摘 要:結(jié)合實際工程應(yīng)用項目,介紹了復(fù)合沉淀池的衍變及運行效果。復(fù)合沉淀池是平流沉淀池和斜管沉淀池的優(yōu)化組合。首先在斜管沉淀池前增設(shè)一段12~25m長的平流沉淀池,使大量礬花與泥渣在前端平流段沉淀,從而降低斜管沉淀池的泥量負荷,而且使位于復(fù)合沉淀池后部的斜管沉淀池前端不再積泥。其次,通過在池底配置刮泥小車、結(jié)合向上流排泥管沉淀池技術(shù)徹底解決了沉淀池排泥不暢的問題。復(fù)合沉淀池特別適用于冬季低溫低濁、夏季高濁的水廠,具有結(jié)構(gòu)簡單、適用性強、降低運行成本、節(jié)省占地及投資等優(yōu)勢。
1 沉淀池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1 研究背景
常規(guī)給水處理工藝流程包括混凝、沉淀、過濾、消毒。其中,沉淀是從水中分離出懸浮物的基本操作單元。懸浮物顆粒的去除效率主要取決于顆粒在水體中所處的位置,粒徑相同的懸浮顆粒處在水體表面和水體中部時,其去除幾率是不同的。根據(jù)此特點衍生出多種類型沉淀池。
作為傳統(tǒng)水處理構(gòu)筑物的平流式沉淀池,具有水力條件好、沉淀效果穩(wěn)定等優(yōu)點;但停留時間長,尤其在處理低溫低濁水時停留時間要超過2h,占地面積大,做外圍護結(jié)構(gòu)防凍投資較大。斜管沉淀池由淺池理論發(fā)展而來,具有處理效果好、停留時間短、占地面積小并適用于低溫地區(qū)等優(yōu)點,但對原水濁度適應(yīng)性較差,且前端斜管易堵塞。在處理高濁度水的沉淀構(gòu)筑物中,輻流式沉淀池的關(guān)鍵技術(shù)在于沉淀泥渣的排除,具有排泥方便的特點,又可作為高濃度泥沙原水的污泥濃縮池。高效沉淀池可通過污泥回流,發(fā)揮接觸絮凝的作用。在絮凝區(qū)及回流污泥中投加高分子絮凝劑有助于絮凝顆粒聚結(jié)沉淀,沉淀出水經(jīng)過斜管沉淀區(qū),進一步沉淀分離出水中的細小雜質(zhì)顆粒,下部設(shè)大容積污泥濃縮區(qū)定時排泥。給水處理中沉淀池設(shè)計的兩大技術(shù)難點是沉淀效果不穩(wěn)定和排泥不暢的問題。
針對以上技術(shù)難點,國內(nèi)出現(xiàn)的多級斜管/斜板沉淀池和高效沉淀池。這兩種沉淀池都是對斜管沉淀池進行改造,不僅結(jié)構(gòu)池體發(fā)生改變,還額外增加了斜管、斜板或過濾介質(zhì),構(gòu)造復(fù)雜,但并沒有解決斜管沉淀池前端易積泥、前端斜管易損壞、排泥不暢,以及進水水質(zhì)變化(如冬季低溫低濁,夏季高濁)所帶來的沖擊等問題。
1.2 復(fù)合沉淀池的衍變
西安市自來水公司曲江水廠建于1987年,工程設(shè)計規(guī)模60×104m3/d,1990年8月通水運行。2001年6月國家頒布了新的《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》,該規(guī)范對供水水質(zhì)提出了更高的要求。曲江水廠原水經(jīng)現(xiàn)有工藝處理,出水水質(zhì)已達不到新規(guī)范要求;再加上水廠經(jīng)12年的生產(chǎn)運行,部分設(shè)備已經(jīng)老化、故障頻繁,嚴重影響了水廠的正常運行。鑒于以上情況,曲江水廠改造工程從2001年開始設(shè)計,改造工程設(shè)計規(guī)模60×104m3/d。
原有絮凝沉淀工藝(見圖1)為回轉(zhuǎn)隔板絮凝池,停留時間約20 min。斜管沉淀池出水最大允許濁度按照15 ntu進行控制,清水區(qū)平均上升流速約為2.8 mm/s,實際出水濁度一般在10 ntu以下。原工藝存在的主要問題:隔板絮凝池的絮凝效果差,易沉泥且排泥困難,尤其是渠道連接段沉泥嚴重,而且無法利用原池型進行改造。由于原設(shè)計中考慮曲江水廠二期工程水處理工藝改為直接過濾工藝,即一期工程的沉淀池是以濾池外形為基礎(chǔ)改設(shè)為斜管沉淀池,這種設(shè)計使斜管沉淀池一直存在上升流速大、沉淀效果差、排泥不暢、配水廊道積泥難以排除等問題。
