王文鑫，劉煥芳，孫志華

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

當(dāng)前中國正在邁入快速城市化的發(fā)展階段，城鎮(zhèn)數(shù)量的急劇擴(kuò)張已成為城市化和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要特征[1]。由于土地資源供給的稀缺性，不可能無限制地滿足中國快速城市化過程中對土地的需求，城市用地擴(kuò)張的難度將越來越大，未來快速城市化進(jìn)程將受到城市建設(shè)用地短缺的極大限制[2]。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和城鎮(zhèn)數(shù)目以及人口的增多，城市工業(yè)化進(jìn)程加速，城市工業(yè)與生活用水量急劇增加，現(xiàn)在廣泛使用的平流式沉淀池占地面積較大和對部分來水處理效率不夠高的問題日益凸顯，優(yōu)化水處理工藝和減小水處理設(shè)施的占地面積顯得尤為重要。

沉淀池是利用重力作用沉淀去除水中懸浮物的一種構(gòu)筑物，是水處理系統(tǒng)中的重要構(gòu)筑物。國內(nèi)外對沉淀池流態(tài)的研究較多，主要集中在理論研究和數(shù)值模擬這2方面，試驗研究相對較少。國外學(xué)者對沉淀池流態(tài)的研究較早，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來，對于沉淀池流態(tài)的數(shù)值模擬較多，國外Roza Tarpagkou[3],Bajcar[4]等利用軟件對二次沉淀池流體流態(tài)進(jìn)行了模擬，Mahdi Shahrokhi[5,6],Fatemeh Rostami[5,6]等通過試驗對沉淀池進(jìn)行改良。國內(nèi)對于沉淀池的研究主要集中在理論分析與數(shù)值模擬方面，試驗研究相對較少，王磊磊[7]、周振[8]等對沉淀池內(nèi)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，陶洪飛[9]對分離鰓沉淀池進(jìn)行了試驗研究，張宏媛[10]對改良型斜板沉淀池進(jìn)行了試驗研究。雙層平流沉淀池是根據(jù)淺池理論從平流沉淀池發(fā)展起來的一種多層沉淀池，通過在中間增加一層沉淀池底板，將平流沉淀池分隔形成2座較淺的平流沉淀池，縮短了沉淀池水力停留時間，提高了沉淀池的處理效率和去濁效果。原水經(jīng)過絮凝反應(yīng)后，較為輕質(zhì)的絮凝體通過上層沉淀池排出；而較重的絮凝體顆粒，則通過下層沉淀池排出。雙層沉淀池通過增加沉淀池的有效水深，大大縮短了池體的長度，從而減少了池體的占地面積，尤其在需要采暖的北方地區(qū)，較小的占地，有效減少了外包房屋和采暖系統(tǒng)的工程量，從而降低了工程造價[11]。目前，國內(nèi)關(guān)于雙層平流沉淀池的試驗研究較少，為了提高雙層平流沉淀池的沉降效果，對比新型雙層平流沉淀池和現(xiàn)有雙層平流沉淀池的沉降效果，設(shè)計并制作2個新型雙層平流沉淀池和一個現(xiàn)有的雙層平流沉淀池模型，結(jié)合新疆等地高濁度來水展開模型試驗。

