復(fù)合沉淀池的衍變及工程應(yīng)用
全康環(huán)保:摘 要：結(jié)合實際工程應(yīng)用項目，介紹了復(fù)合沉淀池的衍變及運(yùn)行效果。復(fù)合沉淀池是平流沉淀池和斜管沉淀池的優(yōu)化組合。首先在斜管沉淀池前增設(shè)一段12～25m長的平流沉淀池，使大量礬花與泥渣在前端平流段沉淀，從而降低斜管沉淀池的泥量負(fù)荷，而且使位于復(fù)合沉淀池后部的斜管沉淀池前端不再積泥。其次，通過在池底配置刮泥小車、結(jié)合向上流排泥管沉淀池技術(shù)徹底解決了沉淀池排泥不暢的問題。復(fù)合沉淀池特別適用于冬季低溫低濁、夏季高濁的水廠，具有結(jié)構(gòu)簡單、適用性強(qiáng)、降低運(yùn)行成本、節(jié)省占地及投資等優(yōu)勢。
1 沉淀池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1 研究背景
常規(guī)給水處理工藝流程包括混凝、沉淀、過濾、消毒。其中，沉淀是從水中分離出懸浮物的基本操作單元。懸浮物顆粒的去除效率主要取決于顆粒在水體中所處的位置，粒徑相同的懸浮顆粒處在水體表面和水體中部時，其去除幾率是不同的。根據(jù)此特點(diǎn)衍生出多種類型沉淀池。
作為傳統(tǒng)水處理構(gòu)筑物的平流式沉淀池，具有水力條件好、沉淀效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；但停留時間長，尤其在處理低溫低濁水時停留時間要超過2h，占地面積大，做外圍護(hù)結(jié)構(gòu)防凍投資較大。斜管沉淀池由淺池理論發(fā)展而來，具有處理效果好、停留時間短、占地面積小并適用于低溫地區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但對原水濁度適應(yīng)性較差，且前端斜管易堵塞。在處理高濁度水的沉淀構(gòu)筑物中，輻流式沉淀池的關(guān)鍵技術(shù)在于沉淀泥渣的排除，具有排泥方便的特點(diǎn)，又可作為高濃度泥沙原水的污泥濃縮池。高效沉淀池可通過污泥回流，發(fā)揮接觸絮凝的作用。在絮凝區(qū)及回流污泥中投加高分子絮凝劑有助于絮凝顆粒聚結(jié)沉淀，沉淀出水經(jīng)過斜管沉淀區(qū)，進(jìn)一步沉淀分離出水中的細(xì)小雜質(zhì)顆粒，下部設(shè)大容積污泥濃縮區(qū)定時排泥。給水處理中沉淀池設(shè)計的兩大技術(shù)難點(diǎn)是沉淀效果不穩(wěn)定和排泥不暢的問題。
針對以上技術(shù)難點(diǎn)，國內(nèi)出現(xiàn)的多級斜管/斜板沉淀池和高效沉淀池。這兩種沉淀池都是對斜管沉淀池進(jìn)行改造，不僅結(jié)構(gòu)池體發(fā)生改變，還額外增加了斜管、斜板或過濾介質(zhì)，構(gòu)造復(fù)雜，但并沒有解決斜管沉淀池前端易積泥、前端斜管易損壞、排泥不暢，以及進(jìn)水水質(zhì)變化（如冬季低溫低濁，夏季高濁）所帶來的沖擊等問題。
1.2 復(fù)合沉淀池的衍變
西安市自來水公司曲江水廠建于1987年，工程設(shè)計規(guī)模60×104m3/d，1990年8月通水運(yùn)行。2001年6月國家頒布了新的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》，該規(guī)范對供水水質(zhì)提出了更高的要求。曲江水廠原水經(jīng)現(xiàn)有工藝處理，出水水質(zhì)已達(dá)不到新規(guī)范要求；再加上水廠經(jīng)12年的生產(chǎn)運(yùn)行，部分設(shè)備已經(jīng)老化、故障頻繁，嚴(yán)重影響了水廠的正常運(yùn)行。鑒于以上情況，曲江水廠改造工程從2001年開始設(shè)計，改造工程設(shè)計規(guī)模60×104m3/d。
