【摘要】 本文綜述了近年來研究開發(fā)的有關沉淀法處理城市污水的新技術，如周邊進水沉淀池、斜板（管）沉淀池、集泥式大波斜板沉淀池、密集型高效沉淀裝置；探索了可視為二沉池污泥壓縮區(qū)的延續(xù)和組成部分、為曝氣池提供回流污泥泥源的濃縮池的功能。
　　【關鍵詞】 沉淀 沉淀池 設計 濃縮池

1 沉淀法概述

　　借助污水中可沉固體（懸浮固體或微生物絮凝體等）本身的重力作用使其與污水分離的方法稱為沉淀法。
　　沉淀法是分離污水中可沉固體的一種有效方法。在污水處理系統(tǒng)中因其工藝簡單、分離效果好且耗能少而得到廣泛的應用。

2 沉淀池

　　沉淀是污水處理的基本工藝，沉淀池是污水處理系統(tǒng)中極為重要的構筑物。
　　按池內(nèi)水流方向的不同，沉淀池可分為平流式、豎流式和輻流式三種類型。設計沉淀池時，應選用哪些設計參數(shù)既能使出水澄清，同時也能獲得易于貯運和處理的濃縮污泥，是人們共同關注的問題。
　　近幾十年中已有不少學者發(fā)表了著名的沉淀理論與方程式，50年代以后，迪克（Dick）等人提出按極限固體通量設計沉淀池面積。由于實際沉淀的情況較復雜，理論公式和固體通量概念還僅限于分析沉淀性能和效果，在實際設計中應用甚少。沉淀池的工藝設計大多依據(jù)經(jīng)驗公式和實驗參數(shù)。由此可見，沉淀池的主要設計參數(shù)為經(jīng)驗參數(shù)。
　　至今為止，沉淀池應用在污水處理生產(chǎn)實踐中已有幾十年歷史。在50～70年代，我國建造的污水處理廠大多采用處理水量不大的豎流式沉淀池，80～90年代設計和建成的大中型污水處理廠一般采用圓形輻流式和矩形平流式沉淀池。為了適應污水處理技術的發(fā)展，近年來，在不斷研究改進污水處理主要工藝——生化處理工藝的同時，也在研究發(fā)展新型沉淀池，以提高處理效率，節(jié)省投資。下面介紹幾種新型沉淀池。

