張家銘，韓慶祥，奚影影，張云海

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟南 250101)

1 沉淀技術(shù)發(fā)展及技術(shù)特點

沉淀池是水廠常規(guī)處理工藝的核心處理單元，通過沉淀可以去除原水中80%～90%的顆粒。沉淀技術(shù)在20世紀初便與混凝、過濾、消毒一起成為飲用水處理的常規(guī)凈水技術(shù)，并作為主要的飲用水處理工藝沿用至今。

早期建設(shè)的水廠多采用平流沉淀池，池體構(gòu)造簡單，為方形水池，常與絮凝池合建，采用穿孔花墻配水，機械排泥機排泥，指形集水槽集水，操作管理方便，對原水渾濁度的變化有較強的適應(yīng)性?！渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—1985)要求出廠水渾濁度不大于3 NTU，平流沉淀池的出水渾濁度一般可以控制在5 NTU以下。建成超過20年的老水廠多采用平流沉淀池，出水渾濁度基本滿足要求。

在20世紀70年代—80年代，為了提高水廠工程投資效益，提高處理效果，出現(xiàn)了經(jīng)濟高效的凈水工藝，如斜管沉淀池、斜板沉淀池、氣浮池等快速澄清工藝[1]。斜管(板)沉淀池具有占地面小、沉淀效率高的特點，常用于中小型水廠。沉淀效率如式(1)。

(1)

其中：E——懸浮顆粒在理想沉淀池中的去除率；

u0——理想沉淀池的截留沉速，m/s；

Q——沉淀池進水流量，m3/s；

A——沉淀池水面的表面積，m2。

由式(1)可知，斜管(板)的設(shè)計參數(shù)、斜管(板)區(qū)的高度、清水區(qū)及配水區(qū)的高度等都對沉淀效果造成影響。斜管一般多采用斷面為六邊形的蜂窩斜管[圖1(a)]，也有應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，使用U型斜管[圖1(b)]對傳統(tǒng)蜂窩斜管進行改造后，出廠水渾濁度降低了32.2%[2]。斜管或斜板的傾斜角度宜為60°，斜管管徑宜為25～40 mm，黃廷林等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)，斜管管徑對布水的均勻性影響較大，隨著管徑的增大，布水不均勻程度增加。張慧等[4]發(fā)現(xiàn)，在同一上升流速條件下，斜管管徑越小，對應(yīng)的絮體沉速越小，能截留的顆粒便越多，考慮到經(jīng)濟性，建議斜管最小管徑取DN30，斜板板距宜為80～100 mm?！妒彝饨o水設(shè)計規(guī)范》(GB 50013—2018)規(guī)定，斜管沉淀池清水區(qū)高度不小于1.2 m，底部配水區(qū)高度不小于2.0 m。清水區(qū)與配水區(qū)的高度過低均會對出水水質(zhì)造成不同程度的影響。

圖1 斜管斷面示意圖[2] (a)蜂窩斜管斷面示意圖；(b)U型斜管斷面示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Inclined Tube Section[2] (a)Schematic Diagram of Honeycombed Inclined Tube Section； (b)Schematic Diagram of U Inclined Tube Section

平流沉淀池利用顆粒與水的密度差在沉淀區(qū)進行重力分離作用，斜板(管)沉淀池通過在沉淀區(qū)加入斜板及斜管裝置，使沉距縮短，水力半徑減小，從而提高沉淀效率。斜板(管)沉淀池的出現(xiàn)給平流沉淀池的挖潛改造提供了選擇。斜板沉淀池水流方向分為上向流、下向流及側(cè)向流3種，3種流向的應(yīng)用特點如表1所示。斜管裝置與斜板裝置工作原理相同，但斜管水力半徑更小，因此，應(yīng)用沉淀效果更好，水廠中常用上向流斜管沉淀池。

理想沉淀理論認為，懸浮顆粒的去除率只與沉淀池的表面負荷有關(guān)。在沉淀池實際運行中發(fā)現(xiàn)，顆粒沉淀過程距離理想沉淀理論存在較大的差距。平流沉淀池中水流的雷諾數(shù)Re一般為4 000～15 000，屬于紊流狀態(tài)，此時水流除水平流速外，尚有上、下、左、右的脈動分速度，且伴有小的漩渦體，引起水中雜質(zhì)顆粒沉降困難。沉降受阻的顆粒體在水中運動的過程中也會造成水流的紊動，帶來更多小漩渦體。水流的紊動還會導(dǎo)致已經(jīng)沉到底部的顆粒被擾動而重新返回水中，甚至隨出水進入到濾池中，出現(xiàn)沉淀池出水渾濁度大于進水渾濁度的現(xiàn)象。

