给水处理工艺之沉淀

来源：云南省城镇供水协会

摘要：介绍了沉淀的分类，理想沉淀池的沉淀原理，平流沉淀池和斜管沉淀池的技术要求、影响沉淀效果的因素，以及沉淀池的运行管理。

关键词：沉淀分类  平流和斜管沉淀池  技术要求  运行管理

给水处理是原水经过投药、混凝、沉淀（澄清）、过滤、消毒等工艺流程，去除原水中所含的各种有害杂质，达到符合人们生产、生活用水水质标准的水。

一、沉淀分类

沉淀是原水或经过加药、混合、反应后的水，在沉淀池中依靠颗粒的重力作用进行泥水分离，使水由浑变清的过程，通过沉淀环节可去除水中80-90%的悬浮杂质。

根据水中固体颗粒的性质沉淀分为自然沉淀、混凝沉淀和化学沉淀。

1、自然沉淀

原水中不加混凝剂，完全依靠颗粒自重作用，使水中比重比水大的悬浮颗粒逐渐沉降，这个过程叫自然沉淀。在处理高浊度原水时，由于原水泥沙含量很高，采用预沉池使大量泥沙沉降下来，这种工艺就属于自然沉淀。

2、混凝沉淀

原水中的细小悬浮物和胶体杂质不能依靠自重下沉，需向水中投加混凝剂，经过混凝作用生成大而重的矾花，依靠重力从水中分离出来，这个过程叫混凝沉淀。给水处理工艺中的沉淀就属于混凝沉淀。

3、化学沉淀

投加化学药剂使水中溶解杂质与之反应生成化学沉淀物，从水中分离出来的过程称为化学沉淀。给水处理中可采用化学沉淀去除某些超标元素。

根据分离过程的特性沉淀又分为自由沉淀和拥挤沉淀。

1、自由沉淀

自由沉淀是颗粒在沉淀过程中，只受到颗粒本身的重力和水流阻力的作用，其它颗粒和容器壁对它的沉淀无影响。

2、拥挤沉淀

拥挤沉淀是悬浮颗粒在沉淀过程中，除了受到颗粒本身的重力和水流阻力的作用，还受到其它颗粒和容器壁的影响。

在实际沉淀工艺中，绝对的“自由沉淀”是不存在的，当悬浮颗粒的浓度较大，颗粒之间的间距很小，相互影响沉淀，就出现拥挤沉淀现象。在拥挤沉淀过程中，由于水中悬浮颗粒的浓度增大，颗粒之间的间距减小，颗粒下沉时相同体积的水上拥，对周围的颗粒下沉产生影响，颗粒的实际沉降速度是自由沉降速度减去上拥的速度。

二、平流沉淀池

（一）理想沉淀池沉淀原理

所谓理想沉淀池，应符合以下4个假定：

1、悬浮物颗粒在池中沉淀与相同深度的静止沉淀一样，沉速是一个常量；

2、池内的水流完全是水平的，流速在横断面上分布是均匀相等的；

3、在沉淀区的进口处每一种颗粒大小的悬浮物在垂直断面上各点浓度都相同；

4、当悬浮物颗粒一接触到沉淀区池底，即认为已经去除。

                           

  理想沉淀池工作状况示意图

按照上述假定，理想沉淀池的工作状况如图所示，原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在截面上，其水平流速为：

如图所示，直线Ⅰ代表从池顶A点开始下沉而能够在池底最远处B'点之前沉到池底的颗粒的运动轨迹；直线Ⅱ代表从池顶A开始下沉而不能沉到池底的颗粒的运动轨迹；直线Ⅲ代表一种颗粒从池顶A开始下沉而刚好沉到池底最远处B'点的运动轨迹。假设沉淀池的水平流速为v，按直线Ⅲ运动的颗粒的相应沉速为u₀，于是，凡是沉速大于u₀的一切颗粒都可以沿着类似直线Ⅰ的方式沉到池底；凡是沉速小于u₀的颗粒，如从池顶A点开始下沉，肯定不能沉到池底而沿着类似直线Ⅱ的方式被带出池外；可以看出，直线Ⅲ所代表的颗粒沉速u₀具有特殊的意义，一般称为“截留沉速”，实际上它反映了沉淀池所能全部去除的颗粒中的最小颗粒的沉速，因为凡是沉速等于或大于沉速u₀的颗粒能够全部沉淀去除。

