摘要：对矩形平流沉淀池的设计、运行特点和缺陷进行全面评价。论述了用斜管或斜板沉降系统改造矩形平流沉淀池的合理性，同时讨论了设计组合沉降系统的技术关键，以此提高沉淀池出水水质。
关键词：供水 沉淀 斜管 斜板 水质 浑浊度
沉淀是自来水生产的关键工艺之一。在内，悬浮固体发生重力沉降而从水中分离。沉淀效率高，则悬浮固体除去量大，有利于提高出厂水水质。 尽管各种环境污染使传统的自来水生产工艺面临挑战，但沉淀处理的有效性是不容置疑的。与强化混凝相配合，沉淀处理还能提高对重金属和有毒有机化合物等污染物的去除。然而，沉淀处理的效果取决于多种因素，只有通过优化设计，加强运行管理，才能维持沉淀系统良好的水力条件，最大程度地除去悬浮固体。 1 沉淀与沉淀系统的选择 沉淀在本质上是一个自然过程。进入的水所含悬浮固体的起源多样，有的是自然颗粒，如细砂，更多的则是原有性质发生了变化的颗粒物，主要是絮凝剂作用的结果。只要这些颗粒的密度比水大，就能够发生沉降而被除去。有些漂浮物比水轻，在沉淀系统的表面富集，则刮(扫)除处理。 沉淀系统的选择对提高悬浮固体的沉降效率具有重要意义。对沉淀系统的选用必须综合考虑，列为主要参考指标的因素包括：(1)待除悬浮固体的类型；(2)沉淀在全部处理过程中的作用； (3)水厂地形和周围环境；(4)可能的水力冲击和水质变化幅度；(5)沉淀出水水质标准的设定； (6)内污泥的产生量和性质；(7)当地气候和地质条件；(8)未来扩展和改造规划；(9)建造、运行和维修费用；(10)设计、建造所需时间等。根据过去的设计和运行经验，平流沉淀系统的优先选择序列为(1)矩形平流池；(2)矩形平流池内安装高速沉淀设备；(3)专利设备。如果原水浊度高，可以回流活性污泥，则应考虑使用竖流式澄清池，提高处理效率，减少占地面积并降低药剂和污泥处理费用。 2 矩形平流沉淀系统的性能评价 矩形平流沉淀系统具有沉淀效果稳定，处理可*，操作简便，维修工作量小等特点，是当今最广泛采用的主体净水构筑物。 矩形平流沉淀系统的水处理量大，水力相对稳定，性能易预测，尤其缓冲能力强，即使流速提高2倍，沉淀出水水质也不会明显恶化。在进水水质异常变化的情况下，通过调节药剂用量仍能保证沉淀效果。 大量工程实例论证了矩形平流沉淀系统的处理有效性，只是系统占地面积大，且沉淀效果受水力停留时间、混凝处理、进口配水、出口集水、排泥方式等因素的影响。因此，矩形平流的设计似乎有很大自由，但经验表明，矩形平流的大小、深浅等都只能在有限的范围内界定，否则会出现各种不稳定水力条件，降低沉淀处理效率—般认为，窄、浅且长的的水力条件好，可作为矩形平流的基本造型。 长度是改善沉淀出水水质的关键参数。加长，水力停留时间增加，有利于更多颗粒物发生沉降。Schmidt和Bregas指出，如果保证在内2小时的水力停留时间，则矩形平流的长深比以控制在35:1—20:1范围内为佳。有条件的水厂在新建或扩建日寸应尽可能加大池长。 理想沉淀是不存在的，水力和颗粒间的相互作用干扰水中颗粒的沉降过程，外界环境条件可能严重降低矩形平流的除浊功能。 表层短流对沉淀过程的影响最大。由天短流，颗粒在内的水力停留时间缩短，则慢沉降颗粒流出，处理负荷传递给滤池。如果表层短流现象经常发生，宜在如入口处加设挡水墙(图1)。 密度流对沉淀过程的干扰也很大。如果进水的悬浮固体量高，则向下的密度流破坏沉降速率的均匀分布(图1)，甚至使*近底部的沉降颗粒发生再悬浮，其程度取决于沉降颗粒的性质，一般不会升高很多，但逐渐向出水口转移并可能多次升降。根据沉降颗粒的这种再悬浮特征计算，水深不得小于2.5m。  图1 矩形平流池内出现的密度流，通过加设挡水墙控制短流 温差同样导致密度流的发生。