翼片斜板沉淀半生产性实验研究
刘灿生 沈志恒
摘 要：本实验研究是考察新型沉淀装置——民办片斜板沉淀装置的沉淀规律。这种装置的沉淀机理不同于传统的沉淀池，悬浮絮凝体在翼片斜板造成的环流作用下，加速沉淀。通过实验发现，由翼片槽内流出的悬浮物质浓度随翼片格数增加呈指数衰减，同时发现去除悬浮物质的极限程度与悬浮絮体的絮凝特征有关。
关键词：翼片斜板、给水、沉淀
The Experiment and Research of Sedimentation
Tank with Wing Sheet Type Inclined Plates
Liu Cansheng Shen Zhiheng
Abstract The settling law of the new sedimentation facility——a sedimentation tank with inclined plates——is observed stndied in this test.
The settling principle of the new sedimentation facility is different from that of traditional sedimentation facility.The precipitation of suspended flocs is accelerated by means of the circle——flow——action formed by declined plates.
Having done the experiments,we found that the concentration of the suspended matter flowing out of the declined plates decreascs in a exponent form as the number of the declined plates increased.We also found that the removable limitation of the suspended matter closely related with flocculative characteristics of The flocs.
KeyWords incline plates with wing sheet,water supply,sedimentation.
横向流翼片斜板沉淀模型试验完成后，为探求对不同水质原水，不同絮凝情况下杂质的去除规律及同一斜板不同高度上杂质分布情况，如何确定沉淀装置的合理格数及翼片斜板的最佳结构，以及全年（春、夏、秋、冬）运行的可行性，为设计和生产提供必要的性能参数，我们又进行了横向流翼片斜板的半生产性（中间）实验研究。
1.实验装置及实验过程
横向流翼片斜板半生产性实验是在哈尔滨市供水四厂进行的。
实验流程如下：
投药
↓
松花江水→水泵混合→网格反应池→翼片斜板沉淀装置→出水
实验装置安装在供水四厂混合槽附近，利用水泵将进入混合槽未经投药的原水抽吸来进行试验，在实验中自行投加混凝剂，水泵混合后进入网格反应池，然后再进翼片斜板沉淀装置进行实验。
1.1 实验装置简介
主体试验装置由网格反应池和翼片斜板沉淀池组成，全部由钢板焊制（图1）。网格反应池和翼片斜板沉淀实验装置为一整体结构，中间由穿孔稳流板隔开，整体装置长4.55m，宽1.60m，高2.00m。其中翼片沉淀装置长2.95m，宽1.00m，有效深度0.9m。 网格反应池为上下回转，共设分格22个，格网采用木条及筛网做成，格网空隙进口流速为0.4m/s，出口为0.05m/s。
翼片斜板实验装填装置中翼片斜板三组，每一组有10块斜板，每块斜板上设置高6cm，间距6cm的翼片8块，共构成7个区格，两斜板之间垂直距离9cm，斜板水平倾斜角为60°，将10块带翼片的斜板按设计间距重迭固定在框架上，然后放置实验装置中。在每组翼片斜板下有一个排泥斗，实验装置的一个侧面装有两个观察窗，另一个侧面设有72个取样口（上、中、下三排）和一个有机玻璃静沉筒（可以作进水的静沉试验）。
1-进水管；2-网格反应池；3-进水穿孔稳流板；4-翼片斜板；5-出水穿孔稳流板；6-溢流板；7-取样口；8-出水管；9-排泥斗；10-反应池排空管；11-静沉筒（观测管）；12-实验沉淀装置；13-排泥管