对于直线Ⅲ所代表的一类颗粒而言，以水平流速v从水流截面A-B流到A’-B’的时间等于以沉速u₀从水面下沉到池底的时间，即：

式中Q/A称为沉淀池的表面负荷率，代表单位沉淀池表面积的产水量，它在数值上与颗粒截留沉速相等，表示沉淀池的颗粒截留沉速，即沉淀池去除率与沉淀池的表面积有关，而与深度无关。

沉淀池的表面负荷率（Q/A）的单位是m³/m²·h，表面负荷率越大，沉淀池容积越小，沉淀效果越差；反之，表面负荷率越小，沉淀池容积越大，沉淀效果越好。平流沉淀池的表面负荷率一般为1.5-3.0m³/m²·h，水力停留时间1-3h。水处理量Q一定时，增加沉淀池表面积，Q/A减小，则就小，意味着更小的颗粒可在沉淀池中去除，从而提高沉淀效果。

（二）平流沉淀池构造

平流沉淀池是长方形的池子，可用砖石或钢筋混凝土建造。平流沉淀池结构简单，造价较低，操作管理方便，处理效果稳定，但占地面积较大，适用于大中型水厂。如“理想沉淀池工作状况示意图”所示，平流沉淀池包括四个功能区：进水区、沉淀区、污泥区和出水区。

    1、进水区：进水区是将反应池的水引入沉淀池。水流一进入沉淀池过流断面突然扩大，流速降至每秒几毫米或十几毫米，使矾花不易沉降。所以，进水区的目的就是尽可能减小进水水流对颗粒沉降的干扰，要求做到：进水均匀地分布在沉淀池整个过流断面上，防止产生股流和偏流；减小进水的扰动使矾花易于沉降并防止底泥被冲起。具体做法是在距离反应池出口约1-2m处沉淀池过流断面上砌筑一道穿孔隔墙，穿孔隔墙上有一排排方孔或圆孔，孔口面积和数目按孔口流速0.25m/s以下计算，孔口流速不宜过大，避免矾花破碎，也不宜过小，避免增加孔口面积，影响穿孔隔墙的强度。孔口前后做成喇叭状，即断面尺寸沿水流方向扩大，使流速慢慢减小，降低孔口处水流对矾花的干扰。孔口设置应使最上面一排处于水面以下12-15cm，即使水位波动也始终处于水面以下，最下一排孔口至少在沉淀池积泥面以上0.3-0.5m，防止冲起池底积泥。

2、沉淀区：沉淀区是沉淀池的主体，沉淀作用就在这里进行。其主要尺寸取决于城镇供水厂净水构筑物的高程布置、水处理量及沉淀时间：

    ⑴ 池深：沉淀池不宜太浅，太浅易受风力和太阳照射影响，一般水面超高为0.3m，积泥深度为0.3-0.5m，池深为3-4m。

    ⑵ 池长：取决于水平流速和沉淀时间。水质、水温不同采用的沉淀时间亦不同，规范沉淀时间为1-3h，一般认为原水中浊度以淤泥为主且属中等浊度，沉淀时间可适当缩短；原水中色度及有机物含量较多时，沉淀时间可适当延长；水温较低时宜采用较长沉淀时间。如果采用较浅的池深，按理想沉淀池原理可采用较短的沉淀时间。沉淀时间确定后，池长还取决于平均水平流速，为了防止底泥冲起，使流态比较稳定，减少短流区、滞流区，平均水平流速一般采用10-25mm/s。

    ⑶ 池宽：根据流量、水平流速和池深确定。为了取得良好的沉淀效果，根据经验沉淀池长度与宽度之比不得小于4:1，长度与深度之比不得小于10:1。

3、出水区：出水区的作用是将沉淀后的清水引出。应在整个池宽方向收集上层清水，集水速度避免扰动已沉淀的矾花，集水装置必须保持水平，才能保证出水均匀，常采用堰流式集水装置或穿孔集水装置。穿孔集水装置要求孔径一致，孔距相等，孔口流速宜采用0.3-0.5m/s，孔口应在沉淀池水面以下5-15cm，但需高于出水渠水位，使孔口水流自由跌落，保证出水均匀。

