出　　自： 《中國給水排水》 1993年第4期第22頁
發表時間： ： 1993-4

陳樹勤
(中國市政工程東北設計院)

摘要：在工程設計中采用一種新型凈化構筑物——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、水庫水。在同一凈水構筑物中根據需要，改變凈水工藝，即當原水低溫低濁時，采用氣浮方式運行；當原水濁度升高(超過100度)時，則改為斜板沉淀方式運行。經過幾年的生產實踐證明，這種池型技術可靠、經濟合理。

1 前言

　　江河、湖泊、水庫水冬季低溫低濁，有時又含藻類，這種特殊水質一直是設計中沒有很好解決的難題。
　　吉林市地處松花湖水庫下游約20km處，城市用水均取自松花江，江水低溫低濁期長達4個多月，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；春夏之交季節藻類很多，夏天雨季江水濁度有時由十幾度突然升高到幾百度，甚至幾千度。根據這種水質特征，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計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期以氣浮的方式運行；當夏季原水濁度高時(>100度)改為斜板沉淀方式運行。經過二年多的生產運行，效果良好。

2 低溫低濁水對凈水工藝的影響

　　2.1 對混凝過程的影響
　　影響混凝效果的因素，實踐證明主要是水溫、水質和水力條件。水溫低時盡管增加投藥量，混凝效果也很差，因為水溫低混凝劑水解困難，特別是當水溫低于5℃時，混凝劑水解速度極其緩慢。水溫低，水的粘度大，水中雜質微粒布郎運動強度減弱，彼此碰撞機會減少，不利于脫穩膠粒互相聚凝，同時水流剪切力也增大，影響絮體的成長。加之原水濁度低時，單位體積內的膠體顆粒數目少、濃度低、碰撞率低，僅使膠粒吸附脫穩，但還不能達到滿意的凝聚效果，要靠加大投藥量形成足夠膠體，實現“卷掃混凝”，但必然導致混凝劑的大量消耗。
　　2.2 對沉淀過程的影響
　　如上所述，低溫低濁水絮體的形成緩慢而且結構松散、顆粒細小、密度小、質量輕、強度低、雜質處于飄浮狀態。所以，在規定的時間內反應池的運行工況往往遠偏離原工藝設計參數，影響了處理效果。根據斯篤克斯沉降公式:

　　其中重力加速度g與水的密度ρ s 為常數，顆粒的分離速度U s 與水的粘滯系數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。當原水濁度低溫度也低時，投藥后所形成的絮體輕而松散，此時(ρ s -ρ 0 )≈0，μ值又增大，U s 值變得很小接近于零，因此沉淀發生了困難；但當輕而松散的絮體附著足夠的微氣泡時，這時顆粒的平均密度ρ s 就要小于水的密度ρ 0 即(ρ s -ρ 0 )為負值，U s 也為負值，說明顆粒已不再下沉而是上浮，因為空氣的密度僅為水的1/775。由此可見，低溫低濁時采用氣浮工藝是科學的有效措施。反之，當夏天雨季原水濁度高時改用沉淀工藝，這就是浮沉池設計的最根本基礎。
　　2.3 對過濾過程的影響
　　低溫低濁水混凝效果差，絮體分離、沉淀困難，過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、絮體強度又小，也容易被切斷隨水下移，穿透濾層導至濾池出水不合格，影響了濾池性能的發揮。在上道工序中如果采用浮沉池，冬季以氣浮工況運行，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。
綜上所述，低溫低濁水對每個處理工藝均影響很大。經研究已經提出一些解決措施，如加強混凝過程，增投助凝劑——活化硅酸等；采用泥渣回流法、溶氣浮選法；在過濾方面，曾研究出微絮凝接觸過濾法。以上幾種凈化方法雖各有所長，但各有不同的適用條件，浮沉池能夠克服其不足。

3 浮沉池的設計

　　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，只是在前穩流段前增設氣浮運行時的接觸區，同時安裝釋放器，在池頂增設刮沫機。以氣浮、沉淀兩種工況運行時，進、出水方式均相同。施工簡單、運行管理方便。如圖1。