表1 3種流向的斜板沉淀池的比較Tab.1 Comparison of Three Inclined Tube Sedimentation with Different Flow Direction

20世紀80年代至今，隨著城市建設(shè)與社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，水源水污染問題加劇，水體富營養(yǎng)化情況越來越普遍。受工業(yè)廢水及生活污水排放的影響，江河水呈現(xiàn)有機物及氮磷、色度超標(biāo)的現(xiàn)象，水庫水表現(xiàn)為藻類暴發(fā)，水源中各種有毒有害物質(zhì)檢出頻繁?，F(xiàn)行《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)對出廠水渾濁度的要求提高至≤1 NTU，均給傳統(tǒng)水處理工藝帶來極大沖擊和水質(zhì)安全風(fēng)險的挑戰(zhàn)。水體中藻類及有機物等會影響絮凝沉淀效果，天然有機物如腐植質(zhì)等是消毒副產(chǎn)物前體物，易經(jīng)氯化消毒生成具有 “三致”作用的消毒副產(chǎn)物。北方水庫水體在每年有5～6個月的時間呈現(xiàn)低溫低濁現(xiàn)象，低溫低濁水的處理一直是水廠管理中最棘手的問題之一。面對越發(fā)復(fù)雜的水質(zhì)狀況，平流沉淀池、斜管沉淀池等傳統(tǒng)沉淀工藝表現(xiàn)得力不從心。作為水廠出水質(zhì)量控制的關(guān)鍵點，沉淀效果不達標(biāo)會嚴重影響后續(xù)濾池的運行狀況，造成濾池堵塞，使出廠水水質(zhì)惡化，對于沉淀工藝的改造勢在必行。

2 沉淀池改造的主要要求與方法

沉淀池要想獲得良好沉淀效果需要滿足以下幾點要求。

(1)在進水端盡量保持流態(tài)平穩(wěn)，防止流態(tài)紊動造成絮體破碎、顆粒下沉受阻的現(xiàn)象。

(2)保持排泥系統(tǒng)穩(wěn)定，及時排泥，避免堆積的積泥重新返回沉后水。

(3)針對水體中含藻、低溫低濁以及微污染現(xiàn)象，要選擇合適的池體來應(yīng)對顆粒沉淀困難的問題。

因此，沉淀池的改造應(yīng)從進水、排泥以及池型方面著手。

2.1 沉淀池進水區(qū)

沉淀池的進水區(qū)作用是使水流盡量做到在整個進水?dāng)嗝嫔暇鶆蚍植?，并減少擾動，避免已形成的絮體破碎。沉淀池的進口一般采用穿孔墻布置，孔眼直徑一般在100 mm左右。水流經(jīng)過穿孔墻孔眼的流速一般為0.08～0.10 m/s，較池中水流速3～20 mm/s高出很多，所以進池水流有很大的動能，能在池內(nèi)持續(xù)很長距離(數(shù)十m)才會消失。這種射流加劇水的紊動，從而影響沉淀效果。范翊等[5]通過研究總結(jié)良好沉淀池運行參數(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配水區(qū)起端水平流速控制在0.010～0.018 m/s時能夠取得較好的沉淀效果。另有研究顯示，沉淀池起端水平流速較高時，沉淀池出水水質(zhì)對表面負荷及積泥深度的變化會很敏感。

圖2 淹沒堰整流布水方式示意圖[7]Fig.2 Schematic Diagram of Rectifying Water Distribution Mode for Submerged Weir[7]

圖3 沉淀池構(gòu)造示意圖[9]Fig.3 Schematic Diagram of Sedimentation Tank Structure[9]

為保證均勻配水，陜西省延安市某縣城水廠在改造中對沉淀池前端整流段進行了改造，改造了傳統(tǒng)的配水花墻，在過渡段末端隔墻上設(shè)置上疏下密的配水孔，配水孔不均勻的布置形式使反應(yīng)池形成的礬花較為密實且不易破碎，改造后，沉淀池始端水平流速達到12.73 mm/s，起到較好的穩(wěn)流效果[6]。在烏金塘水源設(shè)計中摒棄了傳統(tǒng)穿孔花墻的進水方式而采用了淹沒堰整流布水方式，在過渡段末端隔墻上設(shè)置了1 m高的條形進水孔[7]。進水孔由于面積較大，過孔流速小，不會引起水流擾動沉底顆粒，保證了進水水質(zhì)穩(wěn)定，該布水方式如圖2所示。岳陽市自來水制水二廠在平流沉淀池進水口設(shè)置豎條格柵墻面以防止絮體破碎，使水流能夠均勻地分布在進水截面上[8]。萊蕪市某水廠在斜管下部的配水區(qū)沿池長設(shè)置穿孔管配水，如圖3所示[9]。由于在水流方向穿孔管會存在一定的水頭損失，為防止不同位置的孔口出流量不同，保證均勻配水，在穿孔管上采用了變間距布孔的方式，單池設(shè)52根配水管，并根據(jù)孔間距不同將管道均分為3段，最前段孔間距220 mm，中間段孔間距146 mm，末段孔間距110 mm，使沿整個池長方向都基本達到了配水均勻性。