1 沉淀池模型設(shè)計與原理

1.1 模型設(shè)計

為了達(dá)到流態(tài)的自動模擬，本試驗選取正態(tài)模型。模型的大小應(yīng)結(jié)合各方面的允許條件，盡可能選擇小比例尺。據(jù)以往經(jīng)驗，本模型根據(jù)供水及場地條件，選取λL=10。根據(jù)斜板沉淀池逆向流和同向流原理設(shè)計的2組新型雙層平流沉淀池，下向流雙層斜板沉淀池和上向流雙層斜板沉淀池模型，即模型A和模型B。另外參照國內(nèi)外已建成的雙層平流沉淀池設(shè)計制作一個現(xiàn)有的雙層平流沉淀池模型，即模型C。模型A和模型B的長、寬、有效水深分別為0.8、0.2和0.16 m。模型A長1.0 m，寬0.2 m，有效水深0.2 m，3個模型池體采用厚度為10 mm的有機(jī)玻璃材料制成，排泥管采用外徑12 mm，內(nèi)徑8 mm的有機(jī)玻璃管制成。模型A和模型B沉淀區(qū)有效容積為30 L，模型C沉淀區(qū)有效容積為34 L。試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1。3組模型進(jìn)水口均設(shè)置調(diào)流板，出口采用水平溢流堰。調(diào)流板可以起到消能和對水流流場進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用。經(jīng)過渡段調(diào)節(jié)后進(jìn)入工作段的

圖1 試驗裝置(單位：cm)Fig.1 Test schematic diagram

水流紊動仍比較劇烈，具有較大的動能，調(diào)流板將對這種具有較大動能和紊動強(qiáng)度的水流產(chǎn)生攔截作用，減緩其運動趨勢，迫使其動能和紊動強(qiáng)度都有所降低，并對水流流場進(jìn)行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的流場分布更利于泥沙的沉降[12]。

1.2 模型設(shè)計原理

模型A的來流先經(jīng)過下層調(diào)流區(qū)，依次進(jìn)入下層沉淀區(qū)、過渡段，再由過渡段進(jìn)入上層沉淀區(qū)。模型A進(jìn)水端設(shè)在下層斜板頂端附近，來水經(jīng)過調(diào)流板進(jìn)入下層沉淀池，下層沉淀采用同向流原理，即來水方向與泥流方向相同，這樣設(shè)計可以加速沉降在下層斜板底部的污泥滑落至斜板底部污泥槽，便于排泥。其中過渡段采用豎流式構(gòu)造，由于來水經(jīng)調(diào)流區(qū)調(diào)流后，在下層沉淀池流速較均勻，使得在整個豎流式過渡段的上升流速較均勻，池中水流狀態(tài)穩(wěn)定，對沉淀較有利。來水流經(jīng)下層沉淀池，大部分固體顆粒已經(jīng)在下層沉淀，此時下層水含泥量較高，流至過渡段時，與豎流式過渡段的緩沖層中沉淀下的污泥相互接觸、吸附，促進(jìn)顆粒的絮凝，使顆粒粒徑變大，加快過渡段的沉淀速度。同時又在過渡段的底部緩沖層形成污泥懸浮層，直接攔截來流中的污泥顆粒。由于豎流式過渡段的接觸絮凝、懸浮層的攔截等特性，使過渡段適應(yīng)來流水質(zhì)變化的能力更強(qiáng)，具有較理想的沉淀效果。圖1中虛線部分為穿孔板，板上孔徑為5 mm，每塊穿孔板上孔數(shù)為56孔，穿孔板示意圖見圖2。

圖2 穿孔板示意(單位：cm)Fig.2 Schematic diagram of perforated plate

上層來流方向和污泥滑落方向相反，這樣可以縮短污泥沉降到池底的時間：

(1)

λ=H0/H0<λ<1

式中：t為污泥沉降到池底的時間；H0為上層斜板上任一點到液面頂端的距離；H為液面頂端距離上層斜板最底端的距離；u為顆粒沿豎直方向的沉速。

由式(1)可知，模型A上層的逆向流斜板構(gòu)造可以大大縮短固體顆粒沉降到池底的時間，增大沉淀池的截留沉速，縮短沉淀池水力停留時間，提高沉淀池的處理效率。

模型B進(jìn)水端位置設(shè)在下層斜板底端附近，來水通過調(diào)流板進(jìn)入下層沉淀池，下層沉淀采用逆向流原理，來水從下向上流動，顆粒沉積于斜板上，當(dāng)顆粒累計到一定程度時，便自動滑下，顆粒沉降方向與水流流向相反，為了避免來水與下層底板滑落的污泥摻混，影響出水水質(zhì)，因此斜板上的水流速度有上限要求，流速不宜過大，還應(yīng)注意不宜將穿孔位置設(shè)置的過低。下層沉淀池頂部的水平擋板以及上層沉淀池左側(cè)的豎直擋板均設(shè)置為穿孔花墻，這樣可以有效減少水流的擾動，提高沉降效果。在重力作用下，隨著來水的持續(xù)，污泥在斜板底部不斷沉積。模型A和模型B斜板與水平面的傾角均設(shè)置為30°。

