新型斜板构造双层平流沉淀池的试验研究

王文鑫，刘焕芳，孙志华，吴心蓉

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832003）

沉淀池是水处理过程中不可缺少的一个重要环节。国内外对沉淀池流态的研究较多，主要集中在理论模型和数值模拟这两方面，国外对沉淀池流态的研究较早。随着计算机技术的飞速发展，近年来，对于沉淀池流态的数值模拟较多，国外Jayoviti S[1]、Roza Tarpagkou[2]、Bajcar Tom[3]等利用软件对沉淀池流体流态进行了模拟，Mahdi Shahrokhi等[4-5]通过试验对沉淀池进行改良。国内的研究主要集中在理论分析与数值模拟方面，王磊磊[6]、周振[7]、刘百仓[8]、朱炜[9]等对沉淀池内的流场进行了数值模拟。国内关于沉淀池模型试验较少，陶洪飞[10]、张宏媛[11]等进行了物理模型实验。

在常规水处理中，通过重力沉淀作用去除固体悬浮物（SS）是目前最常用的方法，沉淀池就是利用水中悬浮颗粒的沉降性能，主要原理与沉沙池有相似之处，即水流进入池后，流速显著减小，使得水流挟沙能力大大降低，从而改变了原有水流泥沙运动的状态，从而达到沉降的目的[12]。

平流沉淀池因其具有池深浅、构造简单、造价低、操作维护方便、对原水水质水量变化适应能力强、便于排泥、药耗和能耗低等优点，在大、中型水厂得到广泛应用[13-15]。由于新疆冬季干燥寒冷，冰冻期漫长，低温影响沉淀池的沉淀效率，因此新疆的沉淀池需要修建采暖系统。城镇规模较小和冬季寒冷的双重限制，使得平流沉淀池在新疆等高寒地区的使用受到限制。

斜板沉淀池是在浅池理论的基础上发展起来的一种沉淀池，具有沉淀效率较高，沉淀时间短，沉淀池体积较小等优点，但是斜板沉淀池在运行中存在停留时间短，缓冲能力小的特点，使其应付各种变化的能力变小，易发生淤积、堵塞，给运行带来不便。

双层平流沉淀池是通过增加一层沉淀池底板，将原有的平流沉淀池分隔成了两座较浅的沉淀池。在双层平流沉淀池中，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系统排出[16]。据统计，双层平流沉淀池在国内的应用较少，目前仅在浙江桐乡运河水厂[17]，大连三道沟水厂[18]和深圳布吉污水处理厂[19]等工程中采用，并且运行状况良好。已建成的双层平流沉淀池构造与本试验采用斜板构造的新池型有所区别。本文介绍的新型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，对其进行改进而得到的。其底部采用斜板构造，利用斜板构造加速固体悬浮物的沉降，减少池长。与传统的沉淀池相比，该池型既能克服斜板沉淀池有效水深低，停留时间短，缓冲能力小，易堵塞等缺点，又同时兼具双层平流沉淀池占地面积小，沉淀面积大和斜板沉淀池沉降效率高的特点。

到2030年，西北干旱区水资源总量将无法满足该区域的供水[20]。因此改良新疆等地水处理技术，提高水处理效率很有必要。本文根据斜板沉淀池逆向流和同向流原理设计2组新型双层平流沉淀池——下向流斜板沉淀池和上向流斜板沉淀池，即模型一和模型二，介绍和分析了2组新池型的设计参数和原理，通过对两组新型双层平流沉淀池试验的对比分析，研究该类型的沉淀池沉降性能，在实际工程中的可行性，运行管理中的控制参数等，希望可以为双层平流沉淀池的设计与改良提供借鉴。

1 试验设计的原理与试验方法

1.1 试验设计的原理

颗粒去除率计算公式为：

式中：E为沉速为μi的颗粒的去除率；μi为小于截留沉速的颗粒沉速（m/s）；Q/A为沉淀池的表面负荷（m3/m2·h）。

颗粒沉速μi一定时，增加沉淀池表面积可以提高去除率。当沉淀池容积一定时，池身浅些则表面积大些，去除率可以高一些。采用斜板构造将沉淀区域分为2个池身较浅的沉淀区域，从而使沉淀区面积大大的增加，并且经下层沉淀后的来水，进入上层，来水浓度已经降低，下层浓度较高，上层浓度较低，这样不同浓度分层处理，不仅可以节约净水药品使用量，而且能减小沉淀池的占地空间。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，因此，在该新型双层平流式沉淀池设计中均设置了纵向挡板，以增大湿周而降低水力半径，增大弗劳德数，同时降低雷诺数。设计中上下层底板均采用斜板构造，相当于减小了池身深度，由于颗粒沉速μi一定，因此颗粒沉降时间可以缩短，提高了沉淀池的生产能力。

