新型平流式沉淀池沉淀效果試驗(yàn)研究

華根福，劉煥芳，湯 驊，宗全利，高先剛

（新疆石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，832003，石河子）

污水處理的主要目標(biāo)是去除水中懸浮固體或溶解態(tài)污染物，如膠體粒子、顆粒物質(zhì)、BOD、COD等。從水中去除污染物的途徑有物理、化學(xué)、物化、生物等方法。無(wú)論哪種方法，都需要由一定的污水處理單元設(shè)備來(lái)完成，而在污水處理系統(tǒng)的各個(gè)處理單元設(shè)備中，沉淀池作為污水處理設(shè)施構(gòu)筑物的重要一環(huán)，擔(dān)負(fù)著去除原水中大量懸浮物(約80%～90%)的任務(wù)，是必不可少的主體工藝。它的形式很多，按池內(nèi)水流方向可分為平流式、豎流式和輻流式三種。

平流式沉淀池是歷史悠久的沉淀池型，具其他沉淀池型不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)城市污水廠沉淀池的主要池型。

平流式沉淀池的沉淀效果除受原水水質(zhì)的影響外，還與池中水平流速、沉淀時(shí)間、顆粒的沉降速度、進(jìn)出口布置形式及排泥效果等因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的平流式沉淀池進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)提出了一種新型平流式沉淀池，即在傳統(tǒng)的平流式沉淀池的進(jìn)水口設(shè)置開(kāi)孔率適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水調(diào)流板，在出水溢流堰上沿水流方向增設(shè)溢流槽。本文依據(jù)改進(jìn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究分析驗(yàn)證了調(diào)流板和溢流槽對(duì)新型平流式沉淀池沉淀效果的影響。

一、新型平流式沉淀池的設(shè)計(jì)

1.增設(shè)調(diào)流板

傳統(tǒng)平流式沉淀池中，經(jīng)過(guò)渡段調(diào)節(jié)進(jìn)入工作段的水流紊動(dòng)仍比較劇烈，流場(chǎng)分布不均勻，為改善入池水流條件，對(duì)傳統(tǒng)平流式沉淀池進(jìn)行了改進(jìn)，在進(jìn)水口加設(shè)調(diào)流板來(lái)對(duì)入池水流進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)流板對(duì)水流調(diào)節(jié)平面示意圖見(jiàn)圖1。

從設(shè)計(jì)原理上分析，調(diào)流板的作用是消能和對(duì)水流流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)渡段調(diào)節(jié)后進(jìn)入工作段的水流紊動(dòng)仍比較劇烈，具有較大的動(dòng)能，調(diào)流板將對(duì)這種具有較大動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度的水流產(chǎn)生攔截作用，減緩其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，迫使其動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度都有所降低，并對(duì)水流流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的流場(chǎng)分布更利于泥沙的沉降。在平流式沉淀池進(jìn)水口設(shè)置調(diào)流板后，來(lái)流主流將直接頂沖在調(diào)流板上，調(diào)流板將迫使其主流向兩側(cè)橫向擴(kuò)散，甚至向底部擴(kuò)散。當(dāng)主流頂沖調(diào)流板時(shí)，主流流速符合明渠水流底部流速小、上部流速大的特點(diǎn)，為使調(diào)流板能對(duì)來(lái)流的這種流速分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)水力學(xué)分析，認(rèn)識(shí)到可在調(diào)流板上布設(shè)不同孔徑的孔洞作為出水口，調(diào)流板示意圖見(jiàn)圖2。

2.增設(shè)溢流槽

根據(jù)含沙量沿垂線的分布曲線可知含沙量沿垂線的分布是上稀下濃，即越靠近水表面，含沙量越小，因此要想提高平流式沉淀池的沉淀效率，就應(yīng)當(dāng)盡量取表層的清水。實(shí)際工程中由于平流式沉淀池的尺寸等限制，溢流堰不能太長(zhǎng)，這樣就不能有效降低溢流堰上的水頭以取得表層清水。此時(shí)可以在溢流堰上沿水流方向增設(shè)幾道溢流槽來(lái)解決這一問(wèn)題，加設(shè)溢流槽后溢流堰出池水流示意圖如圖3所示。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證增設(shè)的調(diào)流板和溢流槽對(duì)提高平流式沉淀池沉淀效率的作用，在長(zhǎng)10 m、寬0.72 m的平流式沉淀池模型中進(jìn)行了試驗(yàn)，模型由進(jìn)水段、漸變過(guò)渡段、沉淀室段和集水區(qū)四部分組成，其中進(jìn)水段長(zhǎng)1 m、漸變過(guò)渡段長(zhǎng)1 m、沉淀室段長(zhǎng)6 m、集水區(qū)長(zhǎng)2 m。整個(gè)模型的平面布置如圖4，剖面如圖5。

