新型双层平流沉淀池沉淀性能试验研究

王文鑫，刘焕芳，孙志华

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

当前中国正在迈入快速城市化的发展阶段，城镇数量的急剧扩张已成为城市化和社会经济快速发展的重要特征[1]。由于土地资源供给的稀缺性，不可能无限制地满足中国快速城市化过程中对土地的需求，城市用地扩张的难度将越来越大，未来快速城市化进程将受到城市建设用地短缺的极大限制[2]。随着城市规模的扩大和城镇数目以及人口的增多，城市工业化进程加速，城市工业与生活用水量急剧增加，现在广泛使用的平流式沉淀池占地面积较大和对部分来水处理效率不够高的问题日益凸显，优化水处理工艺和减小水处理设施的占地面积显得尤为重要。

沉淀池是利用重力作用沉淀去除水中悬浮物的一种构筑物，是水处理系统中的重要构筑物。国内外对沉淀池流态的研究较多，主要集中在理论研究和数值模拟这2方面，试验研究相对较少。国外学者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Roza Tarpagkou[3],Bajcar[4]等利用软件对二次沉淀池流体流态进行了模拟，Mahdi Shahrokhi[5,6],Fatemeh Rostami[5,6]等通过试验对沉淀池进行改良。国内对于沉淀池的研究主要集中在理论分析与数值模拟方面，试验研究相对较少，王磊磊[7]、周振[8]等对沉淀池内的流场进行了数值模拟，陶洪飞[9]对分离鳃沉淀池进行了试验研究，张宏媛[10]对改良型斜板沉淀池进行了试验研究。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，通过在中间增加一层沉淀池底板，将平流沉淀池分隔形成2座较浅的平流沉淀池，缩短了沉淀池水力停留时间，提高了沉淀池的处理效率和去浊效果。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出。双层沉淀池通过增加沉淀池的有效水深，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[11]。目前，国内关于双层平流沉淀池的试验研究较少，为了提高双层平流沉淀池的沉降效果，对比新型双层平流沉淀池和现有双层平流沉淀池的沉降效果，设计并制作2个新型双层平流沉淀池和一个现有的双层平流沉淀池模型，结合新疆等地高浊度来水展开模型试验。

1 沉淀池模型设计与原理

1.1 模型设计

为了达到流态的自动模拟，本试验选取正态模型。模型的大小应结合各方面的允许条件，尽可能选择小比例尺。据以往经验，本模型根据供水及场地条件，选取λL=10。根据斜板沉淀池逆向流和同向流原理设计的2组新型双层平流沉淀池，下向流双层斜板沉淀池和上向流双层斜板沉淀池模型，即模型A和模型B。另外参照国内外已建成的双层平流沉淀池设计制作一个现有的双层平流沉淀池模型，即模型C。模型A和模型B的长、宽、有效水深分别为0.8、0.2和0.16 m。模型A长1.0 m，宽0.2 m，有效水深0.2 m，3个模型池体采用厚度为10 mm的有机玻璃材料制成，排泥管采用外径12 mm，内径8 mm的有机玻璃管制成。模型A和模型B沉淀区有效容积为30 L，模型C沉淀区有效容积为34 L。试验模型见图1。3组模型进水口均设置调流板，出口采用水平溢流堰。调流板可以起到消能和对水流流场进行调节的作用。经过渡段调节后进入工作段的

图1 试验装置(单位：cm)Fig.1 Test schematic diagram

水流紊动仍比较剧烈，具有较大的动能，调流板将对这种具有较大动能和紊动强度的水流产生拦截作用，减缓其运动趋势，迫使其动能和紊动强度都有所降低，并对水流流场进行调节，使调节后的流场分布更利于泥沙的沉降[12]。

1.2 模型设计原理

模型A的来流先经过下层调流区，依次进入下层沉淀区、过渡段，再由过渡段进入上层沉淀区。模型A进水端设在下层斜板顶端附近，来水经过调流板进入下层沉淀池，下层沉淀采用同向流原理，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。其中过渡段采用竖流式构造，由于来水经调流区调流后，在下层沉淀池流速较均匀，使得在整个竖流式过渡段的上升流速较均匀，池中水流状态稳定，对沉淀较有利。来水流经下层沉淀池，大部分固体颗粒已经在下层沉淀，此时下层水含泥量较高，流至过渡段时，与竖流式过渡段的缓冲层中沉淀下的污泥相互接触、吸附，促进颗粒的絮凝，使颗粒粒径变大，加快过渡段的沉淀速度。同时又在过渡段的底部缓冲层形成污泥悬浮层，直接拦截来流中的污泥颗粒。由于竖流式过渡段的接触絮凝、悬浮层的拦截等特性，使过渡段适应来流水质变化的能力更强，具有较理想的沉淀效果。图1中虚线部分为穿孔板，板上孔径为5 mm，每块穿孔板上孔数为56孔，穿孔板示意图见图2。

