潮汐影响海水沉淀池运行的原因分析与对策

Posted 2023-01-12 海水

篇首语：老板给了我份说炒就炒的鱿鱼，我给了板来了份说滚就滚的旅行。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了潮汐影响海水沉淀池运行的原因分析与对策相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

海水退潮过程中反应沉淀池沉淀区出现翻池，絮凝体大量上浮严重影响出水质量。通过对海水潮汐过程中海水变化的分析，找出导致此现象发生的根本原因是海水密度和浊度变化使池内水流产生异重流。作者结合沉淀池结构对异重流流态及其对沉降效果的影响进行了分析，并在此基础上提出了有效的应对方案。
[中图分类号]TQ085+.4[文献标识码]B[文章编号]1005-829X(2009)06-0076-04
1.海水预处理系统介绍
乐清发电厂生产用淡水由海水经反渗透淡化工艺制取，海水取自乐清湾。海水在进入淡化车间之前采用絮凝+斜板沉淀工艺进行净化预处理，处理设备为反应沉淀池。预处理系统流程见图1所示。

海水从机组循环冷却水系统引入原水池，经海水提升泵送到反应沉淀池。原水与絮凝剂在管道混合器内混合，矾花在反应区内生成并在向前推进过程中逐渐长大，水流出反应区后进入过渡区，经过渡区整流堰整流后从隔墙底部配水孔均匀进入沉降区进行自然沉降。沉降区内设置斜板，出水集水槽在池顶端垂直于进水方向均匀布置，出水最终经汇流渠流出。反应沉淀池底部设有多个泥斗，通过排泥阀将泥排出。反应沉淀池设计最大出力为1300t/h。
2.反应沉淀池运行情况
反应沉淀池运行时投加的絮凝剂为聚合铝铁，絮凝剂加药量根据进水浊度和进水流量进行调整。根据调试期间观测和最佳加药量试验结果，进水浊度基本上在100～900NTU之间，在此条件下聚合铝铁加药质量浓度在15～30mg/L之间调整可得到较好的出水水质，稳定运行时出水浊度<5NTU。
虽然反应沉淀池运行中大部分时间能够得到较好的出水浊度，但在连续稳定运行的过程中每天会出现2次翻池现象。翻池发生时，首先在过渡区上部清水层可以观察到呈团状上升的絮凝颗粒团，随后在沉淀区靠近进水端区域有大量絮凝体穿过斜板上浮到清水层，若进水流量大则这种情况加剧。在远离进水端区域情况较好，一般不会有颗粒上浮。
絮凝颗粒上浮使沉淀池出水浊度快速上升，严重时出水浊度>80NTU，出水无法使用。通常一次翻池持续时间约4h左右，之后又很快恢复至正常。连续观察发现沉淀池翻池发生的时间具有规律性，都是发生在乐清湾海水退潮过程中。图2为记录2d内乐清湾潮位与沉淀池出水浊度数据所得的对照图(海水潮位数据来源于乐清湾坝门水文站)。

