高濁度來(lái)流下新型雙層平流沉淀池沉降效果研究

王文鑫，劉煥芳，孫志華，金 瑾，李詩(shī)堯，程 勇

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院, 新疆 石河子 832003; 2.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 新疆 烏魯木齊 830001)

0 引 言

在常規(guī)水處理中，去除固體懸浮物使用最普遍的方法是通過(guò)重力沉淀，沉淀池就是利用水中懸浮顆粒的重力沉降。主要原理與沉沙池原理有相似之處，即水流進(jìn)入池體后，流速顯著減小，使得水流挾帶固體懸浮物的能力大大降低，改變了原有水流泥沙運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，從而達(dá)到沉降的目的[1]。作為水處理中的一種基本工藝，沉淀池在水處理的各個(gè)階段都發(fā)揮著極其重要的作用，沉淀池在整個(gè)凈水系統(tǒng)中可以去除大約80%～90%的懸浮固體[2]。平流沉淀池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、池深較淺、造價(jià)相對(duì)較低、運(yùn)行維護(hù)方便、對(duì)原水水質(zhì)水量變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力、藥耗和能耗相對(duì)其他池型低以及排泥方便等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，為了對(duì)平流沉淀池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少其占地并提高單位面積制水能力，據(jù)此設(shè)計(jì)出了多層沉淀池。新疆河流通常汛期來(lái)流濁度較高，而一般平流式沉淀池對(duì)高濁度來(lái)水的凈化效果不是很理想，會(huì)增加其他凈水環(huán)節(jié)的難度和水廠運(yùn)行維護(hù)成本，雙層平流沉淀池的分層沉降特點(diǎn)為處理高濁度來(lái)水問(wèn)題提供了一個(gè)新的方向。沉淀池設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要依據(jù)為沉淀實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)沉淀實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析開(kāi)展了許多研究。張林生和經(jīng)一芬[6]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試平流沉淀池的水力特性，研究了表面負(fù)荷率、懸浮物分離效率、短流率之間的關(guān)系。張玉先[7]提出沉淀剩余率的概念，利用累積分布曲線求出顆粒臨界沉速，計(jì)算其沉淀面積，得到的結(jié)果滿足沉淀要求。在國(guó)外，Bhargawa[8]從經(jīng)濟(jì)角度分析，以沉淀池所要求的沉淀效率來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其建立了一種新的沉淀池設(shè)計(jì)模型，通過(guò)對(duì)沉淀池處理顆粒的粒徑進(jìn)行分析，建立了顆粒去除率與過(guò)流率之間的關(guān)系。Christoulas[9]通過(guò)對(duì)3個(gè)不同規(guī)模的沉淀池進(jìn)行沉淀實(shí)驗(yàn)，得到了一個(gè)關(guān)于固體懸浮物去除率、進(jìn)水固體懸浮物濃度、沉淀池表面負(fù)荷率三者之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)、制作沉淀池模型和模型試驗(yàn)，研究雙層平流沉淀池在高濁度來(lái)水地區(qū)的凈水效果和可操作性。

1 沉淀池模型設(shè)計(jì)與原理

新型雙層平流沉淀池的設(shè)計(jì)是結(jié)合斜板沉淀池原理和雙層平流沉淀池原理，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)得到的。與傳統(tǒng)的平流沉淀池相比，該新型雙層平流沉淀池底部采用斜板構(gòu)造，增大了沉淀池的沉淀面積，縮短了池長(zhǎng)[10]。根據(jù)斜板沉淀池逆向流和同向流原理設(shè)計(jì)兩組新型雙層平流沉淀池，下向流斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池和上向流斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池，即模型A和模型B。本文介紹的沉淀池模型是根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，按1∶40的相似比尺進(jìn)行設(shè)計(jì)，池體采用厚度為10 mm的有機(jī)玻璃材料。模型長(zhǎng)、寬分別為0.8、0.2 m。模型A和模型B斜板與水平面的傾角均設(shè)置為30°。進(jìn)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(yàn)裝置有效容積為56L，采用穿孔排泥方式進(jìn)行排泥。