3 新型沉淀池

3.1 周邊進水沉淀池
　　周邊進水沉淀池的工作原理基本上與一般輻流式沉淀池類同，其主要不同點是前者將后者的中心布水區(qū)移至池周邊，使存在于輻流式沉淀池中的密度流程度大大減輕，提高了池子的容積利用系數(shù)，使周邊進水沉淀池成為處理效率較高的新型沉淀池。周邊進水沉淀池的主要特征有：
　　① 容積利用率高
　　② 沉淀效果好
　　③ 排泥濃度提高
　　④ 在簡化池子結構的條件下，提高出水水質
　　使用條件與技術評價
　　① 周邊進水沉淀池適用于各種水量規(guī)模的污水處理廠，尤其適用于大、中型污水處理廠。
　　② 周邊進水沉淀池既可用于新建的工程，也可用于改建原有普通輻流式沉淀池的工程，以挖掘原有沉淀池潛力。
　　③ 設計表面負荷比輻流式沉淀池可高1倍或1倍以上。
　　④ 周邊進水沉淀池的工程投資可降低，運行費用可減少，經(jīng)濟效益顯著。
　　⑤ 據(jù)W·H·波義耳對周邊進水二沉池觀測的結果，固體負荷值可超過144kg／m².d，國內(nèi)試驗結果也證實了這一結論。
　　綜上所述，周邊進水沉淀池是一種簡易高效、運行可靠的新型池，具有設計負荷高、出水水質好、占地省和造價低等優(yōu)點，在污水處理工程設計中可考慮優(yōu)先選用。
3.2 斜板（管）沉淀池
　　斜板（管）沉淀池是根據(jù)“淺層沉淀”理論，在沉淀池中加設斜板或蜂窩等斜管裝置，以提高沉淀效率的一種新型沉淀池。按水流與沉泥的相對運動方向，可分為異向流、同向流和側向流三種類型。在城市污水處理中主要采用升流式異向流斜板（管）沉淀池。
　　根據(jù)異向流斜板公式的推導，斜板沉淀池的處理能力與普通沉淀池相比可提高2～4倍，沉淀時間可縮短幾倍。
　　使用條件與技術評價
　　① 在需要挖掘原有沉淀池潛力，或需要壓縮新建沉淀池占地等技術經(jīng)濟要求下，斜板沉淀池是有效且簡單易行的技術。
　　② 升流式異向流斜板（管）沉淀池的設計表面負荷，一般可比普通沉淀池提高1倍。
　　③ 斜板（管）沉淀池應用在城市污水的初沉池和化學混凝沉淀池中時，處理效果穩(wěn)定，維護管理工作量也不大。據(jù)國內(nèi)某些污水廠多年運行的經(jīng)驗：斜板初沉池的表面負荷提高1倍時，SS去除率達40％，BOD5去除率達25％～30％。
　　④ 斜板（管）沉淀池應用于城市污水的二沉池中也具有提高設計負荷、縮短停留時間和少占地等優(yōu)點。但其處理效果受固體負荷限制，運行有時不太穩(wěn)定，維護管理工作量也較大。
　　在運行中也出現(xiàn)一些問題：當流量、水質發(fā)生變化時，其耐沖擊負荷的能力較差；排泥規(guī)律不易掌握，在斜板上有孳長生物膜或積泥腐化或長藻類等弊病；底泥濃度也較低。由于上述原因，近年來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，據(jù)荷蘭國際莫勒公司介紹，該公司的TPS（Tiltable Plate Settler）是一種集泥式異向流波形斜板沉淀裝置，具有技術先進，構造簡單，沉淀效率高等特點。國內(nèi)試驗結果（北京市市政工程設計研究總院從80年代初開始持續(xù)10多年對集泥式大波斜板沉淀池的結構形式、設計參數(shù)和水力特性等的研究成果）也證實了上述結論，并有所創(chuàng)新。其特點如下：
　　① 結構形式新穎，構造簡單
　　——沉淀區(qū)內(nèi)設波形斜板，進水區(qū)內(nèi)設集泥槽
　　水和污泥在沉淀區(qū)內(nèi)呈逆向流動。進水中的懸浮顆粒在大波斜板間上行的過程中逐漸下降于斜板上，并向波谷部分匯集下滑，經(jīng)集泥槽落入泥斗，見圖1。
　　集泥槽部分是由二塊板組成，其構造比荷蘭專利的集泥槽簡單，制作、安裝也簡單。

　　② 沉淀效率與普通斜板沉淀池相比可提高1倍左右
　　利用污泥易匯集于波形斜板面波谷中的特點而設計的集泥槽，能將污泥和水流隔開，避免了污泥流經(jīng)進水區(qū)時被水流重新挾卷帶入斜板區(qū)內(nèi)的干擾，從而提高了分離效率。國內(nèi)已投產(chǎn)使用的集泥式大波斜板沉淀池，經(jīng)生產(chǎn)性測定，證實其設計負荷可提高1倍左右。
　　③ 帶大波板高效反應的集泥式波形斜板沉淀池（簡稱大波板反應沉淀池）是新型的高效沉淀裝置，其結構更為緊湊、合理，容積利用系數(shù)可高達91％。隨著投藥量的變化，對原水負荷變化的適應性也大大增強。
　　④ 在中小型規(guī)模水處理系統(tǒng)領域中可廣泛應用
3.4 密集型高效沉淀裝置
　　目前世界上水處理過程中沉淀系統(tǒng)的發(fā)展趨勢就是研制一些新式帶污泥回流循環(huán)和濃縮的斜板斜管沉淀系統(tǒng)。法國德格雷蒙公司集中了近幾年來的各項新技術，它研制成功的密集型高效沉淀裝置就是新一代帶污泥回流循環(huán)和濃縮的斜板沉淀裝置。其特點如下：
　　① 集混凝絮凝反應、沉淀和污泥濃縮功能于同一處理構筑物內(nèi)，使之成為新一代的密集緊湊型高效沉淀裝置
　　② 混凝絮凝反應區(qū)的設計新穎獨特
　　③ 預沉、濃縮區(qū)排出的污泥向反應區(qū)回流（污泥外循環(huán)回流）
　　④ 沉淀區(qū)內(nèi)設斜板斜管
　　⑤ 對原水負荷的變化有很強的適應性，沉淀后出水水質良好
　　由于密集型高效沉淀裝置具有上述特點，因此，其應用范圍十分廣泛，深入到水處理系統(tǒng)的各個領域。由德格雷蒙公司施工投產(chǎn)的密集型高效沉淀裝置其處理水量小自80m³／h，大至7000m³／h。

