水平管高效沉淀池在污水提標(biāo)改造中的工藝選擇

水處理網(wǎng)訊:摘要：針對現(xiàn)有的高效沉淀池，通過沉淀機(jī)理、工藝流程、性能指標(biāo)、實(shí)際案例進(jìn)行全方面對比。表明水平管高效沉淀池其沉淀機(jī)理更符合“淺層理論”的要求，從根本上解決了斜管的上升流速與下滑速度矛盾的難題，并且采用的配套技術(shù)，主體工藝無運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備、運(yùn)行費(fèi)用低、操作管理更便捷，可保證污水深度處理工藝長周期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行。通過具體工程設(shè)計實(shí)例介紹，該工藝具有良好的應(yīng)用前景。

作者：夏煒1，周密2

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院，上海200092；2.珠海九通水務(wù)股份有限公司，廣東珠海519000）

“節(jié)能、減排、低碳、環(huán)保”是社會和經(jīng)濟(jì)科學(xué)發(fā)展的重要理念。由于環(huán)境保護(hù)和處理回用的要求，城鎮(zhèn)污水處理廠的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)越來越高。污水的深度處理是建立在污水二級處理基礎(chǔ)上的進(jìn)一步處理。常規(guī)二級處理達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B的要求，與一級A標(biāo)準(zhǔn)相比，甚至部分地區(qū)要求達(dá)到地表水四類要求，均有不小的差距。

市政污水一級A達(dá)標(biāo)深度處理工藝中，主要采用絮凝+沉淀+過濾工藝，所采用的一般方法與現(xiàn)代給水處理方案基本相同，部分?jǐn)?shù)據(jù)參考現(xiàn)代給水處理理論中相關(guān)的數(shù)據(jù)。深度處理中的物化去除工藝主要采用了固液分離單元，其作用是去除在混凝過程中形成的絮凝體，使水體中的懸浮物和有機(jī)污染物及總磷等得到進(jìn)一步的去除，以保證后續(xù)處理單元的運(yùn)行要求。一般情況下，沉淀池在固液分離單元中承擔(dān)去除80%～95%的懸浮固體的重要作用，沉淀池出水SS和TP低，可延長濾池反沖洗周期，提升濾池濾速，并可超越濾池運(yùn)行。所以在深度處理工藝中，懸浮物SS和TP的去除重心越往前移，所花費(fèi)的運(yùn)行費(fèi)用和管理成本越低，性價比更好，由此可見，沉淀技術(shù)在深度處理工藝中顯得非常重要。

由于在生化處理系統(tǒng)中產(chǎn)生的生物絮凝體沉淀性能通常較差，所以針對沉淀工藝的選擇尤為重要。以下從沉淀的機(jī)理、沉淀的工藝比較上進(jìn)行詳細(xì)闡述，以提供可長周期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行的沉淀工藝。

1沉淀機(jī)理簡介

顆粒物在凈水中的沉降主要為自由沉降，顆粒表面上都吸附了一層水膜，所以顆粒下沉?xí)r，實(shí)際上是水膜與水之間的滑動關(guān)系，所以顆粒物的密度決定了沉降速度，顆粒在水體中受到兩個力，重力G和浮力F浮，顆粒在水體中的沉降速度通過加速度體現(xiàn)，所以

上式中：ρ水=1000kg/m3

ρ顆粒=1025kg/m3

α沉=0.03g

根據(jù)《給水排水設(shè)計手冊-城鎮(zhèn)給水》中關(guān)于顆粒沉降速度的參考，顆粒物的自有沉降速度一般為0.12—0.6mm/s[1]，見下表：

水處理中采用平流沉淀池進(jìn)行顆粒物的沉降時，由于自由沉降的速度較慢，平流沉淀池的沉降距離一般為3.0-3.5m，停留時間一般為1.5-3.0h，顆粒物沉淀所需的長度約80～90m，造成池體占地面積大。

