高效沉淀池混合絮凝反應運行優化的研究

關鍵詞：高效沉淀池；深度處理；絮凝反應；化學除磷；流體仿真；運行優化；速度梯度中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）06-0272-06DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.080

Research on Optimization of Mixed Flocculation Reaction Operation in High-Efficiency Sedimentation Tanks

LUO Yu，XIE Lujin，YELin，ZHOU Bangwei，HUANG Zanfa，ZHOU Xiang （Haikou Water Group Co.，Ltd.，Haikou57010o，China）

Abstract：Asacommonlyusedadvanced treatment proces，theoperating principleofhigh-effciencysedimentation tanks isakeyconcern inthe watertreatment industry.At present，researchoneficientsedimentationtanksathomeandabroad mainly focusesonthe selectionanddosage oflocculantsand coagulants，reactionresidence time and otherparameters， however，thereisstillalackofresearchontheinfluenceof mixingandstiring hydraulicparametersonthecoagulationand sedimentationefect.Takingasewage treatmentplantinHaikoucityastheresearchbject，theinfluenceof thevelocity gradientandcirculatingflow state formedbytheflocculationsectionstiringontheoperating efectis investigatedthrough simulationexperimentsand hydraulic models.Research has found thatbychanging the shapeof the flocculationagitator andincreasingtheheightoftheflocculationguidetube，theflowstateinthereactiontankcanbeoptimized，andthevelocity gradientand circulationmultiplesofwatervolume increasehavebeen enhanced.Aftertheimplementationoftherenovation， thetreatmenteficiencyissignificantlyimproved，andthetotalphosphorusconcentrationintheefluentdecreasesby7.69 % ， asa phosphorus removal agent，the consumption of polyaluminum chloride decreases by 8.83% ：

Keywords：high-eficiencysedimentationtank;deeptreatment;flocculationreaction;chemical phosphorus removal;fluid simulation;operational optimization;velocity gradient

隨著污水處理廠尾水排放要求日趨嚴格，追求極致高效且占地緊湊的污水處理工藝是城鎮污水處理廠建設和改造的重要方向。高效沉淀、磁混凝和加砂等重介質沉淀、反硝化深床濾池、膜過濾、活性炭吸附等都是常用的高效污水深度處理技術[1]。其中，高效沉淀池因其運行方式簡單、運行成本較低，能高效去除二沉出水中剩余的總磷（TotalPhosphorus，TP）和懸浮物（SuspendedSolids，SS），被廣泛應用于城鎮污水處理廠。高效沉淀池的運行原理是先通過投加鐵鹽或鋁鹽混凝劑，使懸浮于污水中的膠體顆粒表面負電荷中和，脫穩并形成絮體，再通過回流污泥和投加高分子聚合絮凝劑，進一步經絮凝反應橋聯、網捕等作用，形成更大更密實的礬花，從而加快懸浮雜質的重力沉降速度，提高固液分離效率[2-3]。影響高效沉淀池運行效果的因素眾多，目前，國內外已對其運行所使用的絮凝劑和混凝劑種類和投加量、污泥回流、沉淀區表面負荷等設計運行參數做了大量研究[4-6]。然而，混凝攪拌水力參數及流體動力方面對混凝沉淀效果的影響并無太多研究，如攪拌速度梯度、導流筒內流速及提升循環倍數的影響，通過導流筒循環作用切換快、慢攪拌模式，使得礬花在此過程中不斷變得更大更密實。本文以海口市某污水處理廠為研究對象，通過改變絮凝反應池內混合攪拌速度梯度等水力參數，觀測出水TP、濁度指標，驗證其運行效果。

1材料與方法

1.1研究對象

該污水處理廠建成于2022年3月，主要負責收集和處理周邊生活污水。其中，設計處理規模為1.5萬 m³/d ，處理工藝為格柵 + 沉砂 + 改良厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic， A²O ） + 二沉池，深度處理采用高效沉淀池 + 濾布濾池 + 紫外消毒工藝，共有2條生產線。進出水指標限值如表1所示，主要監測指標有化學需氧量（Chemical OxygenDemand，COD）、生化需氧量（Biochemical OxygenDemand，BOD）、SS、氨氮（ NH₃–N ）、總氮（TotalNitrogen，TN）和TP，尾水處理達標后排入臨近地表水體。系統采用聚合氯化鋁（PolyaluminumChloride，PAC）作為絮凝劑，其 Al₂O₃ 含量為 30% ，生產運行過程中存在PAC藥耗偏高、出水TP無法穩定達標的問題。