严寒地区需对净水构物进行适当的屏蔽、加温处理。 在盛风地区和多风季节，高强度风干扰表面水流，严重时可发现矾花在表层斑块状聚集。设置挡风墙或给加盖有助于降低风带来的扰动。 涡流是矩形平流内不可避免的干扰流。由于导水墙的摩擦作用，以及流态不稳等原因，悬浮颗粒偏流，降低了沉淀除去效果。如果太宽，可加设导流墙，提高水流稳态。 矩形平流的出水收集系统必须设计合理，保证沿整个出水断面均匀集水。沉淀出水速度不宜过快，避免打碎凝团或扰动沉降颗粒而恶化出水水质。为提高出水收集系统的性能，一些出水槽设计较长，甚至达到中部。 尽管对矩形平流特点的认识已相当深入，然而，由于历史的原因，矩形平流的早期设计偏于保守，建设规模较小且各种比例不尽合理，这不仅给进一步提高沉淀出水水质带来困难，也不利于技术改造。为适应降低沉淀出水浊度并从整体上改善出厂水水质的要求，需结合仍在运行中的建造特征，积极探讨提高沉淀效率的技术。 3 用斜管或斜板沉降系统改造矩形平流 1904年，Hazen首次提出浅层沉淀理论。根据该理论，如果不考虑污泥积累因素，则池深对静态或水平流除浊效果的影响并不大。Camp在1953年率先筹建应用系统，即增加污泥沉降面积的“double---try”。到1955年左右，日本出现商用“UnoSeparator“高速沉降器，其由平行斜板组成，板间距25—50mm。此后，瑞典制造Lamella分离器，美国Micro Floc公司则从1969年开始生产斜管沉降系统。 斜管或斜板快速沉降系统允许悬浮颗粒在模内发生有效的重力沉降。斜板沉降设备实际上是把多层的底板做成一定倾斜度，以利于排泥，斜管则是将斜板沉降设备再进行横向分隔。改良型快速沉淀系统将一系列变流小隔板安装到板一侧，形成有利于悬浮颗粒发生混凝的水力条件，从而获得更高的沉淀效率。 3.1 用料管或斜板沉降系统改造矩形平漉的理论探讨 在很长一段时间内，出厂水的浊度只要控制在5NTU以下，相应的出水浊度标准在10—15NTU范围内。由于降低出厂水浊度的重要性逐渐被认识，对沉淀处理的要求在加强。而当前正在使用的普遍水力停留时间短，跑矾现象比较严重，试图通过加大絮凝药剂用量而降低沉淀出水浊度的实际效果有限。适当的构筑物改造对提高短小的处理能力是必要的。 斜管或斜板沉淀系统大大增加沉淀面积，改善了的水力条件，使的处理能力大幅度提高。然而，由于待处理水在斜管或斜板内的水力停留时间短(斜管3—5分钟，斜板则15—20分钟，取决于管或板模型和表面负荷率)，快速沉降系统抗水量、水质冲击负荷能力普遍差，如果预处理效果不好，则沉淀出水水质易发生变化而破坏供水水质的稳定性。 用斜管或斜板沉降系统改造整个矩形平流并无优势。一方面，矩形平流前1／4—1／3部分的自然沉降效率高，快速沉降系统对颗粒沉降过程的促进作用并不大，反而易造成管板的堵塞；另一方面，矩形平流前段的水力条件难控制，如果配水不匀或紊流严重，要保证斜管内的平流状态，则需增加斜管长度，给设计、安装带来困难。在中后段建造快速沉降系统可能是最理想的改造方案。 设计平流——斜管或斜板组合的优势在于： (1)保留了平流对水质变化的缓冲作用，沉淀系统具有良好的稳定生产能力。根据运行经验，悬浮颗粒物的自然沉降主要发生在矩形平流池的前1／4--1／3部分。因此，即使待处理水的悬浮颗粒物含量增加，由于平流池的除浊作用，斜管或斜板沉降系统所受冲击小，有利于系统功能的正常发挥，因而能保持出水水质的相对稳定：(2)允许一定程度的超负荷生产。在矩形平流池内，尽管部分轻小颗粒可与大而重的颗粒发生共沉降，但总是有少量既未自沉也未被共沉的颗粒物流入末端。安装斜管或斜板沉降系统后，颗粒间可能再次发生碰撞而沉降。考虑到斜管或斜板的高沉淀效率，可以适当降低对进水浊度的要求，因此允许——程度的超负荷运行。