綜上所述，盡管配水花墻在沉淀池進水口設(shè)計中應(yīng)用廣泛，為了保證配水均勻，提高沉淀效果，許多水廠在沉淀池進水口改造中做了新的嘗試，其根本原理是通過降低進水流速來提高布水的均勻性。

2.2 沉淀池排泥

水廠在沉淀池運行中常面臨由于排泥處理不當(dāng)導(dǎo)致的排泥系統(tǒng)堵塞問題，造成沉淀池內(nèi)積泥越來越多，嚴重時不得不停產(chǎn)排空池水進行人工沖洗排泥，浪費了大量沖洗水，而且影響了用戶正常用水。

沉淀池積泥對水沉淀池造成的危害具體包括以下幾點。

(1)沉淀池內(nèi)積泥過高降低了沉淀池有效深度，影響配水均勻性。

(2)已經(jīng)經(jīng)過沉淀去除的顆粒重新返回沉淀池中使出水渾濁度升高。

(3)未及時排出的沉泥中有機物及微生物的降解過程會產(chǎn)生異味，嚴重影響出水質(zhì)量。

因此，有必要對沉淀池排泥系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，以提高沉淀池出水水質(zhì)。

2.2.1 平流沉淀池排泥系統(tǒng)改造

在平流沉淀池運行過程中常見積泥死區(qū)，積泥位置主要包括沉淀池池底、進、出水端底部、集水槽下部及配水墻附近等。如不對積泥問題引起重視，沉積過高的泥粒會占用平流沉淀池的過水面積，提高水平流速，嚴重影響沉淀效果。

平流沉淀池最常見的排泥方式為機械排泥，采用機械排泥時可不設(shè)置排泥斗，充分利用沉淀池的容積。但由于排泥車行程有限，某些位置排泥車不能到達，該處形成排泥“真空”地帶，造成池內(nèi)局部位置積泥嚴重。

南方某水廠在運行過程中常觀察到礬花上浮的現(xiàn)象，造成沉淀池的出水渾濁度比進水渾濁度高[10]。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，礬花上浮主要是受平流沉淀池積泥的影響。積泥主要存在于配水花墻進口處、出水末端、集水槽下部，這些位置都是排泥車吸口無法到達的地方，形成了排泥死角。由于配水花墻最下部的孔口距離池底只有1 m，配水花墻進口處堆積的污泥會影響配水，集水槽下部及沉淀池出口處的積泥是導(dǎo)致礬花上浮的主要原因。該水廠的排泥改造措施如下。

(1)加長排泥車路軌以延長排泥車吸泥范圍。

(2)在配水花墻最下部孔口處至池底設(shè)置斜坡，斜坡角度為59°，坡面采用光滑瓷磚鋪砌，使沉泥能夠沿斜坡滑下至距離吸泥口更近的位置。

(3)在配水花墻墻底鉆孔，埋設(shè)DN25的塑料管，水流可通過塑料管將沉泥推至吸泥口附近。

(4)集水槽下部的支撐柱之間加筑斜坡，角度為65°，使該部分的沉泥能夠滑到排泥車吸泥區(qū)內(nèi)被排泥車吸走。

(5)在排泥車吸泥口掛泥板增加膠片，吸泥口使用鴨嘴形不銹鋼嘴。

改造后，池底已經(jīng)沒有積泥現(xiàn)象，出水水質(zhì)較好，渾濁度穩(wěn)定在1 NTU以下。

南寧市三津水廠的排泥系統(tǒng)也遇到了相同的問題，該水廠采用虹吸排泥機進行排泥，由于排泥車行程有限，沉淀池的進出水端約1.5 m的區(qū)域內(nèi)成為吸泥“盲區(qū)”，積泥嚴重，高度可達1 m，最高處甚至可達1.5 m[11]。沉泥將配水花墻下的配水孔堵塞，嚴重影響了沉淀池均勻配水，減小了沉淀池過水?dāng)嗝婷娣e，造成沉淀池出水渾濁度升高。針對以上問題給出的排泥改造建議如下。

