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1、新型中置式高密度沉淀池的开发与应用许嘉炯，芮 旻（上海市政工程设计研究总院第一设计研究院，上海 200092）摘 要：本文对新型中置式高密度沉淀池的开发思路和技术方案作出了较为详细的分析。中置式高密度沉淀池的研发是在总结了传统沉淀（澄清）池污泥回流方式的缺陷、高分子絮凝剂的投加及斜管高效沉淀技术的优化方式，分析了国外高效澄清池池型布置的不足及斜管配水的方向限制的基础上，针对斜管沉淀池单池处理水量受限等问题，创新研发的新型沉淀池。同时，文章对其在嘉兴石臼漾水厂中的应用情况进行了简要介绍，该池型布置方正，出水水质的良好。关键词：饮用水处理；中置式高密度沉淀池；浊度；高浓度污泥循环1、引言自1998
2、年起，上海市政工程设计研究总院和嘉源给排水有限公司对嘉兴地区受污染水源水的处理进行调研，通过大量小试和中试试验，总结出一些有益的经验，其中针对混凝沉淀的试验发现如采用常规处理方式，在水厂常规承受的较经济运行状态下，无论是增加投药量还是改变原水中ph等手段，沉淀对有机物和浊度的去除效果只能达到一个较高的极限值，一旦到达极限值，无论在采取何种措施，都不会带来更高的去除率，各种辅助手段仅仅使这种极限提前到来而已。如要让平流式沉淀池达到这种极限，过高的药耗是水厂难以承担的，因此，对有机污染较严重的杭嘉湖原水水质来说，选择一种占地比较小，能经济的达到沉淀极限去除率的池型是非常必要的。2、研发过程2.1
3、沉淀池性能分析比较针对净水厂混凝沉淀工艺的技术，国内净水厂目前传统采用平流沉淀池、斜管沉淀池、机械搅拌或脉冲澄清池等。平流沉淀池是目前我国大中型水厂最广泛使用的池型，具有构造简单、管理方便、耐冲击负荷强等优点，缺点是停留时间长，占地面积大，对一些小而轻的矾花的去除效果差，进一步提高出水水质代价很高，且水体暴露面积大，接受阳光照射时间长，在微污染原水处理中，希望保留处理过程中的生物作用而不采用前加氯，平流式沉淀池还容易生长青苔，影响水厂的外观。斜管沉淀池是基于浅层沉淀理论，在平流沉淀基础上发展起来的沉淀池型，它具有占地小，沉淀效率高的特点。但由于斜管沉淀池在池体较大情况下存在配水不均匀问题，使大
4、型斜管沉淀池总体出水水质难以进一步提高，限制了传统斜管沉淀池的大型化。机械搅拌澄清池是将第一反应室聚积的泥渣回流到第二反应室与原水混和，增加原水中的颗粒浓度，加强颗粒絮凝，形成形体大、密度高的矾花，到分离区澄清，从而达到高浓度泥水较快分离和分离彻底的效果。因此，机械搅拌澄清池的优点是：絮凝、澄清一体化，产水能力高，处理效果好，适应能力强，抗冲击负荷大，尤其在分离区增设斜管，出水水质和产水量更可进一步提高。它的缺点是土建结构比较复杂，施工难度较大；由于回流泥渣浓度较低，回流水量很大；最大的困难是排泥量很难控制，经常会因过量排泥，造成絮凝效果差，影响出水水质。高密度澄清池是法国得利满公司近年主推的
5、新池型，同机械搅拌澄清池相比，该公司高密度沉淀池这种新工艺有以下几个方面优点：将混合区、絮凝区与沉淀池分离，并改为矩形结构，以简化池型；沉淀分离区下部设污泥浓缩区，少占用土地；在浓缩区与混合部分之间设污泥外部循环。部分浓缩污泥由泵回流到机械混合池，与原水、混凝剂充分混合、通过机械絮凝形成高浓度混合絮凝体，然后进入沉淀区分离；采用有机高分子絮凝剂，絮凝过程中投加pam助凝剂，以提高矾花凝聚效果，加快泥水分离速度；沉淀部分设置斜管，进一步提高表面负荷；沉淀区下部按浓缩池设计，大大提高污泥浓缩效果，含固率可达3以上。经上述改进后，高密度澄清池在水质适应性和抗冲击性上比机械搅拌澄清池更强。而且在理论上
