沉淀工藝的研究進展

秦麗華

0 引言

目前,國內(nèi)外的給水處理工藝大多采用沉淀(澄清)過濾和消毒形式,其中沉淀部分對原水中懸浮物的去除顯得尤為重要。沉淀池作為去除水中懸浮物的主要設施之一,在水行業(yè)得到了廣泛的應用?？v觀沉淀構筑物的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn),在20世紀60年代以前主要采用平流式、豎流式和輻流式沉淀池,60年代起各種澄清池盛行一時,70年代后,主要是斜管、斜板及復合型沉淀池。沉淀構筑物形式的改進提高了沉淀分離的效率。沉淀池的設計和開發(fā)都是圍繞怎樣增加沉淀面積和改變水流流態(tài)這兩方面進行的。沉淀池的設計總是以提高沉淀池的沉降效率為目的。提高沉降效率有兩種方法:1)縮短顆粒的沉淀距離、增大沉淀池面積,斜板(管)沉淀池屬這一類;2)增大礬花顆粒的下沉速度,通過采用高效絮凝劑和優(yōu)化絮凝工藝來實現(xiàn)。

1 平流式沉淀池

平流式沉淀池是目前我國大中型給水廠使用最廣泛的池型,具有結構簡單、管理方便、耐沖擊負荷強等優(yōu)點。平流式沉淀池為矩形,上部為沉淀區(qū),下部為污泥區(qū),池前部有進水區(qū),池后部有出水區(qū)。經(jīng)混凝的原水流入沉淀池后,沿進水區(qū)整個截面均勻分配,進入沉淀區(qū),然后緩慢流向出口區(qū)。水中的顆粒沉于池底,沉積的污泥定期排出池外。

2 斜板(管)沉淀池

斜板(管)沉淀是把與水平面成一定角度(一般為60°)的眾多斜板(管)組件置于沉淀池中。水流可從下向上或從上向下流動,顆粒則沉于底部,而后自動滑下。從改善沉淀池水力條件來分析,由于沉淀池水力半徑大大減小,從而使雷諾數(shù)Re大為降低,弗勞德數(shù)Fr大為提高,滿足了水流穩(wěn)定性和層流的要求。為了進一步提高沉淀效率,許多改良型的斜板(管)沉淀池應運而生。

2.1 迷宮式斜板沉淀池

迷宮式斜板沉淀池是在普通斜板沉淀池的斜板垂直方向上安裝數(shù)道翼形葉片,翼形葉片將進入的水流分為主流區(qū)、旋流區(qū)和環(huán)流區(qū)。位于主流區(qū)內(nèi)的絮體,在流速和沉速的共同作用下,逐步下沉。在旋渦區(qū)的絮體,被強制輸送到環(huán)流區(qū),每經(jīng)過一個翼片截留一些絮體。進入環(huán)流區(qū)的絮體,在環(huán)流作用下,呈螺旋形運動并沿翼片下沉到池底。迷宮斜板沉淀池的渦旋區(qū)的渦旋強制輸送和環(huán)流區(qū)的高效沉淀作用,使其具有較高的沉淀效率。迷宮斜板的顆粒分離屬于動態(tài)分離,特別是在渦旋區(qū),它包括了旋流作用下進行的重力、流體阻力和慣性力等作用的分離過程,而且在主流區(qū)和旋流區(qū)產(chǎn)生的質(zhì)量交換也有使絮體互相碰撞絮凝的作用。因此,其處理效果優(yōu)于普通斜板沉淀。

2.2 小間距斜板沉淀池

斜板(管)沉淀池中水流在理論上處于層流狀態(tài),其實不然,實際上在斜管沉淀池中水流是有脈動的,這是因為當斜管中大的礬花顆粒在沉淀中與水產(chǎn)生相對運動,會在礬花顆粒后面產(chǎn)生小渦旋,這些渦旋產(chǎn)生的運動造成了水流的脈動。這些脈動對于大的礬花顆粒沒有影響,對于反應不完全的小顆粒的沉淀起到頂托作用,故此也就影響了出水水質(zhì)。為了克服這一現(xiàn)象,抑制水流的脈動,小間距斜板沉淀設備應運而生。

這一設備有以下優(yōu)點:1)由于間距明顯減少,礬花沉淀距離也明顯減少,使更多小顆粒可以沉淀下來;2)由于間距減小,水力阻力增大,使之占水流在沉淀池中水流阻力的主要部分,這樣沉淀池中流量分布均勻,與斜管相比,明顯改善了沉淀條件;3)排泥性能遠優(yōu)于其他形式的淺層沉淀池,因為這種設備基本無側向約束,設備沉淀面積與排泥面積相等。

