地表水沉淀处理工艺设计和运行的最佳化

Optimisation of basic water-treatment processes design and operation:Sedimentation

王淑芳　编译　　　杨福才　校
天津市自来水集团有限公司科技情报站

　　摘要：本文论述了地表水沉淀处理工艺中沉淀池的类型，沉淀池的优化设计以及运行过程中应注意的问题。
　　关键词：沉淀　澄清　设计　操作

　　沉淀或澄清是最常用的水处理工艺之一，它通过重力沉降把悬浮液分离成澄清液和更浓缩的悬浮液（泥浆）。沉淀工艺分为平流沉淀和澄清两种。平流沉淀用泥砂池去除比泥沙大且重的颗粒，澄清是从水中分离小而轻的絮凝颗粒。
　　设计沉淀工艺时需考虑几个重要方面：
　　(1)整个处理工艺；
　　(2)悬浮物的特征和数量；
　　(3)颗粒沉淀的特征；
　　(4)场地限制和未来水厂扩建；
　　(5)当地气候条件；
　　(6)水厂流量变化；
　　(7)沉淀池的类型和形状；
　　(8)每一沉淀池均匀水力负荷；
　　(9)沉淀池入口和出口构造；
　　(10)固体和混浆去除设施的荷载；
　　(11)沉淀池水力负荷；
　　(12)池内短流；
　　(13)规章限制。
　　沉淀池建成后，水厂操作人员必须做到以下几点：
　　(1)监测沉淀池效率的状况；
　　(2)观察整个运转情况并注意任何反常现象的出现；
　　(3)在适当的时间间隔去除污泥；
　　(4)控制藻类；
　　(5)熟悉沉淀池的特殊设计特征。
　　有两种情况经常被设计工程师和水厂操作人员忽略：(1)沉淀池内的水流通常不是活塞流，在绝大多数时间内为短流；(2)澄清效果是澄清池上游原水水位和水量的直接函数。对于普通沉淀池，有效澄清的关键是使原水中的悬浮物适当地混凝和絮凝。

　　一、沉淀池的类型

　　沉淀池有三种主要类型：平流矩形沉淀池、上向流沉淀池、上向流固体接触（悬浮泥渣）反应一澄清池。一般以平流沉淀池为最佳，特别在美国使用更好。这是因为这种池子水为稳定性好且容许较大的负荷。此类沉淀池可预先告知水处理情况，而且在流速高达两倍设计流速时也能运行，并不使水质恶化。矩形沉淀池易于设计和建造，且操作简单。
　　上向流反应一澄清池广泛用于欧洲国家，这种澄清池，特别是悬浮泥渣澄清池，在源水水质稳定和水力荷载恒定的情况下运行效果都很好，而且还能承爱水质和水力荷载的临时较大波动。
　　用于上向流反应一澄清池容许的水力负荷较高，且具备有效自动排泥装置，因此池身紧凑。排泥装置有一个简单计时控制的污泥阀，可去除多余的液化污泥。此种澄清池对水力和固体的冲击荷载相当敏感。所以要求操作人员更加注意，以利于有效操作。
　　对于整个处理工艺来说，沉淀经常被看作是最重要的单元工艺。有时，由于悬浮固体、硬度或总有机碳(TOC)含量高需加大混凝剂用量时，为保证滤后水水质，需进行有效絮凝并设计安全性高效果好的澄清池。这对于传统的快砂滤池尤为理想。当滤床是普通单层砂滤料和仅用硫酸铝（没有聚合物）作混凝剂时，澄清的程度是很重要的，因为滤后水浊度与沉淀水浊度成正比，所以为保证滤后水水质，应采用稳妥设计的沉淀工艺，以使沉淀水浊度小于2NTU。

　　最近几年，双层煤一砂滤料滤池和单层粗砂深滤床滤池使用很普遍，与这些类型滤池一起使用的沉淀池的设计不同于与传统的快砂滤池一起使用的沉淀池设计。当采用双层滤料或粗砂深层滤料滤池时，沉淀工艺能够承受更大的水力和固体负荷。单层滤料深滤床滤池经常用于直接过滤工艺，条件是源水水质一般、平均浊度小于10NTU，偶而浊度很高但小于50NTU。一些水处理厂已经成功使用了直接过滤工艺处理30NTU以上浊度的源水。另外，双层滤料滤池已被证实能有效处理进入滤池浊度为5―10NTU的沉淀水（图
2），一般来说，与双层和单层滤床滤池一起使用的澄清池所能承受的水力负荷很容易达到快砂滤池负荷的两倍。

