高士國(guó) 阮如新

　　摘要：本文簡(jiǎn)要敘述了波形斜板應(yīng)用于側(cè)向流沉淀技術(shù)的設(shè)計(jì)思想﹑側(cè)向流波形斜板沉淀試驗(yàn)研究成果和沉淀單元裝置，以及在工程中的應(yīng)用情況。作為一種具有顯著特點(diǎn)的新型沉淀技術(shù)，側(cè)向流波形斜板沉淀工藝將在水工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。

　　以“淺層沉淀”原理為理論基礎(chǔ)的斜板、斜管沉淀技術(shù)在水處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了不同水流方向與不同型式的斜板、斜管組合的多種沉淀裝置。長(zhǎng)春中日友好水廠從工藝到設(shè)備全部引進(jìn)的側(cè)向流普通斜板沉淀池和哈爾濱三水廠由國(guó)外提供技術(shù)參數(shù)的側(cè)向流帶翼斜板沉淀池先后投產(chǎn)，成為我國(guó)大型水廠采用側(cè)向流沉淀技術(shù)的開(kāi)端。
　　北京市市政設(shè)計(jì)研究總院在異向流波形斜板沉淀技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，綜合側(cè)向流的長(zhǎng)處和波形板的特點(diǎn)，進(jìn)行了側(cè)向流波形斜板沉淀工藝試驗(yàn)研究，獲得并確定了側(cè)向流波形斜板沉淀工藝的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)參數(shù)。此項(xiàng)成果已在北京市第九水廠二期、三期工程(各50萬(wàn) m³／d)和深圳市筆架山水廠改造工程(32萬(wàn)m³/d)中采用。此項(xiàng)成果九三年獲北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)，九六年被建設(shè)部列為重點(diǎn)科技推廣項(xiàng)目，被國(guó)家科委列入《國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃指南》項(xiàng)目。

　　1 側(cè)向流波形斜扳沉淀工藝的提出

　　1.1 沉淀池設(shè)計(jì)理論
　　沉淀池設(shè)計(jì)基本理論，主要有兩條內(nèi)容。
　　其一，理論上100％去除的最小顆粒沉速與池深無(wú)關(guān)，而決定于沉淀池單位沉淀面積通過(guò)的流量，稱為表面負(fù)荷率。
　　　　　　 F＝Q／A 　　　　　　　　(1)
　　式中　F——表面負(fù)荷率 (m³/m²·s)
　　　　　Q——流量 (m³/s)
　　　　　A——沉淀面積 (m²)
　　其二，懸浮顆粒在理想沉淀池中的去除率只取決于沉淀池的表面負(fù)荷率，而與其它因素如池長(zhǎng)、池深、水平流速及沉淀時(shí)間無(wú)關(guān)。
　　　　　　 E＝u_i／F 　　　　　　　　　(2)
　　式中　E——懸浮顆粒去除率
　　　　　u_i——具有小于截留速度的顆粒沉速
　　1.2 實(shí)際沉淀池的沉淀效率
　　上述設(shè)計(jì)理論是建立在理想沉淀池的三項(xiàng)假設(shè)上的，即沉淀區(qū)的水流在任何一點(diǎn)處的流速完全相同、懸浮顆粒的濃度及分布在池深方向上完全一致并在沉降過(guò)程中沉速不變和任何顆粒一觸及池底就被有效去除。
　　而實(shí)際沉淀池內(nèi)的流速不可能完全相同，而是具有一定的流速分布；沉淀池中的絮體不僅大小不一，且具有繼續(xù)絮凝現(xiàn)象，在沉降過(guò)程中顆粒濃度及分布在池深方向上主要由于同向絮凝作用而不會(huì)完全一致，沉速也會(huì)發(fā)生變化；到達(dá)池底的顆粒，由于沉淀池結(jié)構(gòu)等方面因素不一定能被全部除去。
　　由于實(shí)際沉淀池與理想沉淀池存在明顯差異，因此相同表面負(fù)荷率情況下實(shí)際沉淀池去除率將大大低于理想沉淀池，用下式表示：
　　　　 E_r＝K·E_a 　　　　　　　(3)
　　式中 E_r——實(shí)際去除率
　　　　 E_a——理想去除率
　　　　 K——系數(shù)(K＜I)
　　影響 K值的主要因素：其一是因反應(yīng)的完善程度而產(chǎn)生的絮體性質(zhì)，即礬花的密度、大小和均勻性。礬花的密度在很大程度上受水質(zhì)和混凝劑品種與投加量的制約，而礬花的大小及均勻性主要取決于絮凝反應(yīng)的形式與性能。其二則是沉淀池的結(jié)構(gòu)型式，能否使反應(yīng)后的礬花及時(shí)有效地與水體分離而去除。
　　1.3 側(cè)向流波形斜板沉淀工藝設(shè)想
　　利用斜板或斜管增大沉淀面積是提高沉淀效率行之有效的措施。按照水流方向與沉泥下滑方向的關(guān)系，分為同向流、異向流(逆向流)和側(cè)向流(橫向流)。同向流或異向流沉淀時(shí)，水流動(dòng)力對(duì)懸浮顆粒所受重力都有較大影響或干擾。側(cè)向流則不然，水流方向與沉泥下滑方向相互垂直，對(duì)下滑影響較小，因而可獲得較理想的沉淀效果。
　　以往的側(cè)向流平板斜板因其剛度低為減少變形采用增加板厚和設(shè)置肋結(jié)構(gòu)等方法，致使材料用量大，并為了安裝上盡量減少支撐結(jié)構(gòu)占用過(guò)水?dāng)嗝娑坏貌徊捎脧?fù)雜的懸吊裝置。這些結(jié)構(gòu)與安裝上的缺陷加之造價(jià)較高限制了側(cè)向流沉淀技術(shù)的應(yīng)用。
　　為克服平板斜板的上述不足，研究用波形板代替平板。波形板在與平板板厚相同的情況下，其剛度較平板增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可適當(dāng)減薄而節(jié)約材料。在波形板兩端部設(shè)置支撐節(jié)點(diǎn)構(gòu)成斜板箱，組成沉淀單元，可以在沉淀池中重疊放置，靈活而方便地組合安裝，且無(wú)需懸吊結(jié)構(gòu)，將大大降低造價(jià)并簡(jiǎn)化制作與安裝的工作量。

