水厂应急水处理工程中粉末活性炭投加系统的设计

水厂应急水处理工程中粉末活性炭投加系统的设计侯雪鸿中国市政工程西南设计研究总院，成都610081;摘要:粉末活性炭具有很强的吸附能力，能吸附的污染物种多、速度快（尤其对色、异味、有机物的吸附效果更为突出），是应急处理中较广泛采用的一种措施。以南京市江宁区双闸水源厂应急水处理工程中的粉末活性炭投加系统设计实例，对粉末活性炭的投加方式、投加点、投加量、投加浓度以及上料方式等设计内容进行介绍及探讨。关键词:应急水处理粉末活性炭投加前言粉末活性炭在给水处理中的使用已有80多年的历史。自从美国首次使用粉末活性炭去除氯酚产生的嗅味以后，活性炭成为给水处理中去除色、嗅、味和有机物的有效方法之一。粉末活性炭具有很强的吸附能力，能吸附的污染物种多、速度快（尤其对色、异味、有机物的吸附效果更为突出），是应急处理中较广泛采用的一种措施。本文结合南京市江宁区双闸水源厂应急水处理工程中的粉末活性炭投加系统设计工作，对粉末活性炭的投加方式、投加点、投加量、投加浓度以及上料方式等设计内容进行介绍及探讨。1投加方式粉末活性炭投加的方法有两种，即干式投加和湿式投加。湿式投加是将粉末活性炭配置成浓度为一定浓度的浆液，再经泵输送至投加点；干式投加则是将粉末活性炭由定量给料设备直接定量（计量）投加到水射器中，由水射器将炭粉投加至投加点中。两种投加方式的简单流程如下：湿法投加工艺：上料—储料—制备活性炭浆液（投料和供水）—混合搅拌—由泵定量投加至投加点。干法投加工艺：上料—储料—活性炭连续定量投加—由射流器投加至投加点。对此两种工艺方式，哪种工艺更适合，在实际工程应用中各有选择，以下就两种方式在投加精度、粉炭投加后在原水中均匀性、设备配置方面简单分析。1）投加精度为稳定粉末活性炭吸附除污染的效果，应在一定范围内尽量保证投加计量的准确，这不仅关系到处理效果，也与制水成本密切相关。湿法和干法工艺的炭粉给料设备均属于定量给料设备。湿法工艺采用制备活性炭浆液，由计量泵定量输送至加药点的方式，活性炭浆液采用泵定量投加，活性炭浆液的投加量可以控制得比较精确，但对于活性炭浆液制备浓度的精度要求较高，主要是对炭粉的投加量和供水量的控制，如活性炭浆液的浓度的精度较低，则虽然计量泵输送浆液的流量精确，亦不能得到精确的活性炭粉的投加量。干法工艺采用直接由给料设备将炭粉投入到水射器中，通过水射器将炭粉投加到投加点中，粉炭的计量是通过给料设备来完成的，只要保证给料设备的投加精度即能保证粉炭的投加精度，而不考虑（制备炭浆）水流量，仅考虑水射器出口端压力。2）粉炭投加后在原水中均匀性一般认为湿法工艺投加后的均匀性较好，主要考虑的因素为炭粉和水在混合罐内经过搅拌可以得到混合非常均匀的浆液，故经过计量泵输送至加药点中（取水管路）后，炭粉在管路中的分散均匀性较好。但是，干法工艺中炭粉在经过射流器后，其在射流水中也是有一定的均匀度的。3）设备配置湿法工艺比干法工艺增加了混合罐、搅拌机、供水控制系统、计量泵等，而干法工艺仅增加了射流器（和增压泵），设备数量上相对少，系统相对简单。但是，如果投加点较多目需要对每点较精确控制，则需要较多的干投机设备。湿式投加法可采用1台或较少数量设备配置好一定浓度的炭浆，通过多台计量泵准确定量投加到多个投加点。此外，由于干投中粉末活性炭与水不宜混合，因此在干投设备设计中就要解决好投加水射器喉管的易堵塞问题。双闸水源厂根据实际运行情况，经综合分析比较后最终选择湿式投加法。2投加点对于常规的混凝、沉淀、过滤水处理工艺，粉末活性炭的投加点一般有以下三种选择:原水吸水井投加、混凝前端投加、滤池前投加。为充分发挥粉末活性炭的吸附作用，需要使其与水充分混合，并保证足够的接触时间(一般接触时间30～60min)和尽量避免吸附被干扰。实际工程设计中，应根据水厂现有的生产工艺，确定合适、合理的投加点及投加方式，以解决粉末活性炭与混凝剂吸附竞争的矛盾，提高粉末活性炭使用效率。