新型斜板構造雙層平流沉淀池的試驗研究

王文鑫，劉煥芳，孫志華，吳心蓉

（石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832003）

沉淀池是水處理過程中不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。國內外對沉淀池流態(tài)的研究較多，主要集中在理論模型和數值模擬這兩方面，國外對沉淀池流態(tài)的研究較早。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，近年來，對于沉淀池流態(tài)的數值模擬較多，國外Jayoviti S[1]、Roza Tarpagkou[2]、Bajcar Tom[3]等利用軟件對沉淀池流體流態(tài)進行了模擬，Mahdi Shahrokhi等[4-5]通過試驗對沉淀池進行改良。國內的研究主要集中在理論分析與數值模擬方面，王磊磊[6]、周振[7]、劉百倉[8]、朱煒[9]等對沉淀池內的流場進行了數值模擬。國內關于沉淀池模型試驗較少，陶洪飛[10]、張宏媛[11]等進行了物理模型實驗。

在常規(guī)水處理中，通過重力沉淀作用去除固體懸浮物（SS）是目前最常用的方法，沉淀池就是利用水中懸浮顆粒的沉降性能，主要原理與沉沙池有相似之處，即水流進入池后，流速顯著減小，使得水流挾沙能力大大降低，從而改變了原有水流泥沙運動的狀態(tài)，從而達到沉降的目的[12]。

平流沉淀池因其具有池深淺、構造簡單、造價低、操作維護方便、對原水水質水量變化適應能力強、便于排泥、藥耗和能耗低等優(yōu)點，在大、中型水廠得到廣泛應用[13-15]。由于新疆冬季干燥寒冷，冰凍期漫長，低溫影響沉淀池的沉淀效率，因此新疆的沉淀池需要修建采暖系統。城鎮(zhèn)規(guī)模較小和冬季寒冷的雙重限制，使得平流沉淀池在新疆等高寒地區(qū)的使用受到限制。

斜板沉淀池是在淺池理論的基礎上發(fā)展起來的一種沉淀池，具有沉淀效率較高，沉淀時間短，沉淀池體積較小等優(yōu)點，但是斜板沉淀池在運行中存在停留時間短，緩沖能力小的特點，使其應付各種變化的能力變小，易發(fā)生淤積、堵塞，給運行帶來不便。

雙層平流沉淀池是通過增加一層沉淀池底板，將原有的平流沉淀池分隔成了兩座較淺的沉淀池。在雙層平流沉淀池中，原水經過絮凝反應后，較為輕質的絮凝體通過上層沉淀池排出，而較重的絮凝體顆粒，則通過下層沉淀池排泥系統排出[16]。據統計，雙層平流沉淀池在國內的應用較少，目前僅在浙江桐鄉(xiāng)運河水廠[17]，大連三道溝水廠[18]和深圳布吉污水處理廠[19]等工程中采用，并且運行狀況良好。已建成的雙層平流沉淀池構造與本試驗采用斜板構造的新池型有所區(qū)別。本文介紹的新型沉淀池的設計是結合斜板沉淀池原理和雙層平流沉淀池原理，對其進行改進而得到的。其底部采用斜板構造，利用斜板構造加速固體懸浮物的沉降，減少池長。與傳統的沉淀池相比，該池型既能克服斜板沉淀池有效水深低，停留時間短，緩沖能力小，易堵塞等缺點，又同時兼具雙層平流沉淀池占地面積小，沉淀面積大和斜板沉淀池沉降效率高的特點。

到2030年，西北干旱區(qū)水資源總量將無法滿足該區(qū)域的供水[20]。因此改良新疆等地水處理技術，提高水處理效率很有必要。本文根據斜板沉淀池逆向流和同向流原理設計2組新型雙層平流沉淀池——下向流斜板沉淀池和上向流斜板沉淀池，即模型一和模型二，介紹和分析了2組新池型的設計參數和原理，通過對兩組新型雙層平流沉淀池試驗的對比分析，研究該類型的沉淀池沉降性能，在實際工程中的可行性，運行管理中的控制參數等，希望可以為雙層平流沉淀池的設計與改良提供借鑒。

