關(guān)于輻流式二沉池設(shè)計計算方法的探討

田 丹

（上海友為工程設(shè)計有限公司，上海市 200093）

0 引 言

二沉池作為城市污水廠重要的處理工藝單元，其設(shè)計參數(shù)的選定和計算方式直接影響二沉池的運行狀況，從而關(guān)系到整個污水廠的出水指標(biāo)。因此，在設(shè)計環(huán)節(jié)務(wù)必嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真。筆者在研究輻流式二沉池設(shè)計計算時，發(fā)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)范圍、計算方式、設(shè)備選定等在不同參考資料、現(xiàn)行規(guī)范和設(shè)計手冊之間存在不清晰、自相矛盾的地方，導(dǎo)致設(shè)計者尤其是初級設(shè)計人員無法準(zhǔn)確把握二沉池設(shè)計要點，成為污水廠運行不理想的最直接和最主要的原因。本文從輻流式二沉池設(shè)計資料中存在的問題、平面設(shè)計要點、豎向設(shè)計要點、刮（吸）泥設(shè)備和配水井等方面分別探討了輻流式二沉池的相關(guān)設(shè)計計算和參數(shù)選定，以供同行設(shè)計人員做參考和借鑒。

1 輻流式二沉池設(shè)計資料中存在的問題

1.1 設(shè)計流量選取存在的問題

《給水排水設(shè)計手冊·第5 冊·城鎮(zhèn)排水》（第3版，2017 年 2 月）（以下簡稱“《手冊》”）[1]中規(guī)定：日平均流量表示污水處理廠的處理規(guī)模，最高日最大時流量用于進(jìn)水管和一般構(gòu)筑物的水力計算。然而《手冊》在介紹沉淀池的相關(guān)計算時，采用日平均流量和表面負(fù)荷計算沉淀池表面積。這容易讓設(shè)計者以為表面負(fù)荷這個參數(shù)是基于日平均流量考慮。

1.2 二沉池沉淀池表面積計算存在的問題

根據(jù)《手冊》提供的沉淀池表面積計算公式[式（1）]和固體負(fù)荷計算公式[式（2）]，設(shè)計者往往忽視了式（2）中的表面積其實為實際表面積，而非二沉池整個結(jié)構(gòu)的表面積，從而容易推出表面負(fù)荷q 與固體負(fù)荷 G 的關(guān)系，見式（3）。

進(jìn)一步，假定混合液懸浮固體濃度X 與污泥回流比R 為已知值，那么q 與G 成正比，從而得出固體負(fù)荷也應(yīng)按日平均流量考慮。

1.3 污泥區(qū)容積計算存在的問題

《手冊》中規(guī)定輻流式二沉池污泥區(qū)容積按不小于2 h 貯泥量計算；而在《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）（2016 年版）（以下簡稱“《規(guī)范》”）[2]中活性污泥法處理后的二沉池污泥區(qū)容積，宜按不大于2 h 的污泥量計算。關(guān)于污泥濃縮時間，兩者相互矛盾。

1.4 有效水深、池邊水深、沉淀池總高度概念模糊問題

在《規(guī)范》里更多地規(guī)定了二沉池有效水深的適宜范圍，而在《手冊》中僅提到了沉淀部分有效水深的計算方式和池邊水深的建議值，兩者均未定義有效水深和池邊水深的具體含義，使得設(shè)計者在設(shè)計時容易出現(xiàn)概念張冠李戴、參數(shù)選錯的情況，最終導(dǎo)致總池高度計算錯誤，影響整個二沉池的運行效果。

以上是影響輻流式二沉池設(shè)計計算的主要問題。針對這些問題并結(jié)合相關(guān)工程實踐，本文主要從二沉池的平面設(shè)計和豎向設(shè)計兩方面對其計算要點進(jìn)行探討。

2 平面設(shè)計要點

2.1 設(shè)計流量的選定

根據(jù)《規(guī)范》和其他參考資料[3]，二沉池設(shè)計流量為分期建設(shè)的各期最大日最大時流量；進(jìn)出水管道的設(shè)計流量為最大日最大時流量與回流污泥量之和；表面負(fù)荷按最大日最大時流量和日平均流量兩種工況進(jìn)行校核，同時需滿足《手冊》和《規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。采用提升泵站時，按每期工作水泵的最大組合流量校核管渠輸水能力。

