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ACTIFLO® 微砂加重絮凝斜管高效沉淀技术 - 北京第九水厂的沉淀池改造

摘要 针对北京市第九水厂原水低温低浊及高藻类浓度的水质情况和出水要求，综合考虑实际工程情况和远期水质状况，北京自来水集团决定采用法国OTV先进的ACTIFLO®高效沉淀池工艺对九厂二期A处理线沉淀池进行改造，改造后处理能力由原来的每天25万吨提高到34万吨，工艺调试期间的运行记录表明，ACTIFLO®高效沉淀池对难处理的密云水库低浊度，高藻类的原水有稳定且良好的处理效果。
关键词 ACTIFLO®高效沉淀池 微砂 斜板沉淀

ACTIFLO® High Efficiency Lamella Settler with Micro-sand Ballasted Floc Technology – Beijing No.9 DWTP Settling Process Refurbishment

ABSTRACT Focusing on the raw water characteristics (low turbidity, low temperature and high algae concentration) and treated water quality requirement, and considering the real construction condition and future raw water quality of Beijing No.9 DWTP, Beijing Water Works Group Co., LTD decided to use French advanced ACTIFLO® High Efficiency Lamella Settler as the new settling process. After the refurbishment work, the settling capacity is increased from 250,000 m3/d to 340,000 m3/d. The records of commissioning showed that ACTIFLO® High Efficiency Settler has a good performance to treat the raw water with low turbidity and high algae.
KEYWORDS ACTIFLO® High Efficiency Settler Actisand Lamella settling

ACTIFLO®工艺简介

沉淀技术是将可沉淀的悬浮物从水中分离出去的工艺。对每种悬浮物的沉淀都遵循了可计算悬浮物沉降速度的斯托克斯公式。对斜板沉淀池来说，哈真速度和在沉淀池内的停留时间是计算沉淀池尺寸最常用的参数。但是，每类斜板沉淀池都有镜向流速(表面负荷)和哈真流速的比率，因此可以说斜板沉淀池的大小是根据镜向流速计算的。

通过投加混凝和絮凝剂可加速悬浮物的自然沉淀。在搅拌器的机械作用下，通过投加混凝剂可以打乱水中胶体悬浮物的静电平衡。同样在在搅拌器的机械作用下，通过投加絮凝剂有利于悬浮物的附着并形成较重的絮体，这样就更优化了沉淀。

在众多的沉淀技术中，ACTIFLO®沉淀技术结合了：
· 重力絮凝将悬浮物附着在微砂上，然后在高分子协助剂的作用下聚合成易于沉淀的絮凝物。
· 斜板沉淀技术大大提高了水的循环速度，因此减少了沉淀池底部的面积。

微砂絮凝和斜板（管）沉淀均以被法国OTV公司广泛运用，这两种技术原理的相互结合大大加快了沉淀速度和减少了絮凝时间。

ACTIFLO®技术已被运用了数十年并被证明其工艺是行之有效和可靠的，包括应用在以下这些通常被认为难于处理的特殊情况下：

· 河水由于洪水而会导致突发的浊度和悬浮物浓度的升高，这种情况会在传统的沉淀工艺和污泥层工艺中引发问题；
· 低温而导致的絮凝困难；
· 原水中有高色度和低浊度而引发的轻微絮化；
· 藻类生长旺盛的原水。

和污泥床工艺不同的是，ACTIFLO®工艺的性能不会受到温度的快速改变而受到影响；这点已经在加拿大的两个并列的全规模的实际运行设施（微砂加速沉淀对比污泥层沉淀）中得到证明。

与气浮工艺相比较，ACTIFLO®工艺具有良好的去除藻类的能力。在英国的业绩中，藻类浓度高达25,000个／ml，去除率根据不同原水为85％到95%，。在巴黎的Neuilly sur Marne厂中，藻类的去除率在log2.0-log3.5。去除率高是因为如下两个原因:

· 与带有微砂的浆液混合可以机械破坏（或打断）藻类细胞；
· 微砂的加速沉淀可以使本可能漂浮的藻类（如一些青绿藻类）沉淀下来。

因为微砂的悬浮作用，ACTIFLO®工艺可以产生稳定的沉淀效果甚至在进水的水质变化非常剧烈的情况下亦可。例如：Marne河的浊度在洪水时可高达400NTU，经过该工艺沉淀后（Neuilly-sur-Marne）的水的浊度小于1NTU；在马来西亚的Selangor，当进水中的浊度在两个小时内从500NTU变化到1,500NTU时，其沉淀后出水的浊度保持在2－3NTU。在相近的情况下，污泥层工艺可能需要数小时去产生反应，因为污泥层工艺的凝聚性能需要一定的时间恢复。

