翼板槽與蜂窩斜管雙級(jí)沉淀池研究

［摘要］降低沉淀池出水濁度，減小濾池負(fù)荷，從而保證出廠水水質(zhì)，是凈水技術(shù)要解決的一個(gè)中心問題。近幾年來，迷宮沉淀技術(shù)的出現(xiàn)，改變了過去那種只注重重力分離而忽視其他外力作用的研究方法，使沉淀技術(shù)又登上了一個(gè)新的臺(tái)階。文章就側(cè)向流迷宮式沉淀池在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題以及對(duì)其加以改進(jìn)，建立翼板槽與蜂窩斜管雙級(jí)沉淀池的構(gòu)想進(jìn)行一些粗淺探討。

［關(guān)鍵詞］翼板槽；蜂窩斜管；沉淀池

［作者簡(jiǎn)介］鄧彥，柳州市榮泰建筑設(shè)計(jì)有限公司工程師，廣西柳州，545007

［中圖分類號(hào)］ TU991.2［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1007-7723（2008）07-0043-0005

一、側(cè)向流迷宮沉淀池在實(shí)際應(yīng)用中的評(píng)價(jià)

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)迷宮沉淀技術(shù)進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究，取得了可喜的成果。就其本身而言，在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用還不多，經(jīng)驗(yàn)還不足，有的甚至還存在一些問題；但從其除濁機(jī)理看，在高濁度、較高濁度水處理方面，它具有現(xiàn)有沉淀方式均無可比擬的除濁效率。只是目前尚需將工藝設(shè)計(jì)中存在的一些問題加以妥善解決。

如圖1所示，側(cè)向流迷宮沉淀池由進(jìn)水區(qū)、沉淀區(qū)、集泥區(qū)、出水區(qū)四部分組成。沉淀區(qū)傾斜設(shè)置的翼板槽是固液分離的中心，由于其具有很高的分離效率，在沉淀技術(shù)上占有重要位置，但是也不能不考慮其不利的一面。根據(jù)水動(dòng)力學(xué)原理，進(jìn)水區(qū)由于反應(yīng)池出水孔口和沉淀池配水整流墻孔口的流速，要高出沉淀池?cái)嗝嫫骄魉?～5倍，致使沉淀池進(jìn)水具有一定的射流長(zhǎng)度，在消能過程中，水體受到擾動(dòng)，懸浮顆粒很難沉降， 因而沉淀池進(jìn)水區(qū)必須設(shè)置1.5～2.0m以上的穩(wěn)定段。在出水區(qū)，為控制水流速度，避免將已沉礬花重新翻起，除設(shè)置必要的與進(jìn)水區(qū)長(zhǎng)度基本相同的穩(wěn)定段外，尚需根據(jù)實(shí)際情況增加出水堰長(zhǎng)度或采用指形集水區(qū)。這樣一來，沉淀池容積無形中會(huì)增大很多。一般認(rèn)為側(cè)向流迷宮沉淀池表面負(fù)荷率要高出上向流斜管沉淀池40%～60%；但表面負(fù)荷率僅是衡量沉淀區(qū)除濁效率的一個(gè)指標(biāo)，不能完全依靠它來準(zhǔn)確地對(duì)各類沉淀池進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。因此，筆者認(rèn)為，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該引入“容積負(fù)荷率”概念，以對(duì)各類沉淀池進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

我們把沉淀池單位容積的產(chǎn)水量稱為該沉淀池的容積負(fù)荷率，并用下式表達(dá)：

式中：

qv——沉淀池容積負(fù)荷率（m3／h. m3）

Q——流量（m3／h）

V——沉淀池泥斗以上容積（m3）

注：因泥斗容積計(jì)算時(shí)所取的排泥周期值往往不一致，故容積負(fù)荷率計(jì)算時(shí)宜除開泥斗容積，并稱此容積負(fù)荷率為凈容積負(fù)荷率，包括泥斗容積在內(nèi)的容積負(fù)荷率為毛容積負(fù)荷率。

根據(jù)我們多年來在工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中的探索和比較，得出如下結(jié)論：

1.側(cè)向流迷宮沉淀池與經(jīng)常應(yīng)用的上向流斜管沉淀池相比，在保證出水水質(zhì)基本相同(約10mg／L左右)的情況下，表面負(fù)荷率約高40%左右，容積負(fù)荷率則基本相同。我們的計(jì)算結(jié)果是，斜管沉淀池qv=2.5~2.8 m3/h. m3，迷宮沉淀池qv=2.2~2.7 m3/h. m3。