該污水處理廠高效沉淀池設計參數如表2所示。經對比，混合及絮凝攪拌區速度梯度 G 均低于相關標準[7-8的要求，因混合反應時間 T 較長，整體GT值水平仍然較高，而絮凝段反應的GT值仍處于中等偏下水平。其中，采用式（1）計算攪拌速度梯度9，采用式（2）計算槳式攪拌器的混合攪拌功率。

式中： G 為攪拌速度梯度， s^-1 為混合功率，kW ; 為攪拌池流量， m³/s ; T 為混合反應時間，s；μ 為水的黏度， ; c 為阻力系數，取0.5； ρ 為水的密度，取 1000kg/m³ ; ω 為攪拌器旋轉角速度，rad/s ； Z 為攪拌器槳葉數，個； e 為攪拌器層數，層；b 為攪拌器槳葉寬度， m ： R 為攪拌器半徑， m ; g 為重力加速度，取 9.81m/s ： θ 為槳板折角，°。

1.2混合絮凝攪拌試驗

通過設置混合絮凝攪拌試驗，確定最佳反應攪拌速度梯度范圍和水量提升循環倍數。試驗采用六聯攪拌器（武漢市梅宇儀器有限公司，型號MY3000-6）。試驗條件模擬現場實際工況，混凝反應時間為 5min PAC加藥濃度為 50mg/L ，絮凝反應時間為 11min ，陰離子型聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）加藥濃度為 1.5mg/L 。

試驗一水樣采自二沉池出水，設置6個攪拌速度梯度（150、200、250、300、350、 400s^-1 ），加PAC混合攪拌反應 5min ，靜置沉淀 15min ，觀察礬花形成和沉淀情況，測反應前后TP濃度。試驗二水樣采自混合池出水，設置6個攪拌速度梯度（70、85、100、

115、130、 150s^-1 ），加PAM混合攪拌反應 11min ，靜置沉淀 15min ，觀察礬花形成和沉淀情況，測最終濁度。試驗三水樣采自混合池出水，設置快攪（ G= 150s^-1 ）、慢攪（ G=50s^-1 ）交替循環模式（分別循環3次和10次）反應 11min ，靜置沉淀 15min ，觀察礬花形成和沉淀情況，測最終濁度。

1.3水力模型仿真分析

使用SolidWorks三維建模軟件內嵌的FlowSimulation流體分析模塊進行流體仿真，通過水力模型計算絮凝導流筒內流態分布。根據具體仿真建模和分析工作流程，首先，對絮凝反應池體的構筑物尺寸、進出水量等基礎數據進行收集和輸入，其次使用SolidWorks軟件對池體、攪拌槳建模，最后通過FlowSimulation流體分析模塊進行流體仿真。經運行仿真求解，得到流速切面圖、流動軌線等目標圖，如圖1所示。同時，使用流速儀現場測定，對仿真結果進行準確度分析和校驗。

1.4分析方法

TP采用鉬酸鹽分光光度法進行分析，濁度使用便攜式濁度儀進行檢測，流速使用便攜旋槳式流速儀進行測定。

2 結果與討論

2.1混合絮凝攪拌試驗結果

混合和絮凝在不同攪拌速度梯度下的TP去除率和出水濁度試驗結果如表3所示。在原水、加藥量、反應時間等條件與現場實際保持一致的情況下，混合攪拌速度梯度在 150～200s^-1 能夠達到最佳的TP去除效果，而絮凝攪拌速度梯度在 100～150s^-1 形成的礬花大而密實，沉降快，能達到較澄清的出水效果。快攪（ G=150s^-1 ）、慢攪（ G=50s^-1 ）兩種交替循環反應模式下的試驗結果如表4所示。在同樣反應條件下，高循環倍數（10次）的試驗組出水濁度相對低循環倍數（3次）更低。通過試驗數據分析，驗證高效沉淀池混合反應攪拌速度梯度基本符合要求，然而絮凝攪拌速度梯度偏低，未達到最佳運行狀態。

