横向流斜板浮沉池设计

出　　自： 《中国给水排水》 1993年第4期第22页
发表时间： ： 1993-4

陈树勤
(中国市政工程东北设计院)

摘要：在工程设计中采用一种新型净化构筑物——横向流斜板浮沉地，用于处理冬季低温、低浊，夏季中高浊的江河、湖泊、水库水。在同一净水构筑物中根据需要，改变净水工艺，即当原水低温低浊时，采用气浮方式运行；当原水浊度升高(超过100度)时，则改为斜板沉淀方式运行。经过几年的生产实践证明，这种池型技术可靠、经济合理。

1 前言

　　江河、湖泊、水库水冬季低温低浊，有时又含藻类，这种特殊水质一直是设计中没有很好解决的难题。
　　吉林市地处松花湖水库下游约20km处，城市用水均取自松花江，江水低温低浊期长达4个多月，冬季水温一般为0～2℃，浊度80%低于20度、pH7.0～7.5、色度在15度以上，COD>6mg/L；春夏之交季节藻类很多，夏天雨季江水浊度有时由十几度突然升高到几百度，甚至几千度。根据这种水质特征，1989年在吉林市一水厂气浮池改造和四水厂二期给水工程设计中采用了横向流斜板浮沉池，即在冬季初春原水低温低浊时期以气浮的方式运行；当夏季原水浊度高时(>100度)改为斜板沉淀方式运行。经过二年多的生产运行，效果良好。

2 低温低浊水对净水工艺的影响

　　2.1 对混凝过程的影响
　　影响混凝效果的因素，实践证明主要是水温、水质和水力条件。水温低时尽管增加投药量，混凝效果也很差，因为水温低混凝剂水解困难，特别是当水温低于5℃时，混凝剂水解速度极其缓慢。水温低，水的粘度大，水中杂质微粒布郎运动强度减弱，彼此碰撞机会减少，不利于脱稳胶粒互相聚凝，同时水流剪切力也增大，影响絮体的成长。加之原水浊度低时，单位体积内的胶体颗粒数目少、浓度低、碰撞率低，仅使胶粒吸附脱稳，但还不能达到满意的凝聚效果，要靠加大投药量形成足够胶体，实现“卷扫混凝”，但必然导致混凝剂的大量消耗。
　　2.2 对沉淀过程的影响
　　如上所述，低温低浊水絮体的形成缓慢而且结构松散、颗粒细小、密度小、质量轻、强度低、杂质处于飘浮状态。所以，在规定的时间内反应池的运行工况往往远偏离原工艺设计参数，影响了处理效果。根据斯笃克斯沉降公式:

　　其中重力加速度g与水的密度ρ s 为常数，颗粒的分离速度U s 与水的粘滞系数μ成反比(水温低，μ值增大)，与絮体颗粒的密度ρ s 和粒径d成正比。当原水浊度低温度也低时，投药后所形成的絮体轻而松散，此时(ρ s -ρ 0 )≈0，μ值又增大，U s 值变得很小接近于零，因此沉淀发生了困难；但当轻而松散的絮体附着足够的微气泡时，这时颗粒的平均密度ρ s 就要小于水的密度ρ 0 即(ρ s -ρ 0 )为负值，U s 也为负值，说明颗粒已不再下沉而是上浮，因为空气的密度仅为水的1/775。由此可见，低温低浊时采用气浮工艺是科学的有效措施。反之，当夏天雨季原水浊度高时改用沉淀工艺，这就是浮沉池设计的最根本基础。
　　2.3 对过滤过程的影响
　　低温低浊水混凝效果差，絮体分离、沉淀困难，过滤中较小粒径的絮体也难以被砂层截留或吸附。即使有些絮体被吸附截留，但因水温低、剪切力较大、絮体强度又小，也容易被切断随水下移，穿透滤层导至滤池出水不合格，影响了滤池性能的发挥。在上道工序中如果采用浮沉池，冬季以气浮工况运行，改善絮体的分离条件提高分离效果，就可以改善滤池的性能，保证净化后的水质。
综上所述，低温低浊水对每个处理工艺均影响很大。经研究已经提出一些解决措施，如加强混凝过程，增投助凝剂——活化硅酸等；采用泥渣回流法、溶气浮选法；在过滤方面，曾研究出微絮凝接触过滤法。以上几种净化方法虽各有所长，但各有不同的适用条件，浮沉池能够克服其不足。