　　2 側(cè)向流波形斜板沉淀試驗(yàn)研究

　　2.1 試驗(yàn)流程與試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)規(guī)模為25m³／h，試驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖 1。

　　原水來(lái)自某水廠進(jìn)水管(庫(kù)水)，由泵提升經(jīng)計(jì)量至混合槽，加藥快速混合后進(jìn)入反應(yīng)池，絮凝后流人沉淀池。
　　混合方式為快速軸流式機(jī)械攪拌。絮凝反應(yīng)為波形板豎流式三段反應(yīng)。
　　沉淀池填料為單元波形扳組。波形板全波高100mm，波長(zhǎng)500mm，見(jiàn)圖2。
　　板斜長(zhǎng)1500mm。波形板平行組裝，板間距60mm，傾角60°。單元波形板組寬750mm，高1000mm，沿水流方向板長(zhǎng)4000mm，板組剖面見(jiàn)圖3。

　　2.2 驗(yàn)結(jié)果
　　試驗(yàn)原水濁度0.84～1.89NTU，水溫8～19℃。鑒于原水濁度很低，進(jìn)行了配濁進(jìn)水試驗(yàn)，濁度為21.2～30.4NTU。
　　除在沉淀池出水口取樣外，在距沉淀池進(jìn)水口1.75、2.75、3.75m處分設(shè)取樣管，以測(cè)定不同板長(zhǎng)處的出水濁度。試驗(yàn)中根據(jù)不同進(jìn)水量、不同板長(zhǎng)的試驗(yàn)結(jié)果，考察不同板面負(fù)荷的沉淀效果。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 l和表2。 自然濁度進(jìn)水沉淀試驗(yàn)結(jié)果

表1 1.75m板長(zhǎng) 2.75m板長(zhǎng) 3.75m板長(zhǎng) 4.0m板長(zhǎng) 進(jìn)水量 容積負(fù)荷 出水濁度 容積負(fù)荷 出水濁度 容積負(fù)荷 出水濁度 容積負(fù)荷 出水濁度 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

人工配濁進(jìn)水沉淀試驗(yàn)結(jié)果

表2 1.75m板長(zhǎng) 2.75m板長(zhǎng) 3.75m板長(zhǎng) 4.0m板長(zhǎng) 進(jìn)水量 容積負(fù)荷 出水濁度 容積負(fù)荷 出水濁度 容積負(fù)荷 出水濁度 容積負(fù)荷 出水濁度 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