模型一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。模型二进水端位置设在下层斜板底端附近，来水通过穿孔花墙板进入下层沉淀池，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的过低，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，提高沉降效果。在重力作用下，随着来水的持续，污泥在斜板底部不断沉积。2个类型的沉淀池斜板与水平面的倾角均为30°，上下层斜板底部均设有排泥管，定期排除积泥。当斜板上颗粒累积到一定程度时，便自动滑下，沉积到上下层斜板的底部。

1.2 试验设计

根据目前的设计规范要求，采用1∶10的比例设计2组模型，池体由厚度为10 mm的有机玻璃材料，排泥装置由外径12 mm，内径8 mm的有机玻璃管制成。原型沉淀池长8m，宽2 m，有效水深0.8 m，模型长、宽、有效水深分别为 0.8 m、0.2 m和0.08 m。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56 L，试验模型示意图见图1。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。

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。为了避免池底污泥积聚在管道内，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°。两侧孔洞交错布置，同侧孔洞间距为10 mm，两侧孔洞相对中心线间距为5 mm。开孔示意图见图3。

图1 试验装置图Fig.1 Test schematic diagram

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

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

1.3 试验方法

本试验在石河子泽众水务公司北区水厂的预处理车间进行，为了更好地模拟天然河道来水，采用水厂的沉淀池沉积的污泥经反冲洗装置冲洗后的出水作为来水。来水平均浊度为1383NUT，试验过程中未添加混凝剂和助凝剂。各组试验的主要控制指标为水力停留时间，试验过程中通过转子流量计调节来水流量，从而将2组装置水力停留时间分别控制为50、60、70、80、90 min，这 5组水力停留时间对应的流量依次为 1.12、0.93、0.80、0.70、0.62 L/min。

由于本试验中未加混凝剂或者絮凝剂，试验为自由沉淀，按照自由沉淀试验方法，沉淀效率随来水时间间隔有明显的变化，沉淀初期沉淀效率很高，出水水质范围变化较大，因此，为了保证不同水力停留时间下出水水质达到相对稳定的状态，每间隔4 h对原水及2组沉淀池沉淀后水样进行一次采集，每组各采集3份水样，并对水样固体悬浮物浓度进行观测。

1.4 固体悬浮物浓度去除率的计算

本试验观测原水和原水经过2组模型处理后，分别在水力停留时间为 50、60、70、80、90 min的出水固体悬浮物浓度，计算各组模型固体悬浮物去除率，固体悬浮物去除率公式为：

式中：r为固体悬浮物去除率；C1为原水固体悬浮物浓度（mg/L）；C2为沉淀后的出水固体悬浮物浓度(mg/L)。

2 试验结果与分析

试验数据是在不同固体悬浮物浓度下测定的，固体悬浮物浓度区间为252 mg/L~2200 mg/L，试验过程中即时排出污泥。

2.1 固体悬浮物去除率的分析

在不同水力停留时间下，固体悬浮物去除率如图4所示。由图4可知：

（1）模型一水力停留时间为70 min时，固体悬浮物去除率达到最大值，为92.7%，而模型二水力停留时间为80 min时，固体悬浮物去除率达到最大值，为 94.4%。

（2）当水力停留时间在70 min以内时，模型一固体悬浮物去除率优于模型二，当水力停留时间在70 min以上时，模型二固体悬浮物去除率优于模型一。结合两组沉淀池模型试验数据，模型一最佳水力停留时间为70 min，模型二最佳水力停留时间为80 min。

（3）在保证较高的固体悬浮物去除率的情况下，模型二沉淀效果优于模型一。主要是由于模型一采取同向流原理，当污泥沉积在下层底部时，来水不可避免的对其进行掺混作用，增大了来水固体悬浮物浓度，模型二采用逆向流原理，只要合理控制流速和进水口高度，可以有效避免来水与积泥的掺混作用。

图4 不同水力停留时间下固体悬浮物去除率变化趋势Fig.4 The trend of suspended solids removal rate under different hydraulic retention time

