯量为0.8Kg/d。加氯间至加氯点可以采用DN20的ABS工程塑料管。增加加氯环节后系统,降低出水SS、细菌等污染物含量。
  为改善混凝反应效果,在满足日常供应商供应量的情况下,选择1台潜水泵,型号为SJ42-6,扬程54米,流量42m3/h,并且采用潜水泵后,在暴雨季节可以减少河边活动泵房调整及管网更换的工作量,降低安全风险。
  斜管沉淀池:首先将入水口扩大到到450mm*450mm,降低水流速度,降低水的雷诺数,提高沉淀池内下部布水区域的空间,提高平流沉淀的效果,将原有斜管安装高度从距离入水口底部1.3米提高到1.5米,安装斜管方向采用逆向水流方向,使水流在沉淀池内到头后折返进入斜管沉淀,根据前面设计计算,采用长度为1米,直径为35mm的正六边形蜂窝斜管,以倾角60度的方式安装在沉淀池内,以改善沉淀效果。安装过程中,根据斜管沉淀池填料支架安装施工图,先将填料支架安装到位,检查所有焊接结点牢靠、支架强度足以承受填料重量,并在支架表面完成防腐处理;将烫接后的填料单元在填料支架上部自左向右进行组装,始终保持60°角不变。由于蜂窝斜管填料比重为0.92略小于水,斜管填料在池内组装到位后需要在填料上方自左向右方向拉上10mm的扁钢进行加固,扁钢两端在沉淀池池壁上可靠固定,可以很好地防止斜管填料在初期使用时有可能发生的松动上浮现象。
  斜管沉淀示意图
  无阀滤池结构改造部分:拆除原有布水管线,提高布水口高度,满足落差1m要求,进行跌水曝气。无阀滤池滤料的优化:首先打开无阀滤池,对内部的滤沙全部铲除,重新铺滤料,滤料层改为三层滤料,上层为密度小、粒径大(2-4)的无烟煤,厚度250mm;中层为密度较大、粒径小(1-2)的锰砂,厚度200mm下层为密度大、粒径小(0.2-0.4)的石英砂,厚度250mm,滤层共700mm厚,通过增加锰砂层达到去除水中铁离子的作用。
  通过以上两个部分的改进,达到优化无阀滤池的运行条件,尽可能提高系统的处理效果,降低后续处理难度。
  工业水站整体施工安排从5月20日开始,到6月28日结束,共计38天,在不影响生产的情况下,边施工边供水,完成了潜水泵的安装调整,反应池及斜管沉淀池清掏除藻,重力无阀滤池垫层清掏及跌落布水高度的施工,无阀滤池垫层及滤层的更换及相应破损管线整改,水站系统阀门的维修更换,管线除锈防腐,以及后期运行调试等工作,确保斜管沉淀池始终保持良好的运行状态及令人满意的出水水质。
  4.结论
  通过更新取水泵,改善管道流速及混凝效果,采用加氯除藻,调整斜管斜管沉淀池布水口流速,扩大平流层高度,强化了混凝、沉淀的处理效果,降低进入无阀滤池悬浮物的总量;对无阀滤池采取曝气布水,增加锰砂除铁,优化滤料的配比,达到了优化工业水站工艺的目的,同时由于处理后的工业水PH值及铁含量降低,对改善后续循环水及锅炉用水也起到了积极的作用。
  实施后处理后水质指标为:pH=6.0-7.0;浊度:1NTU;色度:5ppm;总硬度:48ppm;SS:4ppm;总铁:0.1ppm;余氯:0.5ppm;基本满足工业用水水质标准。 目前,工业供水正常,重力无阀滤池反冲洗的周期大大延长,基本为两周进行一次反冲洗,降低了反冲洗水的消耗,降低了能耗。
  5.后期打算
  因目前使用的混凝剂为聚合氯化铝,且库存较多,因此在使用完现有混凝剂后,为更好的改善沉淀效果,建议采用目前较新的聚合铁类混凝剂,甚至有机类化合物,新型混凝剂在使用过程中混凝效果比聚合铝要好些,形成矾花的速度快、颗粒大且重,因此沉降快,使用方便。
  由于反应池及沉淀池通过调整水的流速,改善了沉淀效果,但水中残余的藻类物质在阳光下暴晒的时间增长,光合作用的时间加长后,还是会产生少量浮萍,为此,为进一步降低水中藻类物资,一方面可以根据实际效果调整氯片的剂量,另一方面可以对反应池及沉淀池实施遮阳处理,可以进一步改善水质处理效果。
  由于沉淀池排泥采用穿孔管排泥,运行管理时积泥必须及时得到排放,发挥斜管沉淀池的最大效率,克服沉淀池因排泥不及时出现的“跑矾花”现象。建议每周进行一次手工排泥。
  参考文献:
  [1]《给水排水设计手册-城镇给水(第3册)》:上海市政工程设计研究院:中国建筑工业出版社2006.
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