双层平流沉淀池的设计与应用

2013-09-15王学福齐敦哲朱寅春闫东晗

净水技术 2013年1期

王学福，齐敦哲，朱寅春，闫东晗

（1.宁夏宁东水务有限责任公司，宁夏宁东 750004；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

平流沉淀池是一种历史悠久的沉淀池型，因为它具有构造简单、池深浅、造价低、操作维护方便、对原水水质水量变化适应能力强、药耗和能耗低、便于排泥等优点，在大、中型水厂得到广泛应用[1-3]。然而随着城市建设的迅猛发展，大中型城市的可利用建设用地不断减少，土地征地费用不断增高。因此，新建水厂工程的建设场地面积往往受限，平流沉淀池占地面积过大的缺点日益凸显。双层平流沉淀池在继承普通平流沉淀池优点的基础上，有效提高了处理效率，减少了占地面积，使建设用地较少的紧凑型水厂采用平流沉淀池成为可能，但双层沉淀池在国内的实践应用不多，设计经验也相对较少，本文将就该池型在国内的应用实例进行介绍，并总结双层沉淀池的主要设计要点。

1 双层平流沉淀池概述

双层平流沉淀池是根据浅池理论从平流沉淀池发展起来的一种多层沉淀池的，通过增加一层沉淀池底板，将原有的平流沉淀池分隔形成了两座较浅的平流沉淀池，从而提高了沉淀池的处理效率和去浊效果，沉淀池停留时间也可相应降低。由于增加了沉淀池的有效水深，双层沉淀池的池长得以缩短，占地面积可大大减少。就沉淀池排泥系统而言，原水经过絮凝反应后，较为轻质的絮凝体通过上层沉淀池排出；而较重的絮凝体颗粒，则通过下层沉淀池排泥。上层沉淀池排泥可通过虹吸式吸泥机、底部刮泥机实现排泥，下层沉淀池则一般通过底部刮泥机实现排泥。

2 双层平流沉淀池在国内的应用

目前，该池型在国内的应用实例较少，仅在浙江桐乡运河水厂和大连三道沟水厂等水厂建成运行，沉淀池运行状况良好，出水水质稳定。

表1 国内部分采用多层平流沉淀池的工程实例Tab.1 Some Application Examples of Double-Deck Horizontal Sedimentation Tank in China

2.1 浙江桐乡运河水厂

浙江桐乡运河水厂[4]以京杭古运河河水为水源，原水水质常年介于Ⅳ～Ⅴ类之间，溶解氧低、耗氧量及氨氮较高，为典型的微污染原水。2006年6～8月试运行期间，水厂平均进水浊度为124.45 NTU，其中，最高进水浊度504，最低进水浊度41.2。为保证出厂水水质符合要求，桐乡水厂采用了生物填料流化床预处理＋强化常规工艺＋臭氧生物活性碳深度处理工艺。其中常规工艺的沉淀单元采用了双层平流＋斜板组合沉淀池。

桐乡运河水厂双层沉淀池的主要设计参数为：单池设计流量 q=0.912 m3／s；平流段沉淀时间 T=1 h；水平流速 v=12.4 mm ／s；有效水深，上层 H1=2.5 m，下层 H2=2.5 m；沉淀池平面尺寸 L×B=64 m×16.25 m。沉淀池沿池宽方向分为2格，中间用隔墙分开，每格宽8 m。沉淀池上层在池后段装异向流斜板组，斜板上部的清水上升流速为3.2 mm／s,水力停留时间为6 min。沉淀池排泥系统采用往复式刮泥机，污泥被刮泥机刮入设在沉淀池进水端的污泥斗（每层均有一个），污泥含固率理论上可达3%以上。

目前，该水厂沉淀池运行效果良好，出水水质稳定。

2.2 大连三道沟水厂

大连三道沟净水厂[5]改扩建工程一期工程设计规模20万m3／d，原水采用碧流河水库水，进水浊度较低。水厂生产工艺流程为小孔眼网格反应池+串联式双层平流沉淀池+V型滤池，其中反应池和沉淀池合建，一期工程规模为20万m3／d，反应沉淀池共设2座（每座分两组），平行布置。