2.側(cè)向流迷宮沉淀池，由于翼板槽數(shù)量多、材質(zhì)厚、框架復(fù)雜、制作手工化，工程造價(jià)約高出斜管沉淀池70％~120%左右，占地面積比斜管沉淀池多10%~30%左右。

3.在施工安裝(主要是翼板槽及其框架組合體制作安裝，阻流墻、板安裝)、運(yùn)行管理(排泥、斜板體清洗)、設(shè)備維護(hù)、檢修等各個(gè)方面，側(cè)向流迷宮沉淀池均比斜管沉淀池困難。

4.側(cè)向流迷宮沉淀池，一般在設(shè)計(jì)中將沉淀區(qū)翼板槽框組合體分2~5段布置在池中，第一段(翼板槽格數(shù)約15~30格)除濁效率極高，而以后幾段除濁效率迅速遞減，甚至不能發(fā)揮沉淀作用。

基于以上分析比較的結(jié)果，筆者提出了建立翼板槽與蜂窩斜管雙級(jí)沉淀池的構(gòu)想，以揚(yáng)其各自所長(zhǎng)，避其各自所短，最大限度地降低沉淀池出水濁度。

二、翼板槽與蜂窩斜管雙級(jí)沉淀池可行性探討

試驗(yàn)研究表明，迷宮沉淀池除濁規(guī)律符合下列關(guān)系：

Ci=（Co-C0c ）·（1-K）i+ C0c

式中：

Ci——第i格翼板槽區(qū)的剩余濁度(mg／L)

C0——沉淀池進(jìn)水濁度(mg／L)

C0c ——平衡濁度（i→0c ）時(shí)仍不能分離的未絮凝剩余濁度)(mg／L)

K——分離常數(shù)

i——翼板槽區(qū)格數(shù)

C1——i關(guān)系曲線如圖2、圖3所示：

從圖中可以看出，在絮凝質(zhì)量較高時(shí)，水流通過翼板槽在15格以前濁度衰減極其迅速，特別是高濁度、次高濁度水在前5格，濁度基本呈直線衰減，而在這之后濁度衰減卻極其緩慢。為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢?由迷宮沉淀池的除濁機(jī)理知道，絮凝顆粒是在重力作用下，由主流層流區(qū)漸次進(jìn)入翼片渦流區(qū)和翼片環(huán)流區(qū)的，在環(huán)流區(qū)依靠低速旋轉(zhuǎn)時(shí)重力、水流阻力和離心力的作用發(fā)揮高效沉淀作用。而使絮凝顆粒進(jìn)入翼片環(huán)流區(qū)是迷宮沉淀池發(fā)揮高效沉淀作用的一個(gè)必要條件。由于絮凝顆粒由主流區(qū)進(jìn)入環(huán)流區(qū)的速度完全取決于其本身重力的大小，這就使得絮凝良好的大顆粒懸浮物能在翼板槽前15格內(nèi)迅速地被強(qiáng)制輸送到環(huán)流區(qū)沉淀下來，而絮凝不夠充分的細(xì)小顆粒則很難在短時(shí)間內(nèi)，甚至根本不能在翼板槽沉淀區(qū)長(zhǎng)度之內(nèi)靠自身重力沉降至足以沉淀的環(huán)流區(qū)。在此不妨應(yīng)用淺池沉淀理論定量地分析一下絮凝顆粒粒徑相同(即沉速相同，均為Uo)時(shí)，在蜂窩斜管和翼板槽主流區(qū)內(nèi)的沉淀情況。

根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)中采用的技術(shù)參數(shù)，假定：蜂窩斜管內(nèi)切圓直徑d=30mm，水流在斜管沉淀中上升流速Vs=2~4mm／S，翼板槽主合體尺寸為：主板間距×翼片高×翼片間距=90mm×60mm×60mm，迷宮沉淀池主流區(qū)流速Vm= 20mm／S；兩者在池中的布置傾角均為θ=60°。

如圖4所示的斜管沉淀斷面和圖5所示的側(cè)向流迷宮沉淀池主流區(qū)沉降斷面。

從幾何關(guān)系分析可知：

其中：

Vm=（5～10）Vs

代入上兩式整理后得：

Ｌ=（5～10）·[d/（sin?茲·cos?茲）+1]

