沉淀工藝的研究進展

秦麗華

0 引言

目前,國內外的給水處理工藝大多采用沉淀(澄清)過濾和消毒形式,其中沉淀部分對原水中懸浮物的去除顯得尤為重要。沉淀池作為去除水中懸浮物的主要設施之一,在水行業得到了廣泛的應用。縱觀沉淀構筑物的發展可以發現,在20世紀60年代以前主要采用平流式、豎流式和輻流式沉淀池,60年代起各種澄清池盛行一時,70年代后,主要是斜管、斜板及復合型沉淀池。沉淀構筑物形式的改進提高了沉淀分離的效率。沉淀池的設計和開發都是圍繞怎樣增加沉淀面積和改變水流流態這兩方面進行的。沉淀池的設計總是以提高沉淀池的沉降效率為目的。提高沉降效率有兩種方法:1)縮短顆粒的沉淀距離、增大沉淀池面積,斜板(管)沉淀池屬這一類;2)增大礬花顆粒的下沉速度,通過采用高效絮凝劑和優化絮凝工藝來實現。

1 平流式沉淀池

平流式沉淀池是目前我國大中型給水廠使用最廣泛的池型,具有結構簡單、管理方便、耐沖擊負荷強等優點。平流式沉淀池為矩形,上部為沉淀區,下部為污泥區,池前部有進水區,池后部有出水區。經混凝的原水流入沉淀池后,沿進水區整個截面均勻分配,進入沉淀區,然后緩慢流向出口區。水中的顆粒沉于池底,沉積的污泥定期排出池外。

2 斜板(管)沉淀池

斜板(管)沉淀是把與水平面成一定角度(一般為60°)的眾多斜板(管)組件置于沉淀池中。水流可從下向上或從上向下流動,顆粒則沉于底部,而后自動滑下。從改善沉淀池水力條件來分析,由于沉淀池水力半徑大大減小,從而使雷諾數Re大為降低,弗勞德數Fr大為提高,滿足了水流穩定性和層流的要求。為了進一步提高沉淀效率,許多改良型的斜板(管)沉淀池應運而生。

2.1 迷宮式斜板沉淀池

迷宮式斜板沉淀池是在普通斜板沉淀池的斜板垂直方向上安裝數道翼形葉片,翼形葉片將進入的水流分為主流區、旋流區和環流區。位于主流區內的絮體,在流速和沉速的共同作用下,逐步下沉。在旋渦區的絮體,被強制輸送到環流區,每經過一個翼片截留一些絮體。進入環流區的絮體,在環流作用下,呈螺旋形運動并沿翼片下沉到池底。迷宮斜板沉淀池的渦旋區的渦旋強制輸送和環流區的高效沉淀作用,使其具有較高的沉淀效率。迷宮斜板的顆粒分離屬于動態分離,特別是在渦旋區,它包括了旋流作用下進行的重力、流體阻力和慣性力等作用的分離過程,而且在主流區和旋流區產生的質量交換也有使絮體互相碰撞絮凝的作用。因此,其處理效果優于普通斜板沉淀。

2.2 小間距斜板沉淀池

斜板(管)沉淀池中水流在理論上處于層流狀態,其實不然,實際上在斜管沉淀池中水流是有脈動的,這是因為當斜管中大的礬花顆粒在沉淀中與水產生相對運動,會在礬花顆粒后面產生小渦旋,這些渦旋產生的運動造成了水流的脈動。這些脈動對于大的礬花顆粒沒有影響,對于反應不完全的小顆粒的沉淀起到頂托作用,故此也就影響了出水水質。為了克服這一現象,抑制水流的脈動,小間距斜板沉淀設備應運而生。

這一設備有以下優點:1)由于間距明顯減少,礬花沉淀距離也明顯減少,使更多小顆粒可以沉淀下來;2)由于間距減小,水力阻力增大,使之占水流在沉淀池中水流阻力的主要部分,這樣沉淀池中流量分布均勻,與斜管相比,明顯改善了沉淀條件;3)排泥性能遠優于其他形式的淺層沉淀池,因為這種設備基本無側向約束,設備沉淀面積與排泥面積相等。

