出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1993年第4期第22頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： ： 1993-4

陳樹(shù)勤
(中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)院)

摘要：在工程設(shè)計(jì)中采用一種新型凈化構(gòu)筑物——橫向流斜板浮沉地，用于處理冬季低溫、低濁，夏季中高濁的江河、湖泊、水庫(kù)水。在同一凈水構(gòu)筑物中根據(jù)需要，改變凈水工藝，即當(dāng)原水低溫低濁時(shí)，采用氣浮方式運(yùn)行；當(dāng)原水濁度升高(超過(guò)100度)時(shí)，則改為斜板沉淀方式運(yùn)行。經(jīng)過(guò)幾年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，這種池型技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

1 前言

　　江河、湖泊、水庫(kù)水冬季低溫低濁，有時(shí)又含藻類(lèi)，這種特殊水質(zhì)一直是設(shè)計(jì)中沒(méi)有很好解決的難題。
　　吉林市地處松花湖水庫(kù)下游約20km處，城市用水均取自松花江，江水低溫低濁期長(zhǎng)達(dá)4個(gè)多月，冬季水溫一般為0～2℃，濁度80%低于20度、pH7.0～7.5、色度在15度以上，COD>6mg/L；春夏之交季節(jié)藻類(lèi)很多，夏天雨季江水濁度有時(shí)由十幾度突然升高到幾百度，甚至幾千度。根據(jù)這種水質(zhì)特征，1989年在吉林市一水廠氣浮池改造和四水廠二期給水工程設(shè)計(jì)中采用了橫向流斜板浮沉池，即在冬季初春原水低溫低濁時(shí)期以氣浮的方式運(yùn)行；當(dāng)夏季原水濁度高時(shí)(>100度)改為斜板沉淀方式運(yùn)行。經(jīng)過(guò)二年多的生產(chǎn)運(yùn)行，效果良好。

2 低溫低濁水對(duì)凈水工藝的影響

　　2.1 對(duì)混凝過(guò)程的影響
　　影響混凝效果的因素，實(shí)踐證明主要是水溫、水質(zhì)和水力條件。水溫低時(shí)盡管增加投藥量，混凝效果也很差，因?yàn)樗疁氐突炷齽┧饫щy，特別是當(dāng)水溫低于5℃時(shí)，混凝劑水解速度極其緩慢。水溫低，水的粘度大，水中雜質(zhì)微粒布郎運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱，彼此碰撞機(jī)會(huì)減少，不利于脫穩(wěn)膠粒互相聚凝，同時(shí)水流剪切力也增大，影響絮體的成長(zhǎng)。加之原水濁度低時(shí)，單位體積內(nèi)的膠體顆粒數(shù)目少、濃度低、碰撞率低，僅使膠粒吸附脫穩(wěn)，但還不能達(dá)到滿意的凝聚效果，要靠加大投藥量形成足夠膠體，實(shí)現(xiàn)“卷掃混凝”，但必然導(dǎo)致混凝劑的大量消耗。
　　2.2 對(duì)沉淀過(guò)程的影響
　　如上所述，低溫低濁水絮體的形成緩慢而且結(jié)構(gòu)松散、顆粒細(xì)小、密度小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度低、雜質(zhì)處于飄浮狀態(tài)。所以，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)反應(yīng)池的運(yùn)行工況往往遠(yuǎn)偏離原工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，影響了處理效果。根據(jù)斯篤克斯沉降公式:

　　其中重力加速度g與水的密度ρ s 為常數(shù)，顆粒的分離速度U s 與水的粘滯系數(shù)μ成反比(水溫低，μ值增大)，與絮體顆粒的密度ρ s 和粒徑d成正比。當(dāng)原水濁度低溫度也低時(shí)，投藥后所形成的絮體輕而松散，此時(shí)(ρ s -ρ 0 )≈0，μ值又增大，U s 值變得很小接近于零，因此沉淀發(fā)生了困難；但當(dāng)輕而松散的絮體附著足夠的微氣泡時(shí)，這時(shí)顆粒的平均密度ρ s 就要小于水的密度ρ 0 即(ρ s -ρ 0 )為負(fù)值，U s 也為負(fù)值，說(shuō)明顆粒已不再下沉而是上浮，因?yàn)榭諝獾拿芏葍H為水的1/775。由此可見(jiàn)，低溫低濁時(shí)采用氣浮工藝是科學(xué)的有效措施。反之，當(dāng)夏天雨季原水濁度高時(shí)改用沉淀工藝，這就是浮沉池設(shè)計(jì)的最根本基礎(chǔ)。
　　2.3 對(duì)過(guò)濾過(guò)程的影響
　　低溫低濁水混凝效果差，絮體分離、沉淀困難，過(guò)濾中較小粒徑的絮體也難以被砂層截留或吸附。即使有些絮體被吸附截留，但因水溫低、剪切力較大、絮體強(qiáng)度又小，也容易被切斷隨水下移，穿透濾層導(dǎo)至濾池出水不合格，影響了濾池性能的發(fā)揮。在上道工序中如果采用浮沉池，冬季以氣浮工況運(yùn)行，改善絮體的分離條件提高分離效果，就可以改善濾池的性能，保證凈化后的水質(zhì)。
綜上所述，低溫低濁水對(duì)每個(gè)處理工藝均影響很大。經(jīng)研究已經(jīng)提出一些解決措施，如加強(qiáng)混凝過(guò)程，增投助凝劑——活化硅酸等；采用泥渣回流法、溶氣浮選法；在過(guò)濾方面，曾研究出微絮凝接觸過(guò)濾法。以上幾種凈化方法雖各有所長(zhǎng)，但各有不同的適用條件，浮沉池能夠克服其不足。

