曹金亮

（天津城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，天津300381）

0 概述

為了保證污水處理廠出水膠體懸浮物濃度、磷濃度、有機(jī)物濃度滿足排放要求，需在工藝流程中設(shè)置絮凝沉淀池。由于高效沉淀池具有處理效率高，效果穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，且占地小、投藥量少、有機(jī)物去除效率高等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理廠的深度處理中大量應(yīng)用，如常州城北污水處理廠提標(biāo)改造工程、天津市張貴莊污水處理廠工程、天津咸水沽污水處理廠工程等。本文結(jié)合國內(nèi)外混合與絮凝的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以國內(nèi)某污水處理廠工程為例，介紹污水處理廠中高效沉淀池的工藝設(shè)計(jì)。

高效沉淀池由三個(gè)主要部分組成：混合區(qū)、絮凝區(qū)和沉淀區(qū)。其中混合區(qū)為快速混凝攪拌反應(yīng)器，絮凝區(qū)為推流式反應(yīng)器，沉淀區(qū)由斜管沉淀區(qū)和污泥濃縮區(qū)組成，如圖1所示。

圖1 高效沉淀池構(gòu)造示意圖

該工程中新建高效沉淀池一座，對(duì)稱布置兩組。進(jìn)水為推流式A2O反應(yīng)池出水，處理規(guī)模為10萬m3/d。

1 混合段的設(shè)計(jì)

該工程中在混合段投加聚合AlCL3溶液作為混凝劑，通過軸流折漿式攪拌器的高速攪拌來實(shí)現(xiàn)混合過程。該區(qū)域設(shè)計(jì)中需確定：混合段容積及混合攪拌強(qiáng)度。

1.1 混合段的容積

該工程為1座2組布置，與沉淀池對(duì)應(yīng)，混合段分為2組，對(duì)稱布置?；旌铣赜行莘e需根據(jù)混合時(shí)間計(jì)算確定，典型的混合時(shí)間一般采用10～30 s完成，最多不超過2 min?？紤]該工程處理對(duì)象為污水廠生物反應(yīng)池出水，適當(dāng)延長混合時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該工程混合時(shí)間t取30 s，根據(jù)V=Qt計(jì)算可得，單組混合池池容V約為45 m3，平面尺寸采用3.5 m×3.5 m。

1.2 混合攪拌強(qiáng)度

廢水工程中，快速混合通常發(fā)生在湍流工況，慣性力占?jí)旱剐詢?yōu)勢(shì)。一般原則，速度越高，湍流越大，混合效果越好。工程中，通常采用攪拌速度梯的和體積循環(huán)次數(shù)來表征混合效果的好壞。

1.2.1 輸入功率

在污水處理中，根據(jù)需去除粒子的微刻度，速度梯度G值一般取500～1 000 s-1。工程中速度梯度G取500 s-1，根據(jù)計(jì)算，得混合功率NQ=11.25 kW。考慮到電動(dòng)機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)總效率（以0.6計(jì)），該工程中選擇的電機(jī)功率為18.75 kW，并考慮電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行。

1.2.2 體積循環(huán)次數(shù)

根據(jù)美國凱米尼爾公司和萊寧公司的有關(guān)資料，體積循環(huán)次數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：Z’——體積循環(huán)次數(shù)，次；Q’——攪拌器排液量，m3/s；t——混合時(shí)間，s；

V——混合池有效容積，m3。

攪拌器排液量：

Q’=Kqnd3

式中：Kq——槳葉流量準(zhǔn)數(shù)（查表得4片式折槳攪器為0.77）；

n——攪拌器轉(zhuǎn)速，r/s，（轉(zhuǎn)速為105 r/s）；

d——攪拌器直徑，m（該工程攪拌器直徑2.5 m）。

計(jì)算得，體積循環(huán)次數(shù)為21次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.5次,符合設(shè)計(jì)要求。

2 絮凝段的設(shè)計(jì)

該工程中絮凝段投加聚丙烯酰胺作為助凝劑。為適應(yīng)水量變化以及保證較小的水頭損失，采用機(jī)械絮凝的方式，使用推流型混合器。

2.1 絮凝段容積計(jì)算

該工程中絮凝段與混合段作為一個(gè)整體構(gòu)筑物來設(shè)計(jì)，分為兩組，與混合池對(duì)應(yīng)。絮凝段有效容積的計(jì)算公式為。絮凝段的絮凝時(shí)間一般宜10～30 min，該實(shí)例中絮凝時(shí)間T取16 min，則單組絮凝段的有效容積約為720 m3。根據(jù)平面布置，配合沉淀池尺寸，絮凝段分為2組，單組平面尺寸為16 m×6 m。絮凝段有效水深為7.5 m，超高取0.3 m，總高度為7.8 m。

