Optimisation of basic water-treatment processes design and operation:Sedimentation

王淑芳　編譯　　　楊福才　校
天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司科技情報(bào)站

　　摘要：本文論述了地表水沉淀處理工藝中沉淀池的類型，沉淀池的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。
　　關(guān)鍵詞：沉淀　澄清　設(shè)計(jì)　操作

　　沉淀或澄清是最常用的水處理工藝之一，它通過(guò)重力沉降把懸浮液分離成澄清液和更濃縮的懸浮液（泥漿）。沉淀工藝分為平流沉淀和澄清兩種。平流沉淀用泥砂池去除比泥沙大且重的顆粒，澄清是從水中分離小而輕的絮凝顆粒。
　　設(shè)計(jì)沉淀工藝時(shí)需考慮幾個(gè)重要方面：
　　(1)整個(gè)處理工藝；
　　(2)懸浮物的特征和數(shù)量；
　　(3)顆粒沉淀的特征；
　　(4)場(chǎng)地限制和未來(lái)水廠擴(kuò)建；
　　(5)當(dāng)?shù)貧夂驐l件；
　　(6)水廠流量變化；
　　(7)沉淀池的類型和形狀；
　　(8)每一沉淀池均勻水力負(fù)荷；
　　(9)沉淀池入口和出口構(gòu)造；
　　(10)固體和混漿去除設(shè)施的荷載；
　　(11)沉淀池水力負(fù)荷；
　　(12)池內(nèi)短流；
　　(13)規(guī)章限制。
　　沉淀池建成后，水廠操作人員必須做到以下幾點(diǎn)：
　　(1)監(jiān)測(cè)沉淀池效率的狀況；
　　(2)觀察整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)情況并注意任何反?，F(xiàn)象的出現(xiàn)；
　　(3)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔去除污泥；
　　(4)控制藻類；
　　(5)熟悉沉淀池的特殊設(shè)計(jì)特征。
　　有兩種情況經(jīng)常被設(shè)計(jì)工程師和水廠操作人員忽略：(1)沉淀池內(nèi)的水流通常不是活塞流，在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)為短流；(2)澄清效果是澄清池上游原水水位和水量的直接函數(shù)。對(duì)于普通沉淀池，有效澄清的關(guān)鍵是使原水中的懸浮物適當(dāng)?shù)鼗炷托跄?

　　一、沉淀池的類型

　　沉淀池有三種主要類型：平流矩形沉淀池、上向流沉淀池、上向流固體接觸（懸浮泥渣）反應(yīng)一澄清池。一般以平流沉淀池為最佳，特別在美國(guó)使用更好。這是因?yàn)檫@種池子水為穩(wěn)定性好且容許較大的負(fù)荷。此類沉淀池可預(yù)先告知水處理情況，而且在流速高達(dá)兩倍設(shè)計(jì)流速時(shí)也能運(yùn)行，并不使水質(zhì)惡化。矩形沉淀池易于設(shè)計(jì)和建造，且操作簡(jiǎn)單。
　　上向流反應(yīng)一澄清池廣泛用于歐洲國(guó)家，這種澄清池，特別是懸浮泥渣澄清池，在源水水質(zhì)穩(wěn)定和水力荷載恒定的情況下運(yùn)行效果都很好，而且還能承愛(ài)水質(zhì)和水力荷載的臨時(shí)較大波動(dòng)。
　　用于上向流反應(yīng)一澄清池容許的水力負(fù)荷較高，且具備有效自動(dòng)排泥裝置，因此池身緊湊。排泥裝置有一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)時(shí)控制的污泥閥，可去除多余的液化污泥。此種澄清池對(duì)水力和固體的沖擊荷載相當(dāng)敏感。所以要求操作人員更加注意，以利于有效操作。
　　對(duì)于整個(gè)處理工藝來(lái)說(shuō)，沉淀經(jīng)常被看作是最重要的單元工藝。有時(shí)，由于懸浮固體、硬度或總有機(jī)碳(TOC)含量高需加大混凝劑用量時(shí)，為保證濾后水水質(zhì)，需進(jìn)行有效絮凝并設(shè)計(jì)安全性高效果好的澄清池。這對(duì)于傳統(tǒng)的快砂濾池尤為理想。當(dāng)濾床是普通單層砂濾料和僅用硫酸鋁（沒(méi)有聚合物）作混凝劑時(shí)，澄清的程度是很重要的，因?yàn)闉V后水濁度與沉淀水濁度成正比，所以為保證濾后水水質(zhì)，應(yīng)采用穩(wěn)妥設(shè)計(jì)的沉淀工藝，以使沉淀水濁度小于2NTU。

