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侧向流波形斜板沉淀工艺研究与应用
摘要: 本文简要叙述了波形斜板应用于侧向流沉淀技术的设计思想?侧向流波形斜板沉淀试验研究成果和沉淀单元装置, 以及在工程中的应用情况。作为一种具有显著特点的新型沉淀技术, 侧向流波形斜板沉淀工艺将在水工业中得到更广泛的应用。
关键词: 浅层沉淀 波形斜板 侧向流沉淀 侧向流波
 　　以”浅层沉淀”原理为理论基础的斜板、 斜管沉淀技术在水处理领域得到广泛的应用, 出现了不同水流方向与不同型式的斜板、 斜管组合的多种沉淀装置。长春中日友好水厂从工艺到设备全部引进的侧向流普通斜板沉淀池和哈尔滨三水厂由国外提供技术参数的侧向流带翼斜板沉淀池先后投产, 成为中国大型水厂采用侧向流沉淀技术的开端。
　　北京市市政设计研究总院在异向流波形斜板沉淀技术研究的基础上, 综合侧向流的长处和波形板的特点, 进行了侧向流波形斜板沉淀工艺试验研究, 获得并确定了侧向流波形斜板沉淀工艺的结构特征和设计参数。此项成果已在北京市第九水厂二期、 三期工程(各50万 m3／d)和深圳市笔架山水厂改造工程(32万m3/d)中采用。此项成果九三年获北京市科技进步奖, 九六年被建设部列为重点科技推广项目, 被国家科委列入《国家级科技成果重点推广计划指南》项目。
　　1 侧向流波形斜扳沉淀工艺的提出
　　11 沉淀池设计理论
　　沉淀池设计基本理论, 主要有两条内容。
　　其一, 理论上100％去除的最小颗粒沉速与池深无关, 而决定于沉淀池单位沉淀面积经过的流量, 称为表面负荷率。
　　　　　　 F＝Q／A 　　　　　　　　(1)
　　式中　F——表面负荷率 (m3/m2·s)
　　　　　Q——流量 (m3/s)
　　　　　A——沉淀面积 (m2)
　　其二, 悬浮颗粒在理想沉淀池中的去除率只取决于沉淀池的表面负荷率, 而与其它因素如池长、 池深、 水平流速及沉淀时间无关。
　　　　　　 E＝ui／F 　　　　　　　　　(2)
　　式中　E——悬浮颗粒去除率
　　　　　ui——具有小于截留速度的颗粒沉速
　　1.2 实际沉淀池的沉淀效率
　　上述设计理论是建立在理想沉淀池的三项假设上的, 即沉淀区的水流在任何一点处的流速完全相同、 悬浮颗粒的浓度及分布在池深方向上完全一致并在沉降过程中沉速不变和任何颗粒一触及池底就被有效去除。
　　而实际沉淀池内的流速不可能完全相同, 而是具有一定的流速分布; 沉淀池中的絮体不但大小不一, 且具有继续絮凝现象, 在沉降过程中颗粒浓度及分布在池深方向上主要由于同向絮凝作用而不会完全一致, 沉速也会发生变化; 到达池底的颗粒, 由于沉淀池结构等方面因素不一定能被全部除去。
　　由于实际沉淀池与理想沉淀池存在明显差异, 因此相同表面负荷率情况下实际沉淀池去除率将大大低于理想沉淀池, 用下式表示:
　　　　 Er＝K·Ea 　　　　　　　(3)
　　式中 Er——实际去除率
　　　　 Ea——理想去除率
　　　　 K——系数(K＜I)
　　影响 K值的主要因素: 其一是因反应的完善程度而产生的絮体性质, 即矾花的密度、 大小和均匀性。矾花的密度在很大程度上受水质和混凝剂品种与投加量的制约, 而矾花的大小及均匀性主要取决于絮凝反应的形式与性能。其二则是沉淀池的结构型式, 能否使反应后的矾花及时有效地与水体分离而去除。
　　1.3 侧向流波形斜板沉淀工艺设想
　　利用斜板或斜管增大沉淀面积是提高沉淀效率行之有效的措施。按照水流方向与沉泥下滑方向的关系, 分为同向流、 异向流(逆向流)和侧向流(横向流)。同向流或异向流沉淀时, 水流动力对悬浮颗粒所受重力都有较大影响或干扰。侧向流则不然, 水流方向与沉泥下滑方向相互垂直, 对下滑影响较小, 因而可获得较理想的沉淀效果。
　　以往的侧向流平板斜板因其刚度低为减少变形采用增加板厚和设置肋结构等方法, 致使材料用量大, 并为了安装上尽量减少支撑结构占用过水断面而不得不采用复杂的悬吊装置。这些结构与安装上的缺陷加之造价较高限制了侧向流沉淀技术的应用。
　　为克服平板斜板的上述不足, 研究用波形板代替平板。波形板在与平板板厚相同的情况下, 其刚度较平板增大一个数量级, 因此可适当减薄而节约材料。在波形板两端部设置支撑节点构成斜板箱, 组成沉淀单元, 能够在沉淀池中重叠放置, 灵活而方便地组合安装, 且无需悬吊结构, 将大大降低造价并简化制作与安装的工作量。
　　2 侧向流波形斜板沉淀试验研究
　　2.1 试验流程与试验装置
　　试验装置的设计规模为25m3／h, 试验工艺流程见图 1。

