新型重力沉淀技术浅述

　　【摘要】 本文综述了近年来研究开发的有关沉淀法处理城市污水的新技术，如周边进水沉淀池、斜板（管）沉淀池、集泥式大波斜板沉淀池、密集型高效沉淀装置；探索了可视为二沉池污泥压缩区的延续和组成部分、为曝气池提供回流污泥泥源的浓缩池的功能。
　　【关键词】 沉淀 沉淀池 设计 浓缩池

1 沉淀法概述

　　借助污水中可沉固体（悬浮固体或微生物絮凝体等）本身的重力作用使其与污水分离的方法称为沉淀法。
　　沉淀法是分离污水中可沉固体的一种有效方法。在污水处理系统中因其工艺简单、分离效果好且耗能少而得到广泛的应用。

2 沉淀池

　　沉淀是污水处理的基本工艺，沉淀池是污水处理系统中极为重要的构筑物。
　　按池内水流方向的不同，沉淀池可分为平流式、竖流式和辐流式三种类型。设计沉淀池时，应选用哪些设计参数既能使出水澄清，同时也能获得易于贮运和处理的浓缩污泥，是人们共同关注的问题。
　　近几十年中已有不少学者发表了著名的沉淀理论与方程式，50年代以后，迪克（Dick）等人提出按极限固体通量设计沉淀池面积。由于实际沉淀的情况较复杂，理论公式和固体通量概念还仅限于分析沉淀性能和效果，在实际设计中应用甚少。沉淀池的工艺设计大多依据经验公式和实验参数。由此可见，沉淀池的主要设计参数为经验参数。
　　至今为止，沉淀池应用在污水处理生产实践中已有几十年历史。在50～70年代，我国建造的污水处理厂大多采用处理水量不大的竖流式沉淀池，80～90年代设计和建成的大中型污水处理厂一般采用圆形辐流式和矩形平流式沉淀池。为了适应污水处理技术的发展，近年来，在不断研究改进污水处理主要工艺——生化处理工艺的同时，也在研究发展新型沉淀池，以提高处理效率，节省投资。下面介绍几种新型沉淀池。

