雙層平流沉淀池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王學(xué)福，齊敦哲，朱寅春，閆東晗

（1.寧夏寧東水務(wù)有限責(zé)任公司，寧夏寧東 750004；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

平流沉淀池是一種歷史悠久的沉淀池型，因?yàn)樗哂袠?gòu)造簡單、池深淺、造價(jià)低、操作維護(hù)方便、對原水水質(zhì)水量變化適應(yīng)能力強(qiáng)、藥耗和能耗低、便于排泥等優(yōu)點(diǎn)，在大、中型水廠得到廣泛應(yīng)用[1-3]。然而隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，大中型城市的可利用建設(shè)用地不斷減少，土地征地費(fèi)用不斷增高。因此，新建水廠工程的建設(shè)場地面積往往受限，平流沉淀池占地面積過大的缺點(diǎn)日益凸顯。雙層平流沉淀池在繼承普通平流沉淀池優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有效提高了處理效率，減少了占地面積，使建設(shè)用地較少的緊湊型水廠采用平流沉淀池成為可能，但雙層沉淀池在國內(nèi)的實(shí)踐應(yīng)用不多，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也相對較少，本文將就該池型在國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹，并總結(jié)雙層沉淀池的主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 雙層平流沉淀池概述

雙層平流沉淀池是根據(jù)淺池理論從平流沉淀池發(fā)展起來的一種多層沉淀池的，通過增加一層沉淀池底板，將原有的平流沉淀池分隔形成了兩座較淺的平流沉淀池，從而提高了沉淀池的處理效率和去濁效果，沉淀池停留時(shí)間也可相應(yīng)降低。由于增加了沉淀池的有效水深，雙層沉淀池的池長得以縮短，占地面積可大大減少。就沉淀池排泥系統(tǒng)而言，原水經(jīng)過絮凝反應(yīng)后，較為輕質(zhì)的絮凝體通過上層沉淀池排出；而較重的絮凝體顆粒，則通過下層沉淀池排泥。上層沉淀池排泥可通過虹吸式吸泥機(jī)、底部刮泥機(jī)實(shí)現(xiàn)排泥，下層沉淀池則一般通過底部刮泥機(jī)實(shí)現(xiàn)排泥。

2 雙層平流沉淀池在國內(nèi)的應(yīng)用

目前，該池型在國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例較少，僅在浙江桐鄉(xiāng)運(yùn)河水廠和大連三道溝水廠等水廠建成運(yùn)行，沉淀池運(yùn)行狀況良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

表1 國內(nèi)部分采用多層平流沉淀池的工程實(shí)例Tab.1 Some Application Examples of Double-Deck Horizontal Sedimentation Tank in China

2.1 浙江桐鄉(xiāng)運(yùn)河水廠

浙江桐鄉(xiāng)運(yùn)河水廠[4]以京杭古運(yùn)河河水為水源，原水水質(zhì)常年介于Ⅳ～Ⅴ類之間，溶解氧低、耗氧量及氨氮較高，為典型的微污染原水。2006年6～8月試運(yùn)行期間，水廠平均進(jìn)水濁度為124.45 NTU，其中，最高進(jìn)水濁度504，最低進(jìn)水濁度41.2。為保證出廠水水質(zhì)符合要求，桐鄉(xiāng)水廠采用了生物填料流化床預(yù)處理＋強(qiáng)化常規(guī)工藝＋臭氧生物活性碳深度處理工藝。其中常規(guī)工藝的沉淀單元采用了雙層平流＋斜板組合沉淀池。

桐鄉(xiāng)運(yùn)河水廠雙層沉淀池的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：單池設(shè)計(jì)流量 q=0.912 m3／s；平流段沉淀時(shí)間 T=1 h；水平流速 v=12.4 mm ／s；有效水深，上層 H1=2.5 m，下層 H2=2.5 m；沉淀池平面尺寸 L×B=64 m×16.25 m。沉淀池沿池寬方向分為2格，中間用隔墻分開，每格寬8 m。沉淀池上層在池后段裝異向流斜板組，斜板上部的清水上升流速為3.2 mm／s,水力停留時(shí)間為6 min。沉淀池排泥系統(tǒng)采用往復(fù)式刮泥機(jī)，污泥被刮泥機(jī)刮入設(shè)在沉淀池進(jìn)水端的污泥斗（每層均有一個(gè)），污泥含固率理論上可達(dá)3%以上。

目前，該水廠沉淀池運(yùn)行效果良好，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

2.2 大連三道溝水廠

大連三道溝凈水廠[5]改擴(kuò)建工程一期工程設(shè)計(jì)規(guī)模20萬m3／d，原水采用碧流河水庫水，進(jìn)水濁度較低。水廠生產(chǎn)工藝流程為小孔眼網(wǎng)格反應(yīng)池+串聯(lián)式雙層平流沉淀池+V型濾池，其中反應(yīng)池和沉淀池合建，一期工程規(guī)模為20萬m3／d，反應(yīng)沉淀池共設(shè)2座（每座分兩組），平行布置。