1 試驗設計的原理與試驗方法

1.1 試驗設計的原理

顆粒去除率計算公式為：

式中：E為沉速為μi的顆粒的去除率；μi為小于截留沉速的顆粒沉速（m/s）；Q/A為沉淀池的表面負荷（m3/m2·h）。

顆粒沉速μi一定時，增加沉淀池表面積可以提高去除率。當沉淀池容積一定時，池身淺些則表面積大些，去除率可以高一些。采用斜板構造將沉淀區(qū)域分為2個池身較淺的沉淀區(qū)域，從而使沉淀區(qū)面積大大的增加，并且經下層沉淀后的來水，進入上層，來水濃度已經降低，下層濃度較高，上層濃度較低，這樣不同濃度分層處理，不僅可以節(jié)約凈水藥品使用量，而且能減小沉淀池的占地空間。由于雙層沉淀池水平流速較低，其水平流方向弗勞德數往往較小，因此，在該新型雙層平流式沉淀池設計中均設置了縱向擋板，以增大濕周而降低水力半徑，增大弗勞德數，同時降低雷諾數。設計中上下層底板均采用斜板構造，相當于減小了池身深度，由于顆粒沉速μi一定，因此顆粒沉降時間可以縮短，提高了沉淀池的生產能力。

模型一進水端位置設在下層斜板頂端附近，來水經過穿孔花墻進入雙層沉淀池，下層沉淀采用同向流類型，即來水方向與泥流方向相同，這樣設計可以加速沉降在下層斜板底部的污泥滑落至斜板底部污泥槽，便于排泥。模型二進水端位置設在下層斜板底端附近，來水通過穿孔花墻板進入下層沉淀池，下層沉淀采用逆向流類型，為了減少來水與滑落的污泥摻混，使下層來水水質惡化，不宜將穿孔位置設置的過低，下層沉淀池頂部的水平擋板以及上層沉淀池左側的豎直擋板均設置為穿孔花墻，這樣可以有效減少水流的擾動，提高沉降效果。在重力作用下，隨著來水的持續(xù)，污泥在斜板底部不斷沉積。2個類型的沉淀池斜板與水平面的傾角均為30°，上下層斜板底部均設有排泥管，定期排除積泥。當斜板上顆粒累積到一定程度時，便自動滑下，沉積到上下層斜板的底部。

1.2 試驗設計

根據目前的設計規(guī)范要求，采用1∶10的比例設計2組模型，池體由厚度為10 mm的有機玻璃材料，排泥裝置由外徑12 mm，內徑8 mm的有機玻璃管制成。原型沉淀池長8m，寬2 m，有效水深0.8 m，模型長、寬、有效水深分別為 0.8 m、0.2 m和0.08 m。進水口分別采用擋水板和穿孔配水板，出口采用水平溢流堰。試驗裝置有效容積為56 L，試驗模型示意圖見圖1。圖1中虛線部分為穿孔板，孔直徑為5 mm，每塊穿孔板上孔數為56孔，穿孔板示意圖見圖2。

模型排泥方式采用靜態(tài)排泥，上下層排泥管均布置在每層沉淀池底部，排泥管采用外徑為12 mm，內徑為8 mm的有機玻璃管。為了避免池底污泥積聚在管道內，堵塞管道，在排泥管兩側開孔，開孔孔徑為4 mm，排泥管兩側的開孔孔洞中軸線應與豎直方向成 45°。兩側孔洞交錯布置，同側孔洞間距為10 mm，兩側孔洞相對中心線間距為5 mm。開孔示意圖見圖3。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Test schematic diagram

