復合沉淀池的衍變及工程應用
摘 要：結合實際工程應用項目，介紹了復合沉淀池的衍變及運行效果。復合沉淀池是平流沉淀池和斜管沉淀池的優化組合。首先在斜管沉淀池前增設一段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、結合向上流排泥管沉淀池技術徹底解決了沉淀池排泥不暢的問題。復合沉淀池特別適用于冬季低溫低濁、夏季高濁的水廠，具有結構簡單、適用性強、降低運行成本、節省占地及投資等優勢。
1 沉淀池技術應用現狀
1.1 研究背景
常規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。根據此特點衍生出多種類型沉淀池。
作為傳統水處理構筑物的平流式沉淀池，具有水力條件好、沉淀效果穩定等優點；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，做外圍護結構防凍投資較大。斜管沉淀池由淺池理論發展而來，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等優點，但對原水濁度適應性較差，且前端斜管易堵塞。在處理高濁度水的沉淀構筑物中，輻流式沉淀池的關鍵技術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，發揮接觸絮凝的作用。在絮凝區及回流污泥中投加高分子絮凝劑有助于絮凝顆粒聚結沉淀，沉淀出水經過斜管沉淀區，進一步沉淀分離出水中的細小雜質顆粒，下部設大容積污泥濃縮區定時排泥。給水處理中沉淀池設計的兩大技術難點是沉淀效果不穩定和排泥不暢的問題。
針對以上技術難點，國內出現的多級斜管/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，不僅結構池體發生改變，還額外增加了斜管、斜板或過濾介質，構造復雜，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，工程設計規模60×104m3/d，1990年8月通水運行。2001年6月國家頒布了新的《生活飲用水衛生規范》，該規范對供水水質提出了更高的要求。曲江水廠原水經現有工藝處理，出水水質已達不到新規范要求；再加上水廠經12年的生產運行，部分設備已經老化、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年開始設計，改造工程設計規模60×104m3/d。
原有絮凝沉淀工藝(見圖1)為回轉隔板絮凝池，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改設為斜管沉淀池，這種設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池和配水廊道區域，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；另一方面要結合現有場地條件，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性能均優于單一的沉淀池。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，泥渣在流經長10～15m的區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。新建平流段和斜管沉淀池排泥統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，全廠沉淀均采用復合沉淀池，幾年的生產運行表明，新系統對不同季節的原水都具有較強的適應性，表現出良好的抗水量和水質沖擊負荷的能力，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，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，進廠原水濁度持續偏高，連續一周超過300NTU，特別是9月21日—9月23日，西安發生多年一遇的持續強降雨，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，這種創新的沉淀池形式也同樣表現出了優異的處理效果。為了更廣泛地推廣和應用這種技術，根據設計和運行經驗，中國市政工程西北設計研究院有限公司申請并取得了復合沉淀池專利（專利號：ZL201020526832.4）。
2 復合沉淀池技術
2.1 基本構造
該復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，即使進水出現低溫低濁度或高濁時，出水水質也能穩定達標。根據設計經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，然后再經斜管沉淀池二次沉淀。復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。
針對現有水平排泥管易堵塞的問題，中國市政工程西北設計研究院有限公司設計出一種結構簡單、排泥管不易堵塞、排泥流暢的上向流排泥管沉淀池技術（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。與復合沉淀池配套使用，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 技術特點
①結構簡單，實施方便，出水水質更優
復合沉淀池不額外增加斜管、斜板、過濾介質以及其他機械設備等，只是對現有的兩個成熟池型進行優化組合，結構簡單，容易實施。優化組合后增強了沉淀效果，減輕了后續構筑物濾池的負荷壓力，因此提升了出水產品品質。
②適用性強，抗沖擊負荷能力加強，效果穩定
復合沉淀池結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，可以適應北方和南方的不同水質，對各種原水水質適用范圍更廣，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備，實現了對復合沉淀池的機械排泥，徹底解決了沉淀池排泥不暢的問題，減輕了后續構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、反沖洗次數，相應節約了水廠自用水量；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節省占地及投資
復合沉淀池節省了占地面積，寒冷地區相應也減少了外圍護面積，節約了投資。
⑥實施效果穩定
目前應用的幾個大型給水廠都已經穩定運行多年，有北方的也有南方的，經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，運行效果穩定，證明了此專利技術應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計提供了寶貴經驗。
3 復合沉淀池技術應用
目前，復合沉淀池技術在給水處理工程中已有大量成功的工程案例，由于復合沉淀池處理效果優異，相關應用項目也獲得了國家級、省部級的多個優秀勘察設計獎項。復合沉淀池部分應用項目見表1。
3.1 經濟效益分析
近幾年15個采用復合沉淀池的典型項目，總產水量為327×104m3/d，年產水量為11.94×108m3。總結分析這些項目，發現復合沉淀池帶來的運行成本縮減主要體現在排泥水量減少，反沖洗次數減少，相應減少自用水量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約費用：節省原水費約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模20×104m3/d，二期供水規模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，夏季洪水季節可能產生高濁現象，采用機械混合+折板絮凝+復合沉淀池+V型濾池工藝。在此工程應用中，復合沉淀池對高濁水處理表現出極強的短時適應性，可以承受SS為3000mg/L的高濁度短時間沖擊。
復合沉淀池（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，每座設置斜管沉淀池2組，單組長30m，寬14.45m，設計上升流速1.43mm/s。長期運行效果表明,復合沉淀池耐沖擊負荷能力強，對流量波動不敏感。投產后凈水廠全年出水效果穩定，出水濁度<0.5NTU。
3.2.2 蘭州市水源地建設工程
蘭州市水源地建設工程是涵蓋給水處理系統中取、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模100×104m3/d，是蘭州市供水歷史上投資最大、投入集中建設工期最短、技術含量最高的超大型凈水廠。王海梅等根據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+復合沉淀池+氣水反沖洗濾池，再經UV+次氯酸鈉消毒后供給用戶，并將以上構筑物綜合設計在兩座水處理設施間。
彭家坪凈水廠1號水處理設施間的處理規模為25×104m3/d（內設一座池體，單座處理規模25×104m3/d），2號水處理設施間的處理規模為50×104m3/d（內設兩座池體，單座處理規模25×104m3/d），池體尺寸為64.0 m×24.2 m×5.0 m，其中復合沉淀池主要設計參數為：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)。彭家坪凈水廠復合沉淀池見圖7。
3.2.3 福建長樂市東區水廠EPC工程
福建長樂市東區水廠設計凈水能力10×104m3/d，超負荷凈水能力12×104m3/d。長樂東區水廠取水口位于閩江下游咸潮河段，每年10月—次年3月經常發生海水倒灌進閩江內河，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，復合沉淀池工藝在東南地區的閩江水系得到首次應用，并取得成功。
該項目的復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。經檢測，出廠水濁度穩定在0.1NTU以下，自2012年通水以來，各項技術指標和施工質量均達到或優于設計要求，為保證長樂市市民用水和城市各項事業的發展發揮了重要作用。福建長樂市東區水廠復合沉淀池實景見圖8。
4 結語
復合沉淀池通用性強，可應用于各種規模給水處理工程；沉淀效果好，適應各種原水水質；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用，在給水處理領域具有明顯的先進性和實用性，對行業的發展具有積極影響。
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