模型A進(jìn)水端位置設(shè)在下層斜板頂端附近，來(lái)水經(jīng)過(guò)穿孔花墻進(jìn)入雙層沉淀池，下層沉淀采用同向流類型，即來(lái)水方向與泥流方向相同，這樣設(shè)計(jì)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。其中過(guò)渡段采用豎流式構(gòu)造，來(lái)水經(jīng)調(diào)流區(qū)調(diào)流后，在下層沉淀池流速較均勻，使得在整個(gè)豎流式過(guò)渡段的上升流速較均勻。來(lái)水流經(jīng)下層沉淀池，大部分固體顆粒已經(jīng)在下層沉淀，流至過(guò)渡段時(shí)，與豎流式過(guò)渡段的緩沖層中沉淀下的污泥相互接觸、吸附，促進(jìn)顆粒的絮凝，加快過(guò)渡段的沉淀速度，同時(shí)又在過(guò)渡段的底部緩沖層形成污泥懸浮層，攔截來(lái)流中的污泥顆粒。由于豎流式過(guò)渡段的接觸絮凝、懸浮層攔截等特性，增強(qiáng)過(guò)渡段適應(yīng)來(lái)流水質(zhì)變化的能力，上層來(lái)流方向和污泥滑落方向相反，縮短污泥沉降到池底的時(shí)間。

模型B進(jìn)水端位置設(shè)在下層斜板底端附近，來(lái)水通過(guò)穿孔花墻進(jìn)入下層沉淀池，下層沉淀采用逆向流類型，為了減少來(lái)水與滑落的污泥摻混，使下層來(lái)水水質(zhì)惡化，不宜將穿孔位置設(shè)置得過(guò)低，下層沉淀池頂部的水平擋板以及上層沉淀池左側(cè)的豎直擋板均設(shè)置為穿孔花墻，這樣可以有效減少水流的擾動(dòng)。在重力作用下，隨著來(lái)水的持續(xù)，污泥在斜板底部不斷沉積。兩個(gè)類型的沉淀池上下層斜板底部均設(shè)有排泥管，定期排除積泥。實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)的新型沉淀池底部需設(shè)置相應(yīng)的刮泥設(shè)施。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。

圖1 新型斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池(單位：cm)Fig.1 New type plated double-deck horizontal flow sedimentation tank

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(shù)為56孔，穿孔板示意圖見(jiàn)圖2。試驗(yàn)中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(nèi)徑為8 mm的有機(jī)玻璃管，為了避免池底污泥大量積聚，堵塞管道，在排泥管兩側(cè)開(kāi)孔，開(kāi)孔孔徑為4 mm，排泥管兩側(cè)的開(kāi)孔孔洞中軸線應(yīng)與豎直方向成 45°傾角。兩側(cè)孔洞交錯(cuò)布置，同側(cè)孔洞間距為10 mm，開(kāi)孔示意圖見(jiàn)圖3。

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

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

為了與兩個(gè)新型雙層平流沉淀池模型展開(kāi)對(duì)比試驗(yàn)，參照目前國(guó)內(nèi)串聯(lián)式雙層平流沉淀池的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了串聯(lián)式雙層平流沉淀池模型，即模型C。本文設(shè)計(jì)的串聯(lián)式雙層平流沉淀池(模型C)是根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建成運(yùn)行的串聯(lián)式雙層平流沉淀池運(yùn)行狀況，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則按照模型與原型1∶40的相似比尺設(shè)計(jì)而成，模型示意圖見(jiàn)圖4，沉淀池各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)如下：

圖4 串聯(lián)式雙層平流沉淀池(單位：cm)Fig.4 Tandem double-deck horizontal flow sedimentation tank