三道溝凈水廠雙層沉淀池的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：單池設(shè)計(jì)流量 q=0.607 m3／s；池長 L=63.2 m，寬 B=15.3 m；上層有效水深 H1=3.5 m，沉淀時(shí)間 T=1.5 h；水平流速 v=11.6 mm／s；下層有效水深 H2=3 m，沉淀時(shí)間 T=1.3 h；水平流速 v=13.5 mm／s。沉淀池沿池寬方向分為2格，中間用隔墻分開，每格寬7.5 m。沉淀池上層采用池底泵吸刮泥機(jī)排泥，將沉泥通過排泥軟管排出，下層采用液壓往復(fù)式刮泥機(jī)排泥，將沉淀污泥徑向刮入池底部污泥斗，經(jīng)排泥管排出。

目前，在進(jìn)水達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，沉淀池出水濁度基本穩(wěn)定在1NTU以下。

3 雙層沉淀池的設(shè)計(jì)

3.1 雙層沉淀池的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

雙層沉淀池通過加深沉淀池的有效水深，大大縮短了池體的長度，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)。與普通平流沉淀池相比，在工程設(shè)計(jì)上，主要有以下幾點(diǎn)不同：

1） 沉淀池設(shè)為雙層，沉淀效率更高，因此沉淀時(shí)間可適當(dāng)縮短。

2） 由于池深較深，沉淀池過水?dāng)嗝娲蟠笤黾樱搅魉傧鄬^低，應(yīng)注意控制水平流方向上的弗勞德數(shù)。

3） 雙層沉淀池的排泥系統(tǒng)較為復(fù)雜，下層沉淀池?zé)o法采用傳統(tǒng)的虹吸式吸泥機(jī)。

4）由于池深增加，而池寬不變，集水區(qū)的指型槽布置較普通平流沉淀池少，單根指型槽出水符合較高。

3.2 工程概況

北方某新建水廠工程，設(shè)計(jì)規(guī)模40萬m3／d，水源采用水庫水，水廠采用雙層平流沉淀池+雙層濾料濾池。原水pH值基本穩(wěn)定在7.5～8.5之間；而濁度則變化較大，但均在 13 NTU 以下，在 6、7、8、9 幾個(gè)月份當(dāng)中，濁度達(dá)到了8～13 NTU，其余月份的濁度則在 1～4 NTU 之間；CODMn值穩(wěn)定在 2.6～3.8 mg／L之間，氨氮則大部分在0.3 mg／L以下。原水為低溫低濁水，總體水質(zhì)較好，屬于Ⅱ～Ⅲ類水。

3.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

雙層沉淀池分為獨(dú)立的四座，每座按10萬m3／d規(guī)模設(shè)計(jì)，包括折板絮凝反應(yīng)池和雙層沉淀池。單座平面尺寸 80.45 m×21.65 m。

絮凝池長度 22.70 m，寬度 21.65 m，有效水深6.6 m，絮凝池停留時(shí)間28 min。分為三段絮凝反應(yīng)。第一級反應(yīng)時(shí)間7.6 min，第二級反應(yīng)時(shí)間9.3 min，第三級反應(yīng)時(shí)間11.1 min。出水經(jīng)過穿孔花墻進(jìn)入雙層沉淀池。折板絮凝池底部設(shè)有排泥管，定期排除積泥，排泥水泵送至排泥水調(diào)節(jié)池，進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。

雙層平流沉淀池停留時(shí)間91 min，水平設(shè)計(jì)流速 10.1 mm／s。上層沉淀池池深 2.95 m，設(shè)有虹吸式吸泥機(jī)；下層沉淀池池深3 m，采用單軌式刮泥機(jī)。下層沉淀池共設(shè)兩條排泥斗，其中一條在配水花墻出水處，一條在集水區(qū)端部，多條排泥斗可有效減少底部刮泥機(jī)的刮泥距離，提高排泥效率。上層沉淀池污泥由虹吸式吸泥機(jī)排出池外后，經(jīng)上層排泥渠重力流排出至污泥處理系統(tǒng)，下層沉淀池污泥由單軌式刮泥機(jī)推至臨近泥斗，利用池面水壓從安裝在污泥斗內(nèi)的排泥管排至平排泥渠，污泥重力流流至排泥渠端頭積泥坑，通過坑內(nèi)的潛污泵壓力輸送至進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)。

雙層沉淀池出水端采用穿孔集水槽集水，集水槽共設(shè)12根，長15.2 m。出水渠道設(shè)有助濾劑投加點(diǎn)及混合井。助濾劑通過機(jī)械攪拌設(shè)備混合，反應(yīng)時(shí)間30 s。

圖1 雙層平流沉淀池上層平面工藝布置圖Fig.1 Upper Floor of Double-Deck Horizontal Sedimentation Tank

圖2 圖2雙層平流沉淀池下層平面工藝布置圖Fig.2 Down Floor of Double-Deck Horizontal Sedimentation Tank