　　圖4為不同進(jìn)水量時(shí)不同板長(zhǎng)處出水濁度曲線。
　　將不同進(jìn)水條件下容積負(fù)荷與出水濁度進(jìn)行回歸，自然濁進(jìn)水時(shí)相關(guān)曲線為Y=0.4064LnX－0.3067，相關(guān)系數(shù)r=0.9291(標(biāo)準(zhǔn)值rα=0.7800)；配濁進(jìn)水時(shí)相關(guān)曲線為Y=2.8280LnX－4.0372，相關(guān)系數(shù)r=0.9205(標(biāo)準(zhǔn)值rα=0.7800)，見(jiàn)圖5。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，沉淀效果令人滿意，說(shuō)明波形斜板工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和技術(shù)參數(shù)的選擇是適宜的。
　　2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
　　2.3.1 沉淀效果評(píng)價(jià)
　　任何沉淀工藝形式固液分離效果的水平均可以用該工藝沉淀結(jié)果與其反應(yīng)出水的靜沉實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較而進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　本試驗(yàn)裝置斜板安裝傾角為60°、板間距60mm，其最大沉淀距離為60/cos60°=120mm。見(jiàn)圖6。
　　沉淀水樣是斷面出水的混合樣，全部絮體下沉的平均距離為60mm。

　　靜沉實(shí)驗(yàn)是用1000ml燒杯取沉淀前反應(yīng)出水，靜沉5min后取上清液測(cè)其濁度。上清液取樣距杯底約100mm。
　　表3為沉淀試驗(yàn)出水與反應(yīng)出水靜沉實(shí)驗(yàn)濁度對(duì)比數(shù)據(jù)。

沉淀出水與反應(yīng)出水靜沉實(shí)驗(yàn)對(duì)比

表3 進(jìn)水量 停留時(shí)間 min 自然濁度進(jìn)水 NTU 人工配濁進(jìn)水 NTU m³/h 沉淀 靜沉 沉淀 靜沉 沉淀 靜沉 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，沉淀池停留時(shí)間接近5min時(shí)出水濁度大大低于反應(yīng)出水靜沉5min時(shí)上清液濁度， 說(shuō)明本沉淀工藝可以將部分靜沉條件下難以去除的微絮體分離出去。
　　表4所列為與反應(yīng)出水靜沉5min上清液濁度相近時(shí)的沉淀試驗(yàn)條件數(shù)據(jù)。

沉淀出水濁度與靜沉實(shí)驗(yàn)濁度相近時(shí)沉淀數(shù)據(jù)

表4 進(jìn)水 處理水量 板長(zhǎng) 停留時(shí)間 容積負(fù)荷 出水濁度 靜沉濁度 條件 m³/h m min m³/m³·h NTU NTU 自然 34 2.75 2.45 16.50 1.16 1.13 濁度 25 1.75 2.11 19.08 1.18 1.21 人工 34 3.75 3.34 12.14 2.82 2.99 配濁 25 2.75 3.33 12.14 2.51 2.73

　　從表4可以看出，與靜沉5min上清液濁度相接近的沉淀時(shí)間遠(yuǎn)小于5min。
　　上述兩表反映的評(píng)價(jià)結(jié)果說(shuō)明，側(cè)向流波形斜板沉淀工藝的固液分離效果十分理想。
　　2.3.2 波形斜板結(jié)構(gòu)特性
　　側(cè)向流波形斜板沉淀工藝有如此理想的固液分離效果，除側(cè)向流固有的水流與沉泥下沉方向垂直互相干擾小的特點(diǎn)外，更主要的還在于斜板的波形結(jié)構(gòu)為板間水體中絮體的繼續(xù)絮凝提供了條件和沉泥集聚于波形板的波谷中更易于下滑與排除。
　　2.3.2.1 波形板間隙與繼續(xù)絮凝
　　波形扳間隙依波長(zhǎng)方向而不同，其圖形分析見(jiàn)圖7。設(shè)間隙量在波峰及波谷處為b，其它部位均＜b，最窄處為 bm。當(dāng)為正弦波時(shí)，α角30о，則bm＝b ·cosα。本試驗(yàn)裝置b＝60mm，則bm＝60×0.866＝52mm。兩斜板間的水流將由于間隙的改變而不斷變化，這種適度的“蛇形”流線和流速的變化，為絮體繼續(xù)碰撞進(jìn)一步絮凝創(chuàng)造了良好的水力條件。絮凝沉淀正是側(cè)向流波形斜板沉淀能取得滿意效果的重要因素之一。

