用斜管或斜板沉降系統(tǒng)改造矩形平流沉淀池研究
沉淀是自來水生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝之一。在沉淀池內(nèi)，懸浮固體發(fā)生重力沉降而從水中分離。沉淀效率高，則懸浮固體除去量大，有利于提高出廠水水質(zhì)。 盡管各種環(huán)境污染使傳統(tǒng)的自來水生產(chǎn)工藝面臨挑戰(zhàn)，但沉淀處理的有效性是不容置疑的。與強(qiáng)化混凝相配合，沉淀處理還能提高對(duì)重金屬和有毒有機(jī)化合物等污染物的去除。然而，沉淀處理的效果取決于多種因素，只有通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)運(yùn)行管理，才能維持沉淀系統(tǒng)良好的水力條件，最大程度地除去懸浮固體。
1 沉淀與沉淀系統(tǒng)的選擇
沉淀在本質(zhì)上是一個(gè)自然過程。進(jìn)入沉淀池的水所含懸浮固體的起源多樣，有的是自然顆粒，如細(xì)砂，更多的則是原有性質(zhì)發(fā)生了變化的顆粒物，主要是絮凝劑作用的結(jié)果。只要這些顆粒的密度比水大，就能夠發(fā)生沉降而被除去。有些漂浮物比水輕，在沉淀系統(tǒng)的表面富集，則刮(掃)除處理。
沉淀系統(tǒng)的選擇對(duì)提高懸浮固體的沉降效率具有重要意義。對(duì)沉淀系統(tǒng)的選用必須綜合考慮，列為主要參考指標(biāo)的因素包括：(1)待除懸浮固體的類型；(2)沉淀在全部處理過程中的作用； (3)水廠地形和周圍環(huán)境；(4)可能的水力沖擊和水質(zhì)變化幅度；(5)沉淀出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定； (6)沉淀池內(nèi)污泥的產(chǎn)生量和性質(zhì)；(7)當(dāng)?shù)貧夂蚝偷刭|(zhì)條件；(8)未來擴(kuò)展和改造規(guī)劃；(9)建造、運(yùn)行和維修費(fèi)用；(10)設(shè)計(jì)、建造所需時(shí)間等。根據(jù)過去的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，平流沉淀系統(tǒng)的優(yōu)先選擇序列為(1)矩形平流池；(2)矩形平流池內(nèi)安裝高速沉淀設(shè)備；(3)專利設(shè)備。如果原水濁度高，可以回流活性污泥，則應(yīng)考慮使用豎流式澄清池，提高處理效率，減少占地面積并降低藥劑和污泥處理費(fèi)用。
2 矩形平流沉淀系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)
矩形平流沉淀系統(tǒng)具有沉淀效果穩(wěn)定，操作簡便，維修工作量小等特點(diǎn)，是當(dāng)今最廣泛采用的主體凈水構(gòu)筑物。
矩形平流沉淀系統(tǒng)的水處理量大，水力相對(duì)穩(wěn)定，性能易預(yù)測(cè)，尤其緩沖能力強(qiáng)，即使流速提高2倍，沉淀出水水質(zhì)也不會(huì)明顯惡化。在進(jìn)水水質(zhì)異常變化的情況下，通過調(diào)節(jié)藥劑用量仍能保證沉淀效果。
大量工程實(shí)例論證了矩形平流沉淀系統(tǒng)的處理有效性，只是系統(tǒng)占地面積大，且沉淀效果受水力停留時(shí)間、混凝處理、進(jìn)口配水、出口集水、排泥方式等因素的影響。因此，矩形平流沉淀池的設(shè)計(jì)似乎有很大自由，但經(jīng)驗(yàn)表明，矩形平流沉淀池的大小、深淺等都只能在有限的范圍內(nèi)界定，否則會(huì)出現(xiàn)各種不穩(wěn)定水力條件，降低沉淀處理效率—般認(rèn)為，窄、淺且長的沉淀池的水力條件好，可作為矩形平流沉淀池的基本造型。