綜合考慮試驗(yàn)場(chǎng)地以及配套試驗(yàn)設(shè)施等條件，沉淀池總長(zhǎng)度取100 cm，其中上層沉淀區(qū)長(zhǎng)度為90 cm，實(shí)際有效沉淀長(zhǎng)度為88 cm。本沉淀池每層中間設(shè)置縱向擋板，將沉淀池分為四格，池體寬度為20 cm，沉淀池有效寬度為18 cm。下層沉淀區(qū)長(zhǎng)度為100 cm，實(shí)際有效沉淀長(zhǎng)度為98 cm。模型C池底縱坡取0.01。沉淀池下層池體污泥槽高度為9 cm，下層池體高為10 cm；上層池體有效水深為10 cm。下層進(jìn)水口、上層進(jìn)水口均設(shè)置穿孔配水板，配水板孔洞直徑為8 mm，每塊穿孔板上開(kāi)孔數(shù)為60孔。模型C采用矩形溢流堰出流，上清液流過(guò)矩形溢流堰經(jīng)集水槽收集出流，溢流堰高5 cm。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)配置原水的泥沙選取瑪納斯河下游天然河道泥沙。為了驗(yàn)證三個(gè)雙層平流沉淀池模型對(duì)高濁度來(lái)水的沉降效果，對(duì)3個(gè)沉淀池模型進(jìn)行未投放絮凝劑試驗(yàn)，試驗(yàn)中主要控制參數(shù)為表面負(fù)荷，本試驗(yàn)選取的表面負(fù)荷為0.05、0.08、0.12、0.15 m3/(m2·h)。為了驗(yàn)證3個(gè)雙層平流沉淀池模型在投放藥品后能否滿足實(shí)際工程要求，以及沉淀池在投放藥品前后濁度與固體懸浮物濃度去除率等出流水質(zhì)參數(shù)的變化，開(kāi)展添加絮凝劑后模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中配置原水選取的泥沙與未投放絮凝劑的試驗(yàn)一致，試驗(yàn)中選取的絮凝劑為聚合硫酸鋁，首先通過(guò)最佳投藥量實(shí)驗(yàn)確定在試驗(yàn)來(lái)流狀況下的最佳投藥量，合理投放絮凝劑后沉淀池對(duì)高濁度來(lái)水的處理效果會(huì)有較大幅度的提高，添加絮凝劑后試驗(yàn)控制參數(shù)選取的是表面負(fù)荷較大的0.12、0.15，0.18 m3/(m2·h)三組。試驗(yàn)在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水力試驗(yàn)大廳展開(kāi)，試驗(yàn)來(lái)水取天然河道泥沙在容積為1 m3的攪拌池中配置而成，試驗(yàn)過(guò)程中，攪拌器持續(xù)運(yùn)行，以保證來(lái)水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，試驗(yàn)所取的泥沙粒徑分析見(jiàn)表1。

表1 泥沙顆粒分析Tab.1 Sedimentgrain-size analysis

通過(guò)對(duì)瑪納斯河來(lái)水資料進(jìn)行分析，經(jīng)多次試驗(yàn)配制，配制出的試驗(yàn)用水濁度接近本地區(qū)汛期河道來(lái)水濁度。試驗(yàn)中未添加絮凝劑組次的原水平均濁度在1 200 NTU左右，添加絮凝劑后的組次原水平均濁度在2 000 NTU左右。試驗(yàn)中3個(gè)沉淀池同時(shí)展開(kāi)，保證原水水質(zhì)較均勻，3個(gè)沉淀池均在相同表面負(fù)荷下持續(xù)運(yùn)行。本試驗(yàn)來(lái)水流量采用恒流泵調(diào)節(jié)，流量測(cè)量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，并用量筒和秒表量測(cè)進(jìn)行校核。濁度測(cè)量使用HACH2100N型濁度測(cè)量?jī)x，量程為0.01～4 000 NTU。采用砂芯過(guò)濾裝置過(guò)濾，稱重法測(cè)定固體懸浮物濃度，即SS(Suspended Substance)。出流流量穩(wěn)定后，每隔20 min取一次原水水樣和經(jīng)沉淀池沉降后水樣，直至出流水質(zhì)不再發(fā)生明顯變化時(shí)停止取水。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 未加絮凝劑試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 出流濁度分析