原有絮凝沉淀工藝(見圖1)為回轉(zhuǎn)隔板絮凝池，停留時間約20 min。斜管沉淀池出水最大允許濁度按照15 NTU進(jìn)行控制，清水區(qū)平均上升流速約為2.8 mm/s，實際出水濁度一般在10 NTU以下。原工藝存在的主要問題：隔板絮凝池的絮凝效果差，易沉泥且排泥困難，尤其是渠道連接段沉泥嚴(yán)重，而且無法利用原池型進(jìn)行改造。由于原設(shè)計中考慮曲江水廠二期工程水處理工藝改為直接過濾工藝，即一期工程的沉淀池是以濾池外形為基礎(chǔ)改設(shè)為斜管沉淀池，這種設(shè)計使斜管沉淀池一直存在上升流速大、沉淀效果差、排泥不暢、配水廊道積泥難以排除等問題。
改造工程可利用的場地為改造前的隔板反應(yīng)池和配水廊道區(qū)域，水廠分為四個系列，改造時一個系列停水，其余三個系列正常運(yùn)行。本次改造一方面要降低沉淀負(fù)荷，改善排泥條件；另一方面要結(jié)合現(xiàn)有場地條件，提高濾池截污能力。改造方案見圖2。新建混合絮凝池，增加了13m長的平流段沉淀池及23m長的斜管沉淀池，將新建的兩段沉淀池合建，保留原斜管沉淀池前4格，增大沉淀池的總有效面積，降低沉淀池負(fù)荷，清水區(qū)上升流速由2.8mm/s降至1.46mm/s。該方案比平流沉淀池需要的總長減少至少30m。
改造運(yùn)行后的混合沉淀池的沉淀效果、沉淀效率等各項技術(shù)性能均優(yōu)于單一的沉淀池。采用正面全斷面直接配水，有效提高了斜管沉淀池配水的均勻性，泥渣在流經(jīng)長10～15m的區(qū)段時大部分已自由沉降，有清晰的泥水分界沉降界面線，高濁度原水中大量的泥沙在前端平流段內(nèi)沉淀，從而降低了斜管沉淀池的負(fù)荷，保證了沉淀池的出水水質(zhì)。新建平流段和斜管沉淀池排泥統(tǒng)一采用池底小車刮泥，通過鋼絲繩牽引小車將泥渣刮到排泥斗，再由排泥管排出。
曲江水廠改造完成后，全廠沉淀均采用復(fù)合沉淀池，幾年的生產(chǎn)運(yùn)行表明，新系統(tǒng)對不同季節(jié)的原水都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，表現(xiàn)出良好的抗水量和水質(zhì)沖擊負(fù)荷的能力，有效解決了低溫低濁、大流量高濁度水難處理的問題。
通過幾年的運(yùn)行總結(jié)，曲江水廠最大日處理能力可達(dá)65×104m3/d。2011年7月―9月雨季期間，進(jìn)廠原水濁度持續(xù)偏高，連續(xù)一周超過300NTU，特別是9月21日―9月23日，西安發(fā)生多年一遇的持續(xù)強(qiáng)降雨，致使原水最高瞬時濁度達(dá)1700NTU，這時的進(jìn)廠水量約2.4×104m3/h，接近滿負(fù)荷運(yùn)行，但經(jīng)過處理后出廠水濁度仍然控制在0.4NTU以下。
在隨后的多個給水處理工程中，這種創(chuàng)新的沉淀池形式也同樣表現(xiàn)出了優(yōu)異的處理效果。為了更廣泛地推廣和應(yīng)用這種技術(shù)，根據(jù)設(shè)計和運(yùn)行經(jīng)驗，中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司申請并取得了復(fù)合沉淀池專利（專利號：ZL201020526832.4）。