1.調(diào)流板對(duì)沉淀效果的影響

主要考慮調(diào)流板對(duì)平流式沉淀池含沙量沿程變化的影響規(guī)律，試驗(yàn)中分別針對(duì)加調(diào)流板和不加調(diào)流板對(duì)含沙量的沿程變化情況進(jìn)行了研究，在測(cè)量含沙量時(shí)，各斷面均取平均含沙量作為該斷面含沙量的代表值，得到有無(wú)調(diào)流板時(shí)水流泥沙含量沿程變化關(guān)系圖。

從有調(diào)流板的試驗(yàn)中可以看出，含沙量沿程逐漸減少，離調(diào)流板最遠(yuǎn)的溢流堰處的含沙量最小，這充分反映了泥沙的分選沉降規(guī)律；由于調(diào)流板的作用，雖然來(lái)水含沙量較大，但經(jīng)過(guò)調(diào)流板調(diào)節(jié)后，含沙量迅速減少，減小的最大幅度為80%以上，說(shuō)明調(diào)流板對(duì)水流的調(diào)節(jié)效果是非常明顯的。

加設(shè)調(diào)流板后，調(diào)流板不僅能對(duì)沿平流式沉淀池縱向的流場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，同時(shí)也能對(duì)平流式沉淀池沿水深方向的流場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。在未加設(shè)調(diào)流板時(shí)，在池首部水流表面流速較大，不利于細(xì)顆粒泥沙的沉降；加設(shè)調(diào)流板后，在池首部水流表面流速較小，有利于細(xì)顆粒泥沙的沉降，能夠提高細(xì)顆粒泥沙在池首部沉降的概率，從而最終達(dá)到提高泥沙在平流式沉淀池內(nèi)沉降的效率。

2.溢流槽對(duì)沉淀效果的影響

針對(duì)于平流式沉淀池在加溢流槽和不加溢流槽兩種情況下含沙量的沿程變化規(guī)律和泥沙的粒徑級(jí)配沿程變化規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和分析了改進(jìn)后平流式沉淀池的沉淀效果。

在平流式沉淀池溢流堰區(qū)增設(shè)溢流槽后，能直接降低溢流堰水頭，也間接地降低了平流式沉淀池內(nèi)水流的有效深度，由懸移質(zhì)泥沙含沙量沿垂線分布公式可知，其對(duì)平流式沉淀池內(nèi)沿程含沙量也是有影響的。經(jīng)分析可知，增設(shè)溢流槽后，泥沙的分選沉降規(guī)律應(yīng)該更加明顯，含沙量的沿程變化規(guī)律也應(yīng)該更加突出。

從試驗(yàn)中可以看出，加溢流槽后含沙量沿程逐漸減小的幅度比不加溢流槽時(shí)要大，且相差也較大，尤其是在溢流堰處，不設(shè)溢流槽時(shí)出池水流含沙量在2g/L左右，增設(shè)溢流槽時(shí)出池水流含沙量小于1g/L，出池水流平均含沙量最大降幅可達(dá)94.8%，可見(jiàn)溢流槽的影響作用是非常明顯的。

3.調(diào)流板和溢流槽共同作用對(duì)沉淀效果的影響

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明在設(shè)置調(diào)流板以后，平流式沉淀池對(duì)粒徑0.10 mm以上的雜質(zhì)處理率達(dá)到95%以上，沉淀室內(nèi)水流的擴(kuò)散比較充分，沒(méi)有回流和偏流現(xiàn)象，流場(chǎng)分布比較均勻，有利于泥沙的沉降；加設(shè)溢流槽后，泥沙的截沙率有了較大提高，并且粒徑越細(xì)，提高越明顯，表明溢流槽對(duì)細(xì)顆粒泥沙的排除效果良好。

[1]張希衡.水污染控制工程（第2版）[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1993.

[2]劉煥芳，宗全利.一種新型平流式沉沙池的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)水處理，2005，25（4）.

[3]宗全利，劉煥芳，李強(qiáng)，等.一種新型沖洗式沉沙池的設(shè)計(jì)探討[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22（2）.