从图2可以看出，沉淀池出水浊度都是在海水退潮过程中突增，在涨潮过程中回落。出水浊度开始上升的时间点稍滞后于海水潮位开始下降的时间点，这是因为原水池和反应沉淀池容量较大，有一定缓冲时间。
乐清湾属太平洋潮波系统的半日潮，在一个周期内(24.8h)2次涨落，沉淀池1d2次翻池在时间上与此规律是对应的。
3.翻池原因分析
分析沉淀池出现翻池的原因，有3种可能：
(1)涨潮退潮过程中海水浊度变化大，絮凝剂加药量调整随进水浊度变化不及时；
(2)沉淀池出水集水槽设计不合理，靠近进水端的集水槽与进水口距离太近，从该集水槽流出的水沉降时间太短，所以在该出水区域容易出现絮凝颗粒来不及沉降的情况；
(3)沉淀池内部水力条件发生变化，沉淀池内稳定水流被破坏。
第一种可能在经过一段时间的加药量调整试验后被排除。在固定进水流量的情况下，无论怎样调整絮凝剂加药量，翻池现象仍然会发生，而且从翻池时的现象来看，出水浊度上升是因为固体颗粒集中在进水端上浮。加药量调整虽然会在一定程度上影响生成的絮凝体形态，但不能从根本上影响颗粒的沉降。
第二种可能性通过一个简单试验进行了验证：将靠近进水端的出水集水槽出水口封堵，使沉淀池出水大部分从远端集水槽流出，这样延长了平均沉降时间。试验结果是仍然会翻池，颗粒上浮的区域仍然在靠近进水端。另外，运行数据也不支持这一推论：反应沉淀池在运行800t/h流量和运行400t/h流量两种工况下，都可以得到很好的出水浊度，但也都会发生翻池，这说明沉降时间不是造成翻池的根本原因。
通过对反应沉淀池进水的变化进行跟踪分析和翻池规律的研究，结合翻池时的现象及沉淀池结构分析，认为进水端絮凝体上浮是因为沉淀池内水力条件变化引起异重流所致，异重流使池内发生偏流，而乐清湾潮汐过程中海水水质变化则是导致异重流产生的直接原因。
异重流〔1〕是指两种密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动，在运动过程中，各层流体能基本保持其原来的面貌，不因交界面上存在的紊动参混作用而发生全局性的混合现象。如果进入沉淀池的水与池内水存在密度差，便形成密度较大的进水向池子下部的流动，池中原来密度较低的水便浮向池子上部，即产生下异重流。反之，当进水的密度低时，则出现进水向池子上部浮动而池中原来密度较大的水下沉到池底的上异重流。同样，进水与池内水所含悬浮物浓度不同所引起的浓度差，也会产生异重流。
4.潮汐过程中的海水变化与池内异重流分析
4.1潮汐过程中海水的变化规律
为分析涨、退潮过程中海水特性变化是否具备引起异重流的条件，对沉淀池进水温度、浊度、含盐量(电导率表示)进行了跟踪监测，为排除机组凝汽器对水温的影响，系统进水选择循环水进水。图3～图5分别为2d时间内乐清湾海水潮位变化过程沉淀池进水温度、浊度、含盐量变化曲线，海水取样点为管道混合器之前。

由图3可知，进入循环水系统的海水温度在涨潮过程中下降，在退潮过程中上升，最高潮位与最低潮位温差相差最多达2.5℃。
由图4可知，进入反应沉淀池的海水含盐量在涨潮过程中上升，在退潮过程中下降。
由图5可知，进入反应沉淀池的海水浊度在涨潮过程中上升，在退潮过程中下降。
海水的密度是温度、盐与浊度的函数，在相同浊度条件下随温度上升而下降，随含盐量上升而上升，根据此规律可知，进入循环水系统的海水，其密度在涨潮过程中逐渐上升，在退潮过程中逐渐降低。密度和浊度的变化符合了沉淀池内产生异重流的条件。
4.2沉淀池内异重流与对颗粒沉降影响分析
反应沉淀池纵向剖面见图6。携带絮凝颗粒的水流经过渡区整流堰和配水花墙后，沿池宽方向均匀平稳地分配到沉淀池底部。由于斜板的存在以及清水区均匀出水，在进水稳定的情况下，进入池底的水均匀地向前、上方推进，斜板层的水流均匀地上向流，斜板间水流呈层流状态。如果不考虑进水处水流紊动因素，可以认为沉淀池两端斜板间水流速度v前与v后大致相同。根据上向流斜板沉淀池沉降理论计算〔2〕，要使絮凝颗粒在斜板上沉降下来，斜板间水流速度不能超过一个数值vmax。