沉淀池長度是改善沉淀出水水質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。加長沉淀池，水力停留時(shí)間增加，有利于更多顆粒物發(fā)生沉降。Schmidt和Bregas指出，如果保證在沉淀池內(nèi)2小時(shí)的水力停留時(shí)間，則矩形平流沉淀池的長深比以控制在35:1—20:1范圍內(nèi)為佳。有條件的水廠在新建或擴(kuò)建沉淀池日寸應(yīng)盡可能加大池長。
理想沉淀是不存在的，水力和顆粒間的相互作用干擾水中顆粒的沉降過程，外界環(huán)境條件可能嚴(yán)重降低矩形平流沉淀池的除濁功能。
表層短流對(duì)沉淀過程的影響最大。由天短流，顆粒在沉淀池內(nèi)的水力停留時(shí)間縮短，則慢沉降顆粒流出，處理負(fù)荷傳遞給濾池。如果表層短流現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，宜在沉淀池如入口處加設(shè)擋水墻(圖1)。
密度流對(duì)沉淀過程的干擾也很大。如果進(jìn)水的懸浮固體量高，則向下的密度流破壞沉降速率的均勻分布(圖1)，甚至使*近底部的沉降顆粒發(fā)生再懸浮，其程度取決于沉降顆粒的性質(zhì)，一般不會(huì)升高很多，但逐漸向出水口轉(zhuǎn)移并可能多次升降。根據(jù)沉降顆粒的這種再懸浮特征計(jì)算，沉淀池水深不得小于2.5m。
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溫差同樣導(dǎo)致密度流的發(fā)生。嚴(yán)寒地區(qū)需對(duì)凈水構(gòu)物進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘、加溫處理?/p>
在盛風(fēng)地區(qū)和多風(fēng)季節(jié)，高強(qiáng)度風(fēng)干擾表面水流，嚴(yán)重時(shí)可發(fā)現(xiàn)礬花在表層斑塊狀聚集。設(shè)置擋風(fēng)墻或給沉淀池加蓋有助于降低風(fēng)帶來的擾動(dòng)。
渦流是矩形平流沉淀池內(nèi)不可避免的干擾流。由于導(dǎo)水墻的摩擦作用，以及流態(tài)不穩(wěn)等原因，懸浮顆粒偏流，降低了沉淀除去效果。如果沉淀池太寬，可加設(shè)導(dǎo)流墻，提高水流穩(wěn)態(tài)。
矩形平流沉淀池的出水收集系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)合理，保證沿整個(gè)出水?dāng)嗝婢鶆蚣。沉淀出水速度不宜過快，避免打碎凝團(tuán)或擾動(dòng)沉降顆粒而惡化出水水質(zhì)。為提高出水收集系統(tǒng)的性能，一些出水槽設(shè)計(jì)較長，甚至達(dá)到沉淀池中部。
盡管對(duì)矩形平流沉淀池特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)已相當(dāng)深入，然而，由于歷史的原因，矩形平流沉淀池的早期設(shè)計(jì)偏于保守，建設(shè)規(guī)模較小且各種比例不盡合理，這不僅給進(jìn)一步提高沉淀出水水質(zhì)帶來困難，也不利于技術(shù)改造。為適應(yīng)降低沉淀出水濁度并從整體上改善出廠水水質(zhì)的要求，需結(jié)合仍在運(yùn)行中沉淀池的建造特征，積極探討提高沉淀效率的技術(shù)。
3 用斜管或斜板沉降系統(tǒng)改造矩形平流沉淀池
