辐流沉淀池在高浊度水预处理中的应用

程 万 达

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200000)

1 概述

某西北工业园区供水工程近期建设规模为6.2万m3/d，远期建设规模为20万m3/d，水源来自于黄河下游河段，根据取水口附近水文站实测数据显示，原水在汛期最大日平均含沙量达31.4 kg/m3,峰值含沙量达65.6 kg/m3，原水全年平均含沙量近1.57 kg/m3，为典型的高浊度水处理工程，考虑到原水浊度较高，沙峰持续时间较长，一级沉淀处理工艺无法满足滤池进水水质要求，拟采用多级处理工艺，即“预沉处理+常规处理”工艺。

2 高浊度水沉降特性

高浓度水的沉降特性根据水体中含沙量不同可分为四种类型，即自由沉降、絮凝沉降、界面沉降和压缩沉降。当原水含沙量较低(<6 kg/m3)且泥沙颗粒组成较粗时，一般具有自由沉降特性，当原水含沙量较高(6 kg/m3以上，15 kg/m3～20 kg/m3以下)时，泥沙颗粒之间由于自然絮凝作用而形成絮凝沉降，当原水中含沙量更高时(>20 kg/m3)，泥沙颗粒之间干扰和制约作用更为明显，形成均浓浑水层。均浓浑水层以同一速度整体下沉，产生明显的清水与浑水分界面，又称浑液面，此类沉降即为界面沉降。当原水中含沙量继续增大，泥沙颗粒组成均匀体系压缩脱水，即为压缩沉降。

黄河流域高浊度水遵循界面沉降规律，浑液面的下沉速度代表了泥沙颗粒的平均沉降速度，由此，预沉处理中沉淀池按浑液面沉速进行设计。

3 预沉池池型比选

根据CJJ 40—2011高浊度给水设计规范,当采用多级处理流程的第一级预沉构筑物，应具有较大泥沙浓缩容积和可靠的排泥设施，可采用辐流沉淀池、平流沉淀池或斜管(板)沉淀池，对此三种池型，可以采用混凝沉淀方式运行，也可在沙峰期间进行混凝沉淀，其他时间采用自然沉淀方式运行。

在高浊度水的预沉处理中，要保证对高浊度水的处理安全可靠，能否适应高浊度水的短期浊度变化及顺利排泥是关键。每次高浊度水沙峰的出现过程，来的急，去的慢。浊度值变化很大，给预沉处理工艺带来较大冲击负荷，且高浊度水进入预沉池内，会出现密度异重流，若水处理构筑物容积较小，则抗冲击负荷能力较差，将可能出现浑水出流现象。三种预沉池池型特点对比如表1所示。

表1 不同预沉池池型特点比较表

在高浊度水沙峰来临时，辐流沉淀池以清水顶浑水的方式运行，可作为减少或停止供水前的过渡措施。当沙峰持续时间较短，在适当减少出水量情况下，也能安全避过沙峰。且辐流沉淀池耐冲击负荷能力较强，排泥效果良好，结合周边县市高浊度水处理工程实践经验，工程采用辐流沉淀池对原水进行预沉处理。

4 辐流沉淀池设计要点

根据CJJ 40—2011高浊度给水设计规范，原水含沙量较低时可采用自然沉淀，原水含沙量较高时采用投加有机高分子絮凝剂进行混凝沉淀，自然沉淀时采用的最高设计含沙量应结合泥沙颗粒组成、沙峰时间确定，且不宜超过20 kg/m3，结合兰州市自来水公司对黄河水进行预沉处理实际运行情况，当原水含沙量超过15 kg/m3时，水体中颗粒的沉降行为已经表征为制约沉淀，浑液面沉速较低，须采用混凝沉淀才可保证安全供水。同时，考虑到近年来黄河水质存在不稳定现象，原水中有机物含量逐年增加，为利于水中胶体颗粒脱稳，保证后续处理工艺运行稳定，减轻后续处理工艺负荷，确定采用自然沉淀时的最大原水含沙量为15 kg/m3。

进水管、出水管及进水管、排泥管剖面图见图1。

4.1 辐流沉淀池面积

单座辐流沉淀池的面积应结合自然沉淀及混凝沉淀两种工况下的浑液面沉速、絮凝颗粒中的泥沙密度计算，计算公式如下：

F=F1+F2=1 000αQ/u+nf。

其中，F1为清水分离区净面积,m2；F2为进水竖管周围股流区面积,m2；α为静、动水沉降速度比值，一般取1.3～1.35，本次设计取1.35；Q为设计单池出水量,m3/s；n为辐流沉淀池个数，不宜少于2个，本工程取4个；f为单个进水竖管周围股流区面积，一般为0 m2～30 m2，本工程取30 m2；u为静止沉淀浑液面沉速，与泥沙浓度及温度等因素有关，混凝沉淀时，浑液面沉速参考范围为0.1 m/s～0.2 m/s,结合沉淀试验及周边县市数据，本工程取0.12 m/s，自然沉淀时，浑液面沉速按下式进行计算：