針對此情況，于1904年哈真提出了“淺層沉淀理論”，由淺層沉淀理論可知，在沉淀池有效容積一定的條件下，增加沉淀面積，可使顆粒去除率提高。根據(jù)這一理論，過去曾經(jīng)把平流沉淀池改建成兩層或三層池子，使沉淀面積增加，沉淀效率可提升2-3倍。因此水務(wù)行業(yè)的從業(yè)人員想將平流池分為N層，從而大幅度提升沉淀效率，但無法解決排泥問題，只能將沉淀管傾斜放置，使絮凝物在傾斜角度中下滑出沉淀裝置，同時兼顧提升效率和滑泥，所以斜管和斜板對水行業(yè)有一定的貢獻(xiàn)，但是從淺層理論的嚴(yán)格意義上講，斜管、斜板還只是一種過渡產(chǎn)品。

斜管、斜板沉淀技術(shù)通過縮短沉降距離，使沉淀效率提高，池體占地面積減小。絮凝物在斜管中自由沉降后，接觸斜管管壁，絮凝物在重力的作用下沿下滑至斜管底部，最終通過泥斗匯集后集中排出。由于絮體在水中斜面上的受力比較法復(fù)雜，現(xiàn)選取了主要的幾個受力情況，進(jìn)行了粗略的力學(xué)分析。顆粒在水中下滑時，受到水中的浮力、重力、斜面的支撐力、斜面上摩擦力f，重力可分解為對傾斜板的F壓和下滑力F滑，顆粒在斜板上的下滑速度通過加速度體現(xiàn)，所以：

根據(jù)許保玖《給水處理理論》中的相關(guān)描述，在斜管中根據(jù)絮體的大小、密度不同，一般下滑速度為1.4～4.4mm/s[2]，見下表：

在異向流斜管中，水流的上升與絮凝物的下滑均在同一同道中，造成上升流速與下滑速度相互影響和相互制約，上升流速不允許高于絮體的下滑速度，否則絮凝物無法在斜管中下滑，會跟隨水流沖出斜管，造成水質(zhì)超標(biāo)。斜管沉淀技術(shù)雖然提升了沉淀效率，但是絮凝物的在斜管中無法即時脫離水體，只能通過在斜管中較長的下滑距離下滑出沉淀裝置，此時又會受到上升流速的影響，所以無法達(dá)到最佳的“淺層沉淀”。在污水深度處理中，受到了絮凝物下滑速度的限制，根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》的要求設(shè)計的斜管沉淀池的上升流速僅為0.4mm/s-0.6mm/s，上升流速無法提高，沉淀效率收到影響。

針對斜管技術(shù)的不足，水行業(yè)進(jìn)行了多樣的研發(fā)，通過加強(qiáng)絮凝、污泥回流等措施提升絮凝物的密度，加快下滑速度，從而提高上升流速，研發(fā)出高密度沉淀和超高速沉淀池，其中沉淀單位仍采用斜管，上升流速一般為3.3-5.5mm/s，均未從根本上解決泥、水在同一同道中相互影響制約的問題，該問題困擾國內(nèi)外水行業(yè)從業(yè)人員多年，一致無法從沉淀機(jī)理上有效解決，制約了水處理沉淀技術(shù)的革新性發(fā)展，是水處理沉淀領(lǐng)域的一大遺憾。

針對斜管的不足，珠海九通水務(wù)研制出水平管沉淀分離技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了沉淀管水平放置并增加了相對獨(dú)立的滑泥道，實(shí)現(xiàn)了水與絮凝物分流，達(dá)到水走水道、泥走泥道的目的，從根本上解決了泥、水相互影響制約的難題。相比常規(guī)斜管沉淀技術(shù)，沉淀效率是斜管的3-5倍，并且實(shí)現(xiàn)了絮凝物即時脫離水體，絮凝物首先與水流脫離僅需10s，其次脫離沉淀裝置僅需250s，總時間僅為常規(guī)斜管技術(shù)的26%。該技術(shù)將“淺層沉淀”發(fā)揮至極致，是目前真正意義上的高效沉淀技術(shù)[3]。