一般认为，在吸水井投加能较充分地发挥粉末活性炭的吸附作用，但存在着与后续混凝工艺竞争去除有机物的问题。如果吸附与混凝竞争严重，将降低活性炭的吸附作用，造成投加量增加，处理成本加大。在混凝前端投加，理论上分析认为投加混凝剂后，在絮凝池中形成的微小絮体尺度发展到与粉末活性炭颗粒尺度相近的位置应作为最佳投加点。在该点投加既可在一定程度上避免竞争吸附，又可使絮体对粉末活性炭颗粒的包裹作用最小，可以充分发挥粉末活性炭的吸附效率。滤前投加，不存在吸附与混凝竞争问题，但粉末活性炭进入滤池后，可能会堵塞滤料层使滤池的工作周期明显缩短。此外，粉末活性炭还有穿透滤层现象，而目吸附时间难以得到保证。双闸水源厂采用常规的混凝、沉淀工艺，新增应急水处理，故投加点仅在吸水井投加、混凝前端投加两种方式内比较选择。双闸水源厂已建取水泵房的吸水井分格较多，缺乏粉炭浆液投加混合并均匀分配的条件，经比较分析，因此选择混凝前端投加方式。根据水源厂已建处理构筑物情况，投加点选在取水泵房内，共2处，分别设于与配水井两根进水管连接的泵房出水管上，减少投加点，同时尽可能延长投加粉末活性炭后至分配井、沉淀池的混合时间，使粉末活性炭的吸附作用得到充分发挥。3投加量及投加浓度粉末活性炭的投加量一般需根据水质污染状态确定。《室外给水设计规范》‘]中规定投加量“宜为5～30mg/L。粉末活性炭炭浆质量分数一般为5%一10%。但在湿式投加中多采用5%，这样可使炭浆快速扩散，与水体充分混合，同时避免了投加管道易堵塞和其他机械故障。考虑到双闸水源厂取水口附近污染源情况比较严重，引发突发性污染可能性存在，尤其是来自几座排污泵站的污染，污染物的类型也难以预料，突发性大，根据项目审查专家组意见，双闸水源厂应急水处理工程粉末活性炭最大投加量确定为40mg/L，投加设备选型投加量在0~40mg/L范围内，随时可调。投加浓度按2%~6.2%设计（最大40mg/L投加量时配比浓度为6.2%）。4减少粉尘飞扬的污染问题、上料方式的选择在自来水厂应用中，由于粉末活性炭在诸多环节如装卸、拆包、配制、投加过程中劳动强度大、容易引起粉尘飞扬，造成工作环境恶劣，操作人员抵触情绪较强，也成为制约粉末活性炭技术应用的一个关键的、实质性的问题。粉末活性炭的来料有散料和袋装两种。拆包系统与储料系统:对于散料，可以采用罐车上料，即由粉末活性炭运输车直接将粉末活性炭泵入料仓储存。这种方式，自动化程度高，工人操作量少，目无破包动作，车间环境好。但此种方式，需要水厂所在地附近有粉末活性炭生产厂家。袋装粉末活性炭分为25kg包装(小袋)和500kg包装(大袋)两种。对于小袋装，工人将小袋粉末活性炭放入输送带，输送带将小袋粉末活性炭运入切包机拆包后，粉末活性炭由螺旋输送器泵入料仓储存，废袋通过压榨机由出袋口排出。这种拆包工作处于全自动封闭状态，车间环境较好，但对于大型水厂，工人投放小袋粉末活性炭的频率高，劳动强度大。对于大袋装，工人将大袋粉末活性炭取量放入料仓顶部的破包机内，破包机内设橡胶密封紧密裹在料袋周围，避免粉尘泄漏。破包机自动破包的同时，开启负压除尘器。为了防止卸料结束后粉尘外溢，在破包机周围设有一圈挡板。这种方式，工人操作强度较小，车间环境也较好，适合大型水厂粉末活性炭投加。根据资料报道，有些自来水厂采用负压配制投加方式进行粉末活性炭投加。该方式基本解决了粉尘污染的问题，但仍难以避免粉末活性炭（20kg/袋）在搬运、拆包过程中造成的粉尘飞扬以及劳动强度大的问题，特别是处理能力大于10万m3/D的自来水厂，每小时的粉末活性炭用量一般在60kg左右（以投加量15mg/L计算）经落实，双闸水源厂附近有粉末活性炭生产厂家，因此主要采用罐车上料，自动化程度高，工人操作量少，且无破包动作，车间环境好，基本解决了使用过程中的粉尘污染问题。5工程设计南京市江宁区双闸水源厂属南京市江宁长江引水工程的一部分，设计规模为45万m3/d。该厂将取自长江的原水，经预加氯、絮凝、沉淀处理、中间加压后送至净水厂（开发区水厂、科学园水厂），净水厂再对沉淀池出水进行过滤、消毒处理后，经加压送入城市管网。