三道沟净水厂双层沉淀池的主要设计参数为：单池设计流量 q=0.607 m3／s；池长 L=63.2 m，宽 B=15.3 m；上层有效水深 H1=3.5 m，沉淀时间 T=1.5 h；水平流速 v=11.6 mm／s；下层有效水深 H2=3 m，沉淀时间 T=1.3 h；水平流速 v=13.5 mm／s。沉淀池沿池宽方向分为2格，中间用隔墙分开，每格宽7.5 m。沉淀池上层采用池底泵吸刮泥机排泥，将沉泥通过排泥软管排出，下层采用液压往复式刮泥机排泥，将沉淀污泥径向刮入池底部污泥斗，经排泥管排出。

目前，在进水达到设计流量时，沉淀池出水浊度基本稳定在1NTU以下。

3 双层沉淀池的设计

3.1 双层沉淀池的设计特点

双层沉淀池通过加深沉淀池的有效水深，大大缩短了池体的长度，从而减少了池体的占地面积，尤其在需要采暖的北方地区，较小的占地，有效减少了外包房屋和采暖系统的工程量，从而降低了工程造价。与普通平流沉淀池相比，在工程设计上，主要有以下几点不同：

1）沉淀池设为双层，沉淀效率更高，因此沉淀时间可适当缩短。

2）由于池深较深，沉淀池过水断面大大增加，水平流速相对较低，应注意控制水平流方向上的弗劳德数。

3）双层沉淀池的排泥系统较为复杂，下层沉淀池无法采用传统的虹吸式吸泥机。

4）由于池深增加，而池宽不变，集水区的指型槽布置较普通平流沉淀池少，单根指型槽出水符合较高。

3.2 工程概况

北方某新建水厂工程，设计规模40万m3／d，水源采用水库水，水厂采用双层平流沉淀池+双层滤料滤池。原水pH值基本稳定在7.5～8.5之间；而浊度则变化较大，但均在 13 NTU 以下，在 6、7、8、9 几个月份当中，浊度达到了8～13 NTU，其余月份的浊度则在 1～4 NTU 之间；CODMn值稳定在 2.6～3.8 mg／L之间，氨氮则大部分在0.3 mg／L以下。原水为低温低浊水，总体水质较好，属于Ⅱ～Ⅲ类水。

3.3 设计参数

双层沉淀池分为独立的四座，每座按10万m3／d规模设计，包括折板絮凝反应池和双层沉淀池。单座平面尺寸 80.45 m×21.65 m。

絮凝池长度 22.70 m，宽度 21.65 m，有效水深6.6 m，絮凝池停留时间28 min。分为三段絮凝反应。第一级反应时间7.6 min，第二级反应时间9.3 min，第三级反应时间11.1 min。出水经过穿孔花墙进入双层沉淀池。折板絮凝池底部设有排泥管，定期排除积泥，排泥水泵送至排泥水调节池，进入污泥处理系统。

双层平流沉淀池停留时间91 min，水平设计流速 10.1 mm／s。上层沉淀池池深 2.95 m，设有虹吸式吸泥机；下层沉淀池池深3 m，采用单轨式刮泥机。下层沉淀池共设两条排泥斗，其中一条在配水花墙出水处，一条在集水区端部，多条排泥斗可有效减少底部刮泥机的刮泥距离，提高排泥效率。上层沉淀池污泥由虹吸式吸泥机排出池外后，经上层排泥渠重力流排出至污泥处理系统，下层沉淀池污泥由单轨式刮泥机推至临近泥斗，利用池面水压从安装在污泥斗内的排泥管排至平排泥渠，污泥重力流流至排泥渠端头积泥坑，通过坑内的潜污泵压力输送至进入污泥处理系统。

双层沉淀池出水端采用穿孔集水槽集水，集水槽共设12根，长15.2 m。出水渠道设有助滤剂投加点及混合井。助滤剂通过机械搅拌设备混合，反应时间30 s。

图1 双层平流沉淀池上层平面工艺布置图Fig.1 Upper Floor of Double-Deck Horizontal Sedimentation Tank