=（5～10）·（69.3+1）（mm）

這個(gè)結(jié)果說明：相同粒徑的絮凝顆粒，在迷宮沉淀池中，由主流區(qū)進(jìn)入翼片環(huán)流區(qū)所需沉淀長(zhǎng)度是斜管沉淀中去除它所需沉淀長(zhǎng)度的5~10倍以上。若以斜管長(zhǎng)度為1=1.0m計(jì)，則去除相同粒徑的絮凝顆粒時(shí)，迷宮沉淀池的沉淀區(qū)長(zhǎng)度必須在L=5.35m~10.69m以上。這就證明了在細(xì)小顆粒的懸浮物沉淀中，上向流斜管沉淀池比側(cè)向流迷宮沉淀池要優(yōu)越得多。為此，筆者設(shè)計(jì)了如圖6所示的雙級(jí)沉淀池，以期最大限度地降低沉淀池出水濁度，更合理地利用沉淀池的無效容積。

雙級(jí)沉淀池前部進(jìn)水區(qū)、一級(jí)沉淀區(qū)，仍保持側(cè)向流迷宮沉淀池的形式，翼板槽格數(shù)減至15~20格，最多不超過30格。一級(jí)沉淀之后增加上向流斜管沉淀部分。

三、雙級(jí)沉淀池技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

目前，西方發(fā)達(dá)國家的飲用水濁度已經(jīng)達(dá)到了0.1~ 0.2mg／L以下，我們也應(yīng)該朝著沉淀池的低負(fù)荷、高水質(zhì)方向發(fā)展。翼板槽與蜂窩斜管組合的雙級(jí)沉淀池將是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的良好工藝之一。它彌補(bǔ)了單純的迷宮式沉淀池15~20格翼片區(qū)之后濁度衰減緩慢，不能充分發(fā)揮其高效沉淀作用，造成材料、空間浪費(fèi)的缺陷，并在合理利用無效沉淀容積、方便維護(hù)管理等方面前進(jìn)了一步。其濁度去除率將高于側(cè)向流迷宮沉淀池。與單純的斜管沉淀池相比，由于沉淀池內(nèi)增加了翼板槽一級(jí)沉淀，減輕了斜管的負(fù)荷，避免了濁度較高時(shí)，斜管中頻繁的積泥“坍塌”造成的出水水質(zhì)惡化，無疑會(huì)極大地提高其濁度去除率。這一新型沉淀池，對(duì)于適應(yīng)我國廣大的南方地區(qū)雨季原水濁度變化無常、來勢(shì)迅猛、沖擊負(fù)荷大等特點(diǎn)，以及在高濁度、次高濁度或較高濁度水的處理中，均具有獨(dú)特的功效。

根據(jù)多年來在各類沉淀池的設(shè)計(jì)運(yùn)行中所掌握的資料，筆者認(rèn)為，該雙級(jí)沉淀池可采用以下的設(shè)計(jì)參數(shù)：

1.翼板槽區(qū)格數(shù)設(shè)計(jì)以15～20格為宜，主流區(qū)流速取Vm=20~25mm／S。

2.二級(jí)斜管沉淀，上升流速取VS=2～4mm/S，單表面負(fù)荷率以取9～10m3/h·m2為宜。

3.整個(gè)沉淀池的總表面負(fù)荷率應(yīng)控制在6～7m3/h·m2。

根據(jù)上面所推薦的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的雙級(jí)沉淀池，與單純的斜管沉淀池相比，基建投資需增加40%～60%，占地面積約多30%～40%；與單純的側(cè)向流迷宮沉淀池相比，基建投資可減少10%左右，占地面積基本相當(dāng)。

若與在處理高濁度或較高濁度水時(shí)，普通斜管沉淀池之前設(shè)置沉淀池的工藝相比，則該雙級(jí)沉淀池在投資、占地、節(jié)能、方便管理等各個(gè)方面都可以顯示出較大的優(yōu)越性。

四、結(jié)語

目前，我國在提高飲用水水質(zhì)方面，與發(fā)達(dá)國家相比尚存在一定的差距，除少數(shù)幾個(gè)水廠外，絕大多數(shù)水廠所提供的飲用水，濁度還停留在2～5mg/L左右，而且供水水質(zhì)極不穩(wěn)定。因此，必須在高效混凝沉淀、提高沉淀池抗沖擊負(fù)荷、保持低濁、穩(wěn)定出水等方面下功夫，探索更趨合理的凈水工藝。經(jīng)驗(yàn)表明，只有將沉淀池濁度穩(wěn)定地控制在5mg/L左右，才能在一般管理狀態(tài)下使濾后水濁度達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749—2006）的要求。

［參考文獻(xiàn)］

［1］陳培康，裘本昌.給水凈化新工藝［M］.北京:學(xué)術(shù)書刊出版社，1990.