　　原水来自某水厂进水管(库水), 由泵提升经计量至混合槽, 加药快速混合后进入反应池, 絮凝后流人沉淀池。
　　混合方式为快速轴流式机械搅拌。絮凝反应为波形板竖流式三段反应。
　　沉淀池填料为单元波形扳组。波形板全波高100mm, 波长500mm, 见图2。
　　板斜长1500mm。波形板平行组装, 板间距60mm, 倾角60°。单元波形板组宽750mm, 高1000mm, 沿水流方向板长4000mm, 板组剖面见图3。

2.2 验结果
　　试验原水浊度0.84～1.89NTU, 水温8～19℃。鉴于原水浊度很低, 进行了配浊进水试验, 浊度为21.2～30.4NTU。
　　除在沉淀池出水口取样外, 在距沉淀池进水口1.75、 2.75、 3.75m处分设取样管, 以测定不同板长处的出水浊度。试验中根据不同进水量、 不同板长的试验结果, 考察不同板面负荷的沉淀效果。试验结果见表 l和表2。

自然浊度进水沉淀试验结果 表1

1.75m板长
2.75m板长
3.75m板长
4.0m板长
进水量
容积负荷
出水浊度
容积负荷
出水浊度
容积负荷
出水浊度
容积负荷
出水浊度
m3/h
m3/m3·h
NTU
m3/m3·h
NTU
m3/m3·h
NTU
m3/m3·h
NTU
34
25.95
1.25
16.50
1.16
12.10
1.06
11.33
1.00
25
19.08
1.18
12.14
1.08
8.90
1.05
8.33
1.05
20
15.27
0.82
9.71
0.74
7.12
0.62
6.67
0.6
12
9.16
0.75
5.83
0.7
4.27
0.63
4.00
0.63

人工配浊进水沉淀试验结果 表2

1.75m板长
2.75m板长
3.75m板长
4.0m板长
进水量
容积负荷
出水浊度
容积负荷
出水浊度
容积负荷
出水浊度
容积负荷
出水浊度
m3/h
m3/m3·h
NTU
m3/m3·h
NTU
m3/m3·h
NTU
m3/m3·h
NTU
34
25.95
6.61
16.50
4.39
12.10
2.82
11.33
2.43
25
19.08
3.92
12.14
2.51
8.90
1.54
8.33
1.47
20
15.27
2.43
9.71
1.90
7.12
1.12
6.67
0.97
12
9.16
1.87
5.83
1.14
4.27
0.95
4.00
0.80
　　图4为不同进水量时不同板长处出水浊度曲线。
　　将不同进水条件下容积负荷与出水浊度进行回归, 自然浊进水时相关曲线为Y=0.4064LnX－0.3067, 相关系数r=0.9291(标准值rα=0.7800); 配浊进水时相关曲线为Y=2.8280LnX－4.0372, 相关系数r=0.9205(标准值rα=0.7800), 见图5。

　　试验结果表明, 沉淀效果令人满意, 说明波形斜板工艺结构的设计和技术参数的选择是适宜的。
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t2.3 试验结果分析
　　2.3.1 沉淀效果评价
　　任何沉淀工艺形式固液分离效果的水平均能够用该工艺沉淀结果与其反应出水的静沉实验结果相比较而进行评价。
　　本试验装置斜板安装倾角为60°、 板间距60mm, 其最大沉淀距离为60/cos60°=120mm。见图6。
　　沉淀水样是断面出水的混合样, 全部絮体下沉的平均距离为60mm。

静沉实验是用1000ml烧杯取沉淀前反应出水, 静沉5min后取上清液测其浊度。上清液取样距杯底约100mm。
　　表3为沉淀试验出水与反应出水静沉实验浊度对比数据。

沉淀出水与反应出水静沉实验对比
表3
进水量
停留时间 min
自然浊度进水 NTU
人工配浊进水 NTU
m3/h
沉淀
静沉
沉淀
静沉
沉淀
静沉
25
4.48
5.00
1.05
1.47
1.21
2.73
20
4.28
5.00
0.74
1.90
1.10
3.39
12
4.41
5.00
0.75
1.87
1.01
2.97
平均
4.51
5.00
0.85
1.74
1.11
3.03
　　此表表明, 沉淀池停留时间接近5min时出水浊度大大低于反应出水静沉5min时上清液浊度, 说明本沉淀工艺能够将部分静沉条件下难以去除的微絮体分离出去。
　　表4所列为与反应出水静沉5min上清液浊度相近时的沉淀试验条件数据。

