輻流沉淀池在高濁度水預處理中的應用

程 萬 達

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200000)

1 概述

某西北工業園區供水工程近期建設規模為6.2萬m3/d，遠期建設規模為20萬m3/d，水源來自于黃河下游河段，根據取水口附近水文站實測數據顯示，原水在汛期最大日平均含沙量達31.4 kg/m3,峰值含沙量達65.6 kg/m3，原水全年平均含沙量近1.57 kg/m3，為典型的高濁度水處理工程，考慮到原水濁度較高，沙峰持續時間較長，一級沉淀處理工藝無法滿足濾池進水水質要求，擬采用多級處理工藝，即“預沉處理+常規處理”工藝。

2 高濁度水沉降特性

高濃度水的沉降特性根據水體中含沙量不同可分為四種類型，即自由沉降、絮凝沉降、界面沉降和壓縮沉降。當原水含沙量較低(<6 kg/m3)且泥沙顆粒組成較粗時，一般具有自由沉降特性，當原水含沙量較高(6 kg/m3以上，15 kg/m3～20 kg/m3以下)時，泥沙顆粒之間由于自然絮凝作用而形成絮凝沉降，當原水中含沙量更高時(>20 kg/m3)，泥沙顆粒之間干擾和制約作用更為明顯，形成均濃渾水層。均濃渾水層以同一速度整體下沉，產生明顯的清水與渾水分界面，又稱渾液面，此類沉降即為界面沉降。當原水中含沙量繼續增大，泥沙顆粒組成均勻體系壓縮脫水，即為壓縮沉降。

黃河流域高濁度水遵循界面沉降規律，渾液面的下沉速度代表了泥沙顆粒的平均沉降速度，由此，預沉處理中沉淀池按渾液面沉速進行設計。

3 預沉池池型比選

根據CJJ 40—2011高濁度給水設計規范,當采用多級處理流程的第一級預沉構筑物，應具有較大泥沙濃縮容積和可靠的排泥設施，可采用輻流沉淀池、平流沉淀池或斜管(板)沉淀池，對此三種池型，可以采用混凝沉淀方式運行，也可在沙峰期間進行混凝沉淀，其他時間采用自然沉淀方式運行。

在高濁度水的預沉處理中，要保證對高濁度水的處理安全可靠，能否適應高濁度水的短期濁度變化及順利排泥是關鍵。每次高濁度水沙峰的出現過程，來的急，去的慢。濁度值變化很大，給預沉處理工藝帶來較大沖擊負荷，且高濁度水進入預沉池內，會出現密度異重流，若水處理構筑物容積較小，則抗沖擊負荷能力較差，將可能出現渾水出流現象。三種預沉池池型特點對比如表1所示。

表1 不同預沉池池型特點比較表

在高濁度水沙峰來臨時，輻流沉淀池以清水頂渾水的方式運行，可作為減少或停止供水前的過渡措施。當沙峰持續時間較短，在適當減少出水量情況下，也能安全避過沙峰。且輻流沉淀池耐沖擊負荷能力較強，排泥效果良好，結合周邊縣市高濁度水處理工程實踐經驗，工程采用輻流沉淀池對原水進行預沉處理。

4 輻流沉淀池設計要點

根據CJJ 40—2011高濁度給水設計規范，原水含沙量較低時可采用自然沉淀，原水含沙量較高時采用投加有機高分子絮凝劑進行混凝沉淀，自然沉淀時采用的最高設計含沙量應結合泥沙顆粒組成、沙峰時間確定，且不宜超過20 kg/m3，結合蘭州市自來水公司對黃河水進行預沉處理實際運行情況，當原水含沙量超過15 kg/m3時，水體中顆粒的沉降行為已經表征為制約沉淀，渾液面沉速較低，須采用混凝沉淀才可保證安全供水。同時，考慮到近年來黃河水質存在不穩定現象，原水中有機物含量逐年增加，為利于水中膠體顆粒脫穩，保證后續處理工藝運行穩定，減輕后續處理工藝負荷，確定采用自然沉淀時的最大原水含沙量為15 kg/m3。

進水管、出水管及進水管、排泥管剖面圖見圖1。

4.1 輻流沉淀池面積

單座輻流沉淀池的面積應結合自然沉淀及混凝沉淀兩種工況下的渾液面沉速、絮凝顆粒中的泥沙密度計算，計算公式如下：

F=F1+F2=1 000αQ/u+nf。

其中，F1為清水分離區凈面積,m2；F2為進水豎管周圍股流區面積,m2；α為靜、動水沉降速度比值，一般取1.3～1.35，本次設計取1.35；Q為設計單池出水量,m3/s；n為輻流沉淀池個數，不宜少于2個，本工程取4個；f為單個進水豎管周圍股流區面積，一般為0 m2～30 m2，本工程取30 m2；u為靜止沉淀渾液面沉速，與泥沙濃度及溫度等因素有關，混凝沉淀時，渾液面沉速參考范圍為0.1 m/s～0.2 m/s,結合沉淀試驗及周邊縣市數據，本工程取0.12 m/s，自然沉淀時，渾液面沉速按下式進行計算：

