微涡旋工艺在农村供水工程中的应用及效益分析

谌贻胜，朱兰兰

(1.江西省赣西土木工程勘测设计院，江西 宜春 336000；2.江西省宜春市土木工程总承包有限公司，江西 宜春 336000)

为了提高农村供水保障程度，江西省于2020年下发了全面推进城乡供水一体化的指导意见，要求运用先进实用的水处理工艺与消毒技术，以及自动化控制与现代信息技术等，建立从源头到龙头的供水安全保障体系，全面提高供水质量与管理水平，实现城乡供水同标准(供水水质和供水保证率)、同管理、同服务[1-4]。饮用水水质达到国家规定的标准，农村居民喝上安全水、放心水、幸福水的愿望基本实现。

近年来，我国兴建了大量农村供水设施。但由于我国幅员辽阔，农村情况各异，部分工程存在供水设施简单，供水保障程度低等问题。部分偏远山区农村供水工程，仅采用“慢滤”作为净化工艺，下雨天地表冲刷导致进水浊度增大时，出水浊度超标的情况较普遍。农村日益提高的生活水平与供水可靠性之间的矛盾越来越突出[5]。

微涡旋混凝工艺是提高农村水厂净化效果的方法之一，主要是通过在反应区投加微涡旋反应器，提高混凝反应效率，提高水厂出水水质，降低水厂运行管理难度，从而提高水厂供水可靠性[6]。

1 微涡旋工艺原理

混凝是自来水处理中最重要的净化过程，混凝效率的高低直接关系到后续沉淀效果及过滤出水水质。根据Kolmogoroff微涡旋尺度理论可知，只有微涡旋与絮体矾花尺度接近时，混凝反应才最充分。投加微涡旋反应器的目的就是在水体中形成大量微小的涡旋，进而提高混凝反应效果[7]。

胶体在水力作用下，穿过反应器，从而加快胶体的扩散及碰幢。水流在穿过反应器孔洞的时候形成涡旋，涡旋各流层间形成了流速差，增加了各流层间的碰撞概率，同时涡旋流动使胶体产生离心力，形成径向碰撞。此外，运行一段时间后，絮体在反应器内聚集，形成了大的密集的絮团，水流穿过反应器时，形成了一个具有“滤床”性质的“过滤层”，从而提高水体中悬浮物的去除效率。如图1、图2。

图1 微涡旋反应器实物

图2 微涡旋混凝作用原理图示

2 工程概况

科技项目推广地原为市直单位挂点贫困村，当地原供水设施为引山溪水经沙滤池简单过滤后供水，供水人口为1255人，日最大供水规模为120 m3。现状建有2个沙滤池及1个蓄水池。工程存在的主要问题是雨季强降雨冲刷地表，导致原水浊度快速升高，净化处理后的饮用水依然很浑浊，经当地取样检测，下雨天水厂出厂水浊度多在10～20 NTU，无法满足饮用水卫生标准要求。

3 工程设计方案

首先要解决的是当地下雨天进水浊度升高导致水厂出水无法达标的问题，同时通过本项目验证微涡旋混凝工艺在农村新建水厂中的应用能否达到科研项目的预定目标[8]。

本工程现状年为2019年，设计水平年为2030年，人口自然增长率按3‰计，居民生活用水定额按90 L/人·d，设计供水规模按150 m3/d考虑。

水厂利用原老水厂厂址，依地势而建。在水源地建设陂坝自流取水，经微涡旋混凝、斜管沉淀及重力式无阀过滤器过滤后，进入清水池进行调蓄及消毒，处理达标后，向下游村庄自流供水。如图3。

工艺流程如图4所示。

图3 微涡旋澄清池结构

图4 工艺流程

生产区主要按照水力流畅原则，为直线型布置，厂区依次设置了取水陂坝、微涡旋澄清池、重力式无阀过滤器、清水池(利用原有2座蓄水池)等，其中反应器的成本约占总投资的2%。

4 调试运行情况

2020年3月底水厂基本完工，2020年4—6月对设备进行各项调试，检测进出水水质。澄清池第一反应池投加开孔孔径15 mm的微涡旋反应器，第二反应池投加开孔孔径为35 mm的微涡旋反应器。

根据各种工况数据进行整理，分析了在不同进水浊度条件下，通过调整絮凝剂的投加量，控制沉淀池出水浊度及滤后水浊度，具体调试结果见表1；还分析了相近工况条件下，为满足出水浊度要求，投加微涡旋反应器与不投加微涡旋反应器时，两者需投加絮凝剂投放量的差别，调试结果见表2。

5 科研项目合同指标分析

(1)澄清出水浊度低于3 NTU。 2020年5月9—28日，对净水设施进行各种工况条件下的调试，期间根据进水浊度的变化情况，及时调整絮凝剂投加量，可以保证沉淀池出水在3NTU以下，滤后水浊度在1NTU以下，满足饮用水卫生水质标准要求。

表1 不同进水浊度条件下沉淀池及滤后水浊度

表2 相近水质条件下投加反应器对絮凝剂投加量的影响

(2)混凝反应时间缩短为5～8 min。 2020年1月签订设备采购及服务合同， 其中要求微涡旋混凝时间在8 min以内。根据对微涡旋澄清池尺寸进行复核，微涡旋混凝反应器的容积为0.75 m3，微涡旋混凝时间为7.2 min，满足混凝反应时间缩短为5～8 min的要求。

(3)混凝剂消耗降低10%以上。 2020年4—6月，对设备进行各项调试，检测进出水水质指标。其中2020年4月8—25日是在未安装微涡旋反应器的情况下对净水设施进行调试，5月9—28日 是在安装微涡旋反应器的情况下对净水设施进行调试。分别选取了4月份和5月份2次降雨期间净化效果进行对比研究。在未安装微涡旋反应器的情况下，测得平均进水浊度为41.5NTU，平均滤后水水质为0.7NTU，絮凝剂PAC投加量为16 mg/L；在安装微涡旋反应器的情况下，平均进水浊度为41.5NTU，平均滤后水水质为0.7NTU，絮凝剂PAC投加量为13 mg/L，在安装微涡旋反应器情况下，混凝剂消耗量降低18%。

(4)滤池反冲洗水量节约15%以上。 调试期间，在未安装微涡旋反应器的情况下，净水设备于4月11日进行了自动反冲洗，4月25日进行了一次反冲洗；安装微涡旋反应器的情况下，净水设备于5月 15日进行了自动反冲洗，5月26日也进行了自动反冲洗。反冲洗周期由11 d变成了14 d，可节约滤池反冲洗水量21%。由于现在还是净水装置运行初期，滤池反冲洗周期还不够稳定，后期还需要在后续的运行中进行总结分析。

6 结 论

通过本次科研项目推广，表明微涡旋工艺能够使混凝反应时间缩短到5～8 min，PAC消耗量减少了10%以上，澄清出水浊度低于3NTU，重力式无阀滤池反冲洗水量减少15%以上，能够达到科研项目的预定目标。微涡旋工艺具有反应效率高，运行简单，成本低等特点，能够较好地应对农村因下雨导致进水浊度大幅升高而无法保障水厂出水水质的问题，投加微涡旋反应器不需要改变传统水力澄清池的结构，在农村供水工程中具有较好的推广价值。