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

王淑芳　編譯　　　楊福才　校
天津市自來水集團有限公司科技情報站

　　摘要：本文論述了地表水沉淀處理工藝中沉淀池的類型，沉淀池的優化設計以及運行過程中應注意的問題。
　　關鍵詞：沉淀　澄清　設計　操作

　　沉淀或澄清是最常用的水處理工藝之一，它通過重力沉降把懸浮液分離成澄清液和更濃縮的懸浮液（泥漿）。沉淀工藝分為平流沉淀和澄清兩種。平流沉淀用泥砂池去除比泥沙大且重的顆粒，澄清是從水中分離小而輕的絮凝顆粒。
　　設計沉淀工藝時需考慮幾個重要方面：
　　(1)整個處理工藝；
　　(2)懸浮物的特征和數量；
　　(3)顆粒沉淀的特征；
　　(4)場地限制和未來水廠擴建；
　　(5)當地氣候條件；
　　(6)水廠流量變化；
　　(7)沉淀池的類型和形狀；
　　(8)每一沉淀池均勻水力負荷；
　　(9)沉淀池入口和出口構造；
　　(10)固體和混漿去除設施的荷載；
　　(11)沉淀池水力負荷；
　　(12)池內短流；
　　(13)規章限制。
　　沉淀池建成后，水廠操作人員必須做到以下幾點：
　　(1)監測沉淀池效率的狀況；
　　(2)觀察整個運轉情況并注意任何反?，F象的出現；
　　(3)在適當的時間間隔去除污泥；
　　(4)控制藻類；
　　(5)熟悉沉淀池的特殊設計特征。
　　有兩種情況經常被設計工程師和水廠操作人員忽略：(1)沉淀池內的水流通常不是活塞流，在絕大多數時間內為短流；(2)澄清效果是澄清池上游原水水位和水量的直接函數。對于普通沉淀池，有效澄清的關鍵是使原水中的懸浮物適當地混凝和絮凝。

　　一、沉淀池的類型

　　沉淀池有三種主要類型：平流矩形沉淀池、上向流沉淀池、上向流固體接觸（懸浮泥渣）反應一澄清池。一般以平流沉淀池為最佳，特別在美國使用更好。這是因為這種池子水為穩定性好且容許較大的負荷。此類沉淀池可預先告知水處理情況，而且在流速高達兩倍設計流速時也能運行，并不使水質惡化。矩形沉淀池易于設計和建造，且操作簡單。
　　上向流反應一澄清池廣泛用于歐洲國家，這種澄清池，特別是懸浮泥渣澄清池，在源水水質穩定和水力荷載恒定的情況下運行效果都很好，而且還能承愛水質和水力荷載的臨時較大波動。
　　用于上向流反應一澄清池容許的水力負荷較高，且具備有效自動排泥裝置，因此池身緊湊。排泥裝置有一個簡單計時控制的污泥閥，可去除多余的液化污泥。此種澄清池對水力和固體的沖擊荷載相當敏感。所以要求操作人員更加注意，以利于有效操作。
　　對于整個處理工藝來說，沉淀經常被看作是最重要的單元工藝。有時，由于懸浮固體、硬度或總有機碳(TOC)含量高需加大混凝劑用量時，為保證濾后水水質，需進行有效絮凝并設計安全性高效果好的澄清池。這對于傳統的快砂濾池尤為理想。當濾床是普通單層砂濾料和僅用硫酸鋁（沒有聚合物）作混凝劑時，澄清的程度是很重要的，因為濾后水濁度與沉淀水濁度成正比，所以為保證濾后水水質，應采用穩妥設計的沉淀工藝，以使沉淀水濁度小于2NTU。

　　最近幾年，雙層煤一砂濾料濾池和單層粗砂深濾床濾池使用很普遍，與這些類型濾池一起使用的沉淀池的設計不同于與傳統的快砂濾池一起使用的沉淀池設計。當采用雙層濾料或粗砂深層濾料濾池時，沉淀工藝能夠承受更大的水力和固體負荷。單層濾料深濾床濾池經常用于直接過濾工藝，條件是源水水質一般、平均濁度小于10NTU，偶而濁度很高但小于50NTU。一些水處理廠已經成功使用了直接過濾工藝處理30NTU以上濁度的源水。另外，雙層濾料濾池已被證實能有效處理進入濾池濁度為5―10NTU的沉淀水（圖
2），一般來說，與雙層和單層濾床濾池一起使用的澄清池所能承受的水力負荷很容易達到快砂濾池負荷的兩倍。