　　池型特點:
　　a. 水流流向順直阻力小，水流進入穩定段到斜板區最后到出水段，全程沒有流向的變化，水平流速變化微小，最大限度地減小水力擾動，提高固液分離效率。
　　b. 池內裝有斜板，能夠避免純氣浮池中容易發生的布水不均、水與浮渣亂流而影響絮體上浮的現象。
　　c. 浮沉池底部積泥區順水流方向設有阻流墻，把池底分割成幾個區段，當采用沉淀工藝運行時可形成靜止的沉泥區，有力地防止了水流短路的現象。每個區段采用穿孔排泥管集泥后排出池外；當水量在5萬m 3 /d以上時宜采用機械刮泥，刮泥機在兩道阻流墻之間向垂直于斜板區水流方向的池子側邊刮泥，減少了對沉淀效率的影響。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 設計參數選擇
　　為了保證安全可靠的供水，東北地區在斜板(管)沉淀池的設計中所采用的設計負荷越來越低，絮體顆粒的沉降速度一般均按0.16～0.18mm/s計算，液面設計負荷為6.18～7.03m 3 /m 2 ·h是按最不利的水質情況而確定。由于設計參數低勢必增加建筑面積，加之凈化構筑物均需建在室內又有采暖設施，不可避免地提高了工程造價及其管理費用。
　　浮沉池的設計負荷不是按沉淀的最不利情況來確定，而是由氣浮和沉淀兩種工況綜合確定其經濟上合理、技術上可靠的設計負荷。沉淀負荷按原水濁度>50度考慮，沉降速度取0.25 ～0.3mm/s，相當于設計液面負荷9.77～11.7m 3 /m 2 ·h，比傳統的斜板沉淀池設計負荷6.18～7.03m 3 /m 2 ·h提高約50%。
按氣浮池設計時，溶氣壓力與回流比的確定至關重要，直接影響氣浮效果、設備投資及日常運轉費用。目前，我國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%；國外研究結果溶氣壓力多采用4～5kg/cm 2 ，有時高達6～7kg/cm 2 ，回流比采用6%～8%較多。我們根據試驗和生產運行，設計采用溶氣壓力為3.5kg/cm 2 左右，回流比為7%。
　　浮沉工藝反應池的反應時間一般15～20min，當原水低溫低濁時，反應時間雖短，所形成的微細絮體若與溶氣釋放器的驟然消能降壓所釋出的微細氣泡粘附在一起，其上浮速度也很快；若單純采用斜板沉淀池，須反應形成較大的絮體才能達到沉淀分離的目的，一般反應時間取≥30min。夏季原水濁度升高時在反應池內更容易形成絮體，浮沉池反應效果明顯提高，所以反應池的反應時間取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以氣浮形式運行，還可以大大地減輕濾池的負擔，延長濾池的過濾周期，所以在設計時可適當提高濾池的設計濾速。
　　3.3 浮沉池內部裝置的設計
　　采用橫向流斜板浮沉池時，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，長春市中日友好水廠采用這種安裝方式。它通過懸掛桿、鉤釘、框架，將每列斜板懸掛在池頂，達到固定安裝的目的，但在浮沉池中若采用氣浮方式運行時，刮沫機就不能運行刮沫了。經研究，最終設計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進行的斜板組合體裝置，如圖3。

4 技術經濟效益

　　浮沉池集中了斜板沉淀池與氣浮池的優點，用于處理一年中溫度、濁度變化較大的地面水，已經取得了理想的技術經濟效果。
　　吉林市一水廠原水取自松花江，廠內凈水沉淀構筑物有平流沉淀池、脈沖澄清池、氣浮池。1989年夏季原水濁度異常高(最高達7000 多度)，使出廠水嚴重超標。經過實驗研究，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設計參數均偏高，但經二年多的運動實踐證明凈化效果十分穩定。當原水溫度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，以氣浮方式運行時，出水濁度3～5度、色度8度、COD為5.1mg/L；當以沉淀方式運行時，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。
　　當原水濁度在140～400度時，改造前以氣浮方式運行去濁率一般為50～60%，而最高時為80%；改造后的橫向流斜板浮沉池，當原水濁度為140～400度時，以沉淀方式運行去濁率均在95.7%～97.5%以上。
　　吉林市四水廠橫向流斜板浮沉池1991年投產，設計規模為4萬m 3 /d，原水取自松花江。經一年多的生產運行效果良好，當水溫為2℃、進水濁度8～12度時，采用氣浮方式運行出水濁度為3～5度；在夏天雨季原水濁度突然升高到1800度時，按橫向流斜板沉淀方式運行，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效果好，而且對除藻、除味、脫色效果也均好于其它常規工藝。如脈沖澄清池和平流沉淀池由于其除藻率低，使大量藻類進入濾池，嚴重地影響了濾池的正常工作，大大縮短了濾池過濾周期，有時濾池只工作3～5h就要停池沖洗。由于藻類與其它膠體粘附在一起，不但沖洗困難、不徹底、耗水量也大。當采用浮沉池時，在藻類盛行季節，原水為低溫低濁期，采用氣浮方式運行就可以避免藻類的困惑。
　　經過工程設計和運行實踐證明，采用浮沉池處理低溫低濁水比普通沉淀工藝節省混凝劑約30%；反應時間可減少1/3；浮沉池要增加設備費，但可以從節省反應池容積的投資來彌補；耗電量指標一般為0.015度/m 3 水，耗電費很少，僅僅是節省混凝劑費用的1/3。
　　橫向流斜板浮沉池具有水質凈化的多種功能，隨著飲用水質標準的提高和天然水體污染的不斷加劇，相信該項新技術會有廣闊的發展前程。