3 浮沉池的设计

　　3.1 浮沉池的池型
　　横向流斜板浮沉池与横向流斜板沉淀池池型基本相同，只是在前稳流段前增设气浮运行时的接触区，同时安装释放器，在池顶增设刮沫机。以气浮、沉淀两种工况运行时，进、出水方式均相同。施工简单、运行管理方便。如图1。

　　池型特点:
　　a. 水流流向顺直阻力小，水流进入稳定段到斜板区最后到出水段，全程没有流向的变化，水平流速变化微小，最大限度地减小水力扰动，提高固液分离效率。
　　b. 池内装有斜板，能够避免纯气浮池中容易发生的布水不均、水与浮渣乱流而影响絮体上浮的现象。
　　c. 浮沉池底部积泥区顺水流方向设有阻流墙，把池底分割成几个区段，当采用沉淀工艺运行时可形成静止的沉泥区，有力地防止了水流短路的现象。每个区段采用穿孔排泥管集泥后排出池外；当水量在5万m 3 /d以上时宜采用机械刮泥，刮泥机在两道阻流墙之间向垂直于斜板区水流方向的池子侧边刮泥，减少了对沉淀效率的影响。另外在阻流墙上沿垂直方向即平行于池长方向放轻轨，用以支撑斜板组合体，解决了浮沉池的斜板不能吊挂的矛盾。
　　d. 斜板采用三段(三层)布置，有效利用池全深。每片斜板斜长为1.0m，三段总垂直高度为2.6m，使池深与气浮池的池深相接近。板距为100mm，可防止沉泥堆积堵塞气浮的絮体上浮。
　　3.2 设计参数选择
　　为了保证安全可靠的供水，东北地区在斜板(管)沉淀池的设计中所采用的设计负荷越来越低，絮体颗粒的沉降速度一般均按0.16～0.18mm/s计算，液面设计负荷为6.18～7.03m 3 /m 2 ·h是按最不利的水质情况而确定。由于设计参数低势必增加建筑面积，加之净化构筑物均需建在室内又有采暖设施，不可避免地提高了工程造价及其管理费用。
　　浮沉池的设计负荷不是按沉淀的最不利情况来确定，而是由气浮和沉淀两种工况综合确定其经济上合理、技术上可靠的设计负荷。沉淀负荷按原水浊度>50度考虑，沉降速度取0.25 ～0.3mm/s，相当于设计液面负荷9.77～11.7m 3 /m 2 ·h，比传统的斜板沉淀池设计负荷6.18～7.03m 3 /m 2 ·h提高约50%。
按气浮池设计时，溶气压力与回流比的确定至关重要，直接影响气浮效果、设备投资及日常运转费用。目前，我国在给水净化方面采用的溶气压力为2～4kg/cm 2 ，回流比一般为5～10%；国外研究结果溶气压力多采用4～5kg/cm 2 ，有时高达6～7kg/cm 2 ，回流比采用6%～8%较多。我们根据试验和生产运行，设计采用溶气压力为3.5kg/cm 2 左右，回流比为7%。
　　浮沉工艺反应池的反应时间一般15～20min，当原水低温低浊时，反应时间虽短，所形成的微细絮体若与溶气释放器的骤然消能降压所释出的微细气泡粘附在一起，其上浮速度也很快；若单纯采用斜板沉淀池，须反应形成较大的絮体才能达到沉淀分离的目的，一般反应时间取≥30min。夏季原水浊度升高时在反应池内更容易形成絮体，浮沉池反应效果明显提高，所以反应池的反应时间取15～20min也足以满足斜板沉淀池的需要。
　　浮沉池在冬季原水低温低浊时以气浮形式运行，还可以大大地减轻滤池的负担，延长滤池的过滤周期，所以在设计时可适当提高滤池的设计滤速。
　　3.3 浮沉池内部装置的设计
　　采用横向流斜板浮沉池时，若只采用单层斜板，安装则与普通横向流斜板沉淀池相同，势必增大斜板单体高度、增大池子面积、占地多。日本的很多水厂中多采用“宇野式”的斜板安装方式，如图2，长春市中日友好水厂采用这种安装方式。它通过悬挂杆、钩钉、框架，将每列斜板悬挂在池顶，达到固定安装的目的，但在浮沉池中若采用气浮方式运行时，刮沫机就不能运行刮沫了。经研究，最终设计出一种既方便又可靠的使沉淀与气浮都能分别在同一装置内进行的斜板组合体装置，如图3。