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

上层来流方向和污泥滑落方向相反，这样可以缩短污泥沉降到池底的时间：

(1)

λ=H0/H0<λ<1

式中：t为污泥沉降到池底的时间；H0为上层斜板上任一点到液面顶端的距离；H为液面顶端距离上层斜板最底端的距离；u为颗粒沿竖直方向的沉速。

由式(1)可知，模型A上层的逆向流斜板构造可以大大缩短固体颗粒沉降到池底的时间，增大沉淀池的截留沉速，缩短沉淀池水力停留时间，提高沉淀池的处理效率。

模型B进水端位置设在下层斜板底端附近，来水通过调流板进入下层沉淀池，下层沉淀采用逆向流原理，来水从下向上流动，颗粒沉积于斜板上，当颗粒累计到一定程度时，便自动滑下，颗粒沉降方向与水流流向相反，为了避免来水与下层底板滑落的污泥掺混，影响出水水质，因此斜板上的水流速度有上限要求，流速不宜过大，还应注意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。模型A和模型B斜板与水平面的倾角均设置为30°。

模型C是根据GB 50014-2006《室外排水设计规范》(2014年版)，参照国内外已建成运行的双层平流沉淀池设计而成，各项水力条件均满足平流式沉淀池设计规范要求。沿水流来流方向坡降为0.01，沉淀池沿池宽方向分为 2 格，中间用隔墙分开，将上下层沉淀区共分为四格，以增大湿周，降低水力半径，增大弗洛德数，同时降低雷诺数。模型C的溢流槽设在上层沉淀区的外部，增加了沉淀池沉淀区的面积，合理利用了上层沉淀池外部空间，便于上层沉淀区排泥。

模型A和模型B上下层沉淀区均设置简易排泥装置，采用静态排泥方式，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的有机玻璃管制成，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。模型C下层设有梯形污泥槽，槽底部设有排泥管，上层底部设有排泥管。

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

2 试验组次与数据分析

2.1 试验组次

收集本地区天然河道来水资料，试验来水取天然河道来沙在容积为1 m3的搅拌池中配置而成，浊度均大于1 000 NTU，试验过程中，搅拌器持续运行，以保证来水水质相对稳定。来水流量采用恒流泵调节，流量测量采用转子流量计测量，并用量筒和秒表量测进行校核。浊度测量使用HACH2000P型浊度测量仪，量程为0.01～4 000 NTU。采用漏斗过滤法测定固体悬浮物浓度。等到出流流量稳定后，每隔20 min取一次原水水样和经沉淀池沉降后水样，直至出流水质不再发生明显变化时停止取水。试验组次安排：先对模型A和模型B进行对比试验。试验控制变量：①表面负荷0.050、0.080、0.012、0.150 m3/(m2·h)；②对应流量15、25、35、45 L/h。

对模型A、模型B 2个沉淀池模型进行对比试验，分析数据，得到在高浊度来水下新型双层平流沉淀池净水效果较好的表面负荷区间，分析数据，选取2个模型中沉淀性能较好的那个沉淀池，然后在该区间与模型C进行对比试验。

2.2 数据分析

在相同原水和表面负荷下模型A和模型B的固体悬浮物去除率变化见图4。

图4 固体悬浮物去除率Fig.4 Suspended solids removal rate

试验过程中，在来水120 min后对固体悬浮物去除率和浊度进行了持续观测，发现在来水120 min后，2组沉淀池出水均较稳定，浊度和固体悬浮物浓度均无明显变化，因此对前120 min数据进行分析。在相同原水和表面负荷下模型A和模型B的浊度变化见图5。由于原水浊度和沉降后出流水的浊度变化较大，为了更好地反映浊度随来水时间的变化趋势，浊度变化折线图纵坐标轴采用双坐标轴，其中原水浊度对应左纵坐标轴，沉降后出流水的浊度对应右纵坐标轴。

图5 浊度随来水时间变化趋势Fig.5 The trend of turbidity change with coming water

对比模型A和模型B固体悬浮物去除率曲线，发现在不同流量下，从开始来水到出流稳定的这段时间内，模型A的固体悬浮物去除率大部分高于模型B，并且在出流稳定后模型A固体悬浮物去除率均高于模型B。在来水流量为15和25 L/h[即表面负荷为0.05、0.08 m3/(m2·h)]，2组模型在出流稳定后，均能保证固体悬浮物去除率在90%以上。而当增大来水流量至35和45 L/h时，固体悬浮物去除率明显降低，出流水质稳定后，固体悬浮物去除率低于90%。从保证沉淀池出流固体悬浮物浓度出发，模型A和模型B的表面负荷应当为0.05～0.08 m3/(m2·h)。