3 新型沉淀池

3.1 周边进水沉淀池
　　周边进水沉淀池的工作原理基本上与一般辐流式沉淀池类同，其主要不同点是前者将后者的中心布水区移至池周边，使存在于辐流式沉淀池中的密度流程度大大减轻，提高了池子的容积利用系数，使周边进水沉淀池成为处理效率较高的新型沉淀池。周边进水沉淀池的主要特征有：
　　① 容积利用率高
　　② 沉淀效果好
　　③ 排泥浓度提高
　　④ 在简化池子结构的条件下，提高出水水质
　　使用条件与技术评价
　　① 周边进水沉淀池适用于各种水量规模的污水处理厂，尤其适用于大、中型污水处理厂。
　　② 周边进水沉淀池既可用于新建的工程，也可用于改建原有普通辐流式沉淀池的工程，以挖掘原有沉淀池潜力。
　　③ 设计表面负荷比辐流式沉淀池可高1倍或1倍以上。
　　④ 周边进水沉淀池的工程投资可降低，运行费用可减少，经济效益显著。
　　⑤ 据W·H·波义耳对周边进水二沉池观测的结果，固体负荷值可超过144kg／m².d，国内试验结果也证实了这一结论。
　　综上所述，周边进水沉淀池是一种简易高效、运行可靠的新型池，具有设计负荷高、出水水质好、占地省和造价低等优点，在污水处理工程设计中可考虑优先选用。
3.2 斜板（管）沉淀池
　　斜板（管）沉淀池是根据“浅层沉淀”理论，在沉淀池中加设斜板或蜂窝等斜管装置，以提高沉淀效率的一种新型沉淀池。按水流与沉泥的相对运动方向，可分为异向流、同向流和侧向流三种类型。在城市污水处理中主要采用升流式异向流斜板（管）沉淀池。
　　根据异向流斜板公式的推导，斜板沉淀池的处理能力与普通沉淀池相比可提高2～4倍，沉淀时间可缩短几倍。
　　使用条件与技术评价
　　① 在需要挖掘原有沉淀池潜力，或需要压缩新建沉淀池占地等技术经济要求下，斜板沉淀池是有效且简单易行的技术。
　　② 升流式异向流斜板（管）沉淀池的设计表面负荷，一般可比普通沉淀池提高1倍。
　　③ 斜板（管）沉淀池应用在城市污水的初沉池和化学混凝沉淀池中时，处理效果稳定，维护管理工作量也不大。据国内某些污水厂多年运行的经验：斜板初沉池的表面负荷提高1倍时，SS去除率达40％，BOD5去除率达25％～30％。
　　④ 斜板（管）沉淀池应用于城市污水的二沉池中也具有提高设计负荷、缩短停留时间和少占地等优点。但其处理效果受固体负荷限制，运行有时不太稳定，维护管理工作量也较大。
　　在运行中也出现一些问题：当流量、水质发生变化时，其耐冲击负荷的能力较差；排泥规律不易掌握，在斜板上有孳长生物膜或积泥腐化或长藻类等弊病；底泥浓度也较低。由于上述原因，近年来城市污水的二沉池已很少采用斜板沉淀池。
3.3 集泥式大波斜板沉淀池
　　80年代初，据荷兰国际莫勒公司介绍，该公司的TPS（Tiltable Plate Settler）是一种集泥式异向流波形斜板沉淀装置，具有技术先进，构造简单，沉淀效率高等特点。国内试验结果（北京市市政工程设计研究总院从80年代初开始持续10多年对集泥式大波斜板沉淀池的结构形式、设计参数和水力特性等的研究成果）也证实了上述结论，并有所创新。其特点如下：
　　① 结构形式新颖，构造简单
　　——沉淀区内设波形斜板，进水区内设集泥槽
　　水和污泥在沉淀区内呈逆向流动。进水中的悬浮颗粒在大波斜板间上行的过程中逐渐下降于斜板上，并向波谷部分汇集下滑，经集泥槽落入泥斗，见图1。
　　集泥槽部分是由二块板组成，其构造比荷兰专利的集泥槽简单，制作、安装也简单。

　　② 沉淀效率与普通斜板沉淀池相比可提高1倍左右
　　利用污泥易汇集于波形斜板面波谷中的特点而设计的集泥槽，能将污泥和水流隔开，避免了污泥流经进水区时被水流重新挟卷带入斜板区内的干扰，从而提高了分离效率。国内已投产使用的集泥式大波斜板沉淀池，经生产性测定，证实其设计负荷可提高1倍左右。
　　③ 带大波板高效反应的集泥式波形斜板沉淀池（简称大波板反应沉淀池）是新型的高效沉淀装置，其结构更为紧凑、合理，容积利用系数可高达91％。随着投药量的变化，对原水负荷变化的适应性也大大增强。
　　④ 在中小型规模水处理系统领域中可广泛应用
3.4 密集型高效沉淀装置
　　目前世界上水处理过程中沉淀系统的发展趋势就是研制一些新式带污泥回流循环和浓缩的斜板斜管沉淀系统。法国德格雷蒙公司集中了近几年来的各项新技术，它研制成功的密集型高效沉淀装置就是新一代带污泥回流循环和浓缩的斜板沉淀装置。其特点如下：
　　① 集混凝絮凝反应、沉淀和污泥浓缩功能于同一处理构筑物内，使之成为新一代的密集紧凑型高效沉淀装置
　　② 混凝絮凝反应区的设计新颖独特
　　③ 预沉、浓缩区排出的污泥向反应区回流（污泥外循环回流）
　　④ 沉淀区内设斜板斜管
　　⑤ 对原水负荷的变化有很强的适应性，沉淀后出水水质良好
　　由于密集型高效沉淀装置具有上述特点，因此，其应用范围十分广泛，深入到水处理系统的各个领域。由德格雷蒙公司施工投产的密集型高效沉淀装置其处理水量小自80m³／h，大至7000m³／h。