6、出水水质会更好。根据半生产性试验，它的上升流速可达6 mm/s，超过了斜管沉淀池和机械加速澄清池，使占地更小。这种工艺在世界范围已逐步得到运用。我国新疆乌鲁木齐20万m3/d水厂就采用了高密度澄清池，目前已正常运行。经过比较，高密度澄清工艺在处理效果等方面优势明显，我院在石洞口污水厂、上海南市水厂也参与了高密度澄清池的试验，取得了良好的效果。高密度澄清池的缺点是由于布置比较分散，絮凝与沉淀之间虽然增设了导流墙，但由于单面配水距离比较长，存在配水不均匀的现象，尤其在大型水厂中，会直接影响到出水水质。另外，高密度澄清池原是国外得利满公司的专利产品，设备、材料价格较贵，投资比较高。从发展趋势来看，高
7、密度澄清池虽然还存在一定的缺点，但它所代表的高效组合无疑是今后发展的主流之一。为发明一种经济、高效且适应性强的新型高效澄清池，我院通过总结传统经典混凝沉淀工艺，如提高絮凝效果的浓缩污泥回流，提高絮凝和沉淀效果的高分子助凝剂的投加，提高沉淀的斜管浅层沉淀理论等，并分析上述池型的优缺点，初步确认需要对以下一些关键技术点加以创新和优化：混凝剂、助凝剂的投加和加注点；混合和絮凝方式的改进；污泥（泥渣）层的存在、泥渣与原水的配比和污泥循环、回用；絮凝区以及它与沉淀区的有机结合；进出沉淀区的水力条件和布置；沉淀区的水力条件和沉降面积，避免配水不均匀的现象；池内污泥浓缩和贮存；剩余污泥的排除。新型中置式高密
8、度沉淀池则是我院结合了回流污泥隔板絮凝、机械搅拌澄清池和消化吸收国外高密度沉淀池的优缺点，并针对了上述8个技术点进行优化后二次开发出的新池型。中置式高密度沉淀池设有5个过程区，即混合区、絮凝区、分离沉淀区、污泥区和出水区。初步试验分析出这种新型中置式高密度沉淀池工艺具有以下优点：占地面积小，负荷高；絮凝沉淀时间短。由于污泥回流，可形成高浓度混合液，大大提高了絮凝效果，缩短了机械搅拌阶段的絮凝时间；沉淀时由于沉降性能大幅提高再加上助凝剂的采用，因而分离区的上升流速也可大幅提高，提高了表面负荷；与平流沉淀池相比减少了矾耗；布水均匀性好。由于采用池中向两侧均匀布水形式，大大缩短了布水路径，从而有效避
9、免了布水不均影响出水水质的问题；沉淀池的水流流势合理，由于进出沉淀池水流是呈由上而下再由下而上垂直方向180运动，泥水分离效果更彻底，也更不易跑矾花；水厂可不设浓缩池。由于沉淀池底部采用浓缩刮泥，污泥含固率高，因此在未来排泥水处理工艺中无需设浓缩池，可直接进行脱水处理；结构设计、施工简单，布置简洁合理。因此，同平流沉淀池、机械搅拌澄清相比，高效澄清池和中置式高密度沉淀池对浊度和有机物的去除率是较高的，运行成本也较低，是常规处理首选的池型；而中置式高密度沉淀池又在高密度沉淀池的基础上进行了许多改进，解决了配水不均、单池处理水量受限制、水流流向等问题，出水水质更有保证。在建设费用方面虽然比平流沉淀
10、池要多增设回流泵、搅拌机等机械设备，但土建费用省，即使不考虑节约土地的费用，单项造价总投资可持平甚至略低于平流沉淀池。2.2 新型中置式高密度沉淀池研发的理论研究从絮凝动力学中同向絮凝理论出发，探索新型中置式高密度沉淀池的高效絮凝沉淀理论。使细小颗粒凝聚主要靠搅拌的作用，这种搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用称为同向絮凝。给水处理中的絮凝池即为体现同向絮凝的设备。首先推导水中的两种颗粒，由于受到搅拌而在每秒钟内相碰jij次的公式，参看图1。图1（a）表示水中两个相邻颗粒，半径分别为ai及aj，由于受到搅拌作用而在某一时刻朝同一方向运动的情况。两个颗粒间在垂直于运动方向的距离恰好为ai+aj=xij
