高效沉淀池设计探讨

曹金亮

（天津城市基础设施建设投资集团有限公司，天津300381）

0 概述

为了保证污水处理厂出水胶体悬浮物浓度、磷浓度、有机物浓度满足排放要求，需在工艺流程中设置絮凝沉淀池。由于高效沉淀池具有处理效率高，效果稳定，适应性强，且占地小、投药量少、有机物去除效率高等优点，在污水处理厂的深度处理中大量应用，如常州城北污水处理厂提标改造工程、天津市张贵庄污水处理厂工程、天津咸水沽污水处理厂工程等。本文结合国内外混合与絮凝的技术发展与应用经验，以国内某污水处理厂工程为例，介绍污水处理厂中高效沉淀池的工艺设计。

高效沉淀池由三个主要部分组成：混合区、絮凝区和沉淀区。其中混合区为快速混凝搅拌反应器，絮凝区为推流式反应器，沉淀区由斜管沉淀区和污泥浓缩区组成，如图1所示。

图1 高效沉淀池构造示意图

该工程中新建高效沉淀池一座，对称布置两组。进水为推流式A2O反应池出水，处理规模为10万m3/d。

1 混合段的设计

该工程中在混合段投加聚合AlCL3溶液作为混凝剂，通过轴流折浆式搅拌器的高速搅拌来实现混合过程。该区域设计中需确定：混合段容积及混合搅拌强度。

1.1 混合段的容积

该工程为1座2组布置，与沉淀池对应，混合段分为2组，对称布置。混合池有效容积需根据混合时间计算确定，典型的混合时间一般采用10～30 s完成，最多不超过2 min。考虑该工程处理对象为污水厂生物反应池出水，适当延长混合时间。根据经验，该工程混合时间t取30 s，根据V=Qt计算可得，单组混合池池容V约为45 m3，平面尺寸采用3.5 m×3.5 m。

1.2 混合搅拌强度

废水工程中，快速混合通常发生在湍流工况，惯性力占压倒性优势。一般原则，速度越高，湍流越大，混合效果越好。工程中，通常采用搅拌速度梯的和体积循环次数来表征混合效果的好坏。

1.2.1 输入功率

在污水处理中，根据需去除粒子的微刻度，速度梯度G值一般取500～1 000 s-1。工程中速度梯度G取500 s-1，根据计算，得混合功率NQ=11.25 kW。考虑到电动机的机械传动总效率（以0.6计），该工程中选择的电机功率为18.75 kW，并考虑电动机变频调速运行。

1.2.2 体积循环次数

根据美国凯米尼尔公司和莱宁公司的有关资料，体积循环次数计算公式如下：

式中：Z’——体积循环次数，次；Q’——搅拌器排液量，m3/s；t——混合时间，s；

V——混合池有效容积，m3。

搅拌器排液量：

Q’=Kqnd3

式中：Kq——桨叶流量准数（查表得4片式折桨搅器为0.77）；

n——搅拌器转速，r/s，（转速为105 r/s）；

d——搅拌器直径，m（该工程搅拌器直径2.5 m）。

计算得，体积循环次数为21次，远远大于1.5次,符合设计要求。

2 絮凝段的设计

该工程中絮凝段投加聚丙烯酰胺作为助凝剂。为适应水量变化以及保证较小的水头损失，采用机械絮凝的方式，使用推流型混合器。

2.1 絮凝段容积计算

该工程中絮凝段与混合段作为一个整体构筑物来设计，分为两组，与混合池对应。絮凝段有效容积的计算公式为。絮凝段的絮凝时间一般宜10～30 min，该实例中絮凝时间T取16 min，则单组絮凝段的有效容积约为720 m3。根据平面布置，配合沉淀池尺寸，絮凝段分为2组，单组平面尺寸为16 m×6 m。絮凝段有效水深为7.5 m，超高取0.3 m，总高度为7.8 m。

由于絮凝段为长条型布置，故每组絮凝段设置2台搅拌设备。

2.2 絮凝搅拌器选用

该工程絮凝搅拌器采用推流型混合器，水叶形的叶板用于限制絮体剪切的量，同时提供絮凝所需的速度梯度和泵送能力。因此，在确定混合器大小时，必须考虑输入功率和泵送两方面的要求。

根据该工程中絮凝段尺寸，计算水深与絮凝段当量直径的比（Z/Te），并由此查表得出螺旋浆直径与絮凝段当量直径的比值（D/Te），由此确定初始流量系数Qp=0.82。计算得出，叶轮排液量为590.4 m3/min，叶轮直径为3.3～4.4 m，该工程取3 850 mm。

由以上基础数据，计算得出Q=10.55 m3/min，P=9.12 kW。

根据以上计算结果，选用絮凝搅拌器，该工程选用搅拌器叶轮直径3 850 mm，转速为19.8 r/min。

2.3 校核速度梯度

在絮凝段设计中，应既保证絮粒有充分接触碰撞的机率，又不致使已形成的较大絮粒破碎，因此应保证絮凝过程中的速度梯度在一定的范围内。根据国外相关研究，絮凝设施的典型速度梯度G值为100～500 s－1。

通过计算速度梯度G值为113 s－1，符合典型污水处理絮凝过程的速度梯度。

3 沉淀段设计

该工程设置沉淀池2座，采用斜管沉淀，逆向流沉降。清水区采用六边形蜂窝管，管壁厚0.4 mm，边距d=30 mm，水平倾角=60°，斜管结构占用面积按3%计。清水区上升流速v0取2.5 mm/s。

当雷诺数Re＜2 000时，流体为层流状态，有利于固体的沉降。该工程Re=21.675＜2 000，层流，符合要求。

4 结语

高效沉淀池具有混凝－絮凝－沉淀一体化功能，且沉淀效率高，容积小，占地面积小等优点,该工程于2009年投入运行，运行情况良好，出水SS＜15 mg/L。为了保证混合絮凝效果，在混合反应池的设计过程中，还应注意以下几点：

（1）混合段采用轴流折桨式搅拌器，应绝对地避免液体的涡旋或物质的涡旋。涡旋使得流体速度和叶轮速度之间的差减小，混合效率降低。通常可以在池壁设置垂直挡板，伸出池壁约1/10的直径（或当量直径）。

（2）高速旋转的小叶轮产生较大的流体剪切和较小的泵送能力，慢速操作的大叶轮将导致较高的泵送能力和较低的流体剪切。因此混合段需采用高速小叶轮搅拌器；絮凝段采用慢速大叶轮搅拌器。考虑到水量、水质可能发生变化，絮凝段搅拌器需考虑设置变频运行。

（3）污泥浓缩区污泥回流可加速矾花的生长，增加矾花的密度。污泥回流量控制在2%～3.5%。污泥回流螺杆泵考虑变频运行，解决运行时可能出现的泥床升高或污泥不足的问题。

目前我国污水处理中采用的高效沉淀池没有统一的规范要求，本文通过对高效沉淀池设计中参数的选取、水力条件的计算进行探讨，为高效沉淀池设计的标准化提供借鉴。

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