对浊度进行分析，在出流水质趋于稳定的过程中，模型A出水浊度大部分低于模型B，在各种流量下，最终出流稳定后，模型A出水浊度均低于模型B，去除效果优于模型B。在来水流量为15 L/h时，2组模型出水浊度均较低，随着来水流量的逐渐增大，出流浊度逐渐增大。可见随着表面负荷逐渐增大，模型水力停留时间逐渐的缩短，沉降效率逐渐变差。当增大表面负荷至0.12、0.15 m3/(m2·h)时沉淀池浊度去除效果明显降低，2组模型出水浊度均为300～400 NTU，不能够保证较为理想的出水水质，会增加后期净水成本。对于不同水质的来水，从保证水厂出水水质要求和水厂日产水量这2方面出发，要求合理控制沉淀池表面负荷。因此，模型A和模型B的表面负荷最好为0.05～0.08 m3/(m2·h)。

由以上数据可知，模型A的去除效果优于模型B，在15和25 L/h时模型A的浊度和固体悬浮物沉降效果均较好，但是当流量大于25 L/h时，沉淀池的沉降效果逐渐变差。为了保证模型A有较高的水处理效率和较理想的沉降效果，确定净水效果较好的模型A在高浊度来水下的运行参数，选取模型A和模型C在表面负荷为0.07 m3/(m2·h)下进行试验，对应的流量分别为21和24 L/h。在相同表面负荷下模型A和模型C的浊度和固体悬浮物去除率变化见图6。

图6 表面负荷为0.07 m3/(m2·h)时的沉降效果Fig.6 Sedimental effect under the surface loading of 0.07 m3/(m2·h)

由图6可以看出，在相同水力条件下，模型A的固体悬浮物去除率以及浊度去除效果均优于现有的双层平流沉淀池。并且在处理高浊度来水，在未投放药品的前提下，其固体悬浮物去除率均大于90%，优于现有的普通平流式沉淀池，可以在实际工程中考虑推广应用模型A。在高浊度来水状况下，当表面负荷为0.07 m3/(m2·h)下，模型A的固体悬浮物去除率比表面负荷为0.05和0.08 m3/(m2·h)下更加稳定，在来流的各个时段，模型A的出水浊度能够保证均低于模型C，并且最后出流水质介于170 NTU左右，浊度较低，满足出流要求。实际工程中，新型双层平流沉淀池的设计，可以根据选取的比尺，结合本试验设计参数按照弗洛德相似准则确定对应的表面负荷。

3 讨 论

由3个模型的试验数据可知，沉淀池初次运行过程中，从刚刚出流到出流水质趋于稳定是一个渐变的过程，3种双层平流沉淀池从开始出流到出流稳定的时间间隔为120 min左右。因此在实际工程中，在高浊度来水下，双层平流沉淀池初次运行时需要采取增加投药量等措施，以控制出水水质满足出流要求。在双层平流沉淀池运行过程中，应设计好排泥设施，尽量避免运行过程中由于沉淀池未连续运行而影响出流水质。根据已有工程实例，结合现有的排泥技术，建议实际工程中上层沉淀池的排泥采用虹吸式吸泥机，下层排泥采用单轨式底部刮泥机。主要是由于上层沉淀池的污泥相对下层沉淀池的污泥较轻、污泥量较少，并且大部分污泥可以通过斜板构造滑落到上层沉淀池底端，若采用底部刮泥机，在移动过程中较易将轻质积泥扬起，影响出水水质。虹吸式吸泥机比较适合于抽取浓度较低的污泥，且不会影响表层出水，保证了出水浊度不受排泥影响。此外，吸泥机在水中的零件较少，也便于维护。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。

4 结论及建议

通过对设计的新型斜板构造双层平流沉淀池以及现有的双层平流沉淀池展开模型试验，可以得出如下结论。

(1)模拟本地区高浊度来水，在不同表面负荷下，下向流斜板构造双层平流沉淀池去除效果优于上向流斜板构造双层平流沉淀池。

(2)与现有的双层平流沉淀池进行对比试验，在相同水力条件下，下向流斜板构造双层平流沉淀池固体悬浮物去除率和浊度去除效果均优于现有的双层平流沉淀池。

(3)合理选取沉淀池的表面负荷可以保证沉淀池高效运行，本试验设计的下向流斜板构造双层平流沉淀池模型的表面负荷宜选择0.07 m3/(m2·h)。实际工程中表面负荷选取可以根据选取的比尺按照弗洛德相似准则确定对应的表面负荷。

(4)双层平流沉淀池运行过程中，从沉淀池开始出流到出流水质稳定是一个渐变的过程，这个过程需要120 min左右，实际工程中应尽量保证沉淀池运行过程中连续出流。

新型下向流双层平流沉淀池采用特有的斜板构造，使得对来水处理效率提高的同时，节省占地空间。它的去除效果优于现有的双层平流沉淀池，在高浊度来水地区和人口密集地区有一定的推广价值。后续改进方面，还可以采用增设溢流槽和在调流板上布设不同孔径的孔洞作为出水口[13-15]等优化措施进一步提高该沉淀池沉降效果。

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