模型C是根據(jù)GB 50014-2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》(2014年版)，參照國內(nèi)外已建成運行的雙層平流沉淀池設(shè)計而成，各項水力條件均滿足平流式沉淀池設(shè)計規(guī)范要求。沿水流來流方向坡降為0.01，沉淀池沿池寬方向分為 2 格，中間用隔墻分開，將上下層沉淀區(qū)共分為四格，以增大濕周，降低水力半徑，增大弗洛德數(shù)，同時降低雷諾數(shù)。模型C的溢流槽設(shè)在上層沉淀區(qū)的外部，增加了沉淀池沉淀區(qū)的面積，合理利用了上層沉淀池外部空間，便于上層沉淀區(qū)排泥。

模型A和模型B上下層沉淀區(qū)均設(shè)置簡易排泥裝置，采用靜態(tài)排泥方式，上下層排泥管均布置在每層沉淀池底部，排泥管采用外徑為12 mm，內(nèi)徑為8 mm的有機(jī)玻璃管制成，為了避免池底污泥積聚在管道內(nèi)，堵塞管道，在排泥管兩側(cè)開孔，開孔孔徑為4 mm，排泥管兩側(cè)的開孔孔洞中軸線應(yīng)與豎直方向成 45°。兩側(cè)孔洞交錯布置，同側(cè)孔洞間距為10 mm，兩側(cè)孔洞相對中心線間距為5 mm，開孔示意圖見圖3。模型C下層設(shè)有梯形污泥槽，槽底部設(shè)有排泥管，上層底部設(shè)有排泥管。

圖3 排泥管開孔示意圖 Fig.3 Schematic diagram of mud pipe opening

2 試驗組次與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗組次

收集本地區(qū)天然河道來水資料，試驗來水取天然河道來沙在容積為1 m3的攪拌池中配置而成，濁度均大于1 000 NTU，試驗過程中，攪拌器持續(xù)運行，以保證來水水質(zhì)相對穩(wěn)定。來水流量采用恒流泵調(diào)節(jié)，流量測量采用轉(zhuǎn)子流量計測量，并用量筒和秒表量測進(jìn)行校核。濁度測量使用HACH2000P型濁度測量儀，量程為0.01～4 000 NTU。采用漏斗過濾法測定固體懸浮物濃度。等到出流流量穩(wěn)定后，每隔20 min取一次原水水樣和經(jīng)沉淀池沉降后水樣，直至出流水質(zhì)不再發(fā)生明顯變化時停止取水。試驗組次安排：先對模型A和模型B進(jìn)行對比試驗。試驗控制變量：①表面負(fù)荷0.050、0.080、0.012、0.150 m3/(m2·h)；②對應(yīng)流量15、25、35、45 L/h。

對模型A、模型B 2個沉淀池模型進(jìn)行對比試驗，分析數(shù)據(jù)，得到在高濁度來水下新型雙層平流沉淀池凈水效果較好的表面負(fù)荷區(qū)間，分析數(shù)據(jù)，選取2個模型中沉淀性能較好的那個沉淀池，然后在該區(qū)間與模型C進(jìn)行對比試驗。