(1)在沉淀池進水端配水花墻后設(shè)置小型潛水排污泵以清理進水端積泥。

(2)在沉淀池出水端設(shè)置斜坡，坡底長1.5 m，高2.6 m，坡面鋪光滑瓷磚，以便污泥隨斜坡滑下由排泥機排走。

(3)增設(shè)輔助排泥槽。

盡管選用不同的機械排泥設(shè)備，但排泥改造都是通過延長排泥車的行程加大排泥范圍，在此基礎(chǔ)上，通過在排泥死角處設(shè)置潛污泵及光滑斜坡輔助排泥機排泥，這樣的改造效果切實可行。

2.2.2 斜管(板)沉淀池排泥系統(tǒng)改造

斜管(板)沉淀池較平流沉淀池有更高的沉泥效率，因此，其積泥速度更快。斜管(板)沉淀池常用V型槽穿孔排泥管進行排泥，若排泥不及時或者排泥效果不好會導(dǎo)致沉泥堵塞排泥管孔口，造成沉泥嚴重積壓，從V型槽溢出上升至配水區(qū)，最后涌入斜管，使斜管自重增加，嚴重時會壓塌支撐斜管裝置的托架，造成斜管坍塌。江蘇某化纖公司給水廠曾發(fā)生斜管倒塌現(xiàn)象，原因是排泥不及時，污泥越積越多直至大量涌入斜管內(nèi)致使斜管負荷增大[12]。進入斜管中的絮體會繼續(xù)與斜管中的上升水流接觸，截留水中的小顆粒從而長成更大的絮體落在斜管上。其中一部分絮體會沿著斜管沉淀至積泥區(qū)，而另一部分會附著在斜管表面，形成絮狀泥層。泥層的形成會使斜管面積減小，管內(nèi)流速上升，當(dāng)斜管流速過大時會影響斜管內(nèi)顆粒下沉，改變顆粒沉淀方向，使顆粒隨上升水流至親水區(qū)后沉積在斜管頂端，運行3～5 d后斜管上部即被一層厚厚的積泥覆蓋[13]。這種斜管上部的絨狀積泥現(xiàn)象十分普遍和嚴重，有時積泥會堆積至集水槽淹沒出流孔口處，嚴重影響出水水質(zhì)。

從各地水廠的工程實例中可見，造成斜管沉淀池排泥情況差的原因主要包括以下幾方面。

(1)原水中藻類等大顆粒異物較多易堵塞穿孔排泥管。

(2)穿孔排泥管上的開孔孔徑較小。

(3)穿孔排泥管采用鋼管、鑄鐵管等管材，其內(nèi)壁粗糙，摩擦阻力較大，易引起堵塞。

(4)V型槽夾角偏小，槽板阻力較大，導(dǎo)致污泥下滑困難。

圖4 V型槽示意圖[14]Fig.4 Schematic Diagram of V Type Groove[14]

湖州市自來水公司城北水廠的斜管沉淀池沉淀效果不理想，沉淀池出水渾濁度常年在10 NTU以上[14]。針對排泥系統(tǒng)中存在的問題，將穿孔排泥管由原DN200鋼管改成DN300 UPVC管，在增大排泥管斷面的同時減小阻力系數(shù)，孔眼直徑由Φ32 mm改為Φ40 mm，V型槽板傾角由47°改為55°30′(圖4)，利于污泥下滑，同時，將配水區(qū)高度增高0.2 m，增加配水容積。改造后基本解決了池底積泥的現(xiàn)象，減少了排泥耗水量，出水渾濁度保持在3 NTU以下。揚州市自來水總公司第三水廠于2000年進行了排泥系統(tǒng)改造，將孔眼由原Φ20 mm間隔250 mm于管底兩側(cè)呈45°交叉布孔改為6個集中排泥口，孔口口徑由Φ40～80等距布設(shè)，孔口向上，直接與排泥槽下口對接，排泥槽傾角由54°改為58°，污泥沉入排泥槽后可順槽板坡面直接進入孔口由排泥管排出(圖5)，穿孔排泥管由原DN150鋼管改為UPVC管以減小管內(nèi)阻力系數(shù)[15]。漏斗式集中管口排泥的方式達到了預(yù)期的改造效果，提高了排泥效率，解決了水廠積泥現(xiàn)象，并將排泥周期由原先的8 h延長至24 h，出水渾濁度保持在3 NTU以下。桑植縣自來水公司八斗溪水廠在擴大排泥孔口、更換排泥管材的基礎(chǔ)上也將原有的V形槽改造為下口對應(yīng)排泥孔口的漏斗式排泥，并將傾斜角度由47°擴大至50°并作光滑處理，經(jīng)改造池底再無積泥現(xiàn)象，達到了預(yù)想中的改造效果[16]。大豐水廠在排泥系統(tǒng)改造方案中提出，在穿孔排泥管上方5～10 cm內(nèi)設(shè)置壓力噴嘴[17]。噴嘴均勻布設(shè)在一根DN25鍍鋅鋼管上，在打開排泥閥前，先打開鍍鋅鋼管上的進水閥使噴嘴出水?dāng)噭記_刷V型槽內(nèi)泥層，水流沖擊會松動排泥管孔眼附近的污泥顆粒，使污泥含水率增加，提高污泥流動性。沖刷結(jié)束后污泥與污泥水一并進入穿孔排泥管內(nèi)被排除池外，大大增加排泥效率。

