高浊度来流下新型双层平流沉淀池沉降效果研究

王文鑫，刘焕芳，孙志华，金 瑾，李诗尧，程 勇

(1.石河子大学水利建筑工程学院, 新疆 石河子 832003; 2.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司, 新疆 乌鲁木齐 830001)

0 引 言

在常规水处理中，去除固体悬浮物使用最普遍的方法是通过重力沉淀，沉淀池就是利用水中悬浮颗粒的重力沉降。主要原理与沉沙池原理有相似之处，即水流进入池体后，流速显著减小，使得水流挟带固体悬浮物的能力大大降低，改变了原有水流泥沙运动的状态，从而达到沉降的目的[1]。作为水处理中的一种基本工艺，沉淀池在水处理的各个阶段都发挥着极其重要的作用，沉淀池在整个净水系统中可以去除大约80%～90%的悬浮固体[2]。平流沉淀池具有结构简单、池深较浅、造价相对较低、运行维护方便、对原水水质水量变化有较强的适应能力、药耗和能耗相对其他池型低以及排泥方便等优点[3-5]，为了对平流沉淀池进行优化设计，减少其占地并提高单位面积制水能力，据此设计出了多层沉淀池。新疆河流通常汛期来流浊度较高，而一般平流式沉淀池对高浊度来水的净化效果不是很理想，会增加其他净水环节的难度和水厂运行维护成本，双层平流沉淀池的分层沉降特点为处理高浊度来水问题提供了一个新的方向。沉淀池设计的一项主要依据为沉淀实验，国内外一些学者对沉淀实验的数据分析开展了许多研究。张林生和经一芬[6]通过试验测试平流沉淀池的水力特性，研究了表面负荷率、悬浮物分离效率、短流率之间的关系。张玉先[7]提出沉淀剩余率的概念，利用累积分布曲线求出颗粒临界沉速，计算其沉淀面积，得到的结果满足沉淀要求。在国外，Bhargawa[8]从经济角度分析，以沉淀池所要求的沉淀效率来进行设计，其建立了一种新的沉淀池设计模型，通过对沉淀池处理颗粒的粒径进行分析，建立了颗粒去除率与过流率之间的关系。Christoulas[9]通过对3个不同规模的沉淀池进行沉淀实验，得到了一个关于固体悬浮物去除率、进水固体悬浮物浓度、沉淀池表面负荷率三者之间关系的经验公式。

本研究通过设计、制作沉淀池模型和模型试验，研究双层平流沉淀池在高浊度来水地区的净水效果和可操作性。

1 沉淀池模型设计与原理

新型双层平流沉淀池的设计是结合斜板沉淀池原理和双层平流沉淀池原理，对其进行改进得到的。与传统的平流沉淀池相比，该新型双层平流沉淀池底部采用斜板构造，增大了沉淀池的沉淀面积，缩短了池长[10]。根据斜板沉淀池逆向流和同向流原理设计两组新型双层平流沉淀池，下向流斜板构造双层平流沉淀池和上向流斜板构造双层平流沉淀池，即模型A和模型B。本文介绍的沉淀池模型是根据重力相似准则，按1∶40的相似比尺进行设计，池体采用厚度为10 mm的有机玻璃材料。模型长、宽分别为0.8、0.2 m。模型A和模型B斜板与水平面的倾角均设置为30°。进水口分别采用挡水板和穿孔配水板，出口采用水平溢流堰。试验装置有效容积为56L，采用穿孔排泥方式进行排泥。

模型A进水端位置设在下层斜板顶端附近，来水经过穿孔花墙进入双层沉淀池，下层沉淀采用同向流类型，即来水方向与泥流方向相同，这样设计可以加速沉降在下层斜板底部的污泥滑落至斜板底部污泥槽，便于排泥。其中过渡段采用竖流式构造，来水经调流区调流后，在下层沉淀池流速较均匀，使得在整个竖流式过渡段的上升流速较均匀。来水流经下层沉淀池，大部分固体颗粒已经在下层沉淀，流至过渡段时，与竖流式过渡段的缓冲层中沉淀下的污泥相互接触、吸附，促进颗粒的絮凝，加快过渡段的沉淀速度，同时又在过渡段的底部缓冲层形成污泥悬浮层，拦截来流中的污泥颗粒。由于竖流式过渡段的接触絮凝、悬浮层拦截等特性，增强过渡段适应来流水质变化的能力，上层来流方向和污泥滑落方向相反，缩短污泥沉降到池底的时间。