斜板间上向流颗粒沉降过程分析，见示意图7。设斜板倾斜角为β，斜板长L，板间距d，絮凝颗粒沉降速度为uj，板间水流速度为v。

由示意图7可知，由A点进入斜板间的颗粒沉淀到斜板上所需时间是最长的，要使该颗粒在到达D点前沉降，必须满足式
(1)成立：

对于已形成的絮凝颗粒其沉降速度是一定的，要使其沉降，则最大水流速度见式
(2)：

海水退潮过程中，进入沉淀池的海水密度和悬浮物浓度下降，在沉淀区进水端垂直方向产生上高下低的密度差和浓度差，导致上异重流产生。上异重流使池内的稳态水流遭到破坏发生偏流，在总进水流量不变的情况下，进水大部分在池前端即向上行，而不是原来的边沿池底前行边向上行，这一变化使靠近进水端的水流上升速度加快，而末端水流上升速度减慢，甚至向下回流到池底。水流方向如图6中虚线①所示。此时前端水流上升速度将大大超过原来稳态时上升速度，当达到v前>vmax条件后，絮凝颗粒已不能在斜板上沉淀而进入到斜板上方的清水区，细小的颗粒由于沉降速度小，因此最先透过斜板层。在退潮过程中海水密度一直呈下降趋势，所以池内这种上异重流在整个退潮过程中是持续的，也导致在退潮过程中持续翻池。
涨潮过程中海水密度和悬浮物含量的增加也会导致池内产生异重流，但流态发生变化，与退潮过程相反变为下异重流。发生下异重流后进水沿池底以潜流形式向前推进，使v后有所增加，而v前减小，水的流态如图6中点划线②所示。但因为斜板沉淀池内原本是上向流，且均匀出水，不同于末端出水的平流沉淀池，这种潜流不会造成明显的回流区〔3〕，反而使进水沿池底分配更均匀，平均沉降时间增加，所以下异重流不会对沉淀池出水造成明显影响。
从上述异重流成因分析可知，若预处理系统进水改用机组循环水排水，由于循环水排水温度随机组负荷波动而变化，负荷波动造成的循环水温差也会使沉淀池内形成异重流从而影响沉淀池运行，影响大小则跟机组负荷变化方向、速率和持续时间有关。
5.应对方法探讨
由于沉淀池异重流产生是海水水质条件变化所致，这种变化在现有系统设计中是不可控制的，机组负荷波动带来的影响也难以避免，所以要从根本上消除异重流影响是困难的。在现有条件下可以从提高絮凝颗粒沉淀效率的角度考虑，尽可能防止沉淀池出水浊度大幅波动，保证出水水质满足后续系统要求。
(1)方案1。更换絮凝剂，提高絮凝颗粒沉降速度。由公式
(2)可知，絮凝颗粒沉降速度越快，允许的斜板间水流速度越大，在上异重流过程中若能满足式
(1)条件，则仍然能够使絮凝颗粒在穿过斜板之前沉降下来。絮凝体沉降速度与絮凝体的密度有关，密度大的沉降速度快。使用三氯化铁作絮凝剂，试用效果比较明显，在非退潮期运行流量1340t/h时出水浊度<6.0NTU，在退潮过程中虽然也出现翻池，但比使用聚合铝铁时已经大为改观，只有部分细小的颗粒上浮到清水区，出水浊度最高升到16NTU，能够满足后续系统用水要求。
(2)方案2。退潮过程中降低沉淀池运行流量，实际上是降低沉淀池内水流上升速度，延长沉降时间。只要在上异重流发生过程中满足v前≤vmax条件，絮凝颗粒就能够沉降下来。试验过程中将沉淀池运行流量控制在<300t/h时，则退潮期间可以保持出水水质。
综合比较，方案2在后续系统用水量大的情况下是不可行的，方案1虽然不能避免翻池现象发生，但水质和水量能够满足后续设备要求，所以方案1在实际运行中更可行。
6.结论
(1)海水反应沉淀池发生翻池的根本原因，是在海水退潮过程中取水点海水密度和浊度下降造成沉淀池内产生了上异重流。上异重流使进水端斜板间上向流流速增加，超出了絮凝颗粒沉降的允许值。
(2)海水涨潮过程中沉池池内会发生下异重流，但下异重流对上向流斜板沉淀池出水不会造成明显影响。
(3)用循环水排水作为沉淀池进水，机组负荷变动会影响到沉淀池运行，影响程度取决于负荷变动方向、速率和持续时间。
(4)在海水密度和悬浮物含量变化不可控的情况下，可同时保证沉淀池出水水质和出力的有效方案是使用能生成密度更大絮凝体的絮凝剂，以提高上异重流发生过程中颗粒的沉降效率。