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(guó)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(huì)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(wú)限制地滿(mǎn)足中國(guó)快速城市化過(guò)程中對(duì)土地的需求，城市用地?cái)U(kuò)張的難度將越來(lái)越大，未來(lái)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(duì)部分來(lái)水處理效率不夠高的問(wèn)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(guó)內(nèi)外對(duì)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(yàn)研究相對(duì)較少。國(guó)外學(xué)者對(duì)沉淀池流態(tài)的研究較早，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來(lái)，對(duì)于沉淀池流態(tài)的數(shù)值模擬較多，國(guó)外Roza Tarpagkou[3],Bajcar[4]等利用軟件對(duì)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(guò)試驗(yàn)對(duì)沉淀池進(jìn)行改良。國(guó)內(nèi)對(duì)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(yàn)研究相對(duì)較少，王磊磊[7]、周振[8]等對(duì)沉淀池內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，陶洪飛[9]對(duì)分離鰓沉淀池進(jìn)行了試驗(yàn)研究，張宏媛[10]對(duì)改良型斜板沉淀池進(jìn)行了試驗(yàn)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(lái)的一種多層沉淀池，通過(guò)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(shí)間，提高了沉淀池的處理效率和去濁效果。原水經(jīng)過(guò)絮凝反應(yīng)后，較為輕質(zhì)的絮凝體通過(guò)上層沉淀池排出；而較重的絮凝體顆粒，則通過(guò)下層沉淀池排出。雙層沉淀池通過(guò)增加沉淀池的有效水深，大大縮短了池體的長(zhǎng)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(jià)[11]。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于雙層平流沉淀池的試驗(yàn)研究較少，為了提高雙層平流沉淀池的沉降效果，對(duì)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(jì)并制作2個(gè)新型雙層平流沉淀池和一個(gè)現(xiàn)有的雙層平流沉淀池模型，結(jié)合新疆等地高濁度來(lái)水展開(kāi)模型試驗(yàn)。

1 沉淀池模型設(shè)計(jì)與原理

1.1 模型設(shè)計(jì)

為了達(dá)到流態(tài)的自動(dòng)模擬，本試驗(yàn)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(yàn)，本模型根據(jù)供水及場(chǎng)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(jì)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(guó)內(nèi)外已建成的雙層平流沉淀池設(shè)計(jì)制作一個(gè)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(zhǎng)、寬、有效水深分別為0.8、0.2和0.16 m。模型A長(zhǎng)1.0 m，寬0.2 m，有效水深0.2 m，3個(gè)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(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。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(duì)水流流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的作用。經(jīng)過(guò)渡段調(diào)節(jié)后進(jìn)入工作段的

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

水流紊動(dòng)仍比較劇烈，具有較大的動(dòng)能，調(diào)流板將對(duì)這種具有較大動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度的水流產(chǎn)生攔截作用，減緩其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，迫使其動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度都有所降低，并對(duì)水流流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的流場(chǎng)分布更利于泥沙的沉降[12]。

1.2 模型設(shè)計(jì)原理

模型A的來(lái)流先經(jīng)過(guò)下層調(diào)流區(qū)，依次進(jìn)入下層沉淀區(qū)、過(guò)渡段，再由過(guò)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(lái)水經(jīng)過(guò)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(lái)水方向與泥流方向相同，這樣設(shè)計(jì)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(guò)渡段采用豎流式構(gòu)造，由于來(lái)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(gè)豎流式過(guò)渡段的上升流速較均勻，池中水流狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)沉淀較有利。來(lái)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(shí)下層水含泥量較高，流至過(guò)渡段時(shí)，與豎流式過(guò)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(guò)渡段的沉淀速度。同時(shí)又在過(guò)渡段的底部緩沖層形成污泥懸浮層，直接攔截來(lái)流中的污泥顆粒。由于豎流式過(guò)渡段的接觸絮凝、懸浮層的攔截等特性，使過(guò)渡段適應(yīng)來(lái)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(xiàn)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(jiàn)圖2。

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

上層來(lái)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(shí)間：

(1)

λ=H0/H0<λ<1

式中：t為污泥沉降到池底的時(shí)間；H0為上層斜板上任一點(diǎn)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(shí)間，增大沉淀池的截留沉速，縮短沉淀池水力停留時(shí)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(lái)水通過(guò)調(diào)流板進(jìn)入下層沉淀池，下層沉淀采用逆向流原理，來(lái)水從下向上流動(dòng)，顆粒沉積于斜板上，當(dāng)顆粒累計(jì)到一定程度時(shí)，便自動(dòng)滑下，顆粒沉降方向與水流流向相反，為了避免來(lái)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(guò)大，還應(yīng)注意不宜將穿孔位置設(shè)置的過(guò)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(dòng)，提高沉降效果。在重力作用下，隨著來(lái)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(jì)規(guī)范》(2014年版)，參照國(guó)內(nèi)外已建成運(yùn)行的雙層平流沉淀池設(shè)計(jì)而成，各項(xiàng)水力條件均滿(mǎn)足平流式沉淀池設(shè)計(jì)規(guī)范要求。沿水流來(lái)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(kāi)，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(shí)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(jiǎn)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(kāi)孔，開(kāi)孔孔徑為4 mm，排泥管兩側(cè)的開(kāi)孔孔洞中軸線(xiàn)應(yīng)與豎直方向成 45°。兩側(cè)孔洞交錯(cuò)布置，同側(cè)孔洞間距為10 mm，兩側(cè)孔洞相對(duì)中心線(xiàn)間距為5 mm，開(kāi)孔示意圖見(jiàn)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(kāi)孔示意圖 Fig.3 Schematic diagram of mud pipe opening

