高效沉淀池設計探討

曹金亮

（天津城市基礎設施建設投資集團有限公司，天津300381）

0 概述

為了保證污水處理廠出水膠體懸浮物濃度、磷濃度、有機物濃度滿足排放要求，需在工藝流程中設置絮凝沉淀池。由于高效沉淀池具有處理效率高，效果穩定，適應性強，且占地小、投藥量少、有機物去除效率高等優點，在污水處理廠的深度處理中大量應用，如常州城北污水處理廠提標改造工程、天津市張貴莊污水處理廠工程、天津咸水沽污水處理廠工程等。本文結合國內外混合與絮凝的技術發展與應用經驗，以國內某污水處理廠工程為例，介紹污水處理廠中高效沉淀池的工藝設計。

高效沉淀池由三個主要部分組成：混合區、絮凝區和沉淀區。其中混合區為快速混凝攪拌反應器，絮凝區為推流式反應器，沉淀區由斜管沉淀區和污泥濃縮區組成，如圖1所示。

圖1 高效沉淀池構造示意圖

該工程中新建高效沉淀池一座，對稱布置兩組。進水為推流式A2O反應池出水，處理規模為10萬m3/d。

1 混合段的設計

該工程中在混合段投加聚合AlCL3溶液作為混凝劑，通過軸流折漿式攪拌器的高速攪拌來實現混合過程。該區域設計中需確定：混合段容積及混合攪拌強度。

1.1 混合段的容積

該工程為1座2組布置，與沉淀池對應，混合段分為2組，對稱布置。混合池有效容積需根據混合時間計算確定，典型的混合時間一般采用10～30 s完成，最多不超過2 min。考慮該工程處理對象為污水廠生物反應池出水，適當延長混合時間。根據經驗，該工程混合時間t取30 s，根據V=Qt計算可得，單組混合池池容V約為45 m3，平面尺寸采用3.5 m×3.5 m。

1.2 混合攪拌強度

廢水工程中，快速混合通常發生在湍流工況，慣性力占壓倒性優勢。一般原則，速度越高，湍流越大，混合效果越好。工程中，通常采用攪拌速度梯的和體積循環次數來表征混合效果的好壞。

1.2.1 輸入功率

在污水處理中，根據需去除粒子的微刻度，速度梯度G值一般取500～1 000 s-1。工程中速度梯度G取500 s-1，根據計算，得混合功率NQ=11.25 kW。考慮到電動機的機械傳動總效率（以0.6計），該工程中選擇的電機功率為18.75 kW，并考慮電動機變頻調速運行。

1.2.2 體積循環次數

根據美國凱米尼爾公司和萊寧公司的有關資料，體積循環次數計算公式如下：

式中：Z’——體積循環次數，次；Q’——攪拌器排液量，m3/s；t——混合時間，s；

V——混合池有效容積，m3。

攪拌器排液量：

Q’=Kqnd3

式中：Kq——槳葉流量準數（查表得4片式折槳攪器為0.77）；

n——攪拌器轉速，r/s，（轉速為105 r/s）；

d——攪拌器直徑，m（該工程攪拌器直徑2.5 m）。

計算得，體積循環次數為21次，遠遠大于1.5次,符合設計要求。

2 絮凝段的設計

該工程中絮凝段投加聚丙烯酰胺作為助凝劑。為適應水量變化以及保證較小的水頭損失，采用機械絮凝的方式，使用推流型混合器。

2.1 絮凝段容積計算

該工程中絮凝段與混合段作為一個整體構筑物來設計，分為兩組，與混合池對應。絮凝段有效容積的計算公式為。絮凝段的絮凝時間一般宜10～30 min，該實例中絮凝時間T取16 min，則單組絮凝段的有效容積約為720 m3。根據平面布置，配合沉淀池尺寸，絮凝段分為2組，單組平面尺寸為16 m×6 m。絮凝段有效水深為7.5 m，超高取0.3 m，總高度為7.8 m。

由于絮凝段為長條型布置，故每組絮凝段設置2臺攪拌設備。

2.2 絮凝攪拌器選用

該工程絮凝攪拌器采用推流型混合器，水葉形的葉板用于限制絮體剪切的量，同時提供絮凝所需的速度梯度和泵送能力。因此，在確定混合器大小時，必須考慮輸入功率和泵送兩方面的要求。

根據該工程中絮凝段尺寸，計算水深與絮凝段當量直徑的比（Z/Te），并由此查表得出螺旋漿直徑與絮凝段當量直徑的比值（D/Te），由此確定初始流量系數Qp=0.82。計算得出，葉輪排液量為590.4 m3/min，葉輪直徑為3.3～4.4 m，該工程取3 850 mm。

由以上基礎數據，計算得出Q=10.55 m3/min，P=9.12 kW。

根據以上計算結果，選用絮凝攪拌器，該工程選用攪拌器葉輪直徑3 850 mm，轉速為19.8 r/min。

2.3 校核速度梯度

在絮凝段設計中，應既保證絮粒有充分接觸碰撞的機率，又不致使已形成的較大絮粒破碎，因此應保證絮凝過程中的速度梯度在一定的范圍內。根據國外相關研究，絮凝設施的典型速度梯度G值為100～500 s－1。

通過計算速度梯度G值為113 s－1，符合典型污水處理絮凝過程的速度梯度。

3 沉淀段設計

該工程設置沉淀池2座，采用斜管沉淀，逆向流沉降。清水區采用六邊形蜂窩管，管壁厚0.4 mm，邊距d=30 mm，水平傾角=60°，斜管結構占用面積按3%計。清水區上升流速v0取2.5 mm/s。

當雷諾數Re＜2 000時，流體為層流狀態，有利于固體的沉降。該工程Re=21.675＜2 000，層流，符合要求。

4 結語

高效沉淀池具有混凝－絮凝－沉淀一體化功能，且沉淀效率高，容積小，占地面積小等優點,該工程于2009年投入運行，運行情況良好，出水SS＜15 mg/L。為了保證混合絮凝效果，在混合反應池的設計過程中，還應注意以下幾點：

（1）混合段采用軸流折槳式攪拌器，應絕對地避免液體的渦旋或物質的渦旋。渦旋使得流體速度和葉輪速度之間的差減小，混合效率降低。通常可以在池壁設置垂直擋板，伸出池壁約1/10的直徑（或當量直徑）。

（2）高速旋轉的小葉輪產生較大的流體剪切和較小的泵送能力，慢速操作的大葉輪將導致較高的泵送能力和較低的流體剪切。因此混合段需采用高速小葉輪攪拌器；絮凝段采用慢速大葉輪攪拌器。考慮到水量、水質可能發生變化，絮凝段攪拌器需考慮設置變頻運行。

（3）污泥濃縮區污泥回流可加速礬花的生長，增加礬花的密度。污泥回流量控制在2%～3.5%。污泥回流螺桿泵考慮變頻運行，解決運行時可能出現的泥床升高或污泥不足的問題。

目前我國污水處理中采用的高效沉淀池沒有統一的規范要求，本文通過對高效沉淀池設計中參數的選取、水力條件的計算進行探討，為高效沉淀池設計的標準化提供借鑒。

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