11、，运动速度分别为u及u+u，即在两个颗粒间存在一个速度梯度，速度梯度du/dz的单位为s-1。从图1（a）可看出，由于颗粒aj比ai每秒钟快一个u距离，它在1 s后必然赶上ai颗粒而与之相碰。这也说明，水中颗粒相碰的必要条件是，必须存在一个速度梯度。图1（b）表示一个以ai球为中心，ai+aj为半径的圆柱体断面，即垂直于运动方向，通过图（a）的x轴的剖视图。这个图说明，凡是半径为aj的球，如果球心在这个圆柱范围以内，必然要与ai球相碰。先假定ai球不动，计算通过这圆柱断面的流量得（式2），如果aj颗粒在水中的浓度为nj个/cm3，那么，每秒钟ai颗粒与aj颗粒相碰的次数jij应为（式3）。上式
12、主要表明，每秒钟每立方厘米水中两种颗粒相碰撞的次数与搅拌所产生的速度梯度成正比。当ai与aj指同一种颗粒时，ni与nj应该相等，zij应为颗粒的直径，jij代表它们每秒相碰的次数，可用n、z即j分别表示。同样，假定一部分颗粒相碰后永远粘结在一起，以a0代表这部分粘结在一起次数在相碰总次数中所占的分数，就可得颗粒数因相碰而减少的速率dn/dt为（式4）上式说明颗粒数目减少的速率式颗粒数n的二级反应。同向絮凝速率常数kv为：（式5）kv也包括两部分，在速度梯度 作用下的颗粒传递项和颗粒粘附项。前者定义为速度梯度的颗粒传递速率常数ki，即（式6）对于相同颗粒而言，z即为颗粒直径d。故式4可写为：（式
13、7）上式方括号内的项表示在时刻t0时，n个直径为d的颗粒的总体积，今令常数 ，则式7改写为（式8）积分式8得：（式9）式中，n0为t0时的颗粒数。（式10）式10为一级反应动力学公式，采用一级反应动力学半衰期公式描述一级反应动力学规律。半衰期指物质由初始浓度c分解成 所需要的时间，以 表示。由式10得：（式11）则：（式12）由式9和12可得n个颗粒得半衰期为（式13）上式给出下列重要概念：（1）加大搅拌所产生得速度梯度du/dz，可以缩短t1/2。但是，由于实际上能够采用的du/dz值范围有限，它所起的作用并不太大，数量级可能在10倍以下，可参看下面的讨论；（2）同样数目的大颗粒与小颗粒相比
14、，其t1/2相差的数量级为（d大/d小）3，这从式13中的因子直接得出。因此，直径为10 m的颗粒，其半衰期只有1 m直径颗粒的1/1 000，而直径21 m的颗粒，其颗粒数减半的时间比1 m直径的颗粒约快104。这又说明，在搅拌的过程中，随着颗粒的不断长大，t1/2也就迅速缩短;另外，还可推知，如果在搅拌开始，就有较大的颗粒存在，那么，总的颗粒数下降速度必然会更快。这即是采用高浓度污泥外部回流至前端参与混合絮凝，增强原水脱稳，颗粒絮凝效果的新型中置式高密度沉淀池的理论基础。2.3 新型中置式高密度沉淀池结构设计与工艺优化2.3.1 沉淀池的工艺设计优化中置式高密度沉淀池的具体布置见图25。中
15、置式高密度沉淀池如图2所示，该沉淀池主要包括设置在主池体2内的混合搅拌机3，絮凝搅拌机4，导流筒体5，主池体2底部的浓缩排泥区11内，设置浓缩刮泥机6，位于主池体2上部的配水堰及挡板系统10，与该配水堰及挡板系统10连通的斜管区8和矩形出水槽9，在池体外部设置污泥回流泵7，连接到混合搅拌机3附近，位于进水管12和沉淀池1连接处的环形加药管15，连接污泥回流泵7和进水管12及沉淀池下部浓缩排泥区11的污泥管道14。中置式高密度沉淀池区别于现有技术之处在于：絮凝沉淀和污泥浓缩的主要设备混合搅拌机3、絮凝搅拌机4及导流筒体5、刮泥机6、斜管区8和矩形出水槽9均设于沉淀池l内，并与回流泵系统7通过污泥