3 浮沉池的設(shè)計(jì)

　　3.1 浮沉池的池型
　　橫向流斜板浮沉池與橫向流斜板沉淀池池型基本相同，只是在前穩(wěn)流段前增設(shè)氣浮運(yùn)行時(shí)的接觸區(qū)，同時(shí)安裝釋放器，在池頂增設(shè)刮沫機(jī)。以氣浮、沉淀兩種工況運(yùn)行時(shí)，進(jìn)、出水方式均相同。施工簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便。如圖1。

　　池型特點(diǎn):
　　a. 水流流向順直阻力小，水流進(jìn)入穩(wěn)定段到斜板區(qū)最后到出水段，全程沒(méi)有流向的變化，水平流速變化微小，最大限度地減小水力擾動(dòng)，提高固液分離效率。
　　b. 池內(nèi)裝有斜板，能夠避免純氣浮池中容易發(fā)生的布水不均、水與浮渣亂流而影響絮體上浮的現(xiàn)象。
　　c. 浮沉池底部積泥區(qū)順?biāo)鞣较蛟O(shè)有阻流墻，把池底分割成幾個(gè)區(qū)段，當(dāng)采用沉淀工藝運(yùn)行時(shí)可形成靜止的沉泥區(qū)，有力地防止了水流短路的現(xiàn)象。每個(gè)區(qū)段采用穿孔排泥管集泥后排出池外；當(dāng)水量在5萬(wàn)m 3 /d以上時(shí)宜采用機(jī)械刮泥，刮泥機(jī)在兩道阻流墻之間向垂直于斜板區(qū)水流方向的池子側(cè)邊刮泥，減少了對(duì)沉淀效率的影響。另外在阻流墻上沿垂直方向即平行于池長(zhǎng)方向放輕軌，用以支撐斜板組合體，解決了浮沉池的斜板不能吊掛的矛盾。
　　d. 斜板采用三段(三層)布置，有效利用池全深。每片斜板斜長(zhǎng)為1.0m，三段總垂直高度為2.6m，使池深與氣浮池的池深相接近。板距為100mm，可防止沉泥堆積堵塞氣浮的絮體上浮。
　　3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇
　　為了保證安全可靠的供水，東北地區(qū)在斜板(管)沉淀池的設(shè)計(jì)中所采用的設(shè)計(jì)負(fù)荷越來(lái)越低，絮體顆粒的沉降速度一般均按0.16～0.18mm/s計(jì)算，液面設(shè)計(jì)負(fù)荷為6.18～7.03m 3 /m 2 ·h是按最不利的水質(zhì)情況而確定。由于設(shè)計(jì)參數(shù)低勢(shì)必增加建筑面積，加之凈化構(gòu)筑物均需建在室內(nèi)又有采暖設(shè)施，不可避免地提高了工程造價(jià)及其管理費(fèi)用。
　　浮沉池的設(shè)計(jì)負(fù)荷不是按沉淀的最不利情況來(lái)確定，而是由氣浮和沉淀兩種工況綜合確定其經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可靠的設(shè)計(jì)負(fù)荷。沉淀負(fù)荷按原水濁度>50度考慮，沉降速度取0.25 ～0.3mm/s，相當(dāng)于設(shè)計(jì)液面負(fù)荷9.77～11.7m 3 /m 2 ·h，比傳統(tǒng)的斜板沉淀池設(shè)計(jì)負(fù)荷6.18～7.03m 3 /m 2 ·h提高約50%。
按氣浮池設(shè)計(jì)時(shí)，溶氣壓力與回流比的確定至關(guān)重要，直接影響氣浮效果、設(shè)備投資及日常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。目前，我國(guó)在給水凈化方面采用的溶氣壓力為2～4kg/cm 2 ，回流比一般為5～10%；國(guó)外研究結(jié)果溶氣壓力多采用4～5kg/cm 2 ，有時(shí)高達(dá)6～7kg/cm 2 ，回流比采用6%～8%較多。我們根據(jù)試驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)采用溶氣壓力為3.5kg/cm 2 左右，回流比為7%。
　　浮沉工藝反應(yīng)池的反應(yīng)時(shí)間一般15～20min，當(dāng)原水低溫低濁時(shí)，反應(yīng)時(shí)間雖短，所形成的微細(xì)絮體若與溶氣釋放器的驟然消能降壓所釋出的微細(xì)氣泡粘附在一起，其上浮速度也很快；若單純采用斜板沉淀池，須反應(yīng)形成較大的絮體才能達(dá)到沉淀分離的目的，一般反應(yīng)時(shí)間取≥30min。夏季原水濁度升高時(shí)在反應(yīng)池內(nèi)更容易形成絮體，浮沉池反應(yīng)效果明顯提高，所以反應(yīng)池的反應(yīng)時(shí)間取15～20min也足以滿足斜板沉淀池的需要。
　　浮沉池在冬季原水低溫低濁時(shí)以氣浮形式運(yùn)行，還可以大大地減輕濾池的負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)濾池的過(guò)濾周期，所以在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高濾池的設(shè)計(jì)濾速。
　　3.3 浮沉池內(nèi)部裝置的設(shè)計(jì)
　　采用橫向流斜板浮沉池時(shí)，若只采用單層斜板，安裝則與普通橫向流斜板沉淀池相同，勢(shì)必增大斜板單體高度、增大池子面積、占地多。日本的很多水廠中多采用“宇野式”的斜板安裝方式，如圖2，長(zhǎng)春市中日友好水廠采用這種安裝方式。它通過(guò)懸掛桿、鉤釘、框架，將每列斜板懸掛在池頂，達(dá)到固定安裝的目的，但在浮沉池中若采用氣浮方式運(yùn)行時(shí)，刮沫機(jī)就不能運(yùn)行刮沫了。經(jīng)研究，最終設(shè)計(jì)出一種既方便又可靠的使沉淀與氣浮都能分別在同一裝置內(nèi)進(jìn)行的斜板組合體裝置，如圖3。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