1904年，Hazen首次提出淺層沉淀理論。根據(jù)該理論，如果不考慮污泥積累因素，則池深對(duì)靜態(tài)或水平流沉淀池除濁效果的影響并不大。Camp在1953年率先籌建應(yīng)用系統(tǒng)，即增加污泥沉降面積的“double---try”沉淀池。到1955年左右，日本出現(xiàn)商用“UnoSeparator“高速沉降器，其由平行斜板組成，板間距25—50mm。此后，瑞典制造Lamella分離器，美國Micro Floc公司則從1969年開始生產(chǎn)斜管沉降系統(tǒng)。
斜管或斜板快速沉降系統(tǒng)允許懸浮顆粒在模內(nèi)發(fā)生有效的重力沉降。斜板沉降設(shè)備實(shí)際上是把多層沉淀池的底板做成一定傾斜度，以利于排泥，斜管則是將斜板沉降設(shè)備再進(jìn)行橫向分隔。改良型快速沉淀系統(tǒng)將一系列變流小隔板安裝到板一側(cè)，形成有利于懸浮顆粒發(fā)生混凝的水力條件，從而獲得更高的沉淀效率。
3.1 用料管或斜板沉降系統(tǒng)改造矩形平漉沉淀池的理論探討
在很長一段時(shí)間內(nèi)，出廠水的濁度只要控制在5NTU以下，相應(yīng)的沉淀池出水濁度標(biāo)準(zhǔn)在10—15NTU范圍內(nèi)。由于降低出廠水濁度的重要性逐漸被認(rèn)識(shí)，對(duì)沉淀處理的要求在加強(qiáng)。而當(dāng)前正在使用的沉淀池普遍水力停留時(shí)間短，跑礬現(xiàn)象比較嚴(yán)重，試圖通過加大絮凝藥劑用量而降低沉淀出水濁度的實(shí)際效果有限。適當(dāng)?shù)臉?gòu)筑物改造對(duì)提高短小沉淀池的處理能力是必要的。
斜管或斜板沉淀系統(tǒng)大大增加沉淀面積，改善了沉淀池的水力條件，使沉淀池的處理能力大幅度提高。然而，由于待處理水在斜管或斜板內(nèi)的水力停留時(shí)間短(斜管3—5分鐘，斜板則15—20分鐘，取決于管或板模型和表面負(fù)荷率)，快速沉降系統(tǒng)抗水量、水質(zhì)沖擊負(fù)荷能力普遍差，如果預(yù)處理效果不好，則沉淀出水水質(zhì)易發(fā)生變化而破壞供水水質(zhì)的穩(wěn)定性。
用斜管或斜板沉降系統(tǒng)改造整個(gè)矩形平流沉淀池并無優(yōu)勢(shì)。一方面，矩形平流沉淀池前1/4—1/3部分的自然沉降效率高，快速沉降系統(tǒng)對(duì)顆粒沉降過程的促進(jìn)作用并不大，反而易造成管板的堵塞；另一方面，矩形平流沉淀池前段的水力條件難控制，如果配水不勻或紊流嚴(yán)重，要保證斜管內(nèi)的平流狀態(tài)，則需增加斜管長度，給設(shè)計(jì)、安裝帶來困難。在沉淀池中后段建造快速沉降系統(tǒng)可能是最理想的改造方案。
設(shè)計(jì)平流——斜管或斜板組合沉淀池的優(yōu)勢(shì)在于： (1)保留了平流沉淀池對(duì)水質(zhì)變化的緩沖作用，沉淀系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定生產(chǎn)能力。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，懸浮顆粒物的自然沉降主要發(fā)生在矩形平流池的前1/4--1/3部分。因此，即使待處理水的懸浮顆粒物含量增加，由于平流池的除濁作用，斜管或斜板沉降系統(tǒng)所受沖擊小，有利于系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，因而能保持出水水質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定：(2)允許一定程度的超負(fù)荷生產(chǎn)。在矩形平流池內(nèi)，盡管部分輕小顆？膳c大而重的顆粒發(fā)生共沉降，但總是有少量既未自沉也未被共沉的顆粒物流入沉淀池末端。安裝斜管或斜板沉降系統(tǒng)后，顆粒間可能再次發(fā)生碰撞而沉降？