改造工程可利用的場地為改造前的隔板反應(yīng)池和配水廊道區(qū)域,水廠分為四個系列,改造時一個系列停水,其余三個系列正常運行。本次改造一方面要降低沉淀負荷,改善排泥條件;另一方面要結(jié)合現(xiàn)有場地條件,提高濾池截污能力。改造方案見圖2。新建混合絮凝池,增加了13m長的平流段沉淀池及23m長的斜管沉淀池,將新建的兩段沉淀池合建,保留原斜管沉淀池前4格,增大沉淀池的總有效面積,降低沉淀池負荷,清水區(qū)上升流速由2.8mm/s降至1.46mm/s。該方案比平流沉淀池需要的總長減少至少30m。
改造運行后的混合沉淀池的沉淀效果、沉淀效率等各項技術(shù)性能均優(yōu)于單一的沉淀池。采用正面全斷面直接配水,有效提高了斜管沉淀池配水的均勻性,泥渣在流經(jīng)長10~15m的區(qū)段時大部分已自由沉降,有清晰的泥水分界沉降界面線,高濁度原水中大量的泥沙在前端平流段內(nèi)沉淀,從而降低了斜管沉淀池的負荷,保證了沉淀池的出水水質(zhì)。新建平流段和斜管沉淀池排泥統(tǒng)一采用池底小車刮泥,通過鋼絲繩牽引小車將泥渣刮到排泥斗,再由排泥管排出。
曲江水廠改造完成后,全廠沉淀均采用復(fù)合沉淀池,幾年的生產(chǎn)運行表明,新系統(tǒng)對不同季節(jié)的原水都具有較強的適應(yīng)性,表現(xiàn)出良好的抗水量和水質(zhì)沖擊負荷的能力,有效解決了低溫低濁、大流量高濁度水難處理的問題。
通過幾年的運行總結(jié),曲江水廠最大日處理能力可達65×104m3/d。2011年7月—9月雨季期間,進廠原水濁度持續(xù)偏高,連續(xù)一周超過300ntu,特別是9月21日—9月23日,西安發(fā)生多年一遇的持續(xù)強降雨,致使原水最高瞬時濁度達1700ntu,這時的進廠水量約2.4×104m3/h,接近滿負荷運行,但經(jīng)過處理后出廠水濁度仍然控制在0.4ntu以下。
在隨后的多個給水處理工程中,這種創(chuàng)新的沉淀池形式也同樣表現(xiàn)出了優(yōu)異的處理效果。為了更廣泛地推廣和應(yīng)用這種技術(shù),根據(jù)設(shè)計和運行經(jīng)驗,中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司申請并取得了復(fù)合沉淀池專利(專利號:zl201020526832.4)。
2 復(fù)合沉淀池技術(shù)
2.1 基本構(gòu)造
該復(fù)合沉淀池為前置平流段全斷面配水斜管沉淀池,在斜管沉淀池前增設(shè)一段12~25m長的平流沉淀池,大量礬花與泥渣在前端平流段沉淀,然后經(jīng)斜管沉淀池二次沉淀,從而降低了斜管沉淀池的泥量負荷,使斜管沉淀池前端不再積泥,前端斜管不易損壞,延長斜管沉淀池的使用壽命,即使進水出現(xiàn)低溫低濁度或高濁時,出水水質(zhì)也能穩(wěn)定達標(biāo)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和沉定池運行效果,建議平流段最長25m,即可滿足前端礬花與泥渣的沉淀需要,然后再經(jīng)斜管沉淀池二次沉淀。復(fù)合沉淀池平面布置及剖面分別見圖3和圖4。
2.2 排泥管特點
國內(nèi)給水廠及污水深度處理廠沉淀池排泥一般有多斗重力排泥、穿孔管排泥和機械排泥三種形式及其組合形式。任何一種排泥形式的最終出泥都采用排泥管排出,常規(guī)排泥管起始段都是水平布置,因此水平穿孔管孔眼易堵塞、間歇排泥時排泥管端口易堵死。
針對現(xiàn)有水平排泥管易堵塞的問題,中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)簡單、排泥管不易堵塞、排泥流暢的上向流排泥管沉淀池技術(shù)(專利號:zl201110188269. 3),可有效增強沉淀池的排泥效果,改善沉淀池的出水水質(zhì)。與復(fù)合沉淀池配套使用,主要在以下兩方面解決了排泥不暢的難題:
①排泥豎管進泥端口設(shè)喇叭口。便于沉淀池泥流依靠虹吸從排泥管入口向上流入排泥管,且進泥口不會堵塞。