采用ACTIFLO®工艺，只需要十分钟就可以完成絮凝，只需要少于20分钟的沉淀就可以获得良好的处理水水质。

微砂加速沉淀工艺运行非常灵活，该工艺的开启和关闭相对简单，可以应付处理流量有很大变化的情况。对于处理水质，则可以通过调节微砂的回流率来迎合原水水质的突变（如浊度峰值的产生）。调节微砂的回流率可以通过调节回流泵工作的台数来实现。
北京第九水厂改造工程
二期A系列

北京第九水厂日处理能力为1,500,000 m3，是北京市最为重要的饮用水水厂之一。

第九水厂的水源来自北京市密云水库。考虑到北京市水源紧缺的问题，第九水厂亦可定期引入河北水源，远期将处理南水北调水源，。

下表汇总了密云水库6年的重要水质参数

表1：密云水库水质

水样名称
1998年
1999年
2000年
2001年
2002年
2003年
取样日期
平均值
平均值
平均值
平均值
平均值
平均值
检验项目
计算单位

浑浊度
NTU
1.96
1.38
1.07
1.10
1.72
2.8
水温
℃
7
6
8
11
8
10
嗅和味

土腥味2级
土腥味2级
土腥味2级
土腥味2级
土腥味2级
土腥味2级
色
度
5
6
6
8
7
10
溶解性固体总量
毫克／升
211
205
205
199
215
214
藻类
万个／升
68.2
198.0
167.0
294.2
249.2
401.2
细菌总数
cfu／毫升

11
25
32
总大肠菌群
cfu／升

0
0
132

由上表可以得出结论：密云水库的原水特性是低温低浊，且藻类较多，属于处理难度较大的原水。第九水厂二期A系列原有的侧向流斜板沉淀池的处理效果并不十分理想，对于浊度的去除率仅在20%到40%左右，个别情况下甚至会出现原水通过沉淀池后浊度反而增加的现象。因此，为满足沉淀池出水的要求，第九水厂迫切需要对原有沉淀池加以改造。另外，由于第九水厂采用预处理构筑物与后续滤池合建的方式，因此新的沉淀池可使用空间受到限制，大大增加了改造的困难程度，并且新的工艺必须顾及所有的上游及下游的现有构筑物（例如：进水分配井和煤滤池）。

本次第九水厂的改造工程针对的是二期A系列的反应沉淀工序，综合考虑密云水库的原水水质， ACTIFLO®沉淀池能够最大限度的满足所有的实际工程情况，例如可使用空间有限，目前到未来的水质变化，严格的出水水质要求，藻类的去除等，使用ACTIFLO®工艺不需要对现有构筑物进行大规模的变动和改造，并留有适当的挖潜发展的可能。

改建完成之后，第九水厂二期A系列的处理能力会从现有的250,000 m3/d 增至340,000 m3/d ，处理能力增加36%。并保证处理后水质满足下表的规定：

表2：ACTIFLO®出水保证值

进水浊度 NTU
ACTIFLO®出水浊度
0–100
< 1
100–500
< 2
500–1000
< 2
1000–2000
< 3
2000–3000
< 3

藻类去除率
>95%

第九水厂的改造工程采用4组ACTIFLO®沉淀池，其原理图如下：

图1：ACTIFLO®沉淀池原理图

每组ACTIFLO®均由下列部分组成：

混凝池

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。

混合池的容积可以保证在最大流量时的停留时间为3分钟。

投加池

粒径大约为80－100µm的微砂投加到投加池中，微砂持续更新已达到：

· 增加凝聚的几率,
· 保证合适的片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。

在投加池中，水的搅拌是迅速和猛烈的。

投加池的尺寸可以保证在最大流量时停留时间为3分钟。

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。

食品等级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促进絮凝体生成。

得益于微砂的加速絮凝，在相同的沉淀性能下，其速度梯度相当于10倍的传统的絮凝工艺。高的絮凝动力效用导致在搅拌时间有限和絮凝体积的有限的情况下颗粒间碰撞机率的增加。

柔和的搅动水体防止打断絮体。在该阶段中尽管其搅动强度小于先前的混凝阶段，但也足够能保持絮体的悬浮。 图2：熟化池中的絮体
熟化池的尺寸能满足在最大流量时其停留时间为8分钟。

沉淀池

沉淀效果的提高是基于：

· 微砂加速沉淀；
· 斜板的逆向流系统。

每隔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并由于重力的作用滑下。

由于大的镜向速率和斜板的60度倾斜可以形成一个连续自刮的过程。所以在斜板上没有絮体的积累。

由于很好的水力条件，经验成熟的斜管尺寸及材质的选择，由熟化池产生的矾花质密易沉淀，由于沉淀池内污泥收集区的独特设计，
图3：斜板模块

大部分污泥在未进入斜管区时已沉淀下来，污泥不会大量的累积以至堆积在斜管内，会自滑至沉淀池的底部，所以ACTIFLO®沉淀池的斜管不需要如普通斜管沉淀池那样经常的停产冲洗。