为了提高双闸水源厂预防突发性污染风险的能力，保障安全供水，2011年，双闸水源厂新增应急水处理工程，以粉末活性炭的投加作为突发严重污染时的应急处理措施，规模为45万m3/d，增设调制、投加、储存粉末活性炭设施。1）投加条件：受到突发性污染时投加。2）原料：粉末活性炭商品原料。3）主要设计参数：规模45万m3/d；自用水系数k=1.08设计投加量0~40mg/L。粉炭投加方式：湿式投加。炭浆投加浓度：按2%~6.2%设计，40mg/L投加量时配比浓度为6.2%。投加点：设置于取水泵房内，共2处，分别设于与配水井两根进水管连接的泵房出水管上。活性炭存储：料仓备用量约6天。投加泵加注量控制参数：采用手动输入投加量，控制投加浓度。4）系统设计新建粉末活性炭投加车间1幢，土建尺寸B×L×H＝12.6×9.0×7.2m，框架结构。由于双闸水源厂是上个世纪90年代开始建设的，到目前用地已十分紧张，但水厂周围已无新征土地的可能，只能在已建厂区范围内见逢插针地安排应急处理的新增工程。投加点取水泵房—配水井四周的地下管道众多，没有足够的空地布置粉末活性炭投加车间，故粉末活性炭投加车间布置在污泥浓缩池与污泥脱水间之间的空地上，相对靠近投加点。粉末活性炭投加系统采用湿法投加方式。粉末活性炭投加系统由料仓、粉末活性炭料仓储存及给料系统、真空上料系统、变频螺旋输送机、制备罐组合、投加泵系统、空气压缩机系统、配套电控柜（包括PLC、触摸屏以及控制软件等）等构成。粉末活性炭的上料方式主要为罐车上料，商品粉炭由罐车运来，粉炭通过正压方式经上料管进入到存储料仓中待用。料仓系统同时设置负压气流上料系统作为备用上料系统，必要时也可以通过真空上料机系统将小包袋装粉末活性炭吸入料仓。粉炭料仓如长期储存粉炭，可以通过充气箱破拱装置消除粉炭板结现象。料仓中的粉炭，通过螺旋输送机送至溶解池中，输送过程中通过称重模块进行重量计算，采用称重仓计量确保准确性，减少由于粉炭密度的改变和存放过程中物料吸收水分重量上的改变带来的计量误差。溶解池中自动加水配比成所需浓度的粉炭浆液，混合充分后的粉炭浆液通过提升泵从溶解池提升到溶液池中，最后通过耐磨离心泵输出粉炭浆液，再经水射器至投加点。为防止粉炭在投加管中沉积，投加管接自来水进行稀释并加大投加管流速，为此，增加一台变频增压泵，用作投加管路上水射器的压力水源。另外，每台投加泵前安装冲洗水管。5）主要设备配置·料仓1个，碳钢，∅4000mm，V=120m3。料仓一半室内、一半室外安装。带破拱装置、满位报警器、罐车上料管及管道支撑等。·粉末活性炭储存及给料系统1套，包括：除尘器、空穴振打系统、开关阀、安全阀、称重系统、料位及空穴报警器计等。·真空上料系统1套，包括真空上料机、真空上料风机等。真空上料机设于仓顶，V=1.5m3，1套，带脉冲控制器、料位计、旋转阀等。真空上料风机采用离心风机，Q=480m3/hP=30kPaN=7.5kW。·变频螺旋输送机1台，最大给料能力5100kg/h，N=4kW。·制备罐组合1套，包括溶解池、溶液池及浆液提升泵等。溶解池、溶液池各1个，每个池子体积8.0m³，配备搅拌机N=2.2kW。池子均带检查盖、排空阀、液位显示、制备水组件及水控除尘器等。浆液提升泵1台，Q=80m3/h，H=12m，N=4kW。·投加泵系统1套：包括投加泵、泵架、电磁流量计、相关配套管路及阀门等。投加泵采用耐磨离心泵，共设3台（2用1备），单台Q=6.5m3/h，H=24m，N=2.2kW。·空气压缩机系统1套，包括空压机、冷干机、储气罐及相关附件。其中，螺杆空压机排气量0.6m3/min，P=0.8MPa，N=5.5kW；储气罐容积0.6m3；冷干机N=0.75kW。·变频增压泵1台，立式，Q=20m3/h，H=20m，N=2.2kW。·水射器2套。·配套电控柜（包括PLC、触摸屏以及控制软件等）1套。6结束语粉末活性炭投加对短期及突发性水质污染适应能