　　最近幾年，雙層煤一砂濾料濾池和單層粗砂深濾床濾池使用很普遍，與這些類型濾池一起使用的沉淀池的設(shè)計(jì)不同于與傳統(tǒng)的快砂濾池一起使用的沉淀池設(shè)計(jì)。當(dāng)采用雙層濾料或粗砂深層濾料濾池時(shí)，沉淀工藝能夠承受更大的水力和固體負(fù)荷。單層濾料深濾床濾池經(jīng)常用于直接過(guò)濾工藝，條件是源水水質(zhì)一般、平均濁度小于10NTU，偶而濁度很高但小于50NTU。一些水處理廠已經(jīng)成功使用了直接過(guò)濾工藝處理30NTU以上濁度的源水。另外，雙層濾料濾池已被證實(shí)能有效處理進(jìn)入濾池濁度為5―10NTU的沉淀水（圖
2），一般來(lái)說(shuō)，與雙層和單層濾床濾池一起使用的澄清池所能承受的水力負(fù)荷很容易達(dá)到快砂濾池負(fù)荷的兩倍。

　　二、均勻水力負(fù)荷

　　影響沉淀池設(shè)計(jì)的其它因素是每個(gè)池子的均勻水力負(fù)荷和矩形池的實(shí)際流動(dòng)特征。水廠進(jìn)水均勻分配到各個(gè)沉淀池是在設(shè)計(jì)階段必須解決的水力問(wèn)題。一些工程師認(rèn)為如果所有沉淀池的出口都設(shè)置在同一高程，每個(gè)池子就會(huì)接受相同流量，而不用太考慮進(jìn)口情況，這是不正確的。已經(jīng)對(duì)6個(gè)平行的沉淀池做了觀察，發(fā)現(xiàn)有40%之多的流量是不同的。因此，為了在這一組沉淀池中分酏相同的流量，認(rèn)真設(shè)計(jì)每個(gè)池子的進(jìn)水口是非常重要的。欲在多數(shù)沉淀池中得到相等的流量，就要使各沉淀池出口的水頭損失大于進(jìn)水口沿程水頭損失，或者使用分流堰的方法得到。
　　沉淀池內(nèi)的水流大多數(shù)不是層流，也不是活塞流。普通沉淀池停留時(shí)間計(jì)算為流量(Q)與體積(V)的比值，但由于短流，實(shí)際上停留時(shí)間約等于計(jì)算停留時(shí)間的30%―40%。進(jìn)口的條件、沉淀池池型以及進(jìn)水水溫大大影響池內(nèi)水流的穩(wěn)定性。總之，水力負(fù)荷率越低，則死水區(qū)越大，短流程度越高。

　　三、進(jìn)水口能耗

　　為達(dá)到給沉淀池配水的目的，提出并驗(yàn)證了在沉淀池進(jìn)口放置不同擋板，目前最簡(jiǎn)單、最有效的方法是放置多孔擋板。對(duì)于特定類型的沉淀池來(lái)說(shuō)，最有效的擋板只能通過(guò)水力模型研究確定下來(lái)。
　　在對(duì)兩個(gè)不同類型的矩形沉淀池進(jìn)行為期6個(gè)月的水力模型研究后，確定了多孔檔板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)孔口應(yīng)均勻分布于擋板墻上，多孔擋板依次分布于沉淀池整個(gè)截面；(2)應(yīng)提供最大數(shù)目的孔口，以減少孔口之間的死水區(qū)；(3)穿過(guò)擴(kuò)散墻的水頭損失應(yīng)為0.3-0.9mm，以均衡通過(guò)整個(gè)沉淀池進(jìn)口截面的流量，使絮體的破壞減到最??；(4)孔口尺寸應(yīng)在均勻直徑75-150mm之間，以避免被藻類和其它漂浮物堵塞，而且孔與孔之間的間隔應(yīng)在250-400mm之間，保證擴(kuò)散墻有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；(5)孔口的形式是直接指
向沉淀池出口的平行射流方式；(6)進(jìn)口擴(kuò)散墻應(yīng)該位于進(jìn)水口下游約1.8-2.1m處。