有资料表明，理想状态下，在乎流出水区加装斜管或斜板沉降系统后，出水量可捉高到原来的2—3倍：(3)提高了沉淀系统的运行可*性。絮凝药剂的适量投加、混合质量等对矩形平流处理效率的影响很大，药剂投加量不足，很容易发生沉淀出水水质恶化等事故。而在池内安装斜管或斜板后，即使对水质或水量变化的反应不及时，由于斜管或斜板的再次絮凝沉淀效应，对出水水质的影响也不会很大。显然，平流——斜管或斜板组合的安全性能好，能够耐受一定的操作失误：(4)建造斜管或斜板沉降系统后，内的水力、水流条件发生有利于控制短流、紊流、密度流等的变化，减少了气温、风力等自然因素对沉淀效率的影响： (5)节省资金。扩展平流或将平流池整体改造为斜管或斜板快速沉降系统都要消耗比建造组合高得多的费用。 3.2 平流——斜管或斜板组合的基本构造 平流——斜管或斜板组合的基本构造见图2和图3。为充分利用密度大的颗粒的自然沉降作用并提高配水水力条件，前1／4或1／3部分设计为开敞式，也可从1／2处开始安装斜板。   安装斜管沉降系统的池深不得小于3.6m。其中，斜管下部与池底的间距不得小于2m，而斜管上部与集水槽的间距不得小于0.8m。 3.3 优化矩形平流——斜管或斜板组合设计的技术关键 瑞典、荷兰、法国和日本等国对斜管或斜板沉淀技术非常重视，实际应用也较多，在系统设计和运行方面积累了较多经验。 3.3.1 提高预处理效果，形成沉降性能良好的絮体 药剂类型、混合和絮凝质量等预处理因素直接影响可沉降絮体的生长行为。当前，我国主要采取水力混合和絮凝工艺，对混合和絮凝过程的人工调控能力不强，因而对药剂合理投加、混合和絮凝过程的设计等的要求较高。应通过强化预处理过程，形成更多易沉淀除去的絮体。 3.3.2 均匀配水 均匀配水是控制水在内的流态，消除短流、紊流等破坏性水力条件的关键因素。可通过设置挡水墙防止短流，建造花墙人口来均匀分配流速，达到改善进入斜管或斜板沉降系统的水流状态的目的。 尽管雷诺数(Re)和弗劳德数(Fr)未被列为斜管或沉板沉降系统的设计标准，但为保证管或板内的处于平流状态，雷诺数应小于200，最好在50左右，而弗劳德数要大于10-5。将模块安装在稳定水流区，如水体中部，是维持管或板内平流的有效措施。 3.3.3 研究颗粒在斜管或斜板内的沉降规律，选择适当类型的模块 铝或铁颗粒物在斜管或斜板内的沉降包括阻滞沉降、过渡和密实3个基本阶段。在阻滞沉降阶段，絮体沿斜管或斜板表面下滑，而进入过渡和密实阶段后，絮体不再轻易下滑。大多数情况下，絮体在几个小时内就可以进入密实阶段。 根据颗粒在斜管或斜板内的凝聚沉降规律，选择沉降表面积大，水力效率高且不易被堵塞的模块。经验表明，六角形蜂窝斜管的综合性能佳。尽管斜管水力半径小，雷诺数低，但沉降能力较斜板强，而斜板在经济成本上占很大优势。 斜管或斜板的倾斜角度是基本设计参数。Culp于1968年首次研究了斜管或斜板倾斜角度对沉淀效率的影响。将倾斜角度调节为0、5、20、35、40、45、60和90度，对比研究表明，倾斜45--60度时的沉淀效率最高，沉降颗粒的“自净”作用强。 3.3.4 维持水力平衡，合理设计斜管或斜板的处理负荷 尽管斜管或斜板沉降系统可在保证出水水质的情况下使表面负荷率提高100--200％，但在寒冷地区，斜管的最大表面负荷率应控制在5—6.3m／h，暖热带地区也不宜超过7.5---8.8m／h范围。 3.3.5 有效排泥 斜管或斜板的悬浮颗粒除去效率高，因而池底污泥积累速度快，带来的主要危害包括：(1)降低有效沉降深度，干扰配水：(2)发生了沉降的颗粒易再悬浮，增加斜管或斜板的处理负荷； (3)沉积污泥内完成的有机物降解和微生物活动等过程产生异臭异味。