　　浮沉池集中了斜板沉淀池與氣浮池的優(yōu)點(diǎn)，用于處理一年中溫度、濁度變化較大的地面水，已經(jīng)取得了理想的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
　　吉林市一水廠原水取自松花江，廠內(nèi)凈水沉淀構(gòu)筑物有平流沉淀池、脈沖澄清池、氣浮池。1989年夏季原水濁度異常高(最高達(dá)7000 多度)，使出廠水嚴(yán)重超標(biāo)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，將原氣浮池改造成橫向流斜板浮沉池，雖然受原池型的限制有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)均偏高，但經(jīng)二年多的運(yùn)動(dòng)實(shí)踐證明凈化效果十分穩(wěn)定。當(dāng)原水溫度2℃、濁度8～12度、色度16度、COD7.0mg/L、混凝劑(硫酸鋁)投加量為25mg/L，以氣浮方式運(yùn)行時(shí)，出水濁度3～5度、色度8度、COD為5.1mg/L；當(dāng)以沉淀方式運(yùn)行時(shí)，混凝劑投量增加到35mg/L，出水濁度7～11度、色度10度、COD為6.2mg/L。
　　當(dāng)原水濁度在140～400度時(shí)，改造前以氣浮方式運(yùn)行去濁率一般為50～60%，而最高時(shí)為80%；改造后的橫向流斜板浮沉池，當(dāng)原水濁度為140～400度時(shí)，以沉淀方式運(yùn)行去濁率均在95.7%～97.5%以上。
　　吉林市四水廠橫向流斜板浮沉池1991年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)規(guī)模為4萬(wàn)m 3 /d，原水取自松花江。經(jīng)一年多的生產(chǎn)運(yùn)行效果良好，當(dāng)水溫為2℃、進(jìn)水濁度8～12度時(shí)，采用氣浮方式運(yùn)行出水濁度為3～5度；在夏天雨季原水濁度突然升高到1800度時(shí)，按橫向流斜板沉淀方式運(yùn)行，其出水濁度在10度左右。
　　浮沉池不但處理冬季低溫低濁、夏季中高濁度的水質(zhì)效果好，而且對(duì)除藻、除味、脫色效果也均好于其它常規(guī)工藝。如脈沖澄清池和平流沉淀池由于其除藻率低，使大量藻類(lèi)進(jìn)入濾池，嚴(yán)重地影響了濾池的正常工作，大大縮短了濾池過(guò)濾周期，有時(shí)濾池只工作3～5h就要停池沖洗。由于藻類(lèi)與其它膠體粘附在一起，不但沖洗困難、不徹底、耗水量也大。當(dāng)采用浮沉池時(shí)，在藻類(lèi)盛行季節(jié)，原水為低溫低濁期，采用氣浮方式運(yùn)行就可以避免藻類(lèi)的困惑。
　　經(jīng)過(guò)工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐證明，采用浮沉池處理低溫低濁水比普通沉淀工藝節(jié)省混凝劑約30%；反應(yīng)時(shí)間可減少1/3；浮沉池要增加設(shè)備費(fèi)，但可以從節(jié)省反應(yīng)池容積的投資來(lái)彌補(bǔ)；耗電量指標(biāo)一般為0.015度/m 3 水，耗電費(fèi)很少，僅僅是節(jié)省混凝劑費(fèi)用的1/3。
　　橫向流斜板浮沉池具有水質(zhì)凈化的多種功能，隨著飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高和天然水體污染的不斷加劇，相信該項(xiàng)新技術(shù)會(huì)有廣闊的發(fā)展前程。