3.4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

雙層平流沉淀池在設(shè)計(jì)規(guī)范上，仍然沿用普通平流沉淀池的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50013—2006）中關(guān)于絮凝及平流沉淀池的相關(guān)規(guī)定。雖然雙層沉淀池和普通平流沉淀池在設(shè)計(jì)參數(shù)上較為類似，但在具體設(shè)計(jì)中仍有較多不同，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.4.1 折板絮凝區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

和普通平流沉淀池一樣，雙層沉淀池的絮凝區(qū)一般可采用折板絮凝方式，但由于雙層沉淀池的池體較深，從池體結(jié)構(gòu)布置合理性出發(fā)，宜將絮凝區(qū)底板與沉淀區(qū)泥斗出底板標(biāo)高做平（即絮凝區(qū)底板標(biāo)高與沉淀池排泥斗底板標(biāo)高相同），與普通平流沉淀池相比，絮凝區(qū)水深更深。在本工程中，絮凝區(qū)的有效水深為6.6 m。

圖3 雙層沉淀池剖面布置圖Fig.3 Cross Section of Double Deck Horizontal Sedimentation Tank

3.4.2 沉淀區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

沉淀區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1）普通平流沉淀池的有效水深一般在 3.0～3.5 m，雙層沉淀池是利用淺池理論，將沉淀池分隔為上下兩層相對較淺的沉淀池，單層有效水深宜設(shè)在2.5～3 m，但單層水深不宜過淺，否則將使沉淀池池長變長或池寬變寬，增加占地面積。

2）由于池體有效水深較深，其過水?dāng)嗝孑^普通平流沉淀池大，故設(shè)計(jì)水平流速可取低值，一般在10～15 mm ／s。

3）通過分層，沉淀池單層水深較淺，處理效率相對較高，沉淀池停留時(shí)間可按規(guī)范下限確定，即1.5 h。

4）由于雙層沉淀池水平流速較低，其水平流方向弗勞德數(shù)往往較小，甚至?xí)霈F(xiàn)低于1×10-5。因此，雙層沉淀池應(yīng)考慮設(shè)置縱向隔墻，以增大濕周而降低水力半徑，從而增大弗勞德數(shù)，同時(shí)降低雷諾數(shù)，其中弗勞德數(shù)一般控制在1×10-4～1×10-5之間，雷諾數(shù)一般控制在4 000～15 000間。

5）由于沉淀區(qū)水深較深，而池體寬度并未增加，在以常規(guī)間距布置指型集水槽后，會出現(xiàn)指型槽出水負(fù)荷過高的問題。因此，在布置指型槽時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加槽長，在池壁兩側(cè)也應(yīng)設(shè)置半根指型槽，以降低出水負(fù)荷至300 m3（／m·d）以下。

6）建議在指型集水槽下部預(yù)留斜板（或斜管）區(qū)，以便在原水水質(zhì)惡化的情況下，加裝斜板（或斜管），進(jìn)一步提高處理效果，確保出水水質(zhì)。

3.4.3 沉淀池排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

與普通平流沉淀池相比，雙層沉淀池的排泥系統(tǒng)較為復(fù)雜，主要有以下幾點(diǎn)需要注意：

1）在桐鄉(xiāng)運(yùn)河水廠中，雙層沉淀池的排泥，均依靠往復(fù)式刮泥機(jī)排出。但在本工程中，上層沉淀池的排泥由虹吸式吸泥機(jī)完成，而下層采用單軌式底部刮泥機(jī)，這樣的配置更為合理。與下層沉淀池的污泥相比，上層沉淀池的污泥相對較輕、泥量較少，若采用底部刮泥機(jī)，在推動過程中較易將輕質(zhì)積泥揚(yáng)起，影響出水水質(zhì)。而虹吸式吸泥機(jī)比較適合于抽取濃度較低的污泥，且不會擾動影響表層出水，確保了出水濁度。此外，吸泥機(jī)在水中的零件較少，也便于維護(hù)，而下層沉淀池的污泥相對較重，采用單軌式底部刮泥機(jī)不易揚(yáng)起，同時(shí)排泥的濃度也相對較高。

2）本工程中排泥渠設(shè)置為上下兩層，下層排泥渠主要負(fù)責(zé)排放絮凝區(qū)及沉淀池下層的積泥，并在排泥渠末端設(shè)置潛水排污泵，將污泥泵送至排泥水處理系統(tǒng)；而上層排泥渠則主要負(fù)責(zé)排除上層沉淀池的積泥，并通過重力直接輸送至排泥水系統(tǒng)。兩層排泥渠的分層設(shè)置，有效利用了上層污泥的高勢能，降低了污泥輸送的能耗。同樣，上層沉淀池在放空時(shí)，也可利用上層排泥渠，重力排空，避免提升。

4 結(jié)論

相對普通平流沉淀池而言，雙層平流沉淀池具有處理效率更高、占地面積更小的特點(diǎn)，適用于建設(shè)用地較為緊張的水廠工程。通過合理的設(shè)置設(shè)計(jì)參數(shù)以及優(yōu)化系統(tǒng)布置排泥系統(tǒng)，可以使雙層平流沉淀池的運(yùn)行更為優(yōu)化、節(jié)能。本文所總結(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)和要點(diǎn)，可供類似工程借鑒參考。

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