实验翼片斜板采用浙江玉环净水设备厂生产的玻璃钢翼片斜板，其具体尺寸如图2所示。除了图2中所用的60×60×30mm的常规尺寸外，还进行了25×25×25mm规格（即翼片高2.5cm，翼片间距2.5cm）翼片斜板的实验。
1.2 实验过程
由于松花江原水浊度不断变化，因此每天实验之前，都要做混凝实验，以确定最佳投药量的多少，并以此为实验时投药量的依据，混凝剂采用四水厂配制好的生产用硫酸铝溶液。
实验时，首先开启水泵，从四厂混合池内取水，用闸阀调节使水泵出水量（水表读数）控制在实验所需要的值，待池内水位稳定后，将药液投于水泵的吸水管内，靠水泵混合后进入网格反应池形成矾花颗粒，再通过侧向流翼片形斜板沉淀装置进行泥水分离，通过稳流板溢流堰出水。待工作稳定后，分别从实验装置的进口处、各翼片区格内及出水处取水样，测定水样浊度，同时，在翼片斜板沉淀装置进水处取水样，作静止沉淀实验。对于一种实验流量反复试验测定几次后，改为另一种流量重复上述操作。
对于不同水质原水，不同尺寸的翼片斜板，不同深度的出水情况也按上述操作程序进行试验。
在实验过程中，一天测一次原水水质。每半小时读水表一次，校验水泵的流量。水的浊度采用上海自来水公司生产的GDS-3型光电浊度仪测定。
2. 实验数据及成果分析
本文实验数据整理及成果分析部分，用到的名词如下：
主流区流速——是指翼片与斜板间的流速，记为v；
主流区厚度——是指翼片与斜板间距，记为b；
水平流速——为空塔流速，记为v0；
进、出水浊度——表示进入、流出翼片斜板沉淀实验装置时水的浊度，分别记为c0和ct；
流出浊度ci——表示在该翼片格槽内取样分析的浊度，第一格则记为c1，第二格记为c2……，第n格则记为cn。
对于同一水质，在其他条件相同的情况下，我们改变实验水量，则改变了主流区流速v，主流区流速v是翼片斜板沉淀的重要性能参数。本实验研究，对此作了大量实验测定，对于不同水质、不同絮凝情况及翼片不同构造型式都要重复作此类实验。
实验主流区流速v分别采用5、10、13、15、20、40mm/s等，将实验所得的数据整理在以翼片格数为横轴，流出浊度为纵轴的座标系内可得图3中的曲线，曲线1与曲线2分别是主流区流速为10和15mm/s时的。由图3可见，经过翼片斜板沉淀的流出浊度随着翼片格数的增加而减少，曲线由陡斜渐趋平缓，表示水中的絮状物在最初的几个翼片格内得到高效的沉淀分离，如曲线1在第八个格时的流出浊度便由92mg/l降到3mg/l。而达到某一浓度后，沉淀分离效果不再发生明显变化。曲线1经第八个格，曲线2经过第15个格后流出浊度分别稳定在3和7mg/l左右。 
翼片斜板半生产性实验所得到的这种结果与模型实验得到的规律相同。
如果把实验数据绘制在半对数座标系中，或者流出浊度用无因次量cn/c0表示整理后的结果可绘于图4中的直线，这表示模型实验所得到的
cn=coe-k.n
横向流翼片斜板沉淀基本方程式也同样符合半生产性实验，证明在这种沉淀过程中，颗粒杂质浓度通过翼片格沉降呈指数衰减的规律。
应当指出的是，当流出浊度在某一翼片后稳定不再变化，则这以后的数据不再遵循指数衰减，在半对数座标图上也不能与实验所得的其他数据一起符合直线关系。
这种现象是由于絮凝生成的大颗粒絮凝体，在最初的翼片格内即得到去除，而余下的细小的絮体不易沉淀下来，这部分粒子就是静沉中也不易沉淀下来的那部分。表1中列出了平衡浓度与静沉残余浊度比较。
由此看来，翼片斜板沉淀装置去除杂质的能力要受到原水杂质颗粒特征的影响，絮凝体生成得好，利于沉淀分离，絮凝体生成得不好，则沉淀相对困难。实验中可以看到，在翼片斜板去除水中杂质时，由于旋流作用能够在颗粒（静沉25min所残余杂质的颗粒）在翼片斜板中沉淀不到1分钟即可分离出去，说明这种沉淀对于微小颗粒也有相当好的沉淀效果，但是对于那些在静沉中不易沉降下的颗粒，翼片斜板也不能将其沉淀下来。因此，在设计翼片斜板装置时要重视反应效果。
表1 静沉残余浊度与平衡浓度对照表
静止沉淀30min残余浊度(mg/l)
5.0
6.0
0.4
7.0
11.1
0.5
6.0
6.0
翼片斜板平衡浓度（mg/l）
6.5
6.0
1.2
6.0
1.4
0.6
7.0
8.0
静止沉淀30min残余浊度（mg/l）
11.0
6.0
5.0
5.5
1.0
5.0
10.0
翼片斜板平衡浓度（mg/l）
6.5
5.0
5.0
4.4
1.0
4.0
6.0
通过对表1中所得数据的分析，翼片斜板的平衡浓度与静止沉淀30min残余浓度大致相等，也就是说当翼片斜板沉淀经10～20格即达到平衡浓度时，已将静沉30min可沉淀下去的颗粒杂质全部去除，这是相当高的沉淀效率。