2工藝流程說明

通過沉淀機(jī)理的研究，并結(jié)合沉淀技術(shù)的發(fā)展，目前目前市面上較常見的常規(guī)沉淀技術(shù)為平流沉淀（可理解為沉淀技術(shù)1.0）、斜管、斜板沉淀池（可理解為沉淀技術(shù)2.0），由于生化處理系統(tǒng)中產(chǎn)生的生物絮凝體沉淀性能通常較差，絮凝物的粒徑與密度均較小，平流沉淀池和斜管、斜管沉淀池在深度處理工中占地面積較大，沉淀效率較低，且無法長周期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行，在深度處理工藝中較少使用。目前可采用的普通高效沉淀技術(shù)有高密度沉淀池、超高速沉淀池等（可理解為沉淀技術(shù)2.5）和水平管高效沉淀池（可理解為沉淀技術(shù)3.0）。

通過多個實(shí)際案例的考察和分析，針對水平管高效沉淀池與普通高效沉淀池的工藝流程進(jìn)行簡單介紹。

2.1水平管高效沉淀池工藝流程

在此工藝流程中，水平管高效沉淀池采用了高效絮核裝置與篩板絮凝池的前端絮凝工藝，通過水力絮凝技術(shù)和水平管高效沉淀分離技術(shù)，使SS與TP指標(biāo)在沉淀后可達(dá)到一級A指標(biāo)，可超越濾池排放。具體工藝見圖3:

工藝特點(diǎn)：

1)整體工藝均為水力自流，無機(jī)械設(shè)備，維護(hù)成本低，無停水維修機(jī)械的風(fēng)險，可長周期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行；

2)高效絮核裝置中裝填填料，應(yīng)對生物絮凝體少且輕的狀態(tài)，可增強(qiáng)絮凝物之間的碰撞幾率，形成密度較大的晶核，為后續(xù)絮凝打下基礎(chǔ)，無需使用污泥回流提升前端的絮凝物濃度；

3)篩板絮凝池中設(shè)置了垂直放置的篩板裝置，避免了污泥堵塞問題，并且篩板裝置開孔孔徑合理，可提供更大的水力紊動，使絮凝物凝聚更為密實(shí)；

4)水平管高效沉淀池采用哈真“淺池理論”設(shè)計，在沉淀區(qū)中將豎直的過水?dāng)嗝娣指畛沙两稻嚯x相等的沉淀管和滑泥斜道，細(xì)分了沉淀和排泥功能，縮短了沉淀所需時間，沉淀效率高，在實(shí)際的案例中，可根據(jù)水質(zhì)情況超越濾池直接排放；

5)調(diào)試操作便捷，運(yùn)行費(fèi)用低，僅需合理投加PAC即可保證工藝流程正常運(yùn)行。

2.2普通高效沉淀池工藝流程

在此工藝流程中，高效沉淀池在應(yīng)對生物絮凝體少且輕的狀態(tài)時，采用了PAM與污泥回流的措施進(jìn)行絮凝體加強(qiáng)，提升了絮凝物的密度，提高了沉淀效率。具體工藝見圖4：

工藝特點(diǎn)：

1)在混合、絮凝、沉淀的三個工序之間，采用直通方式緊密銜接，簡化了池型，節(jié)省了占地面積；

2)應(yīng)用絮凝劑、助凝劑、活性污泥回流的聯(lián)合應(yīng)用以及機(jī)械混凝手段，提升了絮凝物的密度；

3)通過在高效沉淀池中設(shè)置了錐形斗和刮泥機(jī)，排泥濃度高，可減少水量損失；

4)需要根據(jù)水質(zhì)和水量合理調(diào)整污泥回流比、藥劑投加、攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，對自動控制要求較高，需注重人員的培訓(xùn)、日常操作管理；