②排泥管起始段是豎直管,豎直管垂直安裝于排泥斗,便于排泥。排泥斗的泥流依靠虹吸從入口向上流入排泥管(見圖5),間歇排泥時排泥管入口的泥流在重力作用下流回排泥斗,排泥通暢,克服了水平排泥管管口易堵塞的缺點,徹底解決了沉淀池排泥管入口易堵塞、排泥不暢的問題。
2.3 技術(shù)特點
①結(jié)構(gòu)簡單,實施方便,出水水質(zhì)更優(yōu)
復(fù)合沉淀池不額外增加斜管、斜板、過濾介質(zhì)以及其他機械設(shè)備等,只是對現(xiàn)有的兩個成熟池型進行優(yōu)化組合,結(jié)構(gòu)簡單,容易實施。優(yōu)化組合后增強了沉淀效果,減輕了后續(xù)構(gòu)筑物濾池的負荷壓力,因此提升了出水產(chǎn)品品質(zhì)。
②適用性強,抗沖擊負荷能力加強,效果穩(wěn)定
復(fù)合沉淀池結(jié)合了斜管沉淀池適用冬季低溫低濁水、平流沉淀池可處理夏季高濁水的特點,可以適應(yīng)北方和南方的不同水質(zhì),對各種原水水質(zhì)適用范圍更廣,抗沖擊負荷能力更強,出水濁度長期小于0.3ntu。
③改善排泥性能,提高沉淀效率
大量的礬花與泥渣在前端平流段沉淀,從而減輕了斜管沉淀池的泥量負荷,使位于復(fù)合沉淀池后部的斜管沉淀池前端不再積泥,前端斜管不易損壞;池底裝有刮泥小車等機械排泥設(shè)備,實現(xiàn)了對復(fù)合沉淀池的機械排泥,徹底解決了沉淀池排泥不暢的問題,減輕了后續(xù)構(gòu)筑物濾池的負荷壓力,獲得了更潔凈的處理水。
④降低運行成本
前端斜管不易損壞,延長了斜管沉淀池的使用壽命,降低了斜管更換率;泥渣沉淀效率高,排泥通暢,減少了排泥次數(shù)、反沖洗次數(shù),相應(yīng)節(jié)約了水廠自用水量;排泥廢水含水率降低,廢水量減少,同時降低了廢水提升費。
⑤節(jié)省占地及投資
復(fù)合沉淀池節(jié)省了占地面積,寒冷地區(qū)相應(yīng)也減少了外圍護面積,節(jié)約了投資。
⑥實施效果穩(wěn)定
目前應(yīng)用的幾個大型給水廠都已經(jīng)穩(wěn)定運行多年,有北方的也有南方的,經(jīng)歷了冬季原水低溫低濁、夏季洪水高濁的考驗,沉淀池運行良好,排泥通暢,水廠出水濁度長期達到0.3ntu以下,運行效果穩(wěn)定,證明了此專利技術(shù)應(yīng)用于實際工程是成功的,為我國南北方城市新建水廠的沉淀池設(shè)計提供了寶貴經(jīng)驗。
3 復(fù)合沉淀池技術(shù)應(yīng)用
目前,復(fù)合沉淀池技術(shù)在給水處理工程中已有大量成功的工程案例,由于復(fù)合沉淀池處理效果優(yōu)異,相關(guān)應(yīng)用項目也獲得了國家級、省部級的多個優(yōu)秀勘察設(shè)計獎項。復(fù)合沉淀池部分應(yīng)用項目見表1。
3.1 經(jīng)濟效益分析
近幾年15個采用復(fù)合沉淀池的典型項目,總產(chǎn)水量為327×104m3/d,年產(chǎn)水量為11.94×108m3。總結(jié)分析這些項目,發(fā)現(xiàn)復(fù)合沉淀池帶來的運行成本縮減主要體現(xiàn)在排泥水量減少,反沖洗次數(shù)減少,相應(yīng)減少自用水量1%,按照原水費0.2元/m3估算;降低斜管更換率1%/a,斜管造價700元/m2;排泥廢水按規(guī)模的1%計,排泥含水率降低,廢水量減少30%;提升水泵揚程按15m計算,電費按0.5元/(kw·h)估算,各水廠年運行累計節(jié)約費用:節(jié)省原水費約238.8萬元,減少斜管更換費約445.76萬元,減少原水提升費用約14.89萬元。
3.2 工程應(yīng)用
3.2.1 烏魯木齊市南郊凈水廠工程
南郊水廠一期供水規(guī)模20×104m3/d,二期供水規(guī)模40×104m3/d。南郊凈水廠水源由烏拉泊水庫供水,烏拉泊水庫水冬季為低溫低濁,夏季洪水季節(jié)可能產(chǎn)生高濁現(xiàn)象,采用機械混合+折板絮凝+復(fù)合沉淀池+v型濾池工藝。在此工程應(yīng)用中,復(fù)合沉淀池對高濁水處理表現(xiàn)出極強的短時適應(yīng)性,可以承受ss為3000mg/l的高濁度短時間沖擊。