为了分析翼片斜板沉淀效率变化，模型实验研究报告曾给出一种累积去除率η′来分析。
将浊度去除率η′定义为
η′=（cn-1-cn）/cn-1
式中cn-1，cn为相邻两翼片格流出浊度，浊度去除率η′的物理意义是各翼片格去除杂质的效率。由试验结果计算出的η′如图5所示。
由图5可见，在第十格以前，各翼片格的杂质去除率都大致相等，在50%左右，而到达一定格数后，其浊度去除率陡然下降。这表明把100mg/l的杂质降到10mg/l所需用的格数与10mg/l降到1mg/l的格数基本相同。所以当原水中浊度较低时，其翼片格数并不见得明显减少。
为了便于与斜管、斜板的沉淀效率比较，我们提出比体积的概念，比体积是指沉淀装置处理单位流量水所需要的容积体积，若E为比体积；V为容积体积；Q为处理流量，则
E=V/Q
比体积呈时间因次。
下面若将出水浊度同为10mg/l的各种沉淀装置的比体积E列于表2，可见，翼片斜板沉淀装置的沉淀效率约比斜管沉淀池高出一倍，比斜板沉淀池高出四倍，比平流沉淀池高出四十倍。
表2 沉淀效率E对比表 翼片斜板沉淀池 平流沉淀池 斜板沉淀池 斜管沉淀池 主流区流速v（mm/s)
10
15
20
E
90
110
110
4000-5000
500
230
注：平流沉淀池、斜板沉淀池、斜管沉淀池E的计算依据见《给水排水设计手册》第四册。
3. 主流区流速、翼片格数翼片构造等参数的选定
3.1 最佳主流区流速及翼片格数的选定
实验中发现主流区流速愈大达到平衡浓度所需要的翼片格数愈多；主流区流速小则需要的翼片格数也少的规律。那么，采用多大的主流区流速及翼片格数为合理，我们对此进行了专门的考察实验。
实验中，主流区流速分别取8、10、11、12、13、14、15、17、20、25、28、30mm/s等12个档次，实验结果见图6。由图6可见，采用过大的主流区流速其流出浊度上偏，达到稳定出水的平衡浓度需要较多的翼片格数。如果主流区流速过低，虽然在较少的格数时流出浊度即降得很低，但当流量发生轻微变化时，出水浊度不能得到保证，根据实验情况看，主流区流速采用20mm/s，翼片格数采用15格是适宜的。
3.2 翼片斜板尺寸的选定实验
为了选定翼片斜板的合理尺寸，我们进行了两种不同尺寸翼片斜板的对比实验：一种规格是60×60×30mm；另一种规格是25×25×25mm，将其分别安装于翼片沉淀分离装置中进行实验。
表3 出流水浊度对比表（单位：mg/l）
原水浊度（mg/l）
主流区流速（mm/s）
格数
1
2
3
4
5
6
7
87
11
大格
48
29
15
8
5
3
2
小格
67
46
30
23
16
14
9
83
15
大格
66
44
26
21
13
10
7
小格
74
63
48
39
28
25
20
87
17
大格
65
43
28
19
13
8
7
小格
74
59
40
35
29
23
21
95
23
大格
81
65
43
35
31
23
14
小格
85
78
65
54
49
42
35
85
20
大格
70
44
28
20
14
11
8
小格
76
60
49
36
31
24
17
82
25
大格
74
56
35
35
29
24
16
小格
74
63
59
54
49
44
30
81
28
大格
76
66
61
53
45
39
23
小格
76
69
63
57
47
45
34
（1）相同翼片格数的实验
实验中采用相同数量的翼片格，二种规格的翼片格数均为7格，分别测出各格的出流水浊度，数据整理于表3中。
由表3可见，不同尺寸规格的翼片斜板的沉淀效果不同，在同一水质、同一主流区流速情况下，60×60×30mm规格的翼片板的流出浊度较25×25×25mm规格的低得多。但是由于翼片斜板的尺寸不同，仅仅以表3的资料尚不能作出比较，还应进行沉淀时间相同，经过的翼片格数不同的对比实验。
（2）在翼片格间停留时间相同的对比实验
为了考察水在翼片格间停留相同时间的不同规格翼片斜板的沉淀效果，本实验采用60×60×30mm规格的翼片板的流出浊度较25×25×25mm规格的则采用14格，在相同水质和相同工况条件下分别测定其沉淀效果。表4中列出了实验数据，这部分实验结果是在混凝极端不好的情况下得到的。
通过上述两种比较实验可见，60×60×30mm规格翼片斜板的杂质去除率高，而且大尺寸规格的翼片加工制作方便。因此，建议彩和60×60×30mm规格的翼片斜板。