沉淀出水浊度与静沉实验浊度相近时沉淀数据
表4
进水
处理水量
板长
停留时间
容积负荷
出水浊度
静沉浊度
条件
m3/h
m
min
m3/m3·h
NTU
NTU
自然
34
2.75
2.45
16.50
1.16
1.13
浊度
25
1.75
2.11
19.08
1.18
1.21
人工
34
3.75
3.34
12.14
2.82
2.99
配浊
25
2.75
3.33
12.14

2.51
2.73
　　从表4能够看出, 与静沉5min上清液浊度相接近的沉淀时间远小于5min。
　　上述两表反映的评价结果说明, 侧向流波形斜板沉淀工艺的固液分离效果十分理想。
　　2.3.2 波形斜板结构特性
　　侧向流波形斜板沉淀工艺有如此理想的固液分离效果, 除侧向流固有的水流与沉泥下沉方向垂直互相干扰小的特点外, 更主要的还在于斜板的波形结构为板间水体中絮体的继续絮凝提供了条件和沉泥集聚于波形板的波谷中更易于下滑与排除。
　　2.3.2.1 波形板间隙与继续絮凝
　　波形扳间隙依波长方向而不同, 其图形分析见图7。设间隙量在波峰及波谷处为b, 其它部位均＜b, 最窄处为 bm。当为正弦波时, α角30°, 则bm＝b ·cosα。本试验装置b＝60mm, 则bm＝60×0.866＝52mm。两斜板间的水流将由于间隙的改变而不断变化, 这种适度的”蛇形”流线和流速的变化, 为絮体继续碰撞进一步絮凝创造了良好的水力条件。絮凝沉淀正是侧向流波形斜板沉淀能取得满意效果的重要因素之一。

　　2.3.2.2 波形结构与沉泥下滑
　　波形板材料为 ABS或PVC, 板面平滑。沉泥沿着波峰至波谷的波面与重力合成的方向下滑、 集中, 在波谷底部形成泥束。这种泥束的形成是波形板特有而平板斜板所不具备的集泥形式。
　　沉泥下滑的基本条件是泥与水的重力差在斜面上引起的下滑力大于沉泥与上部的水面和下部的板面形成的摩擦阻力之和, 见式4和图8。
　　f＞fw + fp (4)
　　式中　f——下滑力
　　　　　fw——水面对泥的阻力
　　　　　fp——板面对泥的阻力

　　水和板面对沉泥下滑的阻力属粘滞性阻力, 与接触面积的大小成正比。波形斜板形成的下滑泥束具有较小的接触界面, 因而阻力 fw和fp均较小, 这样相对较小的下滑力就可使泥束在波谷中下滑和从波形板组中排除。
　　沉泥在波谷中形成泥束和泥束的下滑所需下滑力较小这两大特点, 使相同安装倾角的波形斜板与平板斜板相比肯定具有更高的泥水分离效果, 沉淀效果更加理想。
　　3 沉淀装置单元设计
　　正弦波构造形式的斜板, 其刚度较之平板大大增加, 能够构成单元化沉淀装置。当前我们开发设计的沉淀单元计有Ⅰ型和Ⅱ型两种, 均已获得国家实用新型专利。
　　3.1 Ⅰ型侧向流波形斜板沉淀单元
　　该沉淀单元为箱型结构, 即波形板组两端连接( 焊接) 于支撑立板上, 两支撑立板以肋板连接, 构成箱型。见图9。

　　以从波形斜板侧向心线垂直被切掉的上端波谷段和下端的波峰段分别作为与支撑板上下端的连接结合部位, 波形斜板下端波谷部分和支撑板之间的月牙形间隙自然成为从波谷向下排泥的排泥孔, 斜板上端中心线以上的波峰沿水平方向被切掉后所形成的弓形间隙作为斜板组的冲洗孔。见图10。

　　北京市第九水厂二期沉淀池应用此型沉淀单元。
　　3.2 Ⅱ型侧向流波形斜板沉淀单元
　　Ⅰ型侧向流波形斜板沉淀单元是方形柱体便于在池中插入安装和取出, 但有相当数量的斜板长短不一, 要由标准长度的斜板截取, 材料有些浪费; 斜板与支撑立板的连接采用焊接或粘接, 制作有一定难度; 还要加工冲洗孔和排泥孔, 需要一定的工作量。为克服这些不足, 研制开发了Ⅱ型沉淀单元。见图11。