紤]到斜管或斜板的高沉淀效率，可以適當(dāng)降低對(duì)進(jìn)水濁度的要求，因此允許——程度的超負(fù)荷運(yùn)行。有資料表明，理想狀態(tài)下，在乎流沉淀池出水區(qū)加裝斜管或斜板沉降系統(tǒng)后，出水量可捉高到原來的2—3倍：(3)提高了沉淀系統(tǒng)的運(yùn)行可*性。絮凝藥劑的適量投加、混合質(zhì)量等對(duì)矩形平流沉淀池處理效率的影響很大，藥劑投加量不足，很容易發(fā)生沉淀出水水質(zhì)惡化等事故。而在池內(nèi)安裝斜管或斜板后，即使對(duì)水質(zhì)或水量變化的反應(yīng)不及時(shí)，由于斜管或斜板的再次絮凝沉淀效應(yīng)，對(duì)出水水質(zhì)的影響也不會(huì)很大。顯然，平流——斜管或斜板組合沉淀池的安全性能好，能夠耐受一定的操作失誤：(4)建造斜管或斜板沉降系統(tǒng)后，沉淀池內(nèi)的水力、水流條件發(fā)生有利于控制短流、紊流、密度流等的變化，減少了氣溫、風(fēng)力等自然因素對(duì)沉淀效率的影響： (5)節(jié)省資金。擴(kuò)展平流沉淀池或?qū)⑵搅鞒卣w改造為斜管或斜板快速沉降系統(tǒng)都要消耗比建造組合沉淀池高得多的費(fèi)用。
3.2 平流——斜管或斜板組合沉淀池的基本構(gòu)造
平流——斜管或斜板組合沉淀池的基本構(gòu)造見圖2和圖3。為充分利用密度大的顆粒的自然沉降作用并提高配水水力條件，沉淀池前1/4或1/3部分設(shè)計(jì)為開敞式，也可從1/2處開始安裝斜板。
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安裝斜管沉降系統(tǒng)的池深不得小于3.6m。其中，斜管下部與池底的間距不得小于2m，而斜管上部與集水槽的間距不得小于0.8m。
3.3 優(yōu)化矩形平流——斜管或斜板組合沉淀池設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵
瑞典、荷蘭、法國和日本等國對(duì)斜管或斜板沉淀技術(shù)非常重視，實(shí)際應(yīng)用也較多，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面積累了較多經(jīng)驗(yàn)。
3.3.1 提高預(yù)處理效果，形成沉降性能良好的絮體
藥劑類型、混合和絮凝質(zhì)量等預(yù)處理因素直接影響可沉降絮體的生長行為。當(dāng)前，我國主要采取水力混合和絮凝工藝，對(duì)混合和絮凝過程的人工調(diào)控能力不強(qiáng)，因而對(duì)藥劑合理投加、混合和絮凝過程的設(shè)計(jì)等的要求較高。應(yīng)通過強(qiáng)化預(yù)處理過程，形成更多易沉淀除去的絮體。
3.3.2 均勻配水
均勻配水是控制水在沉淀池內(nèi)的流態(tài)，消除短流、紊流等破壞性水力條件的關(guān)鍵因素？赏ㄟ^設(shè)置擋水墻防止短流，建造花墻人口來均勻分配流速，達(dá)到改善進(jìn)入斜管或斜板沉降系統(tǒng)的水流狀態(tài)的目的。
盡管雷諾數(shù)(Re)和弗勞德數(shù)(Fr)未被列為斜管或沉板沉降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但為保證管或板內(nèi)的處于平流狀態(tài)，雷諾數(shù)應(yīng)小于200，最好在50左右，而弗勞德數(shù)要大于10-5。將模塊安裝在穩(wěn)定水流區(qū)，如水體中部，是維持管或板內(nèi)平流的有效措施。
3.3.3 研究顆粒在斜管或斜板內(nèi)的沉降規(guī)律，選擇適當(dāng)類型的模塊