2.2水力模型仿真結果

經水力模型仿真分析求解，得到項目絮凝反應區實際運行流態軌線剖面圖、流速分布切面圖，如圖2所示。筒內槳葉處平均垂直流速為 0.8m/s ，往上速度衰減至筒頂處為 0.08m/s ，筒內外水量循環次數為3次，這與使用流速儀現場實測的數據是吻合的。分析和測量結果未達到規范要求（筒內平均流速為0.4～1.2m/s ），提升量與原水量（水量提升循環倍數）的比值為 8～12 次。循環次數不僅直接影響顆粒碰撞而形成絮體的概率，在快速和慢速流態的切換中，對礬花增長速度進行調節，避免礬花形成過快，在來不及吸附卷掃水中的小顆粒物時已沉淀，也防止礬花生長過慢而無法在澄清區形成規模沉淀[]。如果僅通過調整槳葉轉數提高垂直流速和循環倍數，線速度也會增大，絮體容易受剪切力影響，變得細碎，阻礙其繼續增大。

通過加大絮凝區導流筒高度，調整攪拌槳葉從原細窄狀變為寬大狀后重新模擬，使筒內平均垂直流速提高，保持在 0.4～1.2m/s ，同時提高攪拌速度梯度和水量提升倍數。加高導流筒使整體流態從原先紊流較多的狀態轉變為以層流為主（見圖3），筒外水流受橫向擾流影響減小，可使筒外流速提高，從而提升循環倍數。

3 改造方案

通過混凝攪拌試驗結果和水力模型仿真分析可知，本項目高效沉淀池存在3個突出問題，即絮凝攪拌速度梯度偏低、絮凝導流筒內平均流速偏低、水量提升循環倍數少。可采取以下優化技改措施。一是加大攪拌槳葉半徑和寬度。調整攪拌槳葉的形狀、尺寸和攪拌速度梯度等，改造前后對比如圖4所示。其中，改造前導流筒高為 2.3m ，筒頂距液位 1.77m ；改造后筒高為 3.8m ，筒頂距液位 0.26m. 。二是加高導流筒，減少筒頂過流面積，防止過度紊流、短流。本次改造使用焊接方式，使原導流筒加高 1.5m ，如圖5所示。其中，改造前，槳葉攪拌半徑為 0.65m ，攪拌面積為1.4m² ，攪拌/導流筒面積比為 53% ，攪拌速度梯度為 14～61s^-1 ；改造后，槳葉攪拌半徑為 0.71m ，攪拌面積為 1.7m² ，攪拌 / 導流筒面積比為 62% ，攪拌速度梯度為 29～126s^-1 。

4運行效果

本次改造僅對2號生產線實施，對兩條線生產狀況進行觀測、對比。改造后，調試2號生產線的絮凝攪拌轉速至 28r/min ，攪拌速度梯度為 103s^-1 1號生產線保持原攪拌轉速（ 32r/min ），攪拌速度梯度為 61s^-1 。兩條生產線 130d 的運行數據對比如表5和圖6所示。從數據可以看出，在其他同樣運行條件下，改造后2號生產線平均出水TP濃度較未改造的1號線低 7.69% ，而PAC藥耗減少 8.83% 。

5結論

運行監測結果表明，采取加大攪拌槳葉半徑和面積，加高導流筒的改造措施，可以提高絮凝攪拌速度梯度，提高水的流速，優化水的流態，增加水流循環次數，提高顆粒碰撞形成絮體的碰撞率，也有助于調節礬花的增長速度和密實度，使得前端混凝反應生成的磷酸鋁鹽沉淀絮體能更好地被具有長鏈分子結構的PAM網捕卷掃，吸附和包裹于致密的絮團中，從而提高出水TP的去除率，并降低PAC消耗。

參考文獻

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