4 二沉池设计

4.1 按表面负荷设计二沉池
　　以周边进水二沉池为例，按表面负荷设计的计算公式见《给水排水设计手册》。
4.2 按极限固体通量设计二沉池
　　迪克（DICK）等人提出的固体通量理论是根据浓缩要求求得二沉池面积的理论基础。固体通量的定义：单位时间内通过浓缩区单位面积的固体质量。按极限固体通量设计二沉池的原理图、分析沉淀试验数据原理图见图2～图4所示，计算公式见表1。

按极限固体通量设计二沉池的计算公式　　　表1 名称 公式 符号说明 备注 1.底流排泥固体通量 Gu=uC_i(kg/m²·h)
Qu=RQ u:由底流排泥引起的下沉流速（m/h）
C_i:分析点（1-1断面）的污泥固体浓度（kg/m³）
Q_u:底流流量（m³/h）
R:回流比
Q: 设计流量 当Qu恒定时，u为一常数，Gu=uCi为一直线方程，其中u为该直线的斜率（通量曲线Ⅱ）
对于活性污泥，u一般控制在0.26～0.51m/h 2.污泥自重压缩固体通量 Gg=ViC_i(kg/m²·h) Vi:污泥趁降速度，其值等于固体浓度为Ci时的固体沉降速度(m/h) 选择一组悬浮固体浓度，通过沉降试验，得到Gg=viCi曲线（通量曲线Ⅰ） 3.总固体通量 G=Gu+Gg (kg/m²·h) 在图4中为总固体通量曲线（通量曲线Ⅲ） 4.沉淀池面积 A=[(1+R)·Q·C0]/G_L (m2)
GL=uCu
u=Qu/A C₀:进水的固体浓度（kg/m³）
G_L:极限固体通量（kg/m^3·h）
C_u:底流浓度（kg/m³） 用作图法得出GL为通量曲线Ⅲ最大值右侧的最小固体通量值

4.3 二种方法的比较
　　目前，国内污水处理厂的二沉池极大多数是按保证有效的固液分离（即澄清）要求设计的。设计一座满足澄清作用的二沉池，并不同时也满足适当的固体浓缩作用；根据固体浓缩要求设计（即按极限固体通量设计）的二沉池面积往往大于根据澄清要求设计（即按表面负荷设计）的二沉池面积。表2用实例说明了二者的差别。

用二种方法计算二沉地设计参数的实例子 　　　　　　　　　　表2 二沉池设计方法 污泥

性质

设计参数 备注 表面负荷q‘
（m³／m²·d） 固体通量
（或极限固体通量G_L）
（kg／m²·d） 悬浮固体浓度C₀（MLSS）
（kg／m³） 底流浓度Cu
（kg／m³） 回流比
R 按极限固体通量

按表面负荷 活性

污泥 14.1

21.6 67.8

103.9 4

4 24 0.2 通过沉降试验得的数据

同上 按表面负荷 活性

污泥 16～32 72～144 二沉池设计中

采用的典型值 按极限固体通量

按表面负荷 活性

污泥 19.8

39.4 56.9

147.8 3

3 15.4 利用试验测定的参数进行计算

峰值流量的推荐值

　　表2中的设计参数值表明，按极限固体通量法求得的二沉池面积要比按表面负荷法求得的二沉池面积大0.5～1.6倍。

5 浓缩池功能的探索

　　——可视作为二沉池污泥压缩区的延续和组成部分；为曝气池提供回流污泥的泥源
5.1 技术上的可行性分析
　　如前所述，采用极限固体通量法设计的二沉池既能保证澄清且稳定的出水，又能完成适当的污泥浓缩，以期达到提高回流污泥浓度的目的。但是，按上述设计的二沉池面积比常规法（即表面负荷法）至少要增加1倍左右。为此，极限固体通量法在二沉池设计中仅处于概念分析，尚未被广泛采用。
　　浓缩池是完成污泥浓缩最有效而又最经济的处理构筑物。它作为污泥处理的预处理构筑物，在典型活性污泥法的基本工艺中被广泛应用，如图5所示。