表4 出水浊度对比表
主流区流速（mm/s）
9
11
15
17
20
23 <
25
28
进水浊度（mg/l）
86
87
83
87
85
95 <
82
81
大格出水浊度（mg/s）
71
65
52
57
60
70 <
64
61
小格出水浊度（mg/l）
73
73
62
62
67
77 <
69
67
4. 同一翼片槽纵向浊度分布
半生产性翼片斜板沉淀实验还研究了同一翼片槽内不同深度处的浊度变化。实验时，从翼片斜板实验装置的上、中、下部位的取样口取水样。其浊度变化情况如图7所示。由图可见，同一翼片槽内中部取样浊度高于上排取样的浊度。从理论上讲，整个翼片槽内杂质浓度应该是不变的，因为假定进水浊度沿池深方向分布是均匀的，那么进入到同一翼片槽内的杂质数量沿翼片深度也将分布均匀。槽内上部沉降转移来的那部分杂质对于上、下部都是一样的。所差异的是上、下部的积泥数量不同，下部要多，但这并不能影响槽内水的浊度。分析本实验出现这种结果的原因是：
（1）絮体生成较好，因此浊度沿纵向分布不均匀，上部浊度小，下部浊度较大。造成翼片斜板槽内上、下浊度的差异。
（2）由于本实验翼片斜板整体搁置在排泥斗的壁台上，翼片斜板滑下的泥能在此积蓄，所以从下排取样则出现相当高的浓度，甚至超过原水浊度。
（3）取样管插入翼片槽内，引起滑泥流动的紊乱，使得取出水样浊度偏高，愈往下
层其滑泥量愈大，影响愈历害。
因此，在设计该装置时要考虑保证进水分布均匀，减小支撑翼片斜板的部位，避免在该处积泥。
5. 在原水低温、低浊时的使用情况
松花江水系常处于低温、低浊状态，此期间浊度减小几十倍。表5为松花江自1985年7月至1986年7月全年的浊度变化资料。翼片斜板沉淀装置处理低温、低浊水情况如何呢？
表5 松花江水浊度变化表
月份浊度（mg/l）
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
最高
600
540
140
110
170
32
49
62
25
440
500
330
800
最 低
150
130
50
45
50
13
18
15
11
10
160
100
80
平 均
283
305
80
65
88
23
27
29
15
176
252
160
410
先应用模型实验考察了低温低浊时的沉淀效果。实验结果表明：这种新型的沉淀池对处理低温低浊水有相当好的作用，处理效果令人满意。
在实验中，对这种装置和斜板进行了比较实验，数据列于表6。
表6 低温低浊下模型试验结果表
原水浊度（mg/l）
出水浊度（mg/l）
20
18
25
30
27
11
15
13
19
27
翼片装置出水浊度
10
9
10
7
8
8
7
9
6
7
斜板出水浊度
17
15
17
20
19
11
14
13
14
18
备注
1984年4月初实验
可见，在同一条件下其出水水质不相同，翼片斜板要比斜板沉淀效果明显，说明对于低温低浊水的沉淀是有效果的。
1986年低温低浊时期，我们采用翼片斜板沉淀的半生产性实验装置对低温低浊水的处理效果进行了考察。实验结果见表7，实验水温为1～3℃。
翼片斜板所以能处理低温低浊水的原因，可能是由于翼片斜板的动态分离。絮凝频粒粒被涡流强制输送入翼片格内，尽管因低温低浊絮凝不完善，但这些颗粒仍然能被挟带进槽内，而槽内环流区的流速很低，即使微小的颗粒也易沉淀下来，同时在涡流和环流的作用下也能促进颗粒杂质进一步絮凝，以及在翼片槽内环流的离心作用能迫使颗粒与翼片壁接触而加速其沉淀。
表7 低温低浊下半生产性实验结果表
原水浊度（mg/l）
25
22
20
18
17
15
14
12
11
出水浊度（mg/l）
8
10
10
9
7
8
8
7
8
原水浊度（mg/l）
10
16
20
24
30
34
38
41
59
出水浊度（mg/l）
6
8
9
7
10
11
8
7
6
可见，翼片斜板对低温低浊沉淀仍然具有良好的效能。
参考文献
[1] “迷宫斜板分离装置”，[日本]《水道协会杂志》，昭和57年10月第577号。
[2] 刘灿生、沉志恒、王绍文：“翼片斜板沉淀实验研究“，《哈尔滨建筑工程学院学报》1985年第2期。
[3] (美国)《水的净化新概念》，张亚杰等译，建工出版社，1982年10月。
[4] 《水力学》，西南交通大学、哈尔滨建工学院编，人民教育出版社，1979年。
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