　　2.3.2.2 波形結(jié)構(gòu)與沉泥下滑
　　波形板材料為 ABS或PVC，板面平滑。沉泥沿著波峰至波谷的波面與重力合成的方向下滑、集中，在波谷底部形成泥束。這種泥束的形成是波形板特有而平板斜板所不具備的集泥形式。
　　沉泥下滑的基本條件是泥與水的重力差在斜面上引起的下滑力大于沉泥與上部的水面和下部的板面形成的摩擦阻力之和，見(jiàn)式4和圖8。
　　f＞fw + fp (4)
　　式中　f——下滑力
　　　　　fw——水面對(duì)泥的阻力
　　　　　fp——板面對(duì)泥的阻力

　　水和板面對(duì)沉泥下滑的阻力屬粘滯性阻力，與接觸面積的大小成正比。波形斜板形成的下滑泥束具有較小的接觸界面，因而阻力 fw和fp均較小，這樣相對(duì)較小的下滑力就可使泥束在波谷中下滑和從波形板組中排除。
　　沉泥在波谷中形成泥束和泥束的下滑所需下滑力較小這兩大特點(diǎn)，使相同安裝傾角的波形斜板與平板斜板相比肯定具有更高的泥水分離效果，沉淀效果更加理想。

　　3 沉淀裝置單元設(shè)計(jì)

　　正弦波構(gòu)造形式的斜板，其剛度較之平板大大增加，可以構(gòu)成單元化沉淀裝置。目前我們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的沉淀單元計(jì)有Ⅰ型和Ⅱ型兩種，均已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。
　　3.1 Ⅰ型側(cè)向流波形斜板沉淀單元
　　該沉淀單元為箱型結(jié)構(gòu)，即波形板組兩端連接（焊接）于支撐立板上，兩支撐立板以肋板連接，構(gòu)成箱型。見(jiàn)圖9。

　　以從波形斜板側(cè)向心線垂直被切掉的上端波谷段和下端的波峰段分別作為與支撐板上下端的連接結(jié)合部位，波形斜板下端波谷部分和支撐板之間的月牙形間隙自然成為從波谷向下排泥的排泥孔，斜板上端中心線以上的波峰沿水平方向被切掉后所形成的弓形間隙作為斜板組的沖洗孔。見(jiàn)圖10。

　　北京市第九水廠二期沉淀池應(yīng)用此型沉淀單元。
　　3.2 Ⅱ型側(cè)向流波形斜板沉淀單元
　?、裥蛡?cè)向流波形斜板沉淀單元是方形柱體便于在池中插入安裝和取出，但有相當(dāng)數(shù)量的斜板長(zhǎng)短不一，要由標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的斜板截取，材料有些浪費(fèi)；斜板與支撐立板的連接采用焊接或粘接，制作有一定難度；還要加工沖洗孔和排泥孔，需要一定的工作量。為克服這些不足，研制開(kāi)發(fā)了Ⅱ型沉淀單元。見(jiàn)圖11。

　　該型式沉淀單元亦稱側(cè)向流棱形框架波形斜板沉淀單元，由框架、波形斜板組和帶弧形托的固定件組成。單元框架是由管狀桿件構(gòu)成的立體棱形框架，前后視均為平行四邊形，側(cè)視為矩形。在前后框上各設(shè)W形的一組桿件，左框與右框中間設(shè)有中間桿件，以使框架具有足夠的剛度和強(qiáng)度?；⌒瓮泄潭衷O(shè)于前后框的上下框邊以及上下框的前框邊和后框邊中間，波形斜板的兩端分別插入其齒縫并支持于與波形板弧形相對(duì)應(yīng)的框架桿件上，構(gòu)成對(duì)各波形板的線型支撐并將波形板固定成板組。
　　該型沉淀單元使用等長(zhǎng)的板材，從而節(jié)省材料和加工工作量；不需另行加工沖洗孔和排泥孔，便于檢查和維護(hù)，完全避免了污泥堆積又使沖洗極為便利；波形板的安裝固定由焊接或粘接改為定位式的插聯(lián)拼裝，大大減少了焊接工作量并提高了制造精度和牢固性。Ⅱ型與Ⅰ型相比，每單位容積可節(jié)約材料20%左右，并由于取消了沖洗孔和排泥孔使有效沉淀面積增加20%以上。
　　此型沉淀單元已在深圳市筆架山水廠擴(kuò)建工程中應(yīng)用。
　　3.3 側(cè)向流棱形框架波形斜板沉淀單元的設(shè)計(jì)與計(jì)算
　　由于該型沉淀單元較Ⅰ型有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，是Ⅰ型的改進(jìn)型，因此Ⅰ型沉淀單元的設(shè)計(jì)與計(jì)算不再贅述。
　　3.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
　　水平流速 5～20mm/s , 容積負(fù)荷(Cv) 10m³/m³·h , 水力停留時(shí)間 6min。?