復(fù)合沉淀池(見圖6)單座尺寸為43.20m×29.30m×5.00m,平流段分4格,單格寬7.08m。正常負荷下平流段水平流速14.30mm/s,沉淀時間15.20min。后沉淀采用上向流斜管沉淀池,每座設(shè)置斜管沉淀池2組,單組長30m,寬14.45m,設(shè)計上升流速1.43mm/s。長期運行效果表明,復(fù)合沉淀池耐沖擊負荷能力強,對流量波動不敏感。投產(chǎn)后凈水廠全年出水效果穩(wěn)定,出水濁度<0.5ntu。
3.2.2 蘭州市水源地建設(shè)工程
蘭州市水源地建設(shè)工程是涵蓋給水處理系統(tǒng)中取、輸、凈、配水全流程的大型工程,水源來自黃河上游的劉家峽水庫。
彭家坪凈水廠供水規(guī)模100×104m3/d,是蘭州市供水歷史上投資最大、投入集中建設(shè)工期最短、技術(shù)含量最高的超大型凈水廠。王海梅等根據(jù)原水具有冬季低溫低濁、夏季短時高濁度的特點,采用機械混合+折板絮凝+復(fù)合沉淀池+氣水反沖洗濾池,再經(jīng)uv+次氯酸鈉消毒后供給用戶,并將以上構(gòu)筑物綜合設(shè)計在兩座水處理設(shè)施間。
彭家坪凈水廠1號水處理設(shè)施間的處理規(guī)模為25×104m3/d(內(nèi)設(shè)一座池體,單座處理規(guī)模25×104m3/d),2號水處理設(shè)施間的處理規(guī)模為50×104m3/d(內(nèi)設(shè)兩座池體,單座處理規(guī)模25×104m3/d),池體尺寸為64.0 m×24.2 m×5.0 m,其中復(fù)合沉淀池主要設(shè)計參數(shù)為:①平流段長19.6 m,沉淀時間18.2 min,水平流速17.95 mm/s;②斜管段長44 m,表面負荷為5.04 m3/(m2·h)。彭家坪凈水廠復(fù)合沉淀池見圖7。
3.2.3 福建長樂市東區(qū)水廠epc工程
福建長樂市東區(qū)水廠設(shè)計凈水能力10×104m3/d,超負荷凈水能力12×104m3/d。長樂東區(qū)水廠取水口位于閩江下游咸潮河段,每年10月—次年3月經(jīng)常發(fā)生海水倒灌進閩江內(nèi)河,咸潮入侵及暴雨后短期的原水高濁度、低ph值是水廠面臨的主要問題,復(fù)合沉淀池工藝在東南地區(qū)的閩江水系得到首次應(yīng)用,并取得成功。
該項目的復(fù)合沉淀池單座尺寸為43.2m×29.3m×5.0m,其中平流段長13 m,斜管段長30m。平流段正常負荷下水平流速14.3mm/s,沉淀時間15.2min。在超負荷20%工況下,水平流速17mm/s,沉淀時間12.7min。斜管段正常負荷下設(shè)計液面負荷5.15 m3/(m2·h),上升流速1.43 mm/s。超負荷20%工況下,設(shè)計液面負荷6.13 m3/(m2·h),上升流速1.70 mm/s。沉后水濁度長期低于1ntu,為濾后水濁度≤0.3ntu奠定基礎(chǔ)。經(jīng)檢測,出廠水濁度穩(wěn)定在0.1ntu以下,自2012年通水以來,各項技術(shù)指標(biāo)和施工質(zhì)量均達到或優(yōu)于設(shè)計要求,為保證長樂市市民用水和城市各項事業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。福建長樂市東區(qū)水廠復(fù)合沉淀池實景見圖8。
4 結(jié)語
復(fù)合沉淀池通用性強,可應(yīng)用于各種規(guī)模給水處理工程;沉淀效果好,適應(yīng)各種原水水質(zhì);抗沖擊負荷能力強,占地面積小,工程投資省,運行費用低,在南北方不同給水處理工程中均有成功應(yīng)用,在給水處理領(lǐng)域具有明顯的先進性和實用性,對行業(yè)的發(fā)展具有積極影響。
來源:北極星水處理網(wǎng)
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