2 復(fù)合沉淀池技術(shù)
2.1 基本構(gòu)造
該復(fù)合沉淀池為前置平流段全斷面配水斜管沉淀池，在斜管沉淀池前增設(shè)一段12～25m長的平流沉淀池，大量礬花與泥渣在前端平流段沉淀，然后經(jīng)斜管沉淀池二次沉淀，從而降低了斜管沉淀池的泥量負(fù)荷，使斜管沉淀池前端不再積泥，前端斜管不易損壞，延長斜管沉淀池的使用壽命，即使進(jìn)水出現(xiàn)低溫低濁度或高濁時，出水水質(zhì)也能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和沉定池運(yùn)行效果，建議平流段最長25m，即可滿足前端礬花與泥渣的沉淀需要，然后再經(jīng)斜管沉淀池二次沉淀。復(fù)合沉淀池平面布置及剖面分別見圖3和圖4。
2.2 排泥管特點(diǎn)
國內(nèi)給水廠及污水深度處理廠沉淀池排泥一般有多斗重力排泥、穿孔管排泥和機(jī)械排泥三種形式及其組合形式。任何一種排泥形式的最終出泥都采用排泥管排出，常規(guī)排泥管起始段都是水平布置，因此水平穿孔管孔眼易堵塞、間歇排泥時排泥管端口易堵死。
針對現(xiàn)有水平排泥管易堵塞的問題，中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、排泥管不易堵塞、排泥流暢的上向流排泥管沉淀池技術(shù)（專利號：ZL201110188269. 3），可有效增強(qiáng)沉淀池的排泥效果，改善沉淀池的出水水質(zhì)。與復(fù)合沉淀池配套使用，主要在以下兩方面解決了排泥不暢的難題：
①排泥豎管進(jìn)泥端口設(shè)喇叭口。便于沉淀池泥流依靠虹吸從排泥管入口向上流入排泥管，且進(jìn)泥口不會堵塞。
②排泥管起始段是豎直管，豎直管垂直安裝于排泥斗，便于排泥。排泥斗的泥流依靠虹吸從入口向上流入排泥管（見圖5），間歇排泥時排泥管入口的泥流在重力作用下流回排泥斗，排泥通暢，克服了水平排泥管管口易堵塞的缺點(diǎn)，徹底解決了沉淀池排泥管入口易堵塞、排泥不暢的問題。
2.3 技術(shù)特點(diǎn)
①結(jié)構(gòu)簡單，實施方便，出水水質(zhì)更優(yōu)
復(fù)合沉淀池不額外增加斜管、斜板、過濾介質(zhì)以及其他機(jī)械設(shè)備等，只是對現(xiàn)有的兩個成熟池型進(jìn)行優(yōu)化組合，結(jié)構(gòu)簡單，容易實施。優(yōu)化組合后增強(qiáng)了沉淀效果，減輕了后續(xù)構(gòu)筑物濾池的負(fù)荷壓力，因此提升了出水產(chǎn)品品質(zhì)。
②適用性強(qiáng)，抗沖擊負(fù)荷能力加強(qiáng)，效果穩(wěn)定
復(fù)合沉淀池結(jié)合了斜管沉淀池適用冬季低溫低濁水、平流沉淀池可處理夏季高濁水的特點(diǎn)，可以適應(yīng)北方和南方的不同水質(zhì)，對各種原水水質(zhì)適用范圍更廣，抗沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)，出水濁度長期小于0.3NTU。
③改善排泥性能，提高沉淀效率
大量的礬花與泥渣在前端平流段沉淀，從而減輕了斜管沉淀池的泥量負(fù)荷，使位于復(fù)合沉淀池后部的斜管沉淀池前端不再積泥，前端斜管不易損壞；池底裝有刮泥小車等機(jī)械排泥設(shè)備，實現(xiàn)了對復(fù)合沉淀池的機(jī)械排泥，徹底解決了沉淀池排泥不暢的問題，減輕了后續(xù)構(gòu)筑物濾池的負(fù)荷壓力，獲得了更潔凈的處理水。
④降低運(yùn)行成本