其中，v為渾液面沉速,mm/s;v0為泥沙顆粒自由沉降速度，對黃河蘭州段，取0.157 mm/s；Cw為穩定泥沙重量濃度,kg/m3，本工程取12 kg/m3；Cp為顆粒中泥沙重量濃度，在Cw<100 kg/m3時，該值取400 kg/m3～410 kg/m3，本工程取410 kg/m3；Kv為系數，取4.01。

根據計算，當原水進行自然沉淀時，輻流沉淀池面積為10 512 m2，理論池體半徑為28.92 m；當原水進行絮凝沉淀時，輻流沉淀池面積為10 497 m2，理論池體半徑為28.9 m。實際設計中，輻流沉淀池單池直徑為60 m。

4.2 輻流沉淀池高度

輻流沉淀池高度采用下列公式進行計算：

H=H0+H1+H2；

H1=(R-r)i。

其中，H0為沉淀池周邊水深，一般采用2.4 m～2.7 m，本次設計采用2.7 m；H1為沉淀池圓錐臺部分高度,m；R為沉淀池半徑,m；r為沉淀池底部積泥坑半徑，本次設計取2 m；i為池底平均坡度，一般不小于5%，且應向池體中心逐漸加大，本次設計取平均坡度為8%；H2為輻流沉淀池超高，一般取0.5 m～0.8 m。

根據計算，沉淀池周邊水深2.7 m，中心池水深4.94 m，池體總高5.46 m，有效容積8 900 m3，停留時間約8.6 h。

4.3 輻流沉淀池進出水

輻流沉淀池的進水系統對預沉效果影響較大，為抑制進水出現短流現象，在中心配水孔外圍徑向2 m處設置有整流擋水套筒，以便于形成高濃度旋流絮凝區，提高加藥混凝效果和沉淀效率。同時，在進水管高處設自動排氣閥，首端設置計量設備，在低處設置放空管以便于停產檢修。為保證出水均勻，工程中采用可調式薄壁堰出水，堰口底保持在同一高程，堰口前設置浮渣擋板。

4.4 輻流沉淀池排泥

輻流沉淀池無論采用自然沉淀或混凝沉淀，池內沉積泥沙均由周邊傳動桁架式刮泥機排出，刮泥機轉速可調，刮泥臂的外緣線速度取4 m/min，刮泥機桁架上設置檢修棧橋，刮泥板距離池底高度10 cm。原水含沙量較低時，刮泥機采用間歇式運行排泥，排泥間隔周期由池內積泥量及濃縮時間確定，原水含沙量高時，采用連續排泥。

輻流沉淀池中心底部設有積泥坑，由靜水壓力將泥漿自池體底部排泥管道重力排至泥沙處理設施，排泥管設置在排泥管廊內，排泥管管道坡度不小于0.01，管徑除滿足排泥水量通過之外，還要考慮能夠順利將滑動的泥塊排出池外。池底排泥口設置控制閥門以控制排泥水量。本工程中排泥管管徑為DN500，管道坡度為0.012，排泥管在首端設置排泥閥，當連續排泥時，閥門開啟1/3左右，排泥管內呈非滿管流情況，當間歇排泥時，常出現大量泥塊滑動現象堵塞排泥閥門，此時可提高排泥閥門開度，加大排泥水量，保障運行安全。為便于輻流沉淀池排泥管及中心進水放空管檢修及維護，在排泥管廊內設高壓沖洗水、排水及通風設施，為避免排泥管產生淤塞，在排泥管上設置三處盲口進行清淤。排泥管廊內設有集水坑，檢修時集水坑內污水由移動潛水泵排放至廠區雨水管網。

4.5 輻流沉淀池防凍

考慮到工程所在區域為寒冷區域，為防止輻流沉淀池冬季水面結冰影響正常運行，結合周邊縣市水廠運行經驗，考慮采取臨時增加單池進水流量，加大池面出流速度或者刮泥機定時轉動破冰的防凍措施。

5 結語

1)輻流沉淀池具有池體容積大，適應水質及水量的變化能力強，排泥可靠且運行管理方便等特點，在高濁度水預處理中已得到越來越多的應用。

2)輻流沉淀池的面積確定主要由自然沉淀及混凝沉淀時渾液面沉速確定，渾液面沉速越小，單池面積越大，渾液面沉速越大，單池面積越小。

3)為保證輻流沉淀池冬季運行安全，應考慮采取防凍措施。

參考文獻:

[1] CJJ 40—2011,高濁度水給水設計規范[S].

[2] GB 50013—2006,室外給水設計規范[S].

[3] 嚴熙世,范瑾初.給水工程[M].第4版.北京：中國建筑工業出版社，1999.