鋁或鐵顆粒物在斜管或斜板內(nèi)的沉降包括阻滯沉降、過渡和密實(shí)3個(gè)基本階段。在阻滯沉降階段，絮體沿斜管或斜板表面下滑，而進(jìn)入過渡和密實(shí)階段后，絮體不再輕易下滑。大多數(shù)情況下，絮體在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以進(jìn)入密實(shí)階段。
根據(jù)顆粒在斜管或斜板內(nèi)的凝聚沉降規(guī)律，選擇沉降表面積大，水力效率高且不易被堵塞的模塊。經(jīng)驗(yàn)表明，六角形蜂窩斜管的綜合性能佳。盡管斜管水力半徑小，雷諾數(shù)低，但沉降能力較斜板強(qiáng)，而斜板在經(jīng)濟(jì)成本上占很大優(yōu)勢(shì)。
斜管或斜板的傾斜角度是基本設(shè)計(jì)參數(shù)。Culp于1968年首次研究了斜管或斜板傾斜角度對(duì)沉淀效率的影響。將傾斜角度調(diào)節(jié)為0、5、20、35、40、45、60和90度，對(duì)比研究表明，傾斜45--60度時(shí)的沉淀效率最高，沉降顆粒的“自凈”作用強(qiáng)。
3.3.4 維持水力平衡，合理設(shè)計(jì)斜管或斜板的處理負(fù)荷
盡管斜管或斜板沉降系統(tǒng)可在保證出水水質(zhì)的情況下使表面負(fù)荷率提高100--200％，但在寒冷地區(qū)，斜管的最大表面負(fù)荷率應(yīng)控制在5—6.3m/h，暖熱帶地區(qū)也不宜超過7.5---8.8m/h范圍。
3.3.5 有效排泥
斜管或斜板的懸浮顆粒除去效率高，因而池底污泥積累速度快，帶來的主要危害包括：(1)降低有效沉降深度，干擾配水：(2)發(fā)生了沉降的顆粒易再懸浮，增加斜管或斜板的處理負(fù)荷； (3)沉積污泥內(nèi)完成的有機(jī)物降解和微生物活動(dòng)等過程產(chǎn)生異臭異味。為保證沉淀系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須建造有效的排泥系統(tǒng)。此外，污泥收集方式是影響設(shè)計(jì)安裝斜管或斜板所需最小水深的重要依據(jù)。
排泥系統(tǒng)的選用主要取決于當(dāng)?shù)貧夂、原水懸浮顆粒的性質(zhì)和數(shù)量、絮凝劑的類型和用量、環(huán)境美學(xué)、經(jīng)濟(jì)成本等因素。由于受垂直空間限制，軌道刮板循環(huán)排泥常用寸斜管或斜板沉降系統(tǒng)的連續(xù)排泥。刮板排泥的主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：(1)適用于各種環(huán)境如果水中磨損性砂礫石含量少，維修量小(2)刮板運(yùn)行緩慢(一般<0.3m/min，對(duì)上層水體的擾動(dòng)小，同時(shí)減少了沉降顆粒的再懸。 (3)刮出污泥的含固率高，減少了污泥的體積，相應(yīng)降低了污泥處理費(fèi)用；(4)不受表層水體結(jié)冰影響。
3.3.6 均勻集水
以建造長方形斷面集水槽為宜，槽長按覆蓋全部斜管或斜板安裝區(qū)域設(shè)計(jì)。
3.3.7 其他控制技術(shù)
設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹С窒到y(tǒng)，便于吊裝和拆卸清洗斜管或斜板。選用衛(wèi)生、堅(jiān)固的斜管或斜板材料。
細(xì)菌或藻類生長和材料老化等是降低斜管或斜板沉降系統(tǒng)性能的重要破壞性因素，設(shè)計(jì)較深的出水區(qū)為主要控制對(duì)策。
有些水廠用石灰等化學(xué)物質(zhì)調(diào)節(jié)待處理水的堿度、硬度等化學(xué)性質(zhì)，要防止CaC01等沉積物在模內(nèi)積累，縮小過水?dāng)嗝妗?/p>
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