圖2 穿孔板示意圖(單位：cm)Fig.2 Schematic diagram of perforated p late

圖3 排泥管開孔示意圖Fig.3 Schematic diagram of mud pipe opening

1.3 試驗方法

本試驗在石河子澤眾水務公司北區(qū)水廠的預處理車間進行，為了更好地模擬天然河道來水，采用水廠的沉淀池沉積的污泥經反沖洗裝置沖洗后的出水作為來水。來水平均濁度為1383NUT，試驗過程中未添加混凝劑和助凝劑。各組試驗的主要控制指標為水力停留時間，試驗過程中通過轉子流量計調節(jié)來水流量，從而將2組裝置水力停留時間分別控制為50、60、70、80、90 min，這 5組水力停留時間對應的流量依次為 1.12、0.93、0.80、0.70、0.62 L/min。

由于本試驗中未加混凝劑或者絮凝劑，試驗為自由沉淀，按照自由沉淀試驗方法，沉淀效率隨來水時間間隔有明顯的變化，沉淀初期沉淀效率很高，出水水質范圍變化較大，因此，為了保證不同水力停留時間下出水水質達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，每間隔4 h對原水及2組沉淀池沉淀后水樣進行一次采集，每組各采集3份水樣，并對水樣固體懸浮物濃度進行觀測。

1.4 固體懸浮物濃度去除率的計算

本試驗觀測原水和原水經過2組模型處理后，分別在水力停留時間為 50、60、70、80、90 min的出水固體懸浮物濃度，計算各組模型固體懸浮物去除率，固體懸浮物去除率公式為：

式中：r為固體懸浮物去除率；C1為原水固體懸浮物濃度（mg/L）；C2為沉淀后的出水固體懸浮物濃度(mg/L)。

2 試驗結果與分析

試驗數據是在不同固體懸浮物濃度下測定的，固體懸浮物濃度區(qū)間為252 mg/L~2200 mg/L，試驗過程中即時排出污泥。

2.1 固體懸浮物去除率的分析

在不同水力停留時間下，固體懸浮物去除率如圖4所示。由圖4可知：

（1）模型一水力停留時間為70 min時，固體懸浮物去除率達到最大值，為92.7%，而模型二水力停留時間為80 min時，固體懸浮物去除率達到最大值，為 94.4%。

（2）當水力停留時間在70 min以內時，模型一固體懸浮物去除率優(yōu)于模型二，當水力停留時間在70 min以上時，模型二固體懸浮物去除率優(yōu)于模型一。結合兩組沉淀池模型試驗數據，模型一最佳水力停留時間為70 min，模型二最佳水力停留時間為80 min。

（3）在保證較高的固體懸浮物去除率的情況下，模型二沉淀效果優(yōu)于模型一。主要是由于模型一采取同向流原理，當污泥沉積在下層底部時，來水不可避免的對其進行摻混作用，增大了來水固體懸浮物濃度，模型二采用逆向流原理，只要合理控制流速和進水口高度，可以有效避免來水與積泥的摻混作用。

圖4 不同水力停留時間下固體懸浮物去除率變化趨勢Fig.4 The trend of suspended solids removal rate under different hydraulic retention time

2.2 沉淀池最佳排泥時間間隔

通過試驗確定該沉淀池最佳的排泥時間間隔。以水力停留時間為90 min為例，在不進行排泥的情況下，隨著試驗的進行，2組模型固體懸浮物去除率變化趨勢如圖5所示。圖5顯示：

試驗過程中來水平均固體懸浮物濃度為1182 mg/L，在來水20 h時，來水流經模型一和模型二后的固體懸浮物平均濃度分別為48 mg/L和72 mg/L，伴隨著來水的持續(xù)，模型一固體懸浮物去除率在來水20 h以后開始逐漸降低，而模型二固體懸浮物去除率在來水12 h后開始逐漸降低，12 h時模型二出水固體懸浮物濃度為50 mg/L。因此，在該固體懸浮物濃度范圍內，模型一排泥時間間隔宜控制在20 h以內，模型二排泥間隔宜控制在12 h以內。