圖5 排泥改造示意圖[15]Fig.5 Schematic Diagram of Sludge Discharge System Reconstruction[15]

2.3 沉淀池型的改進

平流沉淀池由于造價低，結(jié)構(gòu)簡單易維護等優(yōu)點在我國得到廣泛的應(yīng)用，不少新建水廠的沉淀池首選仍是平流沉淀池。然而，平流沉淀池并非適用于所有水廠，考慮到目前原水中污染物的復(fù)雜程度以及用地緊張的嚴峻形勢，平流沉淀池已經(jīng)無法滿足水廠的需求。許多水廠為了追求低成本而選擇平流沉淀池，為了滿足出廠水質(zhì)要求不得不加大投藥量提高沉淀效果，增加了藥耗卻并未取得理想的沉淀效果。沉淀池型的選擇必須結(jié)合水量、水質(zhì)條件、氣候以及水廠占地面積等多種因素，合適的沉淀池型是確保沉后水質(zhì)達標(biāo)的關(guān)鍵因素。目前，許多老舊水廠都在保留原有池身的情況下對沉淀池進行了合理的改造及擴建，在避免拆除重建的高昂費用同時取得了較好的沉淀效果。

2.3.1 平流-斜管組合沉淀池的改造應(yīng)用

平流沉淀池對原水的水質(zhì)水量變化有很好的適應(yīng)性，但沉淀效果不及斜管沉淀池；另一方面，平流沉淀池池身較長，根據(jù)水廠運行經(jīng)驗表明，顆粒有效沉降僅發(fā)生在前1/4～1/3段，后半部分對渾濁度去除的促進作用不大。斜管沉淀池大大增加了沉淀面積，沉淀效率高，但其對水質(zhì)水量的沖擊負荷的適應(yīng)能力差，管板易堵塞，同時對水力條件有比較嚴苛的要求。

平流-斜管組合沉淀池是將二者的優(yōu)點進行放大，缺點進行互補的措施。其基本構(gòu)造是將兩池體進行組合，池體的前1/4～1/3段為平流沉淀池，后半部分安置斜管或斜板，也有水廠以池體的1/2處為界對兩種池體進行組合[18]。根據(jù)水廠運行經(jīng)驗，沉淀池前端沉泥較多。保定中法供水有限公司在平流沉淀池運行中發(fā)現(xiàn)，沉淀池底部的積泥以前1/3段最多，該段排泥濃度達到其他區(qū)域的5～7倍[19]。平流-斜管組合池利用平流沉淀池對水質(zhì)水量變化以及渾濁度的緩沖作用，使大量懸浮物在平流段沉淀下來，確保了后段的斜管沉淀池正常發(fā)揮其除濁能力，且不易堵塞。而平流沉淀池出水中未沉淀的輕小顆粒在進入斜管裝置后會發(fā)生再次絮凝碰撞而沉淀，提高了沉淀效果，進一步提高出水的可靠性。平流-斜管沉淀池的組合還能夠節(jié)省用地和資金，即有效地利用好水廠的用地規(guī)模，最大程度地發(fā)揮其沉淀功能。松江二水廠在水廠改造前使用平流沉淀池，池長75 m，根據(jù)其對池長方向的渾濁度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在沉淀池進水35 m后渾濁度已很難發(fā)生變化，即平流沉淀池后40 m的渾濁度去除效率不高(圖6)，很難再發(fā)揮作用[20]。于是決定保留平流沉淀池的前34 m，后接20 m的斜管沉淀區(qū)，剩余部分改造為上向流顆?；钚蕴繛V池以加強對有機污染物的去除。改造后組合池運行良好，由圖7可知，該組合池的出水渾濁度穩(wěn)定在0.6～1.6 NTU，平均在1 NTU左右，達到了改造的目的。

圖6 改造前沉淀池縱剖面濁度分布[20]Fig.6 Vertical Section Turbidity Distribution along Sedimentation Tank before Reconstruction[20]

圖7 改造后沉淀池出水渾濁度曲線[20]Fig.7 Turbidity Curve of Sedimentation Tank Outflow after Reconstruction[20]