　　四、出口水流控制

　　離開(kāi)沉淀池的水應(yīng)在沉淀池末端寬度上均勻通過(guò)。有些人提出在沉淀池出口安裝一個(gè)進(jìn)口擴(kuò)散型的布水墻。然而，從以住使用情況來(lái)看，出口布水墻的作用是很有限的，雖然它能減緩水流的速度，但實(shí)際上不能阻止沉淀池內(nèi)的重力流。許多國(guó)家的水廠操作人員支持這個(gè)觀點(diǎn)，因?yàn)樗麄兘?jīng)常觀察到由于布水墻前的沖刷，出口布水墻下游絮體量增多。
　　沉淀池的類型對(duì)水力特征和顆粒沉淀特性影響很大。方形池、圓形池，長(zhǎng)度小于寬度兩倍的池子、180°轉(zhuǎn)彎的池子以及深度非常深的池子一般都不是效果好的沉淀池類型。窄、長(zhǎng)和淺渠類型的池子具有顆粒沉降的最佳水力條件。斜管沉淀池和層狀斜板沉淀池具有最好的水力特性，因此沉淀效果好。
　　沉淀池末端集水槽的設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。沉淀池出水應(yīng)該均勻地從垂直于水流方向的面上集水。對(duì)于平流矩形池來(lái)說(shuō)，沉淀池出水的均勻收集一般是用沉淀池末端的多個(gè)長(zhǎng)型集水槽完成的。美國(guó)大多數(shù)州的管理機(jī)構(gòu)規(guī)定了每米集水槽最大水力負(fù)荷為11m3/h。然而，過(guò)去的事例表明矩形沉淀池在底流或表面有密度流存在時(shí)，用長(zhǎng)集水槽實(shí)際上是無(wú)效的。但是，上向流類型的澄清池塘懸浮反應(yīng)一澄清池還是需要這種集水槽。另外，有高速沉降裝置的矩形池則需要把集水槽安裝于沉降裝置上方，以便從沉淀池的整個(gè)面積中收取出水。

　　五、密度流

　　許多有經(jīng)驗(yàn)的水廠操作人員意識(shí)到在大多數(shù)沉淀、澄清池中經(jīng)常存在短流，甚至在精心設(shè)計(jì)的池子進(jìn)口、進(jìn)水和池內(nèi)水溫差很小(0.3℃)時(shí)會(huì)產(chǎn)生密度流。此外，進(jìn)口處懸浮固體多時(shí)（即濁度超過(guò)50NTU）也產(chǎn)生密度流。一般在進(jìn)水水溫比池內(nèi)水水溫稍低或懸浮固體多時(shí)就會(huì)產(chǎn)生密度流。在這些情況下，水流在進(jìn)口處攜帶著絮體跌落下來(lái)并在出口處上升。
　　密度流還可以解釋出口布水墻和集水槽的無(wú)效性。但是，有一個(gè)或兩個(gè)中間布水墻的矩形池可以減小密度流的發(fā)生，而且可增強(qiáng)礬花的沉降。中間布水墻增強(qiáng)礬花沉降的原因是：(1)在配水墻上游的溫和垂直混合效果減小了進(jìn)水和池內(nèi)水的溫差；(2)溫和的混合促進(jìn)了礬花的生長(zhǎng)。因此，礬花在第一間隔空間和在每個(gè)布水墻上游沉降非常好。此外，在每個(gè)布水墻下游產(chǎn)生穩(wěn)定流態(tài)并把風(fēng)力對(duì)于水流的影響減至最低。但必須強(qiáng)調(diào)的是，過(guò)度使用中間布水墻會(huì)減少礬花沉降機(jī)會(huì)并給安裝機(jī)械排泥裝置造成困難。

　　六、集泥設(shè)施

　　就集泥設(shè)施而言，帶有貯泥斗的機(jī)械刮泥機(jī)和帶有吸泥裝置的機(jī)械刮泥板使用了很長(zhǎng)時(shí)間。它們的構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需任何淹沒(méi)式機(jī)械。美國(guó)水廠中許多操作人員青睞刮泥機(jī)集泥設(shè)施中的排泥伸縮閥，因?yàn)樗苁共僮魅藛T測(cè)定污泥量，觀察污泥稠度，并能嗅到污泥的新鮮度。而設(shè)計(jì)帶有排泥閥的角度很小的排泥斗是很不實(shí)用的，（排泥閥由人工或時(shí)間繼時(shí)器控制）這是因?yàn)楫?dāng)閥開(kāi)啟時(shí)，在所排污泥中形成了一條與污泥出水管管徑相同的水槽，大多數(shù)污泥留存下來(lái)并慢慢腐化。
　　對(duì)懸浮澄清池來(lái)說(shuō)，由于懸浮層是流支的，所以對(duì)于濁度較低和濁度適中的原水排泥極為容易。開(kāi)啟排泥閥能階段性地排出多余污泥。但是，帶有泥沙的污泥由于原水濁度高(>500NTU)不容易從懸浮澄清池中排出。
　　不管澄清池類型如何，常規(guī)和合理的排泥應(yīng)高度重視。這是因?yàn)槲勰嗄軘y帶許多如有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)化合物（重金屬）等不良物質(zhì)和藻類、細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物等微生物。