　　二、均勻水力負荷

　　影響沉淀池設計的其它因素是每個池子的均勻水力負荷和矩形池的實際流動特征。水廠進水均勻分配到各個沉淀池是在設計階段必須解決的水力問題。一些工程師認為如果所有沉淀池的出口都設置在同一高程，每個池子就會接受相同流量，而不用太考慮進口情況，這是不正確的。已經對6個平行的沉淀池做了觀察，發現有40%之多的流量是不同的。因此，為了在這一組沉淀池中分酏相同的流量，認真設計每個池子的進水口是非常重要的。欲在多數沉淀池中得到相等的流量，就要使各沉淀池出口的水頭損失大于進水口沿程水頭損失，或者使用分流堰的方法得到。
　　沉淀池內的水流大多數不是層流，也不是活塞流。普通沉淀池停留時間計算為流量(Q)與體積(V)的比值，但由于短流，實際上停留時間約等于計算停留時間的30%―40%。進口的條件、沉淀池池型以及進水水溫大大影響池內水流的穩定性。總之，水力負荷率越低，則死水區越大，短流程度越高。

　　三、進水口能耗

　　為達到給沉淀池配水的目的，提出并驗證了在沉淀池進口放置不同擋板，目前最簡單、最有效的方法是放置多孔擋板。對于特定類型的沉淀池來說，最有效的擋板只能通過水力模型研究確定下來。
　　在對兩個不同類型的矩形沉淀池進行為期6個月的水力模型研究后，確定了多孔檔板的設計標準如下：(1)孔口應均勻分布于擋板墻上，多孔擋板依次分布于沉淀池整個截面；(2)應提供最大數目的孔口，以減少孔口之間的死水區；(3)穿過擴散墻的水頭損失應為0.3-0.9mm，以均衡通過整個沉淀池進口截面的流量，使絮體的破壞減到最小；(4)孔口尺寸應在均勻直徑75-150mm之間，以避免被藻類和其它漂浮物堵塞，而且孔與孔之間的間隔應在250-400mm之間，保證擴散墻有足夠的結構強度；(5)孔口的形式是直接指
向沉淀池出口的平行射流方式；(6)進口擴散墻應該位于進水口下游約1.8-2.1m處。

　　四、出口水流控制

　　離開沉淀池的水應在沉淀池末端寬度上均勻通過。有些人提出在沉淀池出口安裝一個進口擴散型的布水墻。然而，從以住使用情況來看，出口布水墻的作用是很有限的，雖然它能減緩水流的速度，但實際上不能阻止沉淀池內的重力流。許多國家的水廠操作人員支持這個觀點，因為他們經常觀察到由于布水墻前的沖刷，出口布水墻下游絮體量增多。
　　沉淀池的類型對水力特征和顆粒沉淀特性影響很大。方形池、圓形池，長度小于寬度兩倍的池子、180°轉彎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類型。窄、長和淺渠類型的池子具有顆粒沉降的最佳水力條件。斜管沉淀池和層狀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設計也是一個重要環節。沉淀池出水應該均勻地從垂直于水流方向的面上集水。對于平流矩形池來說，沉淀池出水的均勻收集一般是用沉淀池末端的多個長型集水槽完成的。美國大多數州的管理機構規定了每米集水槽最大水力負荷為11m3/h。然而，過去的事例表明矩形沉淀池在底流或表面有密度流存在時，用長集水槽實際上是無效的。但是，上向流類型的澄清池塘懸浮反應一澄清池還是需要這種集水槽。另外，有高速沉降裝置的矩形池則需要把集水槽安裝于沉降裝置上方，以便從沉淀池的整個面積中收取出水。

　　五、密度流

　　許多有經驗的水廠操作人員意識到在大多數沉淀、澄清池中經常存在短流，甚至在精心設計的池子進口、進水和池內水溫差很小(0.3℃)時會產生密度流。此外，進口處懸浮固體多時（即濁度超過50NTU）也產生密度流。一般在進水水溫比池內水水溫稍低或懸浮固體多時就會產生密度流。在這些情況下，水流在進口處攜帶著絮體跌落下來并在出口處上升。
　　密度流還可以解釋出口布水墻和集水槽的無效性。但是，有一個或兩個中間布水墻的矩形池可以減小密度流的發生，而且可增強礬花的沉降。中間布水墻增強礬花沉降的原因是：(1)在配水墻上游的溫和垂直混合效果減小了進水和池內水的溫差；(2)溫和的混合促進了礬花的生長。因此，礬花在第一間隔空間和在每個布水墻上游沉降非常好。此外，在每個布水墻下游產生穩定流態并把風力對于水流的影響減至最低。但必須強調的是，過度使用中間布水墻會減少礬花沉降機會并給安裝機械排泥裝置造成困難。