2 試驗(yàn)組次與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)組次

收集本地區(qū)天然河道來(lái)水資料，試驗(yàn)來(lái)水取天然河道來(lái)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(yàn)過(guò)程中，攪拌器持續(xù)運(yùn)行，以保證來(lái)水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。來(lái)水流量采用恒流泵調(diào)節(jié)，流量測(cè)量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，并用量筒和秒表量測(cè)進(jìn)行校核。濁度測(cè)量使用HACH2000P型濁度測(cè)量?jī)x，量程為0.01～4 000 NTU。采用漏斗過(guò)濾法測(cè)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(shí)停止取水。試驗(yàn)組次安排：先對(duì)模型A和模型B進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)控制變量：①表面負(fù)荷0.050、0.080、0.012、0.150 m3/(m2·h)；②對(duì)應(yīng)流量15、25、35、45 L/h。

對(duì)模型A、模型B 2個(gè)沉淀池模型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，得到在高濁度來(lái)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(gè)模型中沉淀性能較好的那個(gè)沉淀池，然后在該區(qū)間與模型C進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

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(jiàn)圖4。

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

試驗(yàn)過(guò)程中，在來(lái)水120 min后對(duì)固體懸浮物去除率和濁度進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在來(lái)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(wú)明顯變化，因此對(duì)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(jiàn)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(lái)水時(shí)間的變化趨勢(shì)，濁度變化折線(xiàn)圖縱坐標(biāo)軸采用雙坐標(biāo)軸，其中原水濁度對(duì)應(yīng)左縱坐標(biāo)軸，沉降后出流水的濁度對(duì)應(yīng)右縱坐標(biāo)軸。

圖5 濁度隨來(lái)水時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 The trend of turbidity change with coming water

對(duì)比模型A和模型B固體懸浮物去除率曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在不同流量下，從開(kāi)始來(lái)水到出流穩(wěn)定的這段時(shí)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(lái)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(lái)水流量至35和45 L/h時(shí)，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(duì)濁度進(jìn)行分析，在出流水質(zhì)趨于穩(wěn)定的過(guò)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(lái)水流量為15 L/h時(shí)，2組模型出水濁度均較低，隨著來(lái)水流量的逐漸增大，出流濁度逐漸增大?？梢?jiàn)隨著表面負(fù)荷逐漸增大，模型水力停留時(shí)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(shí)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(huì)增加后期凈水成本。對(duì)于不同水質(zhì)的來(lái)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(shí)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(shí)，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(lái)水下的運(yùn)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(yàn)，對(duì)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(jiàn)圖6。

圖6 表面負(fù)荷為0.07 m3/(m2·h)時(shí)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(lái)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(shí)際工程中考慮推廣應(yīng)用模型A。在高濁度來(lái)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(lái)流的各個(gè)時(shí)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(mǎn)足出流要求。實(shí)際工程中，新型雙層平流沉淀池的設(shè)計(jì)，可以根據(jù)選取的比尺，結(jié)合本試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)按照弗洛德相似準(zhǔn)則確定對(duì)應(yīng)的表面負(fù)荷。

3 討 論

由3個(gè)模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，沉淀池初次運(yùn)行過(guò)程中，從剛剛出流到出流水質(zhì)趨于穩(wěn)定是一個(gè)漸變的過(guò)程，3種雙層平流沉淀池從開(kāi)始出流到出流穩(wěn)定的時(shí)間間隔為120 min左右。因此在實(shí)際工程中，在高濁度來(lái)水下，雙層平流沉淀池初次運(yùn)行時(shí)需要采取增加投藥量等措施，以控制出水水質(zhì)滿(mǎn)足出流要求。在雙層平流沉淀池運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)設(shè)計(jì)好排泥設(shè)施，盡量避免運(yùn)行過(guò)程中由于沉淀池未連續(xù)運(yùn)行而影響出流水質(zhì)。根據(jù)已有工程實(shí)例，結(jié)合現(xiàn)有的排泥技術(shù)，建議實(shí)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(duì)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(guò)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(dòng)過(guò)程中較易將輕質(zhì)積泥揚(yáng)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(huì)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(duì)較重，采用單軌式底部刮泥機(jī)不易揚(yáng)起，同時(shí)排泥的濃度也相對(duì)較高。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)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(kāi)模型試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論。

(1)模擬本地區(qū)高濁度來(lái)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(duì)比試驗(yàn)，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(yùn)行，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)應(yīng)的表面負(fù)荷。

(4)雙層平流沉淀池運(yùn)行過(guò)程中，從沉淀池開(kāi)始出流到出流水質(zhì)穩(wěn)定是一個(gè)漸變的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程需要120 min左右，實(shí)際工程中應(yīng)盡量保證沉淀池運(yùn)行過(guò)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(duì)來(lái)水處理效率提高的同時(shí)，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(lái)水地區(qū)和人口密集地區(qū)有一定的推廣價(jià)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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