前端斜管不易損壞，延長了斜管沉淀池的使用壽命，降低了斜管更換率；泥渣沉淀效率高，排泥通暢，減少了排泥次數(shù)、反沖洗次數(shù)，相應(yīng)節(jié)約了水廠自用水量；排泥廢水含水率降低，廢水量減少，同時降低了廢水提升費(fèi)。
⑤節(jié)省占地及投資
復(fù)合沉淀池節(jié)省了占地面積，寒冷地區(qū)相應(yīng)也減少了外圍護(hù)面積，節(jié)約了投資。
⑥實施效果穩(wěn)定
目前應(yīng)用的幾個大型給水廠都已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行多年，有北方的也有南方的，經(jīng)歷了冬季原水低溫低濁、夏季洪水高濁的考驗，沉淀池運(yùn)行良好，排泥通暢，水廠出水濁度長期達(dá)到0.3NTU以下，運(yùn)行效果穩(wěn)定，證明了此專利技術(shù)應(yīng)用于實際工程是成功的，為我國南北方城市新建水廠的沉淀池設(shè)計提供了寶貴經(jīng)驗。
3 復(fù)合沉淀池技術(shù)應(yīng)用
目前，復(fù)合沉淀池技術(shù)在給水處理工程中已有大量成功的工程案例，由于復(fù)合沉淀池處理效果優(yōu)異，相關(guān)應(yīng)用項目也獲得了國家級、省部級的多個優(yōu)秀勘察設(shè)計獎項。復(fù)合沉淀池部分應(yīng)用項目見表1。
3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析
近幾年15個采用復(fù)合沉淀池的典型項目，總產(chǎn)水量為327×104m3/d，年產(chǎn)水量為11.94×108m3?？偨Y(jié)分析這些項目，發(fā)現(xiàn)復(fù)合沉淀池帶來的運(yùn)行成本縮減主要體現(xiàn)在排泥水量減少，反沖洗次數(shù)減少，相應(yīng)減少自用水量1%，按照原水費(fèi)0.2元/m3估算；降低斜管更換率1%/a，斜管造價700元/m2；排泥廢水按規(guī)模的1%計，排泥含水率降低，廢水量減少30%；提升水泵揚(yáng)程按15m計算，電費(fèi)按0.5元/(kW?h)估算，各水廠年運(yùn)行累計節(jié)約費(fèi)用：節(jié)省原水費(fèi)約238.8萬元，減少斜管更換費(fèi)約445.76萬元，減少原水提升費(fèi)用約14.89萬元。
3.2 工程應(yīng)用
3.2.1 烏魯木齊市南郊凈水廠工程
南郊水廠一期供水規(guī)模20×104m3/d，二期供水規(guī)模40×104m3/d。南郊凈水廠水源由烏拉泊水庫供水，烏拉泊水庫水冬季為低溫低濁，夏季洪水季節(jié)可能產(chǎn)生高濁現(xiàn)象，采用機(jī)械混合+折板絮凝+復(fù)合沉淀池+V型濾池工藝。在此工程應(yīng)用中，復(fù)合沉淀池對高濁水處理表現(xiàn)出極強(qiáng)的短時適應(yīng)性，可以承受SS為3000mg/L的高濁度短時間沖擊。
復(fù)合沉淀池（見圖6）單座尺寸為43.20m×29.30m×5.00m，平流段分4格，單格寬7.08m。正常負(fù)荷下平流段水平流速14.30mm/s，沉淀時間15.20min。后沉淀采用上向流斜管沉淀池，每座設(shè)置斜管沉淀池2組，單組長30m，寬14.45m，設(shè)計上升流速1.43mm/s。長期運(yùn)行效果表明,復(fù)合沉淀池耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，對流量波動不敏感。投產(chǎn)后凈水廠全年出水效果穩(wěn)定，出水濁度<0.5NTU。