为保证沉淀系统的正常运行，必须建造有效的排泥系统。此外，污泥收集方式是影响设计安装斜管或斜板所需最小水深的重要依据。 排泥系统的选用主要取决于当地气候、原水悬浮颗粒的性质和数量、絮凝剂的类型和用量、环境美学、经济成本等因素。由于受垂直空间限制，轨道刮板循环排泥常用寸斜管或斜板沉降系统的连续排泥。刮板排泥的主要优势表现在：(1)适用于各种环境如果水中磨损性砂砾石含量少，维修量小(2)刮板运行缓慢(一般<0.3m／min，对上层水体的扰动小，同时减少了沉降颗粒的再悬浮： (3)刮出污泥的含固率高，减少了污泥的体积，相应降低了污泥处理费用；(4)不受表层水体结冰影响。 3.3.6 均匀集水 以建造长方形断面集水槽为宜，槽长按覆盖全部斜管或斜板安装区域设计。 3.3.7 其他控制技术 设计适当的支持系统，便于吊装和拆卸清洗斜管或斜板。选用卫生、坚固的斜管或斜板材料。 细菌或藻类生长和材料老化等是降低斜管或斜板沉降系统性能的重要破坏性因素，设计较深的出水区为主要控制对策。 有些水厂用石灰等化学物质调节待处理水的碱度、硬度等化学性质，要防止CaC01等沉积物在模内积累，缩小过水断面。 4 用斜管沉降系统改造矩形平流的计算实例 以日最高流量为1.8m1／s的水厂为例。已建矩形平流池2组，分别宽18米，使用铝盐絮凝剂，实验测得凝集团的沉降速率30mm/min，最低环境温度-150C，要求用斜管沉降系统进行改造后使沉淀出水浊度不高于2NTU。 4.1 斜管安装面积的确定 4.1.1 斜管结构如图4所示。  颗粒在斜管内的沉降速率S0由以下公式计算：  式中A为安装斜管的面积(m2)，Q为 池内水的流量(m3／s)。 一般使斜管倾斜600，则  已建平流池深3.6m，为合理设计配水和出水水深，使用h和w分别为0.60m和
0.05m的斜管，则  实验室内测得凝集团在斜管内的沉降速率为0.00035m／s。由于实际环境中存在很多不可控因素，将安全系数设定为0.8，则取Ao=O.00028m／s，由此得：  以斜管结构占用面积3％计，则实际需要面积 A'=514×1.03=529m2 由于已建池宽18m，斜管覆盖池长应为529÷18=29.4m，取30m。 每池实际安装斜管面积18X 30=540m2 4.1.2复算水力条件 斜管沉降系统的表面负荷率为： 斜管内水流速率  待处理水在斜管内的水力停留时间   前1／4部分设计为开敞式，故完成改造只需池全长达到30÷0.75=40m。已建池更长，则进一步降低了斜管沉降系统的处理负荷，为稳定出水水质提供可*保证。 4.2 配水设计 在絮凝池与间设一进水渠，用花墙配水。最高日流量时，若将流过配水孔的水流速率控制在0.23m／s左右，则  配水孔建成0.12m直径，总孔数应为7.8／(0.785X 0.122)=690。若水平方向设为10排，孔间距0.4m；垂直方向72排，孔间距0.5m，则实际建孔数720，总面积8.14m2。 复核水力条件如下： (a)最大流量时每孔的流速=1.8÷8.14=0.22m／s； (b)通过配水墙后的水头损失：  4.3 集水设计 斜管沉降系统要求配装大量集水设施。按每池建6个集水槽设计，槽长与斜管安装长度相同，即30m。每槽流量=0.9÷6=0.15m3／s。对矩形槽，Q=1.38bh01.5，式中b为槽宽，h为水在槽末端的水深。若将集水槽建成0.45m宽，则h01.5= =0.242，h0=0.39m，取0.11m的安全高度，则槽深0.5m。 在每个池的末端设2个直径为0.25m的管道，其上安装蝶阀，用以反灌及冲洗。
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