　　众所周知，活性污泥法的效率和运转性能取决于泥龄和停留时间。由于浓缩池中污泥的泥龄和停留时间（10～16小时）较长，因此，其底流污泥不宜作为活性污泥法的泥源。若对二级污泥在浓缩池中的泥龄和停留时间严加控制，使之既保持良好的活性，又达到适度的浓缩，此时，其浓缩污泥即可满足作为曝气池回流污泥泥源的要求。其工艺流程和工作过程原理如图6、图7所示。

5.2 活性污泥法核心工艺（曝气池和二沉池）主要设计参数的分析
　　迄今为止，活性污泥法是二级处理中应用最广的工艺，活性污泥法的核心是曝气池和二沉池。图8为活性污泥法核心工艺流程简图。

　　对上述工艺流程的粗浅分析：
　　① 工作过程：污水中溶解的及胶态的有机物，通过在曝气池内的好氧生物过程，转化为在二沉池内易于沉淀的絮凝固体。为此，在曝气池内应维持一定的悬浮液固体浓度（微生物浓度）。
　　② 二沉池是活性污泥法整体的一部分。如果生物固体不能分离出来并返回曝气池中，活性污泥处理过程就不可能有效地运行。据此，二沉池和曝气池应合并为一体进行统一设计。
　　③ 活性污泥法核心工艺（曝气池和二沉池）主要参数（悬浮液固体浓度C₀、二沉池的底流浓度Cu和回流比R）之间的关系可推导如下：
　　假定Q’（排放污泥流量）忽略不计（一般Q’／Qu＝1／50～1／100）
　　根据物料平衡原理，得出：

　　　（Q+Qu）C0 = QuCu + QC0
　　QCe忽略不计（Ce——出水SS浓度）
　　（Q+Q_u）C₀ = Q_uC_u 　　　　Q_u/Q=R
　　（1+R）QC₀ = RQC_u C0=(R/1+R)C_u 　　或　　 R=C₀/(C_u-C₀)

　　④ 曝气池内悬浮液固体浓度C₀与活性污泥核心工艺的相对成本的关系可参见图9。
　　下图表明，曝气池内的MLVSS浓度保持在4kg／m³左右时，曝气池＋二沉池的相对成本最低。
　　⑤ 国内污水厂多年运行经验表明，曝气池内的MLSS浓度远远达不到最佳运行浓度。其主要原因是二沉池的底流浓度偏低（二沉池按表面负荷设计），直接影响了曝气池内悬浮液固体浓度的提高。

　　综上所述，本文提出了对浓缩池功能的探索——作为二沉池污泥压缩区的组成部分及曝气池回流污泥的泥源，以降低活性污泥法核心工艺部分的成本。

6 结束语

　　① 本文总结、归纳了近年来随着我国排水事业的发展在沉淀理论和沉淀技术进步方面所取得的成果，所研究开发的新型沉淀池，旨在提高处理效率，降低基础设施建设的投资。
　　② 与此同时，本文还探索、分析了在当前二沉池设计中存在的一些问题：
　　用表面负荷法（目前国内推荐采用此法）设计的二沉池能保证澄清且稳定的出水，但其底部污泥往往还得不到适度的浓缩；如用极限固体通量法设计二沉池，则既能保证固液分离，又能完成理想的污泥浓缩，但是用此法求得的二沉池面积要比用表面负荷法求得的面积大出0.5～1.6倍。
　　③ 目前在二沉池设计中的不足之处是对澄清和浓缩两种功能不能兼而有之，不能均达最佳运行状态，而往往是忽略了沉淀池的浓缩功能。
　　④ 为了弥补目前沉淀池设计中对污泥浓缩的不足，本文提出了对浓缩池功能进行探索的建议：即将浓缩池分为二级，对第一级浓缩池中的污泥泥龄和停留时间要加以严格控制，使之既保持良好的活性，又达到适度的浓缩，以满足作为曝气池回流污泥的泥源要求；其第二级浓缩池的功能是最终完成污泥浓缩的任务。
　　⑤ 浓缩池的池容与二沉池的池容相比较，前者投资大大少于后者。据此，对浓缩池功能的新探索的建议从技术、经济上分析是可行的。