　　3.3.2 板箱尺寸與處理能力
　　板箱高度H(m) 1.0 1.1
　　板箱寬度B(m) 1.3 1.3
　　單箱體積m³ 2.6 2.86
　　有效沉淀面積m2 16.6 18.4
　　每m3箱體處理能力(Cn)m³/h 8～15
　　3.3.3 板箱用量計(jì)算
　　3.3.3.1 按板箱容積計(jì)算
　　V= 　　　　　　　　　　　　(5)
　　式中：V——需要的板箱總?cè)莘e(m3)
　　　　　Q——設(shè)計(jì)處理水量(m³/h)
　　　　　Cv——容積負(fù)荷(m³/m³·h)
　　　　　1.2——設(shè)計(jì)安全系數(shù)
　　3.3.3.2 按板箱數(shù)量計(jì)算
　　n= 　　　　　　　　　　　　(6)
　　式中：　n——需要的板箱數(shù)量
　　　　　　Q——設(shè)計(jì)處理水量(m³/h)
　　　　　　Cn——每箱處理能力(m³/h)
　　　　　　1.2——設(shè)計(jì)安全系數(shù)
　　3.3.4 沉淀單元的安裝
　　在滿足設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，板組單元在設(shè)計(jì)所需數(shù)量確定后，可以在沉淀池中隨意疊放，組成多種池形。見(jiàn)圖13。

　　一般波形板箱豎向疊放2～4個(gè)單元，不宜超過(guò)4個(gè)單元，以3個(gè)為宜。
　　板箱下面垂直水流方向以及板箱縱向兩端空間部分設(shè)檔板以防短流。

　　板箱上端一般潛沒(méi)水下100mm。
　　一般以設(shè)于波形板箱下的潛水刮泥車排泥。見(jiàn)圖14。

　　4 工程應(yīng)用

　　4.1 北京市第九水廠二期工程
　　北京市第九水廠二期工程日處理能力50萬(wàn)m³。工藝流程為：原水—混合—絮凝—沉淀—過(guò)濾—碳吸附—消毒—配水。沉淀采用側(cè)向流波形斜板工藝。分二個(gè)系列，每系列按25萬(wàn)m³/d設(shè)計(jì)，每系列設(shè)沉淀池二座，共四池。
　　每池長(zhǎng)19m、寬28m、最深處7.5m。斜板區(qū)分前后兩部分，前板箱區(qū)沿水流方向設(shè)置5排板箱、長(zhǎng)5m；后板箱區(qū)沿水流方向設(shè)置4排板箱、長(zhǎng)4m；中間相隔1.3m。板箱前設(shè)有4.7m長(zhǎng)進(jìn)水區(qū)，板箱后設(shè)有4.0m長(zhǎng)出水區(qū)。斜板區(qū)由上下兩層板箱組成，板箱總高4.5m，有效高度4.0m，板箱下部為集泥區(qū)。安裝布置見(jiàn)圖15。

　　該工程波形斜板沉淀工藝板面有效系數(shù)0.75，容積負(fù)荷7m³/m³·h，水平流速14mm/s。超負(fù)荷25％時(shí)，容積負(fù)荷8.5m3/m3·h，水平流速17mm/s。
　　4.2 深圳市筆架山水廠改造擴(kuò)建工程
　　該廠原處理能力18萬(wàn)m³/d，平流沉淀池。97年擴(kuò)建為32萬(wàn)m³/d，原平流沉淀池填充波形斜板改造為側(cè)向流沉淀池，分建兩池。平面布置示意見(jiàn)圖16。

　　每池長(zhǎng)41.6m、寬11.5m、最深處4.5m。波形斜板箱沿深度方向放置2層，總高2.2m，沿水流方向放置3排，總長(zhǎng)3.9m。
　　該工程波形斜板沉淀工藝板面有效系數(shù)0.8，容積負(fù)荷25m³/m³·h，水平流速24mm/s。超負(fù)荷40萬(wàn)m³/d時(shí)，容積負(fù)荷31m³ /m³·h，水平流速30mm/s。

作者單位：

高士國(guó)，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院總工程師。
北京市西城區(qū)月壇南街乙2號(hào)（100045）。 電話：86-010-68023409， 傳真：86-010-68010984

阮如新，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院研究所高級(jí)工程師。
北京市西城區(qū)大帽胡同26號(hào) (100035)。電話：86-010-66167314， 傳真：86-010-66167320