2.2 數(shù)據(jù)分析

在相同原水和表面負(fù)荷下模型A和模型B的固體懸浮物去除率變化見圖4。

圖4 固體懸浮物去除率Fig.4 Suspended solids removal rate

試驗過程中，在來水120 min后對固體懸浮物去除率和濁度進(jìn)行了持續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)在來水120 min后，2組沉淀池出水均較穩(wěn)定，濁度和固體懸浮物濃度均無明顯變化，因此對前120 min數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在相同原水和表面負(fù)荷下模型A和模型B的濁度變化見圖5。由于原水濁度和沉降后出流水的濁度變化較大，為了更好地反映濁度隨來水時間的變化趨勢，濁度變化折線圖縱坐標(biāo)軸采用雙坐標(biāo)軸，其中原水濁度對應(yīng)左縱坐標(biāo)軸，沉降后出流水的濁度對應(yīng)右縱坐標(biāo)軸。

圖5 濁度隨來水時間變化趨勢Fig.5 The trend of turbidity change with coming water

對比模型A和模型B固體懸浮物去除率曲線，發(fā)現(xiàn)在不同流量下，從開始來水到出流穩(wěn)定的這段時間內(nèi)，模型A的固體懸浮物去除率大部分高于模型B，并且在出流穩(wěn)定后模型A固體懸浮物去除率均高于模型B。在來水流量為15和25 L/h[即表面負(fù)荷為0.05、0.08 m3/(m2·h)]，2組模型在出流穩(wěn)定后，均能保證固體懸浮物去除率在90%以上。而當(dāng)增大來水流量至35和45 L/h時，固體懸浮物去除率明顯降低，出流水質(zhì)穩(wěn)定后，固體懸浮物去除率低于90%。從保證沉淀池出流固體懸浮物濃度出發(fā)，模型A和模型B的表面負(fù)荷應(yīng)當(dāng)為0.05～0.08 m3/(m2·h)。

對濁度進(jìn)行分析，在出流水質(zhì)趨于穩(wěn)定的過程中，模型A出水濁度大部分低于模型B，在各種流量下，最終出流穩(wěn)定后，模型A出水濁度均低于模型B，去除效果優(yōu)于模型B。在來水流量為15 L/h時，2組模型出水濁度均較低，隨著來水流量的逐漸增大，出流濁度逐漸增大?？梢婋S著表面負(fù)荷逐漸增大，模型水力停留時間逐漸的縮短，沉降效率逐漸變差。當(dāng)增大表面負(fù)荷至0.12、0.15 m3/(m2·h)時沉淀池濁度去除效果明顯降低，2組模型出水濁度均為300～400 NTU，不能夠保證較為理想的出水水質(zhì)，會增加后期凈水成本。對于不同水質(zhì)的來水，從保證水廠出水水質(zhì)要求和水廠日產(chǎn)水量這2方面出發(fā)，要求合理控制沉淀池表面負(fù)荷。因此，模型A和模型B的表面負(fù)荷最好為0.05～0.08 m3/(m2·h)。

由以上數(shù)據(jù)可知，模型A的去除效果優(yōu)于模型B，在15和25 L/h時模型A的濁度和固體懸浮物沉降效果均較好，但是當(dāng)流量大于25 L/h時，沉淀池的沉降效果逐漸變差。為了保證模型A有較高的水處理效率和較理想的沉降效果，確定凈水效果較好的模型A在高濁度來水下的運行參數(shù)，選取模型A和模型C在表面負(fù)荷為0.07 m3/(m2·h)下進(jìn)行試驗，對應(yīng)的流量分別為21和24 L/h。在相同表面負(fù)荷下模型A和模型C的濁度和固體懸浮物去除率變化見圖6。

圖6 表面負(fù)荷為0.07 m3/(m2·h)時的沉降效果Fig.6 Sedimental effect under the surface loading of 0.07 m3/(m2·h)