　　六、集泥設施

　　就集泥設施而言，帶有貯泥斗的機械刮泥機和帶有吸泥裝置的機械刮泥板使用了很長時間。它們的構造簡單，不需任何淹沒式機械。美國水廠中許多操作人員青睞刮泥機集泥設施中的排泥伸縮閥，因為它能使操作人員測定污泥量，觀察污泥稠度，并能嗅到污泥的新鮮度。而設計帶有排泥閥的角度很小的排泥斗是很不實用的，（排泥閥由人工或時間繼時器控制）這是因為當閥開啟時，在所排污泥中形成了一條與污泥出水管管徑相同的水槽，大多數污泥留存下來并慢慢腐化。
　　對懸浮澄清池來說，由于懸浮層是流支的，所以對于濁度較低和濁度適中的原水排泥極為容易。開啟排泥閥能階段性地排出多余污泥。但是，帶有泥沙的污泥由于原水濁度高(>500NTU)不容易從懸浮澄清池中排出。
　　不管澄清池類型如何，常規和合理的排泥應高度重視。這是因為污泥能攜帶許多如有機化合物、無機化合物（重金屬）等不良物質和藻類、細菌、病毒、原生動物等微生物。

　　七、增強混凝

　　美國即將出版的增強混凝規則對澄清池設計提出了新的問題。按照新規則，澄清池進水pH應為5.5這樣低，這就要嚴重侵蝕沒于水中的混凝土和金屬。為了減小侵蝕，這些淹沒部分不僅需要特殊遮蓋層，而且還需恰當選擇水泥類型，同時還要恰當設計污泥處理和排放設施。另外，由于增強混凝需大量混凝劑，產生的污泥量可能相當于常規處理方法的4―8倍。

　　八、操作問題

　　“增強混凝規則”頒布后，現有水處理廠應特別關注水質標準和操作上的改變。為了最大程度地減小操作問題，水廠員工應熟悉有關沉淀和澄清池的特殊設計特征，各池進水閥恰當調整以均勻分布水力負荷，排泥的適當程序，各地絮體沉降條件以及池內發生的任何異常現象；了解懸浮污泥、污泥膨脹、池墻和隔墻上生長的藻類情況以及池墻和周邊墻的任何滲漏情況。當氣體在沉淀污泥中積累，產生泥泡，由于細菌的厭氧分解或空氣的過飽和作用，使得污泥漂浮起來而不是沉下去。除了滲漏以外，絕大多數問題可通過預加氯來控制，使用2―3mg/L的氯進行預加氯是連續投藥還是沖擊投藥取決于三氯甲烷的形成程度。空氣對原水的過飽和作用是個難題，唯一實際的解決辦法是阻止空氣進入到原水中。
　　對于未使用預加氯的大多數水廠來說，在池壁、集水槽和布水墻上生長的藻類是個普遍問題。阻止藻類生長的最有效方法是在池壁上從水面至下0.6―1.2m處加上一層薄銅片。美國北加州的北海灣水廠和日本的一些水廠已經成功使用了這種方法。水廠操作人員還必須注意集水槽和堰口板的高程要一致，否則會導致池內水流倒向一方。
　　沒有機械排泥裝置的矩形沉淀池很可能會有污泥膨脹、污泥中產生氣泡以及污泥中生長有機物的問題。所有保守設計的矩形沉淀池有80%的污泥積累在池的前1/3處，而后1/2部分極少。在冬季的幾個月里，主要集泥區稍稍移向沉淀池出口。通常，對于沒有連續排泥設備的沉淀池，在未排泥前或連續排泥6―9個月后，池內泥層頂端僅在靠近進口區水下0.9―1.2m處，此現象應引起注意。但是由于保守設計的沉淀池實際流量并沒多大變化，因而絮體的去除功能仍舊良好。然而，在高速沉降設備的水力負荷率要比保守設計的矩形池高3―5倍。水廠操作人員絕不會允許高速沉降設施有這么高的污泥積累；如果沒有連續的機械排泥裝置，沉降設施會被污泥堵塞。