模型B进水端位置设在下层斜板底端附近，来水通过穿孔花墙进入下层沉淀池，下层沉淀采用逆向流类型，为了减少来水与滑落的污泥掺混，使下层来水水质恶化，不宜将穿孔位置设置得过低，下层沉淀池顶部的水平挡板以及上层沉淀池左侧的竖直挡板均设置为穿孔花墙，这样可以有效减少水流的扰动。在重力作用下，随着来水的持续，污泥在斜板底部不断沉积。两个类型的沉淀池上下层斜板底部均设有排泥管，定期排除积泥。实际工程中，设计的新型沉淀池底部需设置相应的刮泥设施。试验模型见图1。

图1 新型斜板构造双层平流沉淀池(单位：cm)Fig.1 New type plated double-deck horizontal flow sedimentation tank

图1中虚线部分为穿孔板，孔直径为5 mm，每块穿孔板上孔数为56孔，穿孔板示意图见图2。试验中模型排泥方式采用静态排泥，上下层排泥管均布置在每层沉淀池底部，排泥管采用外径为12 mm，内径为8 mm的有机玻璃管，为了避免池底污泥大量积聚，堵塞管道，在排泥管两侧开孔，开孔孔径为4 mm，排泥管两侧的开孔孔洞中轴线应与竖直方向成 45°倾角。两侧孔洞交错布置，同侧孔洞间距为10 mm，开孔示意图见图3。

图2 穿孔板示意图(单位：cm)Fig.2 Schematic diagram of perforated plate

图3 排泥管开孔示意图Fig.3 Schematic diagram of mud pipe opening

为了与两个新型双层平流沉淀池模型展开对比试验，参照目前国内串联式双层平流沉淀池的设计经验，设计了串联式双层平流沉淀池模型，即模型C。本文设计的串联式双层平流沉淀池(模型C)是根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)，结合目前国内外已经建成运行的串联式双层平流沉淀池运行状况，根据重力相似准则按照模型与原型1∶40的相似比尺设计而成，模型示意图见图4，沉淀池各项参数的设计如下：

图4 串联式双层平流沉淀池(单位：cm)Fig.4 Tandem double-deck horizontal flow sedimentation tank

综合考虑试验场地以及配套试验设施等条件，沉淀池总长度取100 cm，其中上层沉淀区长度为90 cm，实际有效沉淀长度为88 cm。本沉淀池每层中间设置纵向挡板，将沉淀池分为四格，池体宽度为20 cm，沉淀池有效宽度为18 cm。下层沉淀区长度为100 cm，实际有效沉淀长度为98 cm。模型C池底纵坡取0.01。沉淀池下层池体污泥槽高度为9 cm，下层池体高为10 cm；上层池体有效水深为10 cm。下层进水口、上层进水口均设置穿孔配水板，配水板孔洞直径为8 mm，每块穿孔板上开孔数为60孔。模型C采用矩形溢流堰出流，上清液流过矩形溢流堰经集水槽收集出流，溢流堰高5 cm。

2 试验设计

试验配置原水的泥沙选取玛纳斯河下游天然河道泥沙。为了验证三个双层平流沉淀池模型对高浊度来水的沉降效果，对3个沉淀池模型进行未投放絮凝剂试验，试验中主要控制参数为表面负荷，本试验选取的表面负荷为0.05、0.08、0.12、0.15 m3/(m2·h)。为了验证3个双层平流沉淀池模型在投放药品后能否满足实际工程要求，以及沉淀池在投放药品前后浊度与固体悬浮物浓度去除率等出流水质参数的变化，开展添加絮凝剂后模型试验。试验中配置原水选取的泥沙与未投放絮凝剂的试验一致，试验中选取的絮凝剂为聚合硫酸铝，首先通过最佳投药量实验确定在试验来流状况下的最佳投药量，合理投放絮凝剂后沉淀池对高浊度来水的处理效果会有较大幅度的提高，添加絮凝剂后试验控制参数选取的是表面负荷较大的0.12、0.15，0.18 m3/(m2·h)三组。试验在石河子大学水利建筑工程学院水力试验大厅展开，试验来水取天然河道泥沙在容积为1 m3的搅拌池中配置而成，试验过程中，搅拌器持续运行，以保证来水水质相对稳定，试验所取的泥沙粒径分析见表1。