4 二沉池設計

4.1 按表面負荷設計二沉池
　　以周邊進水二沉池為例，按表面負荷設計的計算公式見《給水排水設計手冊》。
4.2 按極限固體通量設計二沉池
　　迪克（DICK）等人提出的固體通量理論是根據(jù)濃縮要求求得二沉池面積的理論基礎。固體通量的定義：單位時間內(nèi)通過濃縮區(qū)單位面積的固體質量。按極限固體通量設計二沉池的原理圖、分析沉淀試驗數(shù)據(jù)原理圖見圖2～圖4所示，計算公式見表1。

按極限固體通量設計二沉池的計算公式　　　表1 名稱 公式 符號說明 備注 1.底流排泥固體通量 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:分析點（1-1斷面）的污泥固體濃度（kg/m³）
Q_u:底流流量（m³/h）
R:回流比
Q: 設計流量 當Qu恒定時，u為一常數(shù)，Gu=uCi為一直線方程，其中u為該直線的斜率（通量曲線Ⅱ）
對于活性污泥，u一般控制在0.26～0.51m/h 2.污泥自重壓縮固體通量 Gg=ViC_i(kg/m²·h) Vi:污泥趁降速度，其值等于固體濃度為Ci時的固體沉降速度(m/h) 選擇一組懸浮固體濃度，通過沉降試驗，得到Gg=viCi曲線（通量曲線Ⅰ） 3.總固體通量 G=Gu+Gg (kg/m²·h) 在圖4中為總固體通量曲線（通量曲線Ⅲ） 4.沉淀池面積 A=[(1+R)·Q·C0]/G_L (m2)
GL=uCu
u=Qu/A C₀:進水的固體濃度（kg/m³）
G_L:極限固體通量（kg/m^3·h）
C_u:底流濃度（kg/m³） 用作圖法得出GL為通量曲線Ⅲ最大值右側的最小固體通量值

4.3 二種方法的比較
　　目前，國內(nèi)污水處理廠的二沉池極大多數(shù)是按保證有效的固液分離（即澄清）要求設計的。設計一座滿足澄清作用的二沉池，并不同時也滿足適當?shù)墓腆w濃縮作用；根據(jù)固體濃縮要求設計（即按極限固體通量設計）的二沉池面積往往大于根據(jù)澄清要求設計（即按表面負荷設計）的二沉池面積。表2用實例說明了二者的差別。

用二種方法計算二沉地設計參數(shù)的實例子 　　　　　　　　　　表2 二沉池設計方法 污泥

性質

設計參數(shù) 備注 表面負荷q‘
（m³／m²·d） 固體通量
（或極限固體通量G_L）
（kg／m²·d） 懸浮固體濃度C₀（MLSS）
（kg／m³） 底流濃度Cu
（kg／m³） 回流比
R 按極限固體通量

按表面負荷 活性

污泥 14.1

21.6 67.8

103.9 4

4 24 0.2 通過沉降試驗得的數(shù)據(jù)

同上 按表面負荷 活性

污泥 16～32 72～144 二沉池設計中

采用的典型值 按極限固體通量

按表面負荷 活性

污泥 19.8

39.4 56.9

147.8 3

3 15.4 利用試驗測定的參數(shù)進行計算

峰值流量的推薦值

　　表2中的設計參數(shù)值表明，按極限固體通量法求得的二沉池面積要比按表面負荷法求得的二沉池面積大0.5～1.6倍。

5 濃縮池功能的探索

　　——可視作為二沉池污泥壓縮區(qū)的延續(xù)和組成部分；為曝氣池提供回流污泥的泥源
5.1 技術上的可行性分析
　　如前所述，采用極限固體通量法設計的二沉池既能保證澄清且穩(wěn)定的出水，又能完成適當?shù)奈勰酀饪s，以期達到提高回流污泥濃度的目的。但是，按上述設計的二沉池面積比常規(guī)法（即表面負荷法）至少要增加1倍左右。為此，極限固體通量法在二沉池設計中僅處于概念分析，尚未被廣泛采用。
　　濃縮池是完成污泥濃縮最有效而又最經(jīng)濟的處理構筑物。它作為污泥處理的預處理構筑物，在典型活性污泥法的基本工藝中被廣泛應用，如圖5所示。