沉淀后的上清夜经由分布在斜板沉淀池顶部的集水槽收集后，进入后续滤池进行进一步处理。

北京第九水厂的沉淀区表面负荷为42.5 m3/m2/h

微砂和污泥的排除以及泥沙分离

微砂加速沉淀的污泥沉淀在斜板沉淀池的底部。一个旋转的带有刮板把沉淀的微砂和污泥混合物刮向中心坑中。污泥循环泵一天24小时连续抽取集中在中心坑中的污泥以防止堵塞。

排除的流量的多少依赖于进水水质的情况。循环泵把微砂和污泥输送到水力旋流分离器中。在离心力的作用下，微砂和污泥进行分离：微砂从下层流中得到收集，污泥从上层流中溢出然后通过重力流流向污泥浓缩池。水力旋流分离器分离出来的微砂直接投加到投加池中继续参与反应。

微砂的粒度系数和水力旋流分离器的选择性能保证了微砂的分离和循环。通过水力旋流分离器的溢流损失的微砂不超过3g/m3处理水，这个损失可以每周进行投加补充。

排除的污泥中含有很少量的微砂，按照我们的经验，污泥中含有的微砂不会对污泥的性质和处理产生特别的影响，其污泥可以按照通常的给水厂中产生的污泥来进行处理而不需要特殊的要求。

图5：水力旋流分离器 图6：澄清水收集槽
ACTIFLO®调试运行结果分析

为了突出ACTIFLO®工艺善于处理低浊水的特性，对于调试运行结果的分析将重点针对密云水库原水和ACTIFLO®沉淀池出水的浊度值进行比较。

第九水厂二期原水浊度与ACTIFLO®沉淀池出水浊度通过分别设置在处理线进水井和ACTIFLO®沉淀池出水渠的三台浊度仪进行测定，浊度仪每秒钟取一次读数，每小时由人工记录一次进出水的浊度。

第九水厂8月11日调试运行结果如图7，8所示，当日调试水量为250,000 m3/d，混凝剂PAC的平均投加率为10.5 mg/l， 高分子絮凝剂的平均投加率为0.13 mg/l。
图7比较了8月11日当天的进出水浊度值，图8则进一步显示了ACTIFLO®沉淀池的浊度去除率。如图所示，8月11日当天第九水厂的进水浊度大致分布在1.6 NUT到2.2 NTU的区间内，经过ACTIFLO®沉淀池预处理后，出水的浊度小于0.8 NTU，且出水水质较为平稳。一天内大部分时间内，对浊度的去除率高于50%，

图7：8月11日进出水浊度值

图8：8月11日ACTIFLO沉淀池浊度去除率

图9和图10显示了整个调试运行期间内，ACTIFLO®沉淀池对于浊度的去除效果的日平均值。值得注意的是，尽管调试期间处理水量和药剂投加量是变化的且不规律的，ACTIFLO®沉淀池对于浊度的去除效果却相对稳定，浊度的去除率主要分布在50%到70%的区间内，出水浊度主要分布在0.5 NTU左右，满足对于沉淀池出水浊度的要求。

图9：调试期间ACTIFLO沉淀池进出水浊度

图10：调试期间ACTIFLO沉淀池浊度去除率

对于原水与处理后水中藻类的检验，采用传统的视野法，所得部分数据如表3所示
表3：藻类检测结果

项目
进水藻类 万个/升
处理后水藻类 万个/升
去除率 %
1
25.8
2.9
88.8
2
27.0
2.9
89.3
3
23.0
3.0
87.0

由于今年密云水库入库量大， 因此第九水厂原水中的藻类浓度相对较低，从而增加了处理的难度，应外，ACTIFLO®沉淀池仍处于调试阶段，有关工艺还可以进行进一步的优化从而提高藻类的去除率，第九水厂也认为，在没有任何附加除藻措施的情况下，藻类的去除率能够达到85%以上，对于沉淀池出水来说，也是相当理想的。

结论
第九水厂的调试运行结果表明，原水经ACTIFLO®沉淀池预处理后，浊度降到0.8 NTU以下，在不加高锰酸钾强氧化剂和没有前加氯的情况下，对藻类的去除率大于85%。对比传统的饮用水预处理工艺，ACTIFLO®沉淀池对于处理低浊度，高藻类的原水有更理想的效果，并且由于ACTIFLO®沉淀池构造紧凑，占地面积小，在空间有限的条件下有良好的适用性。
参考文献

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