未添加絮凝劑時(shí)，在相同工況下模型A、模型B以及模型C的濁度隨出流時(shí)間的變化如圖5。

由各表面負(fù)荷下出水濁度變化趨勢(shì)圖可知，在表面負(fù)荷為0.05、0.12、0.15 m3/(m2/h)下，出流穩(wěn)定后模型A和模型B的出流濁度均低于模型C的出流濁度。模型A剛剛出流時(shí)的出流濁度均較出流穩(wěn)定時(shí)有較大的差值，因此模型A在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)做好排泥除渣措施，盡量避免或者縮短運(yùn)行過(guò)程中的非必要停運(yùn)時(shí)間，盡量保證沉淀池持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)各組試驗(yàn)的進(jìn)水和出水濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可知在出流濁度趨于穩(wěn)定后，各個(gè)表面負(fù)荷下模型B的出流濁度大多低于模型C的出流濁度，模型A在降低出水濁度方面，優(yōu)于模型B和模型C。在試驗(yàn)選取的各個(gè)表面負(fù)荷下，模型B的出水濁度均要高于模型A的出水濁度。隨著表面負(fù)荷的增大，兩個(gè)沉淀池模型的出水濁度均逐漸降低。模型B在表面負(fù)荷為0.12 m3/(m2·h)時(shí)出水濁度較為穩(wěn)定，在表面負(fù)荷為0.15 m3/(m2·h)時(shí)出水濁度變化最大；模型A在表面負(fù)荷為0.15 m3/(m2·h)時(shí)出水濁度較為穩(wěn)定，在表面負(fù)荷為0.08 m3/(m2·h)時(shí)出水濁度變化幅度較大。

圖5 濁度隨來(lái)水時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 The trend of turbidity change with coming water

對(duì)各組試驗(yàn)的進(jìn)水和出水濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可知在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中出水口出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，各個(gè)表面負(fù)荷下3個(gè)沉淀池的平均出水濁度如表2所示。

由表2可知，在出流濁度趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，各個(gè)表面負(fù)荷下，模型A和模型B的平均出水濁度均較模型C的平均出水濁度低。綜合分析3個(gè)沉淀池模型在不同表面負(fù)荷下各個(gè)時(shí)刻的出流濁度發(fā)現(xiàn)，兩組新型斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池的在降低出水濁度方面均優(yōu)于現(xiàn)有的串聯(lián)式雙層平流沉淀池，在出流趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，模型A的去除效果優(yōu)于模型B。模型A的凈水效果均優(yōu)于模型B和模型C。

表2 平均出水濁度(趨于穩(wěn)定的過(guò)程中)Tab.2 The average water turbidity (in the process of stabilization)

3.1.2 出流固體懸浮物去除率分析

在相同來(lái)水狀況和表面負(fù)荷下，模型A、模型B以及模型C的固體懸浮物去除率隨出流時(shí)間的變化如圖6所示。

圖6 固體懸浮物去除率Fig.6 Removal ratio of Suspended Substance

由各表面負(fù)荷下固體懸浮物去除率變化曲線可以看出：當(dāng)出流穩(wěn)定后，在表面負(fù)荷為0.05、0.08、0.12 m3/(m2·h)下模型A和模型B的出流固體懸浮物去除率較接近，可見(jiàn)在沉淀池初次運(yùn)行到出流水質(zhì)趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，沉淀池的固體懸浮物去除率變化范圍較小。并且在模型試驗(yàn)所選取的4個(gè)表面負(fù)荷下，模型A和模型B的出流固體懸浮物去除率均高于模型C。雙層平流沉淀池底部采用斜板構(gòu)造后，由于增大了沉降面積，其對(duì)固體懸浮物去除效果優(yōu)于現(xiàn)有的串聯(lián)式雙層平流沉淀池。

試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)水平均固體懸浮物濃度為1 160 mg/L，在出水口出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，各個(gè)表面負(fù)荷下3個(gè)沉淀池的出水平均固體懸浮物去除率如表3。

表3 平均固體懸浮物去除率(趨于穩(wěn)定的過(guò)程中)Tab.3 The average removal ratio of suspended substance (in the process of stabilization)

由表3可知，在出流濁度趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，各個(gè)表面負(fù)荷下，模型A和模型B的出流平均固體懸浮物去除率均高于模型C。在表面負(fù)荷為0.08、0.12、0.15 m3/(m2·h)下模型A和模型B的平均固體懸浮物去除率較接近，平均固體懸浮物去除率波動(dòng)均在1%之內(nèi)。兩個(gè)新型斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池對(duì)固體懸浮物的去除效果較接近。對(duì)出流平均固體懸浮物去除率分析，模型A和模型B的去除效果優(yōu)于現(xiàn)有的串聯(lián)式雙層平流沉淀池。