2.2 沉淀池最佳排泥时间间隔

通过试验确定该沉淀池最佳的排泥时间间隔。以水力停留时间为90 min为例，在不进行排泥的情况下，随着试验的进行，2组模型固体悬浮物去除率变化趋势如图5所示。图5显示：

试验过程中来水平均固体悬浮物浓度为1182 mg/L，在来水20 h时，来水流经模型一和模型二后的固体悬浮物平均浓度分别为48 mg/L和72 mg/L，伴随着来水的持续，模型一固体悬浮物去除率在来水20 h以后开始逐渐降低，而模型二固体悬浮物去除率在来水12 h后开始逐渐降低，12 h时模型二出水固体悬浮物浓度为50 mg/L。因此，在该固体悬浮物浓度范围内，模型一排泥时间间隔宜控制在20 h以内，模型二排泥间隔宜控制在12 h以内。

由于模型一和模型二下层均是斜板结构，随着来水不断进入沉淀池，悬浮物颗粒持续滑至下层斜板底部，在下层斜板底部聚积，当固体颗粒聚积到一定程度时，下层来水流经下层斜板底部都会对沉降的固体颗粒进行掺混，固体悬浮物浓度增大，从而影响出水水质。根据试验数据显示，伴随着来水的持续，若不对模型下层进行及时排泥，模型一在20 h以后，模型二在12 h以后，两组模型固体悬浮物去除率均会降低。

2.3 沉淀池排泥效果的分析

由图4可知，模型二固体悬浮物去除率受来水时间影响的变化范围没有模型一的明显，可见模型二可以适用于更大来水固体悬浮物浓度范围，这也可以作为模型二沉淀效果优于模型一的一个依据。

由试验现象可知，上层沉淀池底部污泥聚积量远小于下层沉淀池，主要是由于下层沉淀池是高负荷沉淀区，上层沉淀池是低负荷沉淀区，来水经过下层沉淀池的处理，颗粒较大的固体悬浮物大部分已经在下层沉降，在流至上层时，来水固体悬浮物浓度已大大降低，上层沉淀池的排泥时间间隔设置可以略大于下层。

图5 固体悬浮物去除率随来水时间变化趋势Fig.5 The tend of suspended solids removal rate changes with time of water coming

在本试验研究过程中，为了避免污泥淤积过多，影响穿孔排泥管的排泥效率，上下层采用统一排泥时间间隔4h，每次排泥2 min，运行48 h后，池底并无明显积泥，管道内也无堵塞情况，排泥装置运行良好。因此，在实际工程中可以根据来水状况和排泥装置合理设置排泥周期和排泥时间，但是不宜将排水周期设置的过短，避免因排泥周期短造成上层沉淀池池底污泥上浮后再次沉降的时间过短，而影响出水水质。

在现有双层沉淀池中，上层多采用虹吸式吸泥机进行排泥，下层多采用单轨式底部刮泥机排泥。在本试验设计中充分利用斜板构造，将双层沉淀池的动态机械排泥方式变为静态的穿孔排泥方式，一方面避免了运行过程中因设备故障检修而影响生产，另一方面节约了动态排泥过程中转动设备所耗的电费。

3 结论

设计的两类新型斜板构造双层平流沉淀池，运行良好，均能够达到较为理想的去除效果，去除效果明显优于传统平流式沉淀池。通过模型试验可以得出如下结论：

（1）为了保证固体悬浮物去除率控制在90%以上，并且考虑到水厂处理效率，该新型双层平流式沉淀池中模型一的水力停留时间宜设置为70 min，模型二的水力停留时间宜设置为80 min。

（2）在保证较高的固体悬浮物去除率的情况下，模型二沉淀的效果优于模型一，且模型二去除的效果受污泥干扰作用较小。

（3）合理选取排泥装置和控制排泥时间可以保证沉淀池的去除效果。当固体悬浮物浓度在1200 mg/L以内时，模型一的排泥时间间隔宜控制在20 h以内，模型二的排泥间隔宜控制在12 h以内。

（4）采用静态的穿孔排泥方式，可减少运行过程中因设备故障而产生的检修工作量，节约动态排泥过程中转动设备所耗的电能。

（5）该双层平流沉淀池采用特有的斜板构造，不仅能提高来水处理效率，而且能节省占地空间。斜板构造双层平流沉淀池，在新疆等高寒地区以及人口密集城市有一定的推广价值，随着人口增长和城镇化发展，该池型将有更加广阔的应用前景。

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