　　七、增強(qiáng)混凝

　　美國(guó)即將出版的增強(qiáng)混凝規(guī)則對(duì)澄清池設(shè)計(jì)提出了新的問(wèn)題。按照新規(guī)則，澄清池進(jìn)水pH應(yīng)為5.5這樣低，這就要嚴(yán)重侵蝕沒(méi)于水中的混凝土和金屬。為了減小侵蝕，這些淹沒(méi)部分不僅需要特殊遮蓋層，而且還需恰當(dāng)選擇水泥類型，同時(shí)還要恰當(dāng)設(shè)計(jì)污泥處理和排放設(shè)施。另外，由于增強(qiáng)混凝需大量混凝劑，產(chǎn)生的污泥量可能相當(dāng)于常規(guī)處理方法的4―8倍。

　　八、操作問(wèn)題

　　“增強(qiáng)混凝規(guī)則”頒布后，現(xiàn)有水處理廠應(yīng)特別關(guān)注水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和操作上的改變。為了最大程度地減小操作問(wèn)題，水廠員工應(yīng)熟悉有關(guān)沉淀和澄清池的特殊設(shè)計(jì)特征，各池進(jìn)水閥恰當(dāng)調(diào)整以均勻分布水力負(fù)荷，排泥的適當(dāng)程序，各地絮體沉降條件以及池內(nèi)發(fā)生的任何異?，F(xiàn)象；了解懸浮污泥、污泥膨脹、池墻和隔墻上生長(zhǎng)的藻類情況以及池墻和周邊墻的任何滲漏情況。當(dāng)氣體在沉淀污泥中積累，產(chǎn)生泥泡，由于細(xì)菌的厭氧分解或空氣的過(guò)飽和作用，使得污泥漂浮起來(lái)而不是沉下去。除了滲漏以外，絕大多數(shù)問(wèn)題可通過(guò)預(yù)加氯來(lái)控制，使用2―3mg/L的氯進(jìn)行預(yù)加氯是連續(xù)投藥還是沖擊投藥取決于三氯甲烷的形成程度?？諝鈱?duì)原水的過(guò)飽和作用是個(gè)難題，唯一實(shí)際的解決辦法是阻止空氣進(jìn)入到原水中。
　　對(duì)于未使用預(yù)加氯的大多數(shù)水廠來(lái)說(shuō)，在池壁、集水槽和布水墻上生長(zhǎng)的藻類是個(gè)普遍問(wèn)題。阻止藻類生長(zhǎng)的最有效方法是在池壁上從水面至下0.6―1.2m處加上一層薄銅片。美國(guó)北加州的北海灣水廠和日本的一些水廠已經(jīng)成功使用了這種方法。水廠操作人員還必須注意集水槽和堰口板的高程要一致，否則會(huì)導(dǎo)致池內(nèi)水流倒向一方。
　　沒(méi)有機(jī)械排泥裝置的矩形沉淀池很可能會(huì)有污泥膨脹、污泥中產(chǎn)生氣泡以及污泥中生長(zhǎng)有機(jī)物的問(wèn)題。所有保守設(shè)計(jì)的矩形沉淀池有80%的污泥積累在池的前1/3處，而后1/2部分極少。在冬季的幾個(gè)月里，主要集泥區(qū)稍稍移向沉淀池出口。通常，對(duì)于沒(méi)有連續(xù)排泥設(shè)備的沉淀池，在未排泥前或連續(xù)排泥6―9個(gè)月后，池內(nèi)泥層頂端僅在靠近進(jìn)口區(qū)水下0.9―1.2m處，此現(xiàn)象應(yīng)引起注意。但是由于保守設(shè)計(jì)的沉淀池實(shí)際流量并沒(méi)多大變化，因而絮體的去除功能仍舊良好。然而，在高速沉降設(shè)備的水力負(fù)荷率要比保守設(shè)計(jì)的矩形池高3―5倍。水廠操作人員絕不會(huì)允許高速沉降設(shè)施有這么高的污泥積累；如果沒(méi)有連續(xù)的機(jī)械排泥裝置，沉降設(shè)施會(huì)被污泥堵塞。