　　二、均匀水力负荷

　　影响沉淀池设计的其它因素是每个池子的均匀水力负荷和矩形池的实际流动特征。水厂进水均匀分配到各个沉淀池是在设计阶段必须解决的水力问题。一些工程师认为如果所有沉淀池的出口都设置在同一高程，每个池子就会接受相同流量，而不用太考虑进口情况，这是不正确的。已经对6个平行的沉淀池做了观察，发现有40%之多的流量是不同的。因此，为了在这一组沉淀池中分酏相同的流量，认真设计每个池子的进水口是非常重要的。欲在多数沉淀池中得到相等的流量，就要使各沉淀池出口的水头损失大于进水口沿程水头损失，或者使用分流堰的方法得到。
　　沉淀池内的水流大多数不是层流，也不是活塞流。普通沉淀池停留时间计算为流量(Q)与体积(V)的比值，但由于短流，实际上停留时间约等于计算停留时间的30%―40%。进口的条件、沉淀池池型以及进水水温大大影响池内水流的稳定性。总之，水力负荷率越低，则死水区越大，短流程度越高。

　　三、进水口能耗

　　为达到给沉淀池配水的目的，提出并验证了在沉淀池进口放置不同挡板，目前最简单、最有效的方法是放置多孔挡板。对于特定类型的沉淀池来说，最有效的挡板只能通过水力模型研究确定下来。
　　在对两个不同类型的矩形沉淀池进行为期6个月的水力模型研究后，确定了多孔档板的设计标准如下：(1)孔口应均匀分布于挡板墙上，多孔挡板依次分布于沉淀池整个截面；(2)应提供最大数目的孔口，以减少孔口之间的死水区；(3)穿过扩散墙的水头损失应为0.3-0.9mm，以均衡通过整个沉淀池进口截面的流量，使絮体的破坏减到最小；(4)孔口尺寸应在均匀直径75-150mm之间，以避免被藻类和其它漂浮物堵塞，而且孔与孔之间的间隔应在250-400mm之间，保证扩散墙有足够的结构强度；(5)孔口的形式是直接指
向沉淀池出口的平行射流方式；(6)进口扩散墙应该位于进水口下游约1.8-2.1m处。

　　四、出口水流控制

　　离开沉淀池的水应在沉淀池末端宽度上均匀通过。有些人提出在沉淀池出口安装一个进口扩散型的布水墙。然而，从以住使用情况来看，出口布水墙的作用是很有限的，虽然它能减缓水流的速度，但实际上不能阻止沉淀池内的重力流。许多国家的水厂操作人员支持这个观点，因为他们经常观察到由于布水墙前的冲刷，出口布水墙下游絮体量增多。
　　沉淀池的类型对水力特征和颗粒沉淀特性影响很大。方形池、圆形池，长度小于宽度两倍的池子、180°转弯的池子以及深度非常深的池子一般都不是效果好的沉淀池类型。窄、长和浅渠类型的池子具有颗粒沉降的最佳水力条件。斜管沉淀池和层状斜板沉淀池具有最好的水力特性，因此沉淀效果好。
　　沉淀池末端集水槽的设计也是一个重要环节。沉淀池出水应该均匀地从垂直于水流方向的面上集水。对于平流矩形池来说，沉淀池出水的均匀收集一般是用沉淀池末端的多个长型集水槽完成的。美国大多数州的管理机构规定了每米集水槽最大水力负荷为11m3/h。然而，过去的事例表明矩形沉淀池在底流或表面有密度流存在时，用长集水槽实际上是无效的。但是，上向流类型的澄清池塘悬浮反应一澄清池还是需要这种集水槽。另外，有高速沉降装置的矩形池则需要把集水槽安装于沉降装置上方，以便从沉淀池的整个面积中收取出水。

　　五、密度流

　　许多有经验的水厂操作人员意识到在大多数沉淀、澄清池中经常存在短流，甚至在精心设计的池子进口、进水和池内水温差很小(0.3℃)时会产生密度流。此外，进口处悬浮固体多时（即浊度超过50NTU）也产生密度流。一般在进水水温比池内水水温稍低或悬浮固体多时就会产生密度流。在这些情况下，水流在进口处携带着絮体跌落下来并在出口处上升。
　　密度流还可以解释出口布水墙和集水槽的无效性。但是，有一个或两个中间布水墙的矩形池可以减小密度流的发生，而且可增强矾花的沉降。中间布水墙增强矾花沉降的原因是：(1)在配水墙上游的温和垂直混合效果减小了进水和池内水的温差；(2)温和的混合促进了矾花的生长。因此，矾花在第一间隔空间和在每个布水墙上游沉降非常好。此外，在每个布水墙下游产生稳定流态并把风力对于水流的影响减至最低。但必须强调的是，过度使用中间布水墙会减少矾花沉降机会并给安装机械排泥装置造成困难。