4 技术经济效益

　　浮沉池集中了斜板沉淀池与气浮池的优点，用于处理一年中温度、浊度变化较大的地面水，已经取得了理想的技术经济效果。
　　吉林市一水厂原水取自松花江，厂内净水沉淀构筑物有平流沉淀池、脉冲澄清池、气浮池。1989年夏季原水浊度异常高(最高达7000 多度)，使出厂水严重超标。经过实验研究，将原气浮池改造成横向流斜板浮沉池，虽然受原池型的限制有关设计参数均偏高，但经二年多的运动实践证明净化效果十分稳定。当原水温度2℃、浊度8～12度、色度16度、COD7.0mg/L、混凝剂(硫酸铝)投加量为25mg/L，以气浮方式运行时，出水浊度3～5度、色度8度、COD为5.1mg/L；当以沉淀方式运行时，混凝剂投量增加到35mg/L，出水浊度7～11度、色度10度、COD为6.2mg/L。
　　当原水浊度在140～400度时，改造前以气浮方式运行去浊率一般为50～60%，而最高时为80%；改造后的横向流斜板浮沉池，当原水浊度为140～400度时，以沉淀方式运行去浊率均在95.7%～97.5%以上。
　　吉林市四水厂横向流斜板浮沉池1991年投产，设计规模为4万m 3 /d，原水取自松花江。经一年多的生产运行效果良好，当水温为2℃、进水浊度8～12度时，采用气浮方式运行出水浊度为3～5度；在夏天雨季原水浊度突然升高到1800度时，按横向流斜板沉淀方式运行，其出水浊度在10度左右。
　　浮沉池不但处理冬季低温低浊、夏季中高浊度的水质效果好，而且对除藻、除味、脱色效果也均好于其它常规工艺。如脉冲澄清池和平流沉淀池由于其除藻率低，使大量藻类进入滤池，严重地影响了滤池的正常工作，大大缩短了滤池过滤周期，有时滤池只工作3～5h就要停池冲洗。由于藻类与其它胶体粘附在一起，不但冲洗困难、不彻底、耗水量也大。当采用浮沉池时，在藻类盛行季节，原水为低温低浊期，采用气浮方式运行就可以避免藻类的困惑。
　　经过工程设计和运行实践证明，采用浮沉池处理低温低浊水比普通沉淀工艺节省混凝剂约30%；反应时间可减少1/3；浮沉池要增加设备费，但可以从节省反应池容积的投资来弥补；耗电量指标一般为0.015度/m 3 水，耗电费很少，仅仅是节省混凝剂费用的1/3。
　　横向流斜板浮沉池具有水质净化的多种功能，随着饮用水质标准的提高和天然水体污染的不断加剧，相信该项新技术会有广阔的发展前程。