由于絮凝段為長條型布置，故每組絮凝段設(shè)置2臺(tái)攪拌設(shè)備。

2.2 絮凝攪拌器選用

該工程絮凝攪拌器采用推流型混合器，水葉形的葉板用于限制絮體剪切的量，同時(shí)提供絮凝所需的速度梯度和泵送能力。因此，在確定混合器大小時(shí)，必須考慮輸入功率和泵送兩方面的要求。

根據(jù)該工程中絮凝段尺寸，計(jì)算水深與絮凝段當(dāng)量直徑的比（Z/Te），并由此查表得出螺旋漿直徑與絮凝段當(dāng)量直徑的比值（D/Te），由此確定初始流量系數(shù)Qp=0.82。計(jì)算得出，葉輪排液量為590.4 m3/min，葉輪直徑為3.3～4.4 m，該工程取3 850 mm。

由以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出Q=10.55 m3/min，P=9.12 kW。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選用絮凝攪拌器，該工程選用攪拌器葉輪直徑3 850 mm，轉(zhuǎn)速為19.8 r/min。

2.3 校核速度梯度

在絮凝段設(shè)計(jì)中，應(yīng)既保證絮粒有充分接觸碰撞的機(jī)率，又不致使已形成的較大絮粒破碎，因此應(yīng)保證絮凝過程中的速度梯度在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)國外相關(guān)研究，絮凝設(shè)施的典型速度梯度G值為100～500 s－1。

通過計(jì)算速度梯度G值為113 s－1，符合典型污水處理絮凝過程的速度梯度。

3 沉淀段設(shè)計(jì)

該工程設(shè)置沉淀池2座，采用斜管沉淀，逆向流沉降。清水區(qū)采用六邊形蜂窩管，管壁厚0.4 mm，邊距d=30 mm，水平傾角=60°，斜管結(jié)構(gòu)占用面積按3%計(jì)。清水區(qū)上升流速v0取2.5 mm/s。

當(dāng)雷諾數(shù)Re＜2 000時(shí)，流體為層流狀態(tài)，有利于固體的沉降。該工程Re=21.675＜2 000，層流，符合要求。

4 結(jié)語

高效沉淀池具有混凝－絮凝－沉淀一體化功能，且沉淀效率高，容積小，占地面積小等優(yōu)點(diǎn),該工程于2009年投入運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，出水SS＜15 mg/L。為了保證混合絮凝效果，在混合反應(yīng)池的設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）混合段采用軸流折槳式攪拌器，應(yīng)絕對(duì)地避免液體的渦旋或物質(zhì)的渦旋。渦旋使得流體速度和葉輪速度之間的差減小，混合效率降低。通?？梢栽诔乇谠O(shè)置垂直擋板，伸出池壁約1/10的直徑（或當(dāng)量直徑）。

（2）高速旋轉(zhuǎn)的小葉輪產(chǎn)生較大的流體剪切和較小的泵送能力，慢速操作的大葉輪將導(dǎo)致較高的泵送能力和較低的流體剪切。因此混合段需采用高速小葉輪攪拌器；絮凝段采用慢速大葉輪攪拌器?？紤]到水量、水質(zhì)可能發(fā)生變化，絮凝段攪拌器需考慮設(shè)置變頻運(yùn)行。

（3）污泥濃縮區(qū)污泥回流可加速礬花的生長，增加礬花的密度。污泥回流量控制在2%～3.5%。污泥回流螺桿泵考慮變頻運(yùn)行，解決運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的泥床升高或污泥不足的問題。

目前我國污水處理中采用的高效沉淀池沒有統(tǒng)一的規(guī)范要求，本文通過對(duì)高效沉淀池設(shè)計(jì)中參數(shù)的選取、水力條件的計(jì)算進(jìn)行探討，為高效沉淀池設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化提供借鑒。

[1]Oldshue J Y著.王英琛，林猛流，施力田，等譯.流體混合技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

[2]Metcalf&Eddy Inc著.秦裕珩，等譯.廢水工程：處理及回用（第4版）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2004.

[3]給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3冊(cè)）城鎮(zhèn)給水[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2004.

[4]室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]張辰主編.污水廠設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.