周进周出二沉池设计之探讨

叶鼎（武汉凯迪电力股份有限公司，湖北武汉 430070）

　　摘　要：在分析周边进水周边出水幅流式沉淀池工艺特点的基础上，论述了该池型运用于由于进出水悬浮物浓度差所引起的异重流，容积利用率高，池子表面负荷可适当提高。通过对配水系统几种不同计算方法的比较，介绍了在保证配水均匀稳定性上的一些做法。
　　关键词：周进周出沉淀池；异重流；配水均匀性；稳定性；计算方法；设计
　　中图分类号：TU99I．23
　　文献标识码：B
　　文章编号：1009－2455（2002）06－0051－03

　　沉淀池是水处理工程中常用的构筑物，为提高水处理能力、稳定出水水质、降低运行成本和控制基建投资，各种类型的沉淀池都有了较大的改进和革新。笔者在某污水处理厂工程的设计中，针对出水水质要求高、用地面积少的情况，二沉池选用了圆形周边进水周边出水幅流式沉淀池。该工程总设计规模17×10⁴m³／d，近期实施10×10⁴m³／d。4座周进周出的沉淀池作二沉池，单池处理能力Qd=3.25×10⁴m³／d。下文对周进周出沉淀池的选择及配水系统的设计谈一些具体做法。

1 周进周出与中进周出沉淀池的比较

1.1 沉淀区的流态
　　二次沉淀池进水为活性污泥混合液，悬浮物固体MLSS的质量浓度在3000－4000mg／L之间，远高于池内的澄清水。由于二者间的密度差、温度差而存在二次流和异重流现象。中进周出和周进周出两种不同池型内的混合液流态各不相同，详见图1与图2：

　　在中进式沉淀池中，活性污泥混合液从池中心进水管以相对较高的流速进入池内，形成涡流，经布水筒逐渐下降到污泥层上，再沿沉淀区中部向池壁方向流动并壅起环流。分离出的澄清水部分溢流入出水槽，部分在上面从池边向池中心回流；密度大的混合液则在下面从池边向池中心流动，形成了反向流动的环流。这种环流不利于沉淀，限制了池子的水力负荷。
　　而在周边进水周边出水的沉淀池中，密度流的方向与中心进水式相反。混合液经进水槽配水孔管流入导流区后经孔管挡板折流，下降到池底污泥面上并沿泥面向中心流动，汇集后呈一个平面上升，在向池中心汇流和上升过程中分离出澄清水，并反向流到池边的出水槽，形成大环形密度流，污泥则沉降到池底部。因此，周进周出沉淀池的异重流流态改变了沉淀区的流态，有利于固液分离。
1．2 容积利用率
　　异重流现象在中进式沉淀池中会形成短流，部分容积没有得到有效利用，池子的实际负荷比设计负荷大得多。而周进式由于大环形密度流的形成，容积利用率要高得多。
　　对应进。出水槽位置的不同，中心进水与周边进水沉淀池的容积利用率各不相同，详见表1。

表1 幅流式沉淀池容积利用率^[1]

进水槽位置 出水槽位置 容积利用率/% 中心进水 周边出水 48 周边进水 R/4处 85.7 　 R/3处 87.5 　 R/2处 79.7 　 池周R处 93.6

1．3 导流筒的作用
　　中进式中心导流商内的流速相对较高，常在0.1m/s以上，水流向下流动的动能大，易冲击底部污泥，活性污泥在其间难以形成絮凝、澄清作用。而周进式由于池周长，过水断面大，进水流速小得多。流速小，雷诺数和弗劳德数都比中迸式小，雷诺数小，惯性作用小；弗劳德数小，粘滞力作用大，这些都有效地促进了简内流态向层流发展，产生同向流，促使活性污泥下沉。同时，由于活性污泥层的吸附澄清作用，混合液中的污泥颗粒不断与悬浮层中的活性污泥碰撞、吸附、结合、絮凝，产生良好的澄清作用，提高了沉淀效果。

2 周进式二沉池配水均匀性分析

　　沉淀池的处理效果与池表面负荷及水力停留时间有关。对于周进式二沉池，还有一个关键因素就是配水系统的均匀稳定性，只有沿圆周各点的进、出水量一致，布水均匀，才能充分发挥该池型的优点。
　　周进式沉淀池环形布水、均匀出流的水力学模型比较复杂，在计算中，因池直径D远大于配水槽槽宽B，圆弧的影响忽略不计，配水槽简化为校柱形水渠，水流为沿程底孔泄流的直线渐变流。计算示意图见图3。

　　均匀配水，距进水点L段上对应的流量为：
　　　　　Q=Q₀（1－L／L₀）
　　孔口出流量：
　　　　　q=μ.ω（2gZ)^0.5
　　配水水头Z=H－H_池，为槽内水位与池液位差。
　　槽内水流能量微分方程为：
　　　　　dH+（dV²/2g）+idL＝0
　　

　　影响配水系统均匀性q／Q₀的因素较多，有进水流量Q₀、配水槽槽宽B、槽内水深H、流速厂配水孔径d、孔距l等。通过对各设计参数的取定，有不同的处理方法，双向对流配水或单向环槽配水，配水槽等竞或变宽，配水孔等间距或变间距，配水槽平坡或变坡等。种种方法有各自的特点和适用范围，工程中不仅要考虑到工艺的合理性、稳定性，还要便于土建施工、设备安装等，以臻工艺先进、施工便利。管理维护方便。目前常用的计算方法有3种：
　　①等孔距法
　　配水槽槽内水面为一水平线，水高H不变，各配水孔配水水头Z一致，孔口出流量q相等，配水孔间距ι恒定。