由于模型一和模型二下層均是斜板結構，隨著來水不斷進入沉淀池，懸浮物顆粒持續(xù)滑至下層斜板底部，在下層斜板底部聚積，當固體顆粒聚積到一定程度時，下層來水流經下層斜板底部都會對沉降的固體顆粒進行摻混，固體懸浮物濃度增大，從而影響出水水質。根據試驗數據顯示，伴隨著來水的持續(xù)，若不對模型下層進行及時排泥，模型一在20 h以后，模型二在12 h以后，兩組模型固體懸浮物去除率均會降低。

2.3 沉淀池排泥效果的分析

由圖4可知，模型二固體懸浮物去除率受來水時間影響的變化范圍沒有模型一的明顯，可見模型二可以適用于更大來水固體懸浮物濃度范圍，這也可以作為模型二沉淀效果優(yōu)于模型一的一個依據。

由試驗現象可知，上層沉淀池底部污泥聚積量遠小于下層沉淀池，主要是由于下層沉淀池是高負荷沉淀區(qū)，上層沉淀池是低負荷沉淀區(qū)，來水經過下層沉淀池的處理，顆粒較大的固體懸浮物大部分已經在下層沉降，在流至上層時，來水固體懸浮物濃度已大大降低，上層沉淀池的排泥時間間隔設置可以略大于下層。

圖5 固體懸浮物去除率隨來水時間變化趨勢Fig.5 The tend of suspended solids removal rate changes with time of water coming

在本試驗研究過程中，為了避免污泥淤積過多，影響穿孔排泥管的排泥效率，上下層采用統一排泥時間間隔4h，每次排泥2 min，運行48 h后，池底并無明顯積泥，管道內也無堵塞情況，排泥裝置運行良好。因此，在實際工程中可以根據來水狀況和排泥裝置合理設置排泥周期和排泥時間，但是不宜將排水周期設置的過短，避免因排泥周期短造成上層沉淀池池底污泥上浮后再次沉降的時間過短，而影響出水水質。

在現有雙層沉淀池中，上層多采用虹吸式吸泥機進行排泥，下層多采用單軌式底部刮泥機排泥。在本試驗設計中充分利用斜板構造，將雙層沉淀池的動態(tài)機械排泥方式變?yōu)殪o態(tài)的穿孔排泥方式，一方面避免了運行過程中因設備故障檢修而影響生產，另一方面節(jié)約了動態(tài)排泥過程中轉動設備所耗的電費。

3 結論

設計的兩類新型斜板構造雙層平流沉淀池，運行良好，均能夠達到較為理想的去除效果，去除效果明顯優(yōu)于傳統平流式沉淀池。通過模型試驗可以得出如下結論：

（1）為了保證固體懸浮物去除率控制在90%以上，并且考慮到水廠處理效率，該新型雙層平流式沉淀池中模型一的水力停留時間宜設置為70 min，模型二的水力停留時間宜設置為80 min。

（2）在保證較高的固體懸浮物去除率的情況下，模型二沉淀的效果優(yōu)于模型一，且模型二去除的效果受污泥干擾作用較小。

（3）合理選取排泥裝置和控制排泥時間可以保證沉淀池的去除效果。當固體懸浮物濃度在1200 mg/L以內時，模型一的排泥時間間隔宜控制在20 h以內，模型二的排泥間隔宜控制在12 h以內。

（4）采用靜態(tài)的穿孔排泥方式，可減少運行過程中因設備故障而產生的檢修工作量，節(jié)約動態(tài)排泥過程中轉動設備所耗的電能。

（5）該雙層平流沉淀池采用特有的斜板構造，不僅能提高來水處理效率，而且能節(jié)省占地空間。斜板構造雙層平流沉淀池，在新疆等高寒地區(qū)以及人口密集城市有一定的推廣價值，隨著人口增長和城鎮(zhèn)化發(fā)展，該池型將有更加廣闊的應用前景。

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