3 高密度沉淀池

高密度沉淀工藝是在傳統(tǒng)的平流沉淀池的基礎上,充分利用了動態(tài)混凝、加速絮凝原理和淺池理論,把混凝、強化絮凝、斜管沉淀三個過程進行優(yōu)化。主要基于4個機理:獨特的一體化反應區(qū)設計、反應區(qū)到沉淀區(qū)較低的流速變化、沉淀區(qū)到反應區(qū)的污泥循環(huán)和采用斜管沉淀布置。反應池分為2個部分:快速混凝攪拌反應池和慢速混凝推流式反應池?？焖倩炷龜嚢璺磻厥菍⒃氲椒磻氐装宓闹醒?在圓筒中間安裝一個葉輪,該葉輪的作用是使反應池內(nèi)水流均勻混合,并為絮凝和聚合電解質(zhì)的分配提供所需的動能。礬花慢速地從預沉池進入到澄清池,這樣可避免礬花破碎,并產(chǎn)生渦旋,使大量的懸浮固體顆粒在該區(qū)均勻沉積。礬花在澄清池下部匯集成污泥并濃縮。濃縮區(qū)分為兩層:上層為再循環(huán)污泥的濃縮,下層是產(chǎn)生大量濃縮污泥的地方。逆流式斜管沉淀區(qū)將剩余的礬花沉淀。通過固定在清水收集槽進行水力分布,斜管將提高水流均勻分配。清水由一個集水槽系統(tǒng)收回。絮凝物堆積在澄清池下部,形成的污泥也在這部分區(qū)域濃縮。

該沉淀池有以下幾方面的優(yōu)點:1)將混合區(qū)、絮凝區(qū)與沉淀池分離,采用矩形結構,簡化池型;2)沉淀分離區(qū)下部設污泥濃縮區(qū),占地少;3)在濃縮區(qū)和混合部分之間設污泥外部循環(huán),部分濃縮污泥由泵回流到機械混合池,與原水、混凝劑充分混合,通過機械絮凝形成高濃度混合絮凝體,然后進入沉淀區(qū)分離。

4 新型中置式高密度沉淀池

新型中置式高密度沉淀池是上海市政工程研究總院設計的新池型,該工藝過程集中了斜管沉淀池、機械攪拌澄清池和高密度沉淀池的優(yōu)點,將混合、絮凝、沉淀、污泥濃縮綜合于一體。中置式高密度沉淀池設有5個過程區(qū):混合區(qū)、絮凝反應區(qū)、分離沉淀區(qū)、濃縮排泥區(qū)和分離出水區(qū)。

新型中置式高密度沉淀池有以下優(yōu)點:1)占地小;2)絮凝時間較短,由于污泥回流,可形成高濃度混合液,大大提高了絮凝效果,縮短了機械攪拌階段的絮凝時間;3)布水均勻,由于采用了池中向兩側均勻布水形式,大大縮短了布水路徑,從而有效避免了布水不均影響出水水質(zhì)的問題;4)減少了加藥量;5)沉淀池的水流流勢合理,由于進出沉淀池水流是由下而上再由下而上垂直運動,泥水分離效果更徹底,不宜跑礬花;6)水廠可不設濃縮池,由于沉淀池底采用濃縮刮泥,污泥含固率高,可直接進行脫水處理;7)結構設計簡單,布置簡潔合理。

5 攔截式沉淀池

攔截式沉淀池是集重力、碰撞吸附力、接觸吸附力等多種沉降作用于一體的沉淀池,提高了顆粒沉降效率。攔截式沉淀池是在池內(nèi)裝有攔截體,對水中自由運動的顆粒設置障礙,顆粒運動時與攔截體在三維空間發(fā)生碰撞,這樣運動顆粒在三維空間上與固定的攔截體實現(xiàn)了碰撞靜止,即顆粒運動速度為零。這是由于顆?？繑r截體摩擦力的約束,便于附著和吸附在攔截體上,攔截體吸附了無數(shù)小顆粒靜止的等待不斷運動的顆粒碰撞,結成大泥團,當泥團達到足夠質(zhì)量后便克服攔截體摩擦力沉淀下來。由于水中顆粒運動是在三維空間上與固定的攔截體碰撞沉淀,因此呈現(xiàn)出多向性和短距離,不論顆粒尺寸、質(zhì)量、形狀有何差異,只要與攔截體碰撞均能附著在攔截體上形成大泥團沉淀。攔截沉淀對于處理低濁水效果十分理想,不使用助凝劑,處理相同水量,攔截沉淀池可較其他沉淀池混凝劑用量降低20%左右。

[1]何文杰.安全飲用水保障技術[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[2]嚴煦世,范瑾初.給水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[3]王紹文,陳潤明.一種小間距斜板沉淀設備:中國專利,ZL95205209[P].1997-04-16.

[4]許嘉炯,沈裘昌,雷 挺,等.新型中置式高密度沉淀池的開發(fā)與運用[J].給水排水,2007(33):19-24.