表1 泥沙颗粒分析Tab.1 Sedimentgrain-size analysis

通过对玛纳斯河来水资料进行分析，经多次试验配制，配制出的试验用水浊度接近本地区汛期河道来水浊度。试验中未添加絮凝剂组次的原水平均浊度在1 200 NTU左右，添加絮凝剂后的组次原水平均浊度在2 000 NTU左右。试验中3个沉淀池同时展开，保证原水水质较均匀，3个沉淀池均在相同表面负荷下持续运行。本试验来水流量采用恒流泵调节，流量测量采用转子流量计测量，并用量筒和秒表量测进行校核。浊度测量使用HACH2100N型浊度测量仪，量程为0.01～4 000 NTU。采用砂芯过滤装置过滤，称重法测定固体悬浮物浓度，即SS(Suspended Substance)。出流流量稳定后，每隔20 min取一次原水水样和经沉淀池沉降后水样，直至出流水质不再发生明显变化时停止取水。

3 试验数据分析

3.1 未加絮凝剂试验结果与分析

3.1.1 出流浊度分析

未添加絮凝剂时，在相同工况下模型A、模型B以及模型C的浊度随出流时间的变化如图5。

由各表面负荷下出水浊度变化趋势图可知，在表面负荷为0.05、0.12、0.15 m3/(m2/h)下，出流稳定后模型A和模型B的出流浊度均低于模型C的出流浊度。模型A刚刚出流时的出流浊度均较出流稳定时有较大的差值，因此模型A在运行过程中，应当做好排泥除渣措施，尽量避免或者缩短运行过程中的非必要停运时间，尽量保证沉淀池持续稳定运行。对各组试验的进水和出水浊度数据进行整理，可知在出流浊度趋于稳定后，各个表面负荷下模型B的出流浊度大多低于模型C的出流浊度，模型A在降低出水浊度方面，优于模型B和模型C。在试验选取的各个表面负荷下，模型B的出水浊度均要高于模型A的出水浊度。随着表面负荷的增大，两个沉淀池模型的出水浊度均逐渐降低。模型B在表面负荷为0.12 m3/(m2·h)时出水浊度较为稳定，在表面负荷为0.15 m3/(m2·h)时出水浊度变化最大；模型A在表面负荷为0.15 m3/(m2·h)时出水浊度较为稳定，在表面负荷为0.08 m3/(m2·h)时出水浊度变化幅度较大。

图5 浊度随来水时间变化趋势Fig.5 The trend of turbidity change with coming water

对各组试验的进水和出水浊度数据进行整理，可知在整个试验过程中出水口出水水质趋于稳定的过程中，各个表面负荷下3个沉淀池的平均出水浊度如表2所示。

由表2可知，在出流浊度趋于稳定的过程中，各个表面负荷下，模型A和模型B的平均出水浊度均较模型C的平均出水浊度低。综合分析3个沉淀池模型在不同表面负荷下各个时刻的出流浊度发现，两组新型斜板构造双层平流沉淀池的在降低出水浊度方面均优于现有的串联式双层平流沉淀池，在出流趋于稳定的过程中，模型A的去除效果优于模型B。模型A的净水效果均优于模型B和模型C。

表2 平均出水浊度(趋于稳定的过程中)Tab.2 The average water turbidity (in the process of stabilization)

3.1.2 出流固体悬浮物去除率分析

在相同来水状况和表面负荷下，模型A、模型B以及模型C的固体悬浮物去除率随出流时间的变化如图6所示。

图6 固体悬浮物去除率Fig.6 Removal ratio of Suspended Substance

由各表面负荷下固体悬浮物去除率变化曲线可以看出：当出流稳定后，在表面负荷为0.05、0.08、0.12 m3/(m2·h)下模型A和模型B的出流固体悬浮物去除率较接近，可见在沉淀池初次运行到出流水质趋于稳定的过程中，沉淀池的固体悬浮物去除率变化范围较小。并且在模型试验所选取的4个表面负荷下，模型A和模型B的出流固体悬浮物去除率均高于模型C。双层平流沉淀池底部采用斜板构造后，由于增大了沉降面积，其对固体悬浮物去除效果优于现有的串联式双层平流沉淀池。