16、管道14紧密配合，比其它常用沉淀池和澄清池结构更紧凑，布水更均匀。絮凝搅拌机4和污泥回流泵7由变频电机控制，可根据实际使用情况灵活调节，比其它常用沉淀池和澄清池更能确保出水水质。使用时，原水经与回流泵7的回流污泥在混合搅拌机3附近混合并在环形加药管15处投加混凝剂和助凝剂后，经混合搅拌机3充分混合，经絮凝搅拌机4及导流筒体5提升与池内活性污泥充分混合，经配水和挡板系统10布配水后，通过斜管区8和出水矩形槽9后出水，池体下部污泥经刮泥机6推动和浓缩后积于沉淀池1底部的反应排泥区11，由污泥回流泵7回流，多余污泥定期排放。其中混合搅拌机3、变频电机控制絮凝搅拌机4及导流筒体5、刮泥机6、污泥回流泵
17、7、斜管区8、矩形出水槽9及配水与挡板系统10技术属于现有技术，在此不再详细描述。2.3.2 沉淀池处理基本原理及特点（1）工艺过程集中了斜管沉淀池，机械搅拌澄清池和高密度澄清池（densadge）的优点，将混合、絮凝、沉淀、污泥浓缩综合于一座方形池体内，进出池体只有三种功能的管道，即进水，出水和污泥回流排放管，布置简洁，有利于水厂的总平面安排。（2）机械和跌落式加药混合，加上浓缩污泥的回流，不但节约药剂而且混合效果更好。（3）因为絮凝速度与颗粒浓缩n、速度梯度g和絮粒体积比成正比关系（式中为碰撞效率系数），中置式高密度沉淀池采用机械和污泥大循环形成的高浓度絮体，在适当的水力条件下经泥渣层而极
18、大的提高了絮凝效果。（4）絮凝区与沉淀区自然平稳的结合，使絮凝后的水均匀稳定地进入沉淀区。由于絮凝效果好，在斜管沉淀区下部，大部分絮粒就已沉除，通过斜管沉淀进一步降低浊度。（5） 池底部具有污泥浓缩和贮存区，污泥经浓缩后通过机械刮泥机经池中心排泥坑排出的污泥浓度大。2.3.3 沉淀池实施步骤中置式高密度沉淀池主要包括主池体，设置在主池体底部的浓缩集泥区，位于主池体上部的配水堰及挡板系统，与该配水堰及挡板系统连通的斜管区和矩形出水槽，在主池体外部设置污泥回流泵，连接到主池体排泥浓缩区并与外部连通的进水管，其特征在于：混合搅拌机、絮凝搅拌机及导流筒体、刮泥机、斜管区和矩形出水槽均位于主池体内，污泥
19、管道连通污泥回流泵和进水管及主池体下部浓缩排泥区。其中所述絮凝搅拌机和污泥回流泵由变频电机控制：所述浓缩刮泥机底部带有搅拌栅条。中置式高密度沉淀池通过紧凑的池体布置和相应的机械设备，实现各部高效处理的功能。高速混合搅拌机确保混凝剂、回流污泥浓度和原水充分混合；设在池体中心带变频电机的絮凝搅拌机和导流筒体一起实现了原水与池体内部活性污泥的充分絮凝，在实际操作中可根据进水流量的变化灵活调节；池体内设多道配水堰和挡板，使池体各部分布水更均匀，更易于矾花的形成；絮凝沉淀区的斜管和矩形出水槽确保出水水质；设于池体下部的慢速浓缩刮泥机使污泥集中到中心回流或排放，附设的搅拌栅条有助于底部污泥的浓缩；在池体外
20、部还可设有污泥浓度计，与污泥回流泵联合控制，实现污泥回流和污泥适时排放。2.3.4 采用设备构成及特点中置式高密度沉淀池采用的主要工艺设备有混合搅拌机、絮凝搅拌机及导流筒体、周边传动刮泥机和污泥回流泵。1）混合搅拌机叶轮设在水下，电机和齿轮箱设在水面以上，通过搅拌轴连接，见图6。通过水下高速搅拌，使投加混凝剂与原水充分混合，达到扩散和均匀混合的目的。转速一般为100150 rpm，均匀度达95以上。2）絮凝搅拌机及导流筒体叶轮和导流筒体设在水下，电机和齿轮箱设在水面以上，通过搅拌轴连接，见图7。通过水下低速絮凝搅拌，使混合的经投加混凝剂与助凝剂和回流污泥的原水充分凝聚。转速一般为3070 pm