　　该型式沉淀单元亦称侧向流棱形框架波形斜板沉淀单元, 由框架、 波形斜板组和带弧形托的固定件组成。单元框架是由管状杆件构成的立体棱形框架, 前后视均为平行四边形, 侧视为矩形。在前后框上各设W形的一组杆件, 左框与右框中间设有中间杆件, 以使框架具有足够的刚度和强度。弧形托固定件分设于前后框的上下框边以及上下框的前框边和后框边中间, 波形斜板的两端分别插入其齿缝并支持于与波形板弧形相对应的框架杆件上, 构成对各波形板的线型支撑并将波形板固定成板组。
　　该型沉淀单元使用等长的板材, 从而节省材料和加工工作量; 不需另行加工冲洗孔和排泥孔, 便于检查和维护, 完全避免了污泥堆积又使冲洗极为便利; 波形板的安装固定由焊接或粘接改为定位式的插联拼装, 大大减少了焊接工作量并提高了制造精度和牢固性。Ⅱ型与Ⅰ型相比, 每单位容积可节约材料20%左右, 并由于取消了冲洗孔和排泥孔使有效沉淀面积增加20%以上。
　　此型沉淀单元已在深圳市笔架山水厂扩建工程中应用。
　　3.3 侧向流棱形框架波形斜板沉淀单元的设计与计算
　　由于该型沉淀单元较Ⅰ型有着显著的优点, 是Ⅰ型的改进型, 因此Ⅰ型沉淀单元的设计与计算不再赘述。
　　3.3.1 设计参数
　　水平流速 5～20mm/s , 容积负荷(Cv) 10m3/m3·h , 水力停留时间 6min。

　　3.3.2 板箱尺寸与处理能力
　　板箱高度H(m) 1.0 1.1
　　板箱宽度B(m) 1.3 1.3
　　单箱体积m3 2.6 2.86

　　有效沉淀面积m2 16.6 18.4
　　每m3箱体处理能力(Cn)m3/h 8～15
　　3.3.3 板箱用量计算
　　3.3.3.1 按板箱容积计算
　　V= 　　　　　　　　　　　　(5)
　　式中: V——需要的板箱总容积(m3)
　　　　　Q——设计处理水量(m3/h)
　　　　　Cv——容积负荷(m3/m3·h)
　　　　　1.2——设计安全系数
　　3.3.3.2 按板箱数量计算
　　n= 　　　　　　　　　　　　(6)
　　式中: 　n——需要的板箱数量
　　　　　　Q——设计处理水量(m3/h)
　　　　　　Cn——每箱处理能力(m3/h)
　　　　　　1.2——设计安全系数
　　3.3.4 沉淀单元的安装
　　在满足设计参数条件下, 板组单元在设计所需数量确定后, 能够在沉淀池中随意叠放, 组成多种池形。见图13。

　　一般波形板箱竖向叠放2～4个单元, 不宜超过4个单元, 以3个为宜。
　　板箱下面垂直水流方向以及板箱纵向两端空间部分设档板以防短流。
　　板箱上端一般潜没水下100mm。
　　一般以设于波形板箱下的潜水刮泥车排泥。见图14。

　　4 工程应用
　　4.1 北京市第九水厂二期工程
　　北京市第九水厂二期工程日处理能力50万m3。工艺流程为: 原水—混合—絮凝—沉淀—过滤—碳吸附—消毒—配水。沉淀采用侧向流波形斜板工艺。分二个系列, 每系列按25万m3/d设计, 每系列设沉淀池二座, 共四池。
　　每池长19m、 宽28m、 最深处7.5m。斜板区分前后两部分, 前板箱区沿水流方向设置5排板箱、 长5m; 后板箱区沿水流方向设置4排板箱、 长4m; 中间相隔1.3m。板箱前设有4.7m长进水区, 板箱后设有4.0m长出水区。斜板区由上下两层板箱组成, 板箱总高4.5m, 有效高度4.0m, 板箱下部为集泥区。安装布置见图15。

　　该工程波形斜板沉淀工艺板面有效系数0.75, 容积负荷7m3/m3·h, 水平流速14mm/s。超负荷25％时, 容积负荷8.5m3/m3·h, 水平流速17mm/s。
　　4.2 深圳市笔架山水厂改造扩建工程
　　该厂原处理能力18万m3/d, 平流沉淀池。97年扩建为32万m3/d, 原平流沉淀池填充波形斜板改造为侧向流沉淀池, 分建两池。平面布置示意见图16。

　　每池长41.6m、 宽11.5m、 最深处4.5m。波形斜板箱沿深度方向放置2层, 总高2.2m, 沿水流方向放置3排, 总长3.9m。
　　该工程波形斜板沉淀工艺板面有效系数0.8, 容积负荷25m3/m3·h, 水平流速24mm/s。超负荷40万m3/d时, 容积负荷31m3 /m3·h, 水平流速30mm/s。
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