西安市曲江水廠原采用斜管沉淀池，在應(yīng)對原水低溫低濁以及高濁現(xiàn)象時沉后水水質(zhì)難以達標(biāo)[21]。原斜管沉淀池與絮凝池之間距離37.2 m，沉淀改造在該段長度內(nèi)進行。在原有的斜管沉淀池前新建平流-沉淀斜管組合池，其中平流段長13.25 m，新增斜管段長23 m，新增沉淀池寬度與原斜管沉淀池寬度尺寸一致，兩池合建。斜管段底部沒有設(shè)置排泥槽，采用全斷面配水的方式，僅在池底設(shè)置機械刮泥車，于平流段進水端設(shè)V型泥斗，刮泥車將池底的污泥刮至前端V型排泥斗內(nèi)，由穿孔排泥管排出。改造后，沉淀池出水渾濁度常年保持在2 NTU以下，出廠水渾濁度在0.5 NTU以下，達到了改造目標(biāo)。陜西延安市某縣城水廠在每年冬春季節(jié)水源水呈低溫現(xiàn)象，每年汛期渾濁度升高，斜管沉淀池處理困難，因此，采用平流與斜管相結(jié)合的沉淀形式[6]。為提高凈水效果，在平流段與斜管段之間增設(shè)導(dǎo)流隔墻，使平流沉淀段出水能順利從斜管底部進入，提高了斜管沉淀效率。沉淀池改造完成后的3年內(nèi)，定期對沉淀池出水渾濁度進行取樣測定，并與未改造的沉淀池出水渾濁度比較發(fā)現(xiàn)，未改造的沉淀池出水平均渾濁度為2.3 NTU，而改造后沉淀池出水渾濁度穩(wěn)定在1.3 NTU左右，沉淀出水TOC的去除效果也比原先提高了6.08%，同時原供水量由1.2×104m3/h提高至1.6×104m3/h，沉淀效率大幅提高。

在我國沉淀池改造的選擇中，這兩種池型的組合使用十分常見，對低溫低濁水及高濁水都有很好的處理效果。在排泥選擇方面，既可以選擇排泥斗排泥，是值得考慮的沉淀池改造選擇。

2.3.2 浮沉池的改造應(yīng)用

我國北方地區(qū)的地表水體受季節(jié)影響較大。每年冬春季節(jié)，氣溫較低，水體呈現(xiàn)低溫、低濁現(xiàn)象，由斯托克斯公式可知，當(dāng)水體呈現(xiàn)低濁現(xiàn)象時，絮體顆粒松散，密度接近水，不易沉淀。低溫影響時，水的動力黏度系數(shù)增加，再次給絮體沉淀造成困難，藻類密度也接近于水，在水中常呈現(xiàn)懸浮狀。因此，水廠的傳統(tǒng)沉淀工藝很難處理低溫低濁水以及水中的藻類，經(jīng)常引起后續(xù)濾池堵塞及出廠水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。

氣浮池是通過釋放大量微氣泡，使氣泡黏附于細小顆粒及藻類表面，造成氣泡與顆粒結(jié)合體整體比重小于水而浮于水面，最后由水面刮渣設(shè)備清除來實現(xiàn)固液分離的設(shè)施。氣浮工藝針對藻含量較多的水體以及低溫低濁水都有較好的處理效果，Valade等[22]的試驗表明，在原水溫度為2.1～3.0 ℃，渾濁度在0.79～1.27 NTU的情況下，經(jīng)氣浮處理后濾池出水渾濁度為0.01～0.07 NTU。但氣浮池不適合處理高渾濁度水，有研究表明，當(dāng)原水渾濁度大于100 NTU時已不再適合使用氣浮工藝，這使氣浮池的應(yīng)用受到限制[23-24]。

浮沉池是把氣浮與沉淀結(jié)合在一個池體內(nèi)的構(gòu)筑物，通過在沉淀池中加入溶氣釋放裝置，使該池體集沉淀與氣浮的功能于一體，能有效根據(jù)進水渾濁度來靈活切換沉淀或氣浮工藝。當(dāng)冬天原水呈低溫低濁、夏季藻類繁殖旺盛時，可借助溶氣釋放裝置釋出的微氣泡將難沉顆粒帶至池體表面去除，利用了該池的氣浮功能，當(dāng)原水渾濁度較高時，浮沉池按沉淀方式運行。浮沉池不僅對低溫低濁及高藻水有很好地處理效果，也能有效應(yīng)對原水渾濁度突然升高的問題，對原水水質(zhì)變化有很強的適應(yīng)性。目前常見的浮沉池如表2所示。