5)采用了較多的機(jī)械設(shè)備，在運(yùn)行中需提高保養(yǎng)和管理強(qiáng)度，避免運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備損壞，造成系統(tǒng)停水維修。

3工藝綜合比較與選用

3.1工藝綜合比較

針對深度處理中的絮凝物特性、相關(guān)專家訪談、實(shí)際運(yùn)行案例分析并查閱了相關(guān)論文，針對以上高效沉淀技術(shù)在技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)、運(yùn)行管理等方面進(jìn)行綜合比較。

3.2工藝的實(shí)際選用

我院在安徽安慶市污水處理廠一級A達(dá)標(biāo)項(xiàng)目的工藝選擇中，充分比較了現(xiàn)有的多個高效沉淀技術(shù)，通過在沉淀效率、運(yùn)行費(fèi)用、操作難度、日常維護(hù)等多個方面進(jìn)行了橫向?qū)Ρ?，水平管高效沉淀池在沉淀機(jī)理中更符合“淺層理論”的要求，具備高效沉淀和即時分離的功效，做到了泥、水互不影響，互不制約，從根本上解決了斜管的上升流速與下滑速度矛盾的難題，并且采用的配套技術(shù)，無主體運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備、運(yùn)行費(fèi)用低、操作管理更便捷，可保證污水深度處理工藝長周期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行。

該項(xiàng)目中處理水量為15000m3/d，日變化系數(shù)為1.56，根據(jù)處理廠運(yùn)行要求，分為兩組設(shè)計。依據(jù)《給水排水設(shè)計手冊-城鎮(zhèn)給水》第三版P537頁中關(guān)于水平管高效沉淀池的設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行沉淀池設(shè)計[4]，并查閱了《水平管沉淀池工程技術(shù)規(guī)程》CECS338：2014相關(guān)的技術(shù)要求。其中水平管高效沉淀池的設(shè)計過流負(fù)荷為34.8m3/m2˙h，沉淀池內(nèi)壁尺寸為14.0×6.0×5.0m，池體面積與普通高效沉淀池相當(dāng)，但池體深度比普通高效沉淀池淺，施工簡單，基建投資費(fèi)用低。大致布置方式見下圖：

4結(jié)語

隨著城市化的進(jìn)程加快，對污水處理的指標(biāo)和要求會提出更高的要求。作為污水處理廠，其運(yùn)行效果、出水氮磷去除率對當(dāng)?shù)氐乃Y源保護(hù)產(chǎn)生了更加深遠(yuǎn)的影響，作為運(yùn)營單位，相比一次性投資費(fèi)用，更重視所選工藝的運(yùn)行費(fèi)用，這是一個長期的費(fèi)用支出，同時所選工藝維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用低、操作管理便捷也是重要的關(guān)注點(diǎn)，所以我院通過分析，水平管高效沉淀技術(shù)綜合性能優(yōu)于其他普通高效沉淀工藝，同時考慮到該技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，可保證污水提標(biāo)改造工藝選擇的技術(shù)先進(jìn)性，并且該技術(shù)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，為今后的進(jìn)一步提標(biāo)改造留下必要的冗余，最終選擇水平管高效沉淀工藝用于安徽安慶市1.5萬噸/日污水處理廠一級A提標(biāo)改造項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

[1]《給水排水設(shè)計手冊-城鎮(zhèn)給水》第三版第530頁中國建筑工業(yè)出版社

[2]許保玖.《給水處理理論》中國建筑工業(yè)出版社

[3]張建國，張良純，劉玲云.水平管沉淀分離裝置的開發(fā)研究給水排水，2008,24（9）：47-51

[4]《給水排水設(shè)計手冊-城鎮(zhèn)給水》第三版第537-540頁中國建筑工業(yè)出版社