试验过程中，进水平均固体悬浮物浓度为1 160 mg/L，在出水口出水水质趋于稳定的过程中，各个表面负荷下3个沉淀池的出水平均固体悬浮物去除率如表3。

表3 平均固体悬浮物去除率(趋于稳定的过程中)Tab.3 The average removal ratio of suspended substance (in the process of stabilization)

由表3可知，在出流浊度趋于稳定的过程中，各个表面负荷下，模型A和模型B的出流平均固体悬浮物去除率均高于模型C。在表面负荷为0.08、0.12、0.15 m3/(m2·h)下模型A和模型B的平均固体悬浮物去除率较接近，平均固体悬浮物去除率波动均在1%之内。两个新型斜板构造双层平流沉淀池对固体悬浮物的去除效果较接近。对出流平均固体悬浮物去除率分析，模型A和模型B的去除效果优于现有的串联式双层平流沉淀池。

3.1.3 讨 论

试验选取玛纳斯河下游河道泥沙，分析3个沉淀池在对应的表面负荷下未投放絮凝剂时进出流水质变化情况，可知：三个沉淀池出流趋于稳定的过程中以及出流趋于稳定后，模型A的沉降效果均优于模型B和模型C，新型斜板构造双层平流沉淀池对固体悬浮物的去除率受池底构造的影响较小。

3.2 添加絮凝剂后试验结果分析

通过室内最佳投药量试验确定在试验的来流状况下最佳投药量为40 mg/L，试验过程中采用BT-100B数显恒流泵将絮凝剂等比例持续通入原水中并通过水力搅拌使絮凝剂与原水充分混合。

3.2.1 添加絮凝剂后出流浊度分析

按试验确定的最佳投药量添加药品后，保证各试验条件与之前未加絮凝剂的试验条件一致，各组试验观测的浊度随出流时间的变化趋势如图7所示。

图7 浊度随来水时间变化趋势Fig.7 The trend of turbidity change with coming water

添加絮凝剂后，3个沉淀池浊度均有明显降低，并且在相同试验参数下，模型B的出流浊度在整个出流过程中均低于模型C，模型A在刚刚出流的前期固体悬浮物去除效果高于模型B，在出流趋于稳定后，模型A出流浊度均低于模型B和模型C。模型A和模型B在降低来流浊度方面，效果优于现有的串联式双层平流沉淀池。投放絮凝剂后，模型A的净水效果优于模型B和模型C，与未投放絮凝剂试验结论一致。

3.2.2 出流固体悬浮物去除率分析

按试验确定的最佳投药量添加药品后，各组试验的固体悬浮物去除率随出流时间的变化趋势如图8所示。

从各流量固体悬浮物去除率变化曲线可以看出，添加絮凝剂后，3个沉淀池的固体悬浮物去除率较接近，均能保证较高的固体悬浮物去除率，可见双层平流沉淀池的双层构造对固体悬浮物的去除效果均较理想，双层平流沉淀池对固体悬浮物的去除受底板构造影响较小，与沉淀池的双层构造相关性较大。

在出水口出水水质趋于稳定的过程中加入絮凝剂后各个试验组次平均固体悬浮物去除率较接近。加入絮凝剂后，沉淀池的表面负荷相应的提高，缩短了水力停留时间，提高了沉淀池的水处理能力。在投加絮凝剂后，流量参数对沉淀池固体悬浮物去除率影响变小。

图8 固体悬浮物去除率Fig.4 Removal ratio of Suspended Substance

添加絮凝剂后，出流趋于稳定时，沉淀池固体悬浮物去除率均能保证在95%以上。3个双层沉淀池模型均能保证较高的固体悬浮物去除率。

4 结 论

在高浊度来流下，未加絮凝剂与添加絮凝剂试验均表明新型斜板构造双层平流沉淀池沉降效果优于现有的串联式双层平流沉淀池，3个双层平流沉淀池中下向流斜板构造双层沉淀池对高浊度来水的沉降效果最优。加絮凝剂后三组沉淀池均能保证较高的固体悬浮物去除率，添加絮凝剂后三个沉淀池出

流固体悬浮物去除率较接近，表明双层沉淀池对固体悬浮物的去除率受池底构造的影响较小，沉淀池采用双层构造后，流量参数对固体悬浮物去除率影响变小。

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