3.1.3 討 論

試驗(yàn)選取瑪納斯河下游河道泥沙，分析3個(gè)沉淀池在對(duì)應(yīng)的表面負(fù)荷下未投放絮凝劑時(shí)進(jìn)出流水質(zhì)變化情況，可知：三個(gè)沉淀池出流趨于穩(wěn)定的過(guò)程中以及出流趨于穩(wěn)定后，模型A的沉降效果均優(yōu)于模型B和模型C，新型斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池對(duì)固體懸浮物的去除率受池底構(gòu)造的影響較小。

3.2 添加絮凝劑后試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)室內(nèi)最佳投藥量試驗(yàn)確定在試驗(yàn)的來(lái)流狀況下最佳投藥量為40 mg/L，試驗(yàn)過(guò)程中采用BT-100B數(shù)顯恒流泵將絮凝劑等比例持續(xù)通入原水中并通過(guò)水力攪拌使絮凝劑與原水充分混合。

3.2.1 添加絮凝劑后出流濁度分析

按試驗(yàn)確定的最佳投藥量添加藥品后，保證各試驗(yàn)條件與之前未加絮凝劑的試驗(yàn)條件一致，各組試驗(yàn)觀測(cè)的濁度隨出流時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖7所示。

圖7 濁度隨來(lái)水時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.7 The trend of turbidity change with coming water

添加絮凝劑后，3個(gè)沉淀池濁度均有明顯降低，并且在相同試驗(yàn)參數(shù)下，模型B的出流濁度在整個(gè)出流過(guò)程中均低于模型C，模型A在剛剛出流的前期固體懸浮物去除效果高于模型B，在出流趨于穩(wěn)定后，模型A出流濁度均低于模型B和模型C。模型A和模型B在降低來(lái)流濁度方面，效果優(yōu)于現(xiàn)有的串聯(lián)式雙層平流沉淀池。投放絮凝劑后，模型A的凈水效果優(yōu)于模型B和模型C，與未投放絮凝劑試驗(yàn)結(jié)論一致。

3.2.2 出流固體懸浮物去除率分析

按試驗(yàn)確定的最佳投藥量添加藥品后，各組試驗(yàn)的固體懸浮物去除率隨出流時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖8所示。

從各流量固體懸浮物去除率變化曲線可以看出，添加絮凝劑后，3個(gè)沉淀池的固體懸浮物去除率較接近，均能保證較高的固體懸浮物去除率，可見(jiàn)雙層平流沉淀池的雙層構(gòu)造對(duì)固體懸浮物的去除效果均較理想，雙層平流沉淀池對(duì)固體懸浮物的去除受底板構(gòu)造影響較小，與沉淀池的雙層構(gòu)造相關(guān)性較大。

在出水口出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定的過(guò)程中加入絮凝劑后各個(gè)試驗(yàn)組次平均固體懸浮物去除率較接近。加入絮凝劑后，沉淀池的表面負(fù)荷相應(yīng)的提高，縮短了水力停留時(shí)間，提高了沉淀池的水處理能力。在投加絮凝劑后，流量參數(shù)對(duì)沉淀池固體懸浮物去除率影響變小。

圖8 固體懸浮物去除率Fig.4 Removal ratio of Suspended Substance

添加絮凝劑后，出流趨于穩(wěn)定時(shí)，沉淀池固體懸浮物去除率均能保證在95%以上。3個(gè)雙層沉淀池模型均能保證較高的固體懸浮物去除率。

4 結(jié) 論

在高濁度來(lái)流下，未加絮凝劑與添加絮凝劑試驗(yàn)均表明新型斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池沉降效果優(yōu)于現(xiàn)有的串聯(lián)式雙層平流沉淀池，3個(gè)雙層平流沉淀池中下向流斜板構(gòu)造雙層沉淀池對(duì)高濁度來(lái)水的沉降效果最優(yōu)。加絮凝劑后三組沉淀池均能保證較高的固體懸浮物去除率，添加絮凝劑后三個(gè)沉淀池出

流固體懸浮物去除率較接近，表明雙層沉淀池對(duì)固體懸浮物的去除率受池底構(gòu)造的影響較小，沉淀池采用雙層構(gòu)造后，流量參數(shù)對(duì)固體懸浮物去除率影響變小。

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