　　眾所周知，活性污泥法的效率和運轉性能取決于泥齡和停留時間。由于濃縮池中污泥的泥齡和停留時間（10～16小時）較長，因此，其底流污泥不宜作為活性污泥法的泥源。若對二級污泥在濃縮池中的泥齡和停留時間嚴加控制，使之既保持良好的活性，又達到適度的濃縮，此時，其濃縮污泥即可滿足作為曝氣池回流污泥泥源的要求。其工藝流程和工作過程原理如圖6、圖7所示。

5.2 活性污泥法核心工藝（曝氣池和二沉池）主要設計參數(shù)的分析
　　迄今為止，活性污泥法是二級處理中應用最廣的工藝，活性污泥法的核心是曝氣池和二沉池。圖8為活性污泥法核心工藝流程簡圖。

　　對上述工藝流程的粗淺分析：
　　① 工作過程：污水中溶解的及膠態(tài)的有機物，通過在曝氣池內(nèi)的好氧生物過程，轉化為在二沉池內(nèi)易于沉淀的絮凝固體。為此，在曝氣池內(nèi)應維持一定的懸浮液固體濃度（微生物濃度）。
　　② 二沉池是活性污泥法整體的一部分。如果生物固體不能分離出來并返回曝氣池中，活性污泥處理過程就不可能有效地運行。據(jù)此，二沉池和曝氣池應合并為一體進行統(tǒng)一設計。
　　③ 活性污泥法核心工藝（曝氣池和二沉池）主要參數(shù)（懸浮液固體濃度C₀、二沉池的底流濃度Cu和回流比R）之間的關系可推導如下：
　　假定Q’（排放污泥流量）忽略不計（一般Q’／Qu＝1／50～1／100）
　　根據(jù)物料平衡原理，得出：

　　　（Q+Qu）C0 = QuCu + QC0
　　QCe忽略不計（Ce——出水SS濃度）
　　（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 曝氣池內(nèi)懸浮液固體濃度C₀與活性污泥核心工藝的相對成本的關系可參見圖9。
　　下圖表明，曝氣池內(nèi)的MLVSS濃度保持在4kg／m³左右時，曝氣池＋二沉池的相對成本最低。
　　⑤ 國內(nèi)污水廠多年運行經(jīng)驗表明，曝氣池內(nèi)的MLSS濃度遠遠達不到最佳運行濃度。其主要原因是二沉池的底流濃度偏低（二沉池按表面負荷設計），直接影響了曝氣池內(nèi)懸浮液固體濃度的提高。

　　綜上所述，本文提出了對濃縮池功能的探索——作為二沉池污泥壓縮區(qū)的組成部分及曝氣池回流污泥的泥源，以降低活性污泥法核心工藝部分的成本。

6 結束語

　　① 本文總結、歸納了近年來隨著我國排水事業(yè)的發(fā)展在沉淀理論和沉淀技術進步方面所取得的成果，所研究開發(fā)的新型沉淀池，旨在提高處理效率，降低基礎設施建設的投資。
　　② 與此同時，本文還探索、分析了在當前二沉池設計中存在的一些問題：
　　用表面負荷法（目前國內(nèi)推薦采用此法）設計的二沉池能保證澄清且穩(wěn)定的出水，但其底部污泥往往還得不到適度的濃縮；如用極限固體通量法設計二沉池，則既能保證固液分離，又能完成理想的污泥濃縮，但是用此法求得的二沉池面積要比用表面負荷法求得的面積大出0.5～1.6倍。
　　③ 目前在二沉池設計中的不足之處是對澄清和濃縮兩種功能不能兼而有之，不能均達最佳運行狀態(tài)，而往往是忽略了沉淀池的濃縮功能。
　　④ 為了彌補目前沉淀池設計中對污泥濃縮的不足，本文提出了對濃縮池功能進行探索的建議：即將濃縮池分為二級，對第一級濃縮池中的污泥泥齡和停留時間要加以嚴格控制，使之既保持良好的活性，又達到適度的濃縮，以滿足作為曝氣池回流污泥的泥源要求；其第二級濃縮池的功能是最終完成污泥濃縮的任務。
　　⑤ 濃縮池的池容與二沉池的池容相比較，前者投資大大少于后者。據(jù)此，對濃縮池功能的新探索的建議從技術、經(jīng)濟上分析是可行的。