中山市南頭一水廠原水取自西江，渾濁度起伏變化較大且飽受藻類繁殖影響[25]。原斜管沉淀池除藻效果差，在斜管上部及濾池內(nèi)藻類滋生，嚴重影響了斜管沉淀池及濾池的正常運行。針對這種現(xiàn)象，在升級改造中采用了斜管-氣浮組合池。在池體進水口通過一個閘板靈活切換斜管沉淀池進水與氣浮進水，在進水渾濁度較高時閘板上提，運行上向流斜管沉淀池，進水渾濁度較低且藻含量高時閘板下插，運行氣浮池。通過交替運行兩種工藝提高了對原水水質(zhì)變化的適應(yīng)性，改造后取得了較好的運行效果。秦皇島海港水廠受藻類繁殖影響較大，濾池堵塞嚴重，影響了水廠產(chǎn)水量[26]。該水廠在平流沉淀池進水區(qū)設(shè)置了兩塊擋板，第一塊檔板距池底10 cm，第二塊擋板貼池底放置，于兩塊擋板之間在池底布設(shè)溶氣釋放器，該池體作氣浮裝置運行時，水從池底流入，與溶氣釋放器釋放出的小氣泡充分接觸后經(jīng)第二道擋板自上流入沉淀池。改造后除藻率達到60%以上，沉淀池出水渾濁度也較原先下降2 NTU以上，水廠供水量提高至15萬m3/d，達到了原先設(shè)計要求。類似地，阜陽市二水廠在平流沉淀池末端增設(shè)氣浮池應(yīng)對未來可能出現(xiàn)的微污染及低濁水質(zhì)[27]。調(diào)試期運行發(fā)現(xiàn)，氣浮池出水渾濁度為0.9～1.2 NTU，相對平流沉淀池出水下降了2 NTU左右(圖8)，達到深度處理要求。濟南玉清水廠在沉淀池末端增加氣浮設(shè)備，氣浮設(shè)備后接活性炭濾池，氣浮功能在有效除藻的同時還可以起到充氧的作用，為后續(xù)活性炭濾池增加了溶解氧含量，更能充分發(fā)揮濾池的作用[28]。改造后浮沉池的除藻率達到92.54%，較原平流沉淀池提高了近11%。

表2 浮沉池類型及特點的比較Tab.2 Comparison of Types and Characteristics of Flotation-Sedimentation Tank

圖8 改造后平流沉淀池與氣浮池出水渾濁度曲線[27]Fig.8 Outflow Turbidity Curve of Horizontal Sedimentation Tank and Flotation Tank after Reconstruction[27]

浮沉池結(jié)合了沉淀與氣浮兩種工藝，構(gòu)造較為復(fù)雜，尤以添加了快速沉降系統(tǒng)的斜管(板)浮沉池為甚。王靜超等[29]通過研究發(fā)現(xiàn)，斜板的加入對浮沉池的運行具有雙重效應(yīng)，且原水渾濁度越高，斜板裝置帶來的不利影響越大。孫志民等[30]認為，氣浮與沉淀不能兼顧，若要解決浮沉池存在的問題，需要首先滿足氣浮要求，再考慮沉淀池要求。因此，水廠在進行浮沉池改造時要特別注意設(shè)計參數(shù)的選擇對運行效果造成的影響，確定首先滿足氣浮要求的主導(dǎo)思想進行設(shè)計，以實現(xiàn)浮沉池良好的運行效果。

2.3.3 水平管沉淀新技術(shù)的改造應(yīng)用

珠海九通研發(fā)的水平管沉淀分離技術(shù)是將菱形截面的水平管束(圖9)水平放置在沉淀池內(nèi)，使進水沿水平管呈水平方向流動，而沉泥垂直下降，通過管內(nèi)開設(shè)的排泥口落至滑泥道滑出。水與泥都通過各自的通道行進，互不干擾，有效避免了斜管沉淀池泥水共用同一流道而引發(fā)的跑礬現(xiàn)象，解決了“淺池理論”中“排泥難”的問題。

圖9 水平管流態(tài)圖Fig.9 Flow Diagram of Sediment Horizontal Tube

水平管沉淀池具有平流沉淀池的優(yōu)點，但又優(yōu)于平流沉淀池。如表3所示，水平管沉淀池大大縮短了沉淀時間，提高沉淀效率，占地面積僅為平流沉淀池的9%。陳球等[31]通過水平管渾濁度沖擊試驗發(fā)現(xiàn)，進水渾濁度為10～144 NTU時，出水渾濁度為0.5 NTU以下，進水渾濁度為144～1 000 NTU時，出水渾濁度小于3.0 NTU，表明水平管沉淀池對進水渾濁度的抗沖擊能力較強。在水平管對含藻類原水的去除試驗中發(fā)現(xiàn)，水平管沉淀池對藻類同樣有很好的去除效果，經(jīng)過水平管沉淀池處理的含藻原水放置在燒杯中，于陽光充足處靜置兩個月都沒有藻類滋生的痕跡，表明水平管沉淀技術(shù)可有效應(yīng)用于低溫低濁水及含藻類水的水質(zhì)提升。