　　　　

　　由式（2）可知，槽宽B与槽长L相关，随L的变化而变化，与进水水量从无关。实际工程中，B、H0的选择取决于进水流量Q0，H0越大，V越小，配水的效果越理想。
　　等孔距法配水的优点是：配水孔管大小一致，孔距均等，沿池周均布并与池中心对称。但工程实用性并不理想，槽宽B沿程变化复杂，施工难度大。
　　②等宽度法
　　等宽度法即配水槽槽宽B一致，将dB／dL＝0代人式（1），得：

　　　　

　　由式(3)可知，随槽长L的变化，槽内水深H、水流流速V也相应改变。H的改变说明各孔口配水水头Z、出流量q各不相同。由于各配水孔管的直径一致，各孔距ι各不相同。
　　等宽度法由于同时还存在另一变量：流速V，较适用于恒定流量，即进水水量变化不大的情况。实际工程中，随进水水量。污泥回流量的改变，会存在一定的误差。
　　③等流速法
　　此方法强调配水槽内水流流速厂恒定，从式(1)可知dH／dL ∝V，当流速V为定值且较小时，V²=O，则：dH＝0，H≈H0。因：
　　　　　　　V=（Q₀/B₀H₀）=Q₀/BH₀（1-L/L₀）
　　得：B=B₀（1-L/L₀），即槽宽B与槽长L呈线性变化，代入式（1），得：
　　　　　　　 dH/dL=（HV²/(gH-V²)[-B₀/BL₀)+[1/(L₀-L)-n²g(2/B)+(/H)^4/3]
　　因gH-V²≈gH，得：
　　　　 dH/dL=-(nV)²[2L₀/[(B₀(L₀-L)+1/H]^4/3 　　　 (4)
　　由式（4）可知，H随L顺水流方向逐渐降低，通过确定水深H，各配水孔配水水头Z，进而可得出各配水孔孔距ι。
　　等流速法的槽宽B随槽长L呈线性关系，变化不复杂，施工可控制。同时由于流速V不变，受实际进水水量变化的影响并不大。

3 配水计算实例

　　本文所述工程实例中的周进周出二沉池的池内径45m，池边水深4.60m，总高度5.10m，单池处理能力Qd=3.25×104m3／d，表面负荷q＝0.85m³/（m³.d）。
　　设计计算中，限定工艺边界条件：槽宽不宜小于0.3m；进出水槽槽底为平底；为防止混合液槽内沉淀，环槽流速V不宜低于0.3m/s；配水孔口不宜过小，均采用同一规格φ100，孔深与底板厚度相同。计算采用了等流速法和等宽度法组合。
　　①配水槽起端，为满足水量变化要求，采用等流速法计算。根据最小设计流量Qmin槽内水流流速V＝0.3m/s确定起始槽宽B0及B=B₀(1-L／L₀）；根据平均设计流量Qave水力坡降线△H＝0.01m将槽水面曲线划分为几段，按每段平均配水水头确定平均孔距ι。
　　②配水槽末端，当计算槽宽B＜0.3m时，取槽宽B=0.3m，采用等宽度法确定各配水孔孔距ι。此时因槽内流量小，配水均匀稳定性受流量变化的影响亦较小。
　　通过以上计算，该沉淀池配水槽宽B＝1.1-0.3m，渠内水深H=1.2m，配水水头Z≈0.14m，配水孔管直径100mm，孔距ι为1.014-0.744m。考虑进水量变化的影响，实际配水效果maxιq-q₀ι＜2%q₀。出水水质达到排放标准。

4 二沉池其他部件的设置

4.1 单向环流配水
　　理论上采用双向环槽配水可减少渠道断面，但工程中很难保证双向对称分流，一旦发生偏流，误差会更大，采用单向环流配水更可靠。另外，配水槽内的刮渣板随吸泥机单向旋转，双向配水不利于配水槽内撇渣。
4.2 配水槽与集水槽
　　配水槽和集水槽沿池周布置，两槽合建，共底共壁，配水孔管中心。挡水裙板。出水堰环与池周同心，保证进出水均匀。
4.3 进水区挡水裙板
　　挡水裙板延伸至水面下1.5m处以保证良好的澄清絮凝效果。
4.4 除渣
　　浮渣集中在配水渠道的小块面积上，通过安装在撇渣设备竖臂上的叶片刮集，驱动配水渠末端的浮闸堰门排除。
4.5 排泥
　　排泥设备选用中心传动单管吸泥机。吸泥机转动方向与进水形成的水流方向一致，搅动池底污泥和带走轻的活性污泥絮体的可能性亦较小。吸泥管断面由池边到池中心逐渐放大，可保证污泥在吸泥管内流速均匀，防止孔口堵塞及污泥在管内沉积。

5 结语

　　周进周出幅流式沉淀池与传统的中心进水式相比，具有较大的有效容积、高溢流率、最佳水力稳定性、最大范围进水面、进水渠道表面撇渣等优点，在保证配水均匀稳定性的前提下，可以得到良好的处理效果。

参考文献：

　　[1] 张自杰，顾夏声 排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1996

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　　作者简介：叶鼎（1971～），男，湖北武汉人，在读研究生，从事污水处理工程技术工作，电话（027）87655806。