　　六、集泥设施

　　就集泥设施而言，带有贮泥斗的机械刮泥机和带有吸泥装置的机械刮泥板使用了很长时间。它们的构造简单，不需任何淹没式机械。美国水厂中许多操作人员青睐刮泥机集泥设施中的排泥伸缩阀，因为它能使操作人员测定污泥量，观察污泥稠度，并能嗅到污泥的新鲜度。而设计带有排泥阀的角度很小的排泥斗是很不实用的，（排泥阀由人工或时间继时器控制）这是因为当阀开启时，在所排污泥中形成了一条与污泥出水管管径相同的水槽，大多数污泥留存下来并慢慢腐化。
　　对悬浮澄清池来说，由于悬浮层是流支的，所以对于浊度较低和浊度适中的原水排泥极为容易。开启排泥阀能阶段性地排出多余污泥。但是，带有泥沙的污泥由于原水浊度高(>500NTU)不容易从悬浮澄清池中排出。
　　不管澄清池类型如何，常规和合理的排泥应高度重视。这是因为污泥能携带许多如有机化合物、无机化合物（重金属）等不良物质和藻类、细菌、病毒、原生动物等微生物。

　　七、增强混凝

　　美国即将出版的增强混凝规则对澄清池设计提出了新的问题。按照新规则，澄清池进水pH应为5.5这样低，这就要严重侵蚀没于水中的混凝土和金属。为了减小侵蚀，这些淹没部分不仅需要特殊遮盖层，而且还需恰当选择水泥类型，同时还要恰当设计污泥处理和排放设施。另外，由于增强混凝需大量混凝剂，产生的污泥量可能相当于常规处理方法的4―8倍。

　　八、操作问题

　　“增强混凝规则”颁布后，现有水处理厂应特别关注水质标准和操作上的改变。为了最大程度地减小操作问题，水厂员工应熟悉有关沉淀和澄清池的特殊设计特征，各池进水阀恰当调整以均匀分布水力负荷，排泥的适当程序，各地絮体沉降条件以及池内发生的任何异常现象；了解悬浮污泥、污泥膨胀、池墙和隔墙上生长的藻类情况以及池墙和周边墙的任何渗漏情况。当气体在沉淀污泥中积累，产生泥泡，由于细菌的厌氧分解或空气的过饱和作用，使得污泥漂浮起来而不是沉下去。除了渗漏以外，绝大多数问题可通过预加氯来控制，使用2―3mg/L的氯进行预加氯是连续投药还是冲击投药取决于三氯甲烷的形成程度。空气对原水的过饱和作用是个难题，唯一实际的解决办法是阻止空气进入到原水中。
　　对于未使用预加氯的大多数水厂来说，在池壁、集水槽和布水墙上生长的藻类是个普遍问题。阻止藻类生长的最有效方法是在池壁上从水面至下0.6―1.2m处加上一层薄铜片。美国北加州的北海湾水厂和日本的一些水厂已经成功使用了这种方法。水厂操作人员还必须注意集水槽和堰口板的高程要一致，否则会导致池内水流倒向一方。
　　没有机械排泥装置的矩形沉淀池很可能会有污泥膨胀、污泥中产生气泡以及污泥中生长有机物的问题。所有保守设计的矩形沉淀池有80%的污泥积累在池的前1/3处，而后1/2部分极少。在冬季的几个月里，主要集泥区稍稍移向沉淀池出口。通常，对于没有连续排泥设备的沉淀池，在未排泥前或连续排泥6―9个月后，池内泥层顶端仅在靠近进口区水下0.9―1.2m处，此现象应引起注意。但是由于保守设计的沉淀池实际流量并没多大变化，因而絮体的去除功能仍旧良好。然而，在高速沉降设备的水力负荷率要比保守设计的矩形池高3―5倍。水厂操作人员绝不会允许高速沉降设施有这么高的污泥积累；如果没有连续的机械排泥装置，沉降设施会被污泥堵塞。