2.2 沉淀池表面積計算

關(guān)于二沉池表面積計算，目前主要有三種方法：表面負(fù)荷法、固體負(fù)荷法和德國ATV 標(biāo)準(zhǔn)法[4]。表面負(fù)荷法由式（1）進(jìn)行計算，主要是為了保證出水水質(zhì)良好；固體負(fù)荷法由混合液懸浮固體濃度、污泥回流比和實際表面積通過式（2）進(jìn)行校核計算，主要是為了保證污泥濃縮充分，回流污泥濃度高，維持曝氣池良好運行。嚴(yán)格來說，固體負(fù)荷應(yīng)通過污泥沉降試驗而確定。由于設(shè)計人員缺乏相應(yīng)試驗條件，目前固體負(fù)荷一般采用經(jīng)驗值，不超過150 kg（m2﹒d）為合格。

德國ATV 標(biāo)準(zhǔn)法中的表面負(fù)荷是以污泥體積負(fù)荷qav、混合液懸浮固體濃度X 和污泥指數(shù)SVI 為函數(shù)通過式（4）進(jìn)行計算。該方法考慮了污泥指數(shù)對二沉池實際運行控制的影響，克服了經(jīng)驗值法帶來的人為因素的影響。污泥指數(shù)可反映活性污泥的松散程度和凝聚性能。污泥指數(shù)過高，說明污泥難于沉降分離即將膨脹或已經(jīng)膨脹。

德國ATV 法中推薦了X 與SVI 在不同污水水質(zhì)中的取值范圍，但由于與國內(nèi)污水廠實際情況背景存在一定的差異，可以作為借鑒參考，但不宜作為主要的設(shè)計依據(jù)。

因此，在進(jìn)行二沉池表面積計算時，應(yīng)采用表面負(fù)荷法計算，用固體負(fù)荷法校核，相關(guān)參數(shù)應(yīng)符合《規(guī)范》規(guī)定。

2.3 進(jìn)水口

中進(jìn)周出輻流式二沉池中心進(jìn)水筒配水口采用矩形開孔，數(shù)量宜為4~6 個，流速為0.2~0.3 m/s。進(jìn)水筒周邊采用整流筒或穿孔擋板作為穩(wěn)流措施，目的是使混合液均勻擴(kuò)散，盡量減少二沉池出現(xiàn)短流或偏流的現(xiàn)象。相關(guān)工程實踐表明，整流筒更適用于混合液中含有密度較大懸浮物的情況，而穿孔擋板更適用于生化污泥沉降性能較差的情況。整流筒和進(jìn)水筒可做成土建形式或設(shè)備形式。土建形式適用于大中型二沉池，能滿足流速要求。整流筒流速宜為0.02~0.03 m/s，為避免短流，整流筒的淹沒深度宜為0.3~0.7 倍的設(shè)計水深，且低于中心進(jìn)水筒配水孔下緣0.3 m 以上。若采用穿孔擋板，擋板的開孔面積宜為0.1~0.2 倍的二沉池斷面積。

周進(jìn)中出輻流式二沉池布水槽一般采用DN 100長短管等速布孔。

2.4 出水口

輻流式二沉池一般采用三角堰自由出流，有單向環(huán)形出流和雙向環(huán)形出流兩種方式。需要注意的是，采用雙向環(huán)形出流時，環(huán)形槽中水流由左右兩側(cè)匯入出水口，其計算流量為0.5 倍設(shè)計流量。三角堰過堰水深一般為三角堰齒高的一半，各種工況下的堰口負(fù)荷不應(yīng)超過1.7 L/（s﹒m）。三角堰板可與出水槽一起做成不銹鋼的形式，也可以直接安裝在環(huán)形混凝土出水槽上，為了出水均勻，應(yīng)盡量使三角堰安裝在同一高度上。三角堰內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)浮渣擋板，以去除表面浮渣。

3 豎向設(shè)計要點

3.1 污泥區(qū)容積計算

污泥濃縮時間越長，濃縮效果越好，回流污泥濃度越高，但隨著時間增長，污泥區(qū)所需池容也增加，提高了整體建設(shè)費用，特別是過長時間的濃縮會造成磷的回溶和因反硝化而引起的污泥上浮。在德國ATV 標(biāo)準(zhǔn)中，活性污泥法最大的濃縮時間不超過2.5 h，因此設(shè)計時應(yīng)按照《規(guī)范》要求，即活性污泥法處理后的二沉池污泥區(qū)容積，宜按不大于2 h 的污泥量計算，并有連續(xù)排泥措施。