3.2.2 蘭州市水源地建設(shè)工程
蘭州市水源地建設(shè)工程是涵蓋給水處理系統(tǒng)中取、輸、凈、配水全流程的大型工程,水源來自黃河上游的劉家峽水庫。
彭家坪凈水廠供水規(guī)模100×104m3/d，是蘭州市供水歷史上投資最大、投入集中建設(shè)工期最短、技術(shù)含量最高的超大型凈水廠。王海梅等根據(jù)原水具有冬季低溫低濁、夏季短時高濁度的特點(diǎn)，采用機(jī)械混合+折板絮凝+復(fù)合沉淀池+氣水反沖洗濾池，再經(jīng)UV+次氯酸鈉消毒后供給用戶，并將以上構(gòu)筑物綜合設(shè)計在兩座水處理設(shè)施間。
彭家坪凈水廠1號水處理設(shè)施間的處理規(guī)模為25×104m3/d（內(nèi)設(shè)一座池體，單座處理規(guī)模25×104m3/d），2號水處理設(shè)施間的處理規(guī)模為50×104m3/d（內(nèi)設(shè)兩座池體，單座處理規(guī)模25×104m3/d），池體尺寸為64.0 m×24.2 m×5.0 m，其中復(fù)合沉淀池主要設(shè)計參數(shù)為：①平流段長19.6 m，沉淀時間18.2 min，水平流速17.95 mm/s；②斜管段長44 m，表面負(fù)荷為5.04 m3/(m2?h)。彭家坪凈水廠復(fù)合沉淀池見圖7。
3.2.3 福建長樂市東區(qū)水廠EPC工程
福建長樂市東區(qū)水廠設(shè)計凈水能力10×104m3/d，超負(fù)荷凈水能力12×104m3/d。長樂東區(qū)水廠取水口位于閩江下游咸潮河段，每年10月―次年3月經(jīng)常發(fā)生海水倒灌進(jìn)閩江內(nèi)河，咸潮入侵及暴雨后短期的原水高濁度、低pH值是水廠面臨的主要問題，復(fù)合沉淀池工藝在東南地區(qū)的閩江水系得到首次應(yīng)用，并取得成功。
該項目的復(fù)合沉淀池單座尺寸為43.2m×29.3m×5.0m，其中平流段長13 m，斜管段長30m。平流段正常負(fù)荷下水平流速14.3mm/s，沉淀時間15.2min。在超負(fù)荷20％工況下，水平流速17mm/s，沉淀時間12.7min。斜管段正常負(fù)荷下設(shè)計液面負(fù)荷5.15 m3/(m2?h)，上升流速1.43 mm/s。超負(fù)荷20％工況下，設(shè)計液面負(fù)荷6.13 m3/(m2?h)，上升流速1.70 mm/s。沉后水濁度長期低于1NTU，為濾后水濁度≤0.3NTU奠定基礎(chǔ)。經(jīng)檢測，出廠水濁度穩(wěn)定在0.1NTU以下，自2012年通水以來，各項技術(shù)指標(biāo)和施工質(zhì)量均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計要求，為保證長樂市市民用水和城市各項事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。福建長樂市東區(qū)水廠復(fù)合沉淀池實景見圖8。
4 結(jié)語
復(fù)合沉淀池通用性強(qiáng)，可應(yīng)用于各種規(guī)模給水處理工程；沉淀效果好，適應(yīng)各種原水水質(zhì)；抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，占地面積小，工程投資省，運(yùn)行費(fèi)用低，在南北方不同給水處理工程中均有成功應(yīng)用，在給水處理領(lǐng)域具有明顯的先進(jìn)性和實用性，對行業(yè)的發(fā)展具有積極影響。