其中，v为浑液面沉速,mm/s;v0为泥沙颗粒自由沉降速度，对黄河兰州段，取0.157 mm/s；Cw为稳定泥沙重量浓度,kg/m3，本工程取12 kg/m3；Cp为颗粒中泥沙重量浓度，在Cw<100 kg/m3时，该值取400 kg/m3～410 kg/m3，本工程取410 kg/m3；Kv为系数，取4.01。

根据计算，当原水进行自然沉淀时，辐流沉淀池面积为10 512 m2，理论池体半径为28.92 m；当原水进行絮凝沉淀时，辐流沉淀池面积为10 497 m2，理论池体半径为28.9 m。实际设计中，辐流沉淀池单池直径为60 m。

4.2 辐流沉淀池高度

辐流沉淀池高度采用下列公式进行计算：

H=H0+H1+H2；

H1=(R-r)i。

其中，H0为沉淀池周边水深，一般采用2.4 m～2.7 m，本次设计采用2.7 m；H1为沉淀池圆锥台部分高度,m；R为沉淀池半径,m；r为沉淀池底部积泥坑半径，本次设计取2 m；i为池底平均坡度，一般不小于5%，且应向池体中心逐渐加大，本次设计取平均坡度为8%；H2为辐流沉淀池超高，一般取0.5 m～0.8 m。

根据计算，沉淀池周边水深2.7 m，中心池水深4.94 m，池体总高5.46 m，有效容积8 900 m3，停留时间约8.6 h。

4.3 辐流沉淀池进出水

辐流沉淀池的进水系统对预沉效果影响较大，为抑制进水出现短流现象，在中心配水孔外围径向2 m处设置有整流挡水套筒，以便于形成高浓度旋流絮凝区，提高加药混凝效果和沉淀效率。同时，在进水管高处设自动排气阀，首端设置计量设备，在低处设置放空管以便于停产检修。为保证出水均匀，工程中采用可调式薄壁堰出水，堰口底保持在同一高程，堰口前设置浮渣挡板。

4.4 辐流沉淀池排泥

辐流沉淀池无论采用自然沉淀或混凝沉淀，池内沉积泥沙均由周边传动桁架式刮泥机排出，刮泥机转速可调，刮泥臂的外缘线速度取4 m/min，刮泥机桁架上设置检修栈桥，刮泥板距离池底高度10 cm。原水含沙量较低时，刮泥机采用间歇式运行排泥，排泥间隔周期由池内积泥量及浓缩时间确定，原水含沙量高时，采用连续排泥。

辐流沉淀池中心底部设有积泥坑，由静水压力将泥浆自池体底部排泥管道重力排至泥沙处理设施，排泥管设置在排泥管廊内，排泥管管道坡度不小于0.01，管径除满足排泥水量通过之外，还要考虑能够顺利将滑动的泥块排出池外。池底排泥口设置控制阀门以控制排泥水量。本工程中排泥管管径为DN500，管道坡度为0.012，排泥管在首端设置排泥阀，当连续排泥时，阀门开启1/3左右，排泥管内呈非满管流情况，当间歇排泥时，常出现大量泥块滑动现象堵塞排泥阀门，此时可提高排泥阀门开度，加大排泥水量，保障运行安全。为便于辐流沉淀池排泥管及中心进水放空管检修及维护，在排泥管廊内设高压冲洗水、排水及通风设施，为避免排泥管产生淤塞，在排泥管上设置三处盲口进行清淤。排泥管廊内设有集水坑，检修时集水坑内污水由移动潜水泵排放至厂区雨水管网。

4.5 辐流沉淀池防冻

考虑到工程所在区域为寒冷区域，为防止辐流沉淀池冬季水面结冰影响正常运行，结合周边县市水厂运行经验，考虑采取临时增加单池进水流量，加大池面出流速度或者刮泥机定时转动破冰的防冻措施。

5 结语

1)辐流沉淀池具有池体容积大，适应水质及水量的变化能力强，排泥可靠且运行管理方便等特点，在高浊度水预处理中已得到越来越多的应用。

2)辐流沉淀池的面积确定主要由自然沉淀及混凝沉淀时浑液面沉速确定，浑液面沉速越小，单池面积越大，浑液面沉速越大，单池面积越小。

3)为保证辐流沉淀池冬季运行安全，应考虑采取防冻措施。

参考文献:

[1] CJJ 40—2011,高浊度水给水设计规范[S].

[2] GB 50013—2006,室外给水设计规范[S].

[3] 严熙世,范瑾初.给水工程[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社，1999.