3.2 有效水深、池邊水深和總池高計算

關(guān)于二沉池高度計算，目前有兩種處理方法。一是根據(jù)我國《手冊》中采用離池中心1/2 半徑處的水深斷面作為計算斷面，總池高度由超高、沉淀部分的有效水深、緩沖層高度、污泥區(qū)高度四部分組成。其中，污泥區(qū)高度包括污泥斗高度、圓錐高度和污泥豎直段高度。由于沉淀部分的有效水深按沉淀時間和表面負(fù)荷計算，且沉淀池的沉淀效率由池表面決定，與池深關(guān)系不大，此處沉淀部分的有效水深可以理解為《規(guī)范》中的有效水深，即宜按2.0~4.0 m 取值。按照設(shè)計經(jīng)驗，如果計算出污泥豎直段高度超過刮泥板的高度，這將與工程實際不符合。因此設(shè)計時，需要綜合考慮污泥濃縮時間與污泥回流比這兩個參數(shù)的取值；或者總池高直接由超高、有效水深、緩沖層高度、刮泥板高度、污泥圓錐高度和污泥斗高度確定，其中池邊水深（由超高、有效水深、緩沖層高度、刮泥板高度組成）應(yīng)符合《手冊》的相關(guān)規(guī)定。

二是根據(jù)德國ATV 標(biāo)準(zhǔn)中采用離池中心2/3 半徑處的水深斷面作為計算斷面。池邊水深分為清水區(qū)、分離區(qū)、緩沖區(qū)和污泥濃縮區(qū)。優(yōu)點是考慮了泥水分離、污泥濃縮和污泥存儲等不同過程所需容積情況，缺點是計算中涉及的相關(guān)參數(shù)，如污泥指數(shù)和污泥體積負(fù)荷等，由于缺乏國內(nèi)的相關(guān)參考數(shù)據(jù)而具有一定的局限性。

因此，在進(jìn)行二沉池池高設(shè)計時，主要采用方法一進(jìn)行計算，必要時可采用方法二進(jìn)行對比或校核。

4 其他

4.1 刮（吸）泥設(shè)備

刮（吸）泥設(shè)備根據(jù)池徑大小進(jìn)行選擇，池徑小于20 m 時采用中心傳動刮（吸）泥機(jī)，池徑大于20 m時采用周邊傳動刮（吸）泥機(jī)。刮泥板與池底坡度一致，且盡量貼近池底底壁，減少盲區(qū)，其中鋼刮板不小于200 mm，橡膠板50~100 mm[5]。當(dāng)池徑過大時，由于刮（吸）泥機(jī)是從周邊將泥刮（吸）至集泥坑，刮（吸）泥效果不高，易存在死角，因此更適用于直徑在30 m 以下的二沉池。吸泥設(shè)備應(yīng)注意調(diào)節(jié)吸泥管的出泥量，減少吸泥管堵塞問題。刮（吸）泥機(jī)的撇渣裝置根據(jù)池高和有效水深配置，吸泥管流速、管徑和數(shù)量按二沉池液位和出泥槽液位差設(shè)計。

4.2 配水井

當(dāng)二沉池個數(shù)不小于2 座時通常需設(shè)置配水井，使混合液均勻地進(jìn)入沉淀池。輻流式沉淀池的配水井宜采用中心配水的方式，同時可以與污泥泵房合建。配水井設(shè)計時需要注意配水井的出水管不宜埋深過深，否則閥桿較長，不便于檢修；同時采用堰板出流時，需考慮堰板水頭損失較大帶來的大量空氣夾入混合液中，導(dǎo)致混合液進(jìn)入二沉池后氣泡釋放而產(chǎn)生污泥絮體被破壞、泥水分離效果差的影響，設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)降低配水井與沉淀池的水位差，降低二沉池進(jìn)水水能。

5 結(jié) 語

在進(jìn)行輻流式二沉池設(shè)計計算時，設(shè)計者不能按部就班地參照相關(guān)資料進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)在充分理解各設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實踐，優(yōu)化平面設(shè)計參數(shù)和豎向設(shè)計參數(shù)，合理選擇刮（吸）泥設(shè)備和配水井等輔助設(shè)施。本文的相關(guān)探討能為相關(guān)技術(shù)人員提供一定的參考和借鑒意義。