21、，可变频调速。导流筒体直径配合絮凝搅拌机能力和要求。3）周边传动刮泥机电机和齿轮箱设在水面以上，传动齿轮和刮泥浓缩级设在水下池底，通过传动轴连接，见图8。通过水下慢速刮泥将池底沉积污泥推向池底中央排泥斗，同时通过刮泥机上的栅条将污泥分子间隙水排除，达到污泥浓缩的效果。刮泥机外缘线转速一般为2030 mm/s。4）污泥回流泵采用污泥泵，安装在池体外污泥泵房内，见图9。将池体下部浓缩污泥送入混合室与原水进行混合，当池体污泥积累过多时，将污泥排出池外。污泥回流泵能力按照设计水量的大小和污泥浓度综合分析配置，采用变频调速电机，可根据实际水量和水质条件调节回流量。3、 中置式沉淀池的应用目前，嘉兴石臼漾
22、水厂扩容工程中设计的8万m3/d中置式高密度沉淀池，已经于2005年7月投入使用，与其后的臭氧活性炭工艺相结合，取得令人满意的效果。采用浊度和codmn作为分析指标，以2006年9月128日扩容工程的化验数据结合石臼漾水厂老厂化验数据考察扩容工程以中置式高密度沉淀池为核心的组合工艺以及老厂平流式沉淀池工艺的实际运行情况和效果对比。图10显示的是2006年9月128日老厂和扩容工程的沉淀池和出厂水浊度监测，由图可知，老厂平流式沉淀池出水浊度在1.53.5ntu范围内，而扩容中置式高密度沉淀池出水浊度均小于1.0，在0.7 ntu左右变化。沉淀水浊度的降低，保障了滤后出水的安全，影响到了后续滤池过
23、滤周期与反冲洗耗水率。如图10所示，老厂和新厂的出厂水浊度均在0.050.1 ntu范围内。2006年9月128日老厂和扩容工程的codmn监测如图11所示。由图可知，原水codmn在58 mg/l时，经过常规处理后老厂砂滤后水codmn为3.54.7 mg/l，扩容工程砂滤后水codmn为2.604.20 mg/l，常规处理部分约去除40%的有机物。经过水厂深度处理后，老厂出厂水codmn为2.0 mg/l左右，扩容工程出厂水codmn平均值为1.72 mg/l，均在2.0 mg/l以下。扩容工程对有机物的去除效果较优。实际运行过程中，中置式高密度沉淀池排泥浓度可达3以上，远高于平流沉淀池0
24、.6%1的平均排泥浓度，故排泥水量仅相当于平流沉淀池的1030，减量化效果明显，节约水资源和浓缩提升电耗，再加上污泥回流使混凝剂充分使用所减少的药耗，使该池型在节约能源和降低原材料消耗方面效益显著。在经济效益方面，同等规模的情况下中置式高密度沉淀池占地面积和造价等指标优于传统高效澄清池和平流沉淀池。根据初步估算：占地面积较引进的高效澄清池低15左右，较平流沉淀池低50；单位造价较传统高效澄清池低20，与平流沉淀池基本持平；药剂成本较平流沉淀池低15。4、 结论（1）中置式高密度沉淀池的研发是在总结了传统沉淀（澄清）池污泥回流方式的缺陷、高分子絮凝剂的投加及斜管高效沉淀技术的优化方式，分析了国外
25、高效澄清池池型布置的不足及斜管配水的方向限制的基础上，针对斜管沉淀池单池处理水量受限等问题，创新研发的新型沉淀池。该池型布置方正，出水水质更有保证。（2）中置式高密度沉淀池集合了多种药剂的投加、高浓度污泥回流、机械混合、机械絮凝、斜管高效沉淀和沉淀污泥浓缩，并通过合理组合，是处理效果较好的高效沉淀池。以中置式高密度沉淀池为核心的组合工艺在嘉兴石臼漾水厂的实际运行效果令人满意，远远优于该厂平行的一套平流式沉淀池工艺。参考文献 3 蒋玖璐, 李东升, 陈树勤. 高密度澄清池设计j. 给水排水, 2002, 28(9):2729.4 许嘉炯, 雷挺, 沈裘昌等. 嘉兴石臼漾水厂扩容工程的设计和调试运行j. 给水排水, 2006, 32(5):14.5 王占生, 刘文君. 微污染水源饮用水处理m. 北京:中国建筑工业出版社, 2001,7576.6 严煦世, 范瑾初. 给水工程（第四版）m. 北京:中国建筑工业出版社, 1999,262263.