由圖6可以看出，在相同水力條件下，模型A的固體懸浮物去除率以及濁度去除效果均優(yōu)于現(xiàn)有的雙層平流沉淀池。并且在處理高濁度來水，在未投放藥品的前提下，其固體懸浮物去除率均大于90%，優(yōu)于現(xiàn)有的普通平流式沉淀池，可以在實際工程中考慮推廣應(yīng)用模型A。在高濁度來水狀況下，當(dāng)表面負(fù)荷為0.07 m3/(m2·h)下，模型A的固體懸浮物去除率比表面負(fù)荷為0.05和0.08 m3/(m2·h)下更加穩(wěn)定，在來流的各個時段，模型A的出水濁度能夠保證均低于模型C，并且最后出流水質(zhì)介于170 NTU左右，濁度較低，滿足出流要求。實際工程中，新型雙層平流沉淀池的設(shè)計，可以根據(jù)選取的比尺，結(jié)合本試驗設(shè)計參數(shù)按照弗洛德相似準(zhǔn)則確定對應(yīng)的表面負(fù)荷。

3 討 論

由3個模型的試驗數(shù)據(jù)可知，沉淀池初次運行過程中，從剛剛出流到出流水質(zhì)趨于穩(wěn)定是一個漸變的過程，3種雙層平流沉淀池從開始出流到出流穩(wěn)定的時間間隔為120 min左右。因此在實際工程中，在高濁度來水下，雙層平流沉淀池初次運行時需要采取增加投藥量等措施，以控制出水水質(zhì)滿足出流要求。在雙層平流沉淀池運行過程中，應(yīng)設(shè)計好排泥設(shè)施，盡量避免運行過程中由于沉淀池未連續(xù)運行而影響出流水質(zhì)。根據(jù)已有工程實例，結(jié)合現(xiàn)有的排泥技術(shù)，建議實際工程中上層沉淀池的排泥采用虹吸式吸泥機(jī)，下層排泥采用單軌式底部刮泥機(jī)。主要是由于上層沉淀池的污泥相對下層沉淀池的污泥較輕、污泥量較少，并且大部分污泥可以通過斜板構(gòu)造滑落到上層沉淀池底端，若采用底部刮泥機(jī)，在移動過程中較易將輕質(zhì)積泥揚起，影響出水水質(zhì)。虹吸式吸泥機(jī)比較適合于抽取濃度較低的污泥，且不會影響表層出水，保證了出水濁度不受排泥影響。此外，吸泥機(jī)在水中的零件較少，也便于維護(hù)。下層沉淀池的污泥相對較重，采用單軌式底部刮泥機(jī)不易揚起，同時排泥的濃度也相對較高。

4 結(jié)論及建議

通過對設(shè)計的新型斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池以及現(xiàn)有的雙層平流沉淀池展開模型試驗，可以得出如下結(jié)論。

(1)模擬本地區(qū)高濁度來水，在不同表面負(fù)荷下，下向流斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池去除效果優(yōu)于上向流斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池。

(2)與現(xiàn)有的雙層平流沉淀池進(jìn)行對比試驗，在相同水力條件下，下向流斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池固體懸浮物去除率和濁度去除效果均優(yōu)于現(xiàn)有的雙層平流沉淀池。

(3)合理選取沉淀池的表面負(fù)荷可以保證沉淀池高效運行，本試驗設(shè)計的下向流斜板構(gòu)造雙層平流沉淀池模型的表面負(fù)荷宜選擇0.07 m3/(m2·h)。實際工程中表面負(fù)荷選取可以根據(jù)選取的比尺按照弗洛德相似準(zhǔn)則確定對應(yīng)的表面負(fù)荷。

(4)雙層平流沉淀池運行過程中，從沉淀池開始出流到出流水質(zhì)穩(wěn)定是一個漸變的過程，這個過程需要120 min左右，實際工程中應(yīng)盡量保證沉淀池運行過程中連續(xù)出流。

新型下向流雙層平流沉淀池采用特有的斜板構(gòu)造，使得對來水處理效率提高的同時，節(jié)省占地空間。它的去除效果優(yōu)于現(xiàn)有的雙層平流沉淀池，在高濁度來水地區(qū)和人口密集地區(qū)有一定的推廣價值。后續(xù)改進(jìn)方面，還可以采用增設(shè)溢流槽和在調(diào)流板上布設(shè)不同孔徑的孔洞作為出水口[13-15]等優(yōu)化措施進(jìn)一步提高該沉淀池沉降效果。

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