表3 平流沉淀池與水平管沉淀池工藝參數(shù)比較Tab.3 Comparison of Technical Parameters of Horizontal Sedimentation Tank and Horizontal Tube Sedimentation Tank

該技術(shù)在許多水廠改造中已經(jīng)投入使用?；窗矕|方水廠拆除池體內(nèi)原斜管沉淀裝置后架設(shè)水平沉淀管，同時運行原有的斜管沉淀池與改造后的水平管沉淀池，取沉淀池出水進行渾濁度檢測，結(jié)果如圖10所示[32]。由圖10可知，在相同進水條件下，斜管沉淀池出水渾濁度平均值為7.2 NTU，而水平管沉淀池出水平均渾濁度為2.4 NTU，達到了改造預(yù)期。葫蘆島市老合臺水廠原斜管沉淀池跑礬嚴重，沉后水渾濁度在10～15 NTU，無法滿足出水要求[33]。遵循著盡量減少對沉淀池主體改動的原則，用水平管裝置取代斜管裝置，并改造相應(yīng)的集配水設(shè)備及排泥系統(tǒng)。改造后沉后水渾濁度穩(wěn)定在3 NTU以下，并使處理水量達到了設(shè)計要求，有效滿足該水廠“提質(zhì)增量”的要求。

圖10 沉淀池進水、出水渾濁度曲線[32]Fig.10 Turbidity Curve of Inflow and Outflow of Sedimentation Tank[32]

水平管沉淀分離技術(shù)經(jīng)過試驗與實際運行證明，其對原水的凈化效果顯著優(yōu)于平流與斜管沉淀池，沉淀效率為平流沉淀池的9～25倍，是斜管沉淀池的3～5倍[34]。改造成本較低，可充分利用原池體構(gòu)造，工程量小，投資少，是值得考慮的水廠改造選擇。

3 總結(jié)

通過各水廠沉淀池改造案例發(fā)現(xiàn)，需要根據(jù)沉淀池運行中存在的問題及進水水質(zhì)情況“對癥下藥”。合理改造進水口形式控制進水流速，均勻配水，對排泥車與積泥區(qū)進行改造以防止出水“跑礬”的現(xiàn)象。面對原水低溫低濁及高藻等現(xiàn)象，可以通過選擇合適的池型來進行處理。平流-斜管組合池構(gòu)造簡單，能高效除濁，提高出水安全性，浮沉池對原水水質(zhì)有更好的適應(yīng)性。水平管沉淀技術(shù)是目前最接近“淺池理論”的技術(shù)，相比傳統(tǒng)沉淀技術(shù)有更好的沉淀效率，已應(yīng)用于越來越多的水廠中。

在未來，隨著人們對出水水質(zhì)要求的進一步提高，沉淀技術(shù)的改造應(yīng)用也會引發(fā)更多關(guān)注。沉淀池的改造及新建仍需要重點關(guān)注進水區(qū)、排泥系統(tǒng)及池型三方面。進水仍將以穿孔花墻為主，但在設(shè)計時應(yīng)考慮孔眼面積大小造成的影響，也可根據(jù)水廠實際情況設(shè)計配水口、穿孔管及柵條配水方式，實現(xiàn)進水均勻穩(wěn)定。排泥系統(tǒng)改造需要更加注重細節(jié)，如在積泥處設(shè)置斜坡、延長機械排泥車的車程等來實現(xiàn)高效排泥。合理地選擇沉淀池型對傳統(tǒng)沉淀方式進行改造以滿足未來水質(zhì)與節(jié)能的需求，可通過在池內(nèi)增設(shè)溶氣裝置或水平管裝置，或?qū)Τ恋砉に囘M行組合來完成優(yōu)化改造。隨著原水水質(zhì)的復(fù)雜性增強，為了提高沉淀效果，越來越多的水廠亦通過強化混凝來提升顆粒沉淀效率。代表性強化混凝技術(shù)如Densadeg高密度沉淀池(法國)、Actiflo高效澄清池(法國)等工藝已在國外應(yīng)用于多個水處理方向多年，但在國內(nèi)還未得以大規(guī)模推廣[35]。相信隨著行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的完善，這些技術(shù)會在不久的將來大規(guī)模地投入到改造應(yīng)用中。