3 高密度沉淀池

高密度沉淀工藝是在傳統的平流沉淀池的基礎上,充分利用了動態混凝、加速絮凝原理和淺池理論,把混凝、強化絮凝、斜管沉淀三個過程進行優化。主要基于4個機理:獨特的一體化反應區設計、反應區到沉淀區較低的流速變化、沉淀區到反應區的污泥循環和采用斜管沉淀布置。反應池分為2個部分:快速混凝攪拌反應池和慢速混凝推流式反應池。快速混凝攪拌反應池是將原水引入到反應池底板的中央,在圓筒中間安裝一個葉輪,該葉輪的作用是使反應池內水流均勻混合,并為絮凝和聚合電解質的分配提供所需的動能。礬花慢速地從預沉池進入到澄清池,這樣可避免礬花破碎,并產生渦旋,使大量的懸浮固體顆粒在該區均勻沉積。礬花在澄清池下部匯集成污泥并濃縮。濃縮區分為兩層:上層為再循環污泥的濃縮,下層是產生大量濃縮污泥的地方。逆流式斜管沉淀區將剩余的礬花沉淀。通過固定在清水收集槽進行水力分布,斜管將提高水流均勻分配。清水由一個集水槽系統收回。絮凝物堆積在澄清池下部,形成的污泥也在這部分區域濃縮。

該沉淀池有以下幾方面的優點:1)將混合區、絮凝區與沉淀池分離,采用矩形結構,簡化池型;2)沉淀分離區下部設污泥濃縮區,占地少;3)在濃縮區和混合部分之間設污泥外部循環,部分濃縮污泥由泵回流到機械混合池,與原水、混凝劑充分混合,通過機械絮凝形成高濃度混合絮凝體,然后進入沉淀區分離。

4 新型中置式高密度沉淀池

新型中置式高密度沉淀池是上海市政工程研究總院設計的新池型,該工藝過程集中了斜管沉淀池、機械攪拌澄清池和高密度沉淀池的優點,將混合、絮凝、沉淀、污泥濃縮綜合于一體。中置式高密度沉淀池設有5個過程區:混合區、絮凝反應區、分離沉淀區、濃縮排泥區和分離出水區。

新型中置式高密度沉淀池有以下優點:1)占地小;2)絮凝時間較短,由于污泥回流,可形成高濃度混合液,大大提高了絮凝效果,縮短了機械攪拌階段的絮凝時間;3)布水均勻,由于采用了池中向兩側均勻布水形式,大大縮短了布水路徑,從而有效避免了布水不均影響出水水質的問題;4)減少了加藥量;5)沉淀池的水流流勢合理,由于進出沉淀池水流是由下而上再由下而上垂直運動,泥水分離效果更徹底,不宜跑礬花;6)水廠可不設濃縮池,由于沉淀池底采用濃縮刮泥,污泥含固率高,可直接進行脫水處理;7)結構設計簡單,布置簡潔合理。

5 攔截式沉淀池

攔截式沉淀池是集重力、碰撞吸附力、接觸吸附力等多種沉降作用于一體的沉淀池,提高了顆粒沉降效率。攔截式沉淀池是在池內裝有攔截體,對水中自由運動的顆粒設置障礙,顆粒運動時與攔截體在三維空間發生碰撞,這樣運動顆粒在三維空間上與固定的攔截體實現了碰撞靜止,即顆粒運動速度為零。這是由于顆粒靠攔截體摩擦力的約束,便于附著和吸附在攔截體上,攔截體吸附了無數小顆粒靜止的等待不斷運動的顆粒碰撞,結成大泥團,當泥團達到足夠質量后便克服攔截體摩擦力沉淀下來。由于水中顆粒運動是在三維空間上與固定的攔截體碰撞沉淀,因此呈現出多向性和短距離,不論顆粒尺寸、質量、形狀有何差異,只要與攔截體碰撞均能附著在攔截體上形成大泥團沉淀。攔截沉淀對于處理低濁水效果十分理想,不使用助凝劑,處理相同水量,攔截沉淀池可較其他沉淀池混凝劑用量降低20%左右。

[1]何文杰.安全飲用水保障技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[2]嚴煦世,范瑾初.給水工程[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.

[3]王紹文,陳潤明.一種小間距斜板沉淀設備:中國專利,ZL95205209[P].1997-04-16.

[4]許嘉炯,沈裘昌,雷 挺,等.新型中置式高密度沉淀池的開發與運用[J].給水排水,2007(33):19-24.