图2 图2双层平流沉淀池下层平面工艺布置图Fig.2 Down Floor of Double-Deck Horizontal Sedimentation Tank

3.4 设计要点总结

双层平流沉淀池在设计规范上，仍然沿用普通平流沉淀池的设计标准，即《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）中关于絮凝及平流沉淀池的相关规定。虽然双层沉淀池和普通平流沉淀池在设计参数上较为类似，但在具体设计中仍有较多不同，主要体现在以下几个方面。

3.4.1 折板絮凝区设计要点

和普通平流沉淀池一样，双层沉淀池的絮凝区一般可采用折板絮凝方式，但由于双层沉淀池的池体较深，从池体结构布置合理性出发，宜将絮凝区底板与沉淀区泥斗出底板标高做平（即絮凝区底板标高与沉淀池排泥斗底板标高相同），与普通平流沉淀池相比，絮凝区水深更深。在本工程中，絮凝区的有效水深为6.6 m。

图3 双层沉淀池剖面布置图Fig.3 Cross Section of Double Deck Horizontal Sedimentation Tank

3.4.2 沉淀区设计要点

沉淀区设计要点主要有以下几点：

1）普通平流沉淀池的有效水深一般在 3.0～3.5 m，双层沉淀池是利用浅池理论，将沉淀池分隔为上下两层相对较浅的沉淀池，单层有效水深宜设在2.5～3 m，但单层水深不宜过浅，否则将使沉淀池池长变长或池宽变宽，增加占地面积。

2）由于池体有效水深较深，其过水断面较普通平流沉淀池大，故设计水平流速可取低值，一般在10～15 mm ／s。

3）通过分层，沉淀池单层水深较浅，处理效率相对较高，沉淀池停留时间可按规范下限确定，即1.5 h。

4）由于双层沉淀池水平流速较低，其水平流方向弗劳德数往往较小，甚至会出现低于1×10-5。因此，双层沉淀池应考虑设置纵向隔墙，以增大湿周而降低水力半径，从而增大弗劳德数，同时降低雷诺数，其中弗劳德数一般控制在1×10-4～1×10-5之间，雷诺数一般控制在4 000～15 000间。

5）由于沉淀区水深较深，而池体宽度并未增加，在以常规间距布置指型集水槽后，会出现指型槽出水负荷过高的问题。因此，在布置指型槽时，应适当增加槽长，在池壁两侧也应设置半根指型槽，以降低出水负荷至300 m3（／m·d）以下。

6）建议在指型集水槽下部预留斜板（或斜管）区，以便在原水水质恶化的情况下，加装斜板（或斜管），进一步提高处理效果，确保出水水质。

3.4.3 沉淀池排泥系统设计要点

与普通平流沉淀池相比，双层沉淀池的排泥系统较为复杂，主要有以下几点需要注意：

1）在桐乡运河水厂中，双层沉淀池的排泥，均依靠往复式刮泥机排出。但在本工程中，上层沉淀池的排泥由虹吸式吸泥机完成，而下层采用单轨式底部刮泥机，这样的配置更为合理。与下层沉淀池的污泥相比，上层沉淀池的污泥相对较轻、泥量较少，若采用底部刮泥机，在推动过程中较易将轻质积泥扬起，影响出水水质。而虹吸式吸泥机比较适合于抽取浓度较低的污泥，且不会扰动影响表层出水，确保了出水浊度。此外，吸泥机在水中的零件较少，也便于维护，而下层沉淀池的污泥相对较重，采用单轨式底部刮泥机不易扬起，同时排泥的浓度也相对较高。

2）本工程中排泥渠设置为上下两层，下层排泥渠主要负责排放絮凝区及沉淀池下层的积泥，并在排泥渠末端设置潜水排污泵，将污泥泵送至排泥水处理系统；而上层排泥渠则主要负责排除上层沉淀池的积泥，并通过重力直接输送至排泥水系统。两层排泥渠的分层设置，有效利用了上层污泥的高势能，降低了污泥输送的能耗。同样，上层沉淀池在放空时，也可利用上层排泥渠，重力排空，避免提升。