4、污泥区：污泥区的作用是积存沉淀泥渣，构造与排泥方法有关。采用机械排泥，沉淀池底可做成平底，利用机械设备把泥渣刮到一起，然后排出池外，或采用吸泥行车排出。人工排泥时，沉淀池底在纵、横方向都应有坡度，或者做成斗形，使污泥区的积泥易于集中排除。每只泥斗或两只泥斗布置一根排泥管，平时定期人工开启排泥管上的阀门即可排泥。

（三）影响沉淀效果的因素

悬浮物颗粒在实际沉淀池的沉淀不同于理想沉淀池中的状况，在实际沉淀池中，水流和颗粒本身的特性对沉淀会产生各种不同的影响。

1、水平流速分布不均对沉淀效果的影响

在理想沉淀池中水平流速是完全水平且均匀相等的，实际上在平流沉淀池中水平流速分布是不均匀的，流速上层大、下层小，没有过大的流速差异妨碍颗粒的沉降，这种分布的不均匀性有利于颗粒的沉降，同时，下部流速较小可以保持池底泥渣不被冲起，而颗粒下沉到池底时也容易留在池底。在这种水平流速分布的条件下，颗粒沉降的轨迹不是直线，而是向下凹的曲线，这是因为开始沉淀时，池内水平流速大于平均流速，因而颗粒沉降的轨迹比理想沉淀池中的轨迹平，当颗粒沉降到一定深度时水平流速低于平均流速，这时沉降的轨迹比理想沉淀池中的轨迹陡，并呈曲线状很快沉到池底。这样使水面上具有截留沉降速度的颗粒与理想沉淀池中相比落在沉淀池中间部分，而具有较小沉降速度的颗粒也可能有部分沉到池底，而不受出水影响带出池外，从而提高沉淀效果。

2、颗粒凝聚性对沉淀效果的影响

在理想沉淀池中将悬浮颗粒的沉降速度看作是一个常量，同时每一尺寸悬浮颗粒在垂直面上各点的浓度相同，实际上进人沉淀区的矾花颗粒大小及其在各点上的浓度都不一样，而且进入沉淀区的矾花也不一定都絮凝得十分完善，因而在沉淀池内还具有边沉淀边絮凝的特点。这种矾花的沉降轨迹具有更陡的形状，分析其原因主要是流动促进了絮凝作用，因此絮凝现象对沉淀效果是有利的。

3、水流的紊动对沉淀效果的影响

进入平流沉淀池的水流一般均为紊流状态，其主要特征是流速的脉动现象。这种脉动现象表现在每一瞬时速度的方向、大小都在不断变化，且向上和向下的作用机会是均等的。当部分颗粒随水流获得一个“向上”的紊动分速度的影响，则另一部分颗粒随水流获得一个“向下”的紊动分速度的影响，既可能加速沉降，又可能阻扰沉降。此外，还有水流的紊动而使颗粒相互碰撞絮凝的现象。

4、短流对沉淀效果的影响

在沉淀过程中常遇到有一部分水流通过沉淀区的时间小于理论停留时间，这种现象称为短流。短流是由于流速不同和流程不同而产生，引起短流的因素有水温差、浊度变化、进水口动力影响、池内折转处存在死角等。当进入沉淀池的原水比池内的水温低，或进水浊度高时，这时进水密度大于池内水密度，水流在下层流动，而进水密度小于池内水密度，水流在上层流动。这种由于温差和浊度不同引起的水流分层现象称为异重流，是产生沉淀池短流现象的主要原因之一。短流现象的存在，使进入沉淀池的矾花不易沉降到池底而向出口移动，或者由于池底流速过大冲刷起已沉降泥渣，这两种情况都会影响沉淀效果，使沉淀池出水水质变差。

（四）沉淀池排泥

沉淀池排泥关系到沉淀池是否能正常运行，如果排泥设施不完善，不能及时排除积存的泥渣，就会影响沉淀池出水水质。

1、斗底排泥：设置斗底的沉淀池，在排泥管道上安装阀门，利用静水压力即可排泥。一般沉淀池前部的泥斗积泥较快，需经常排泥，而后部的泥斗积泥较慢，可隔一段时间排一次泥。泥渣经过压实不易彻底排除，需定期放空沉淀池用压力水冲洗。

    2、穿孔管排泥：利用沉淀池内的静水压力排泥，在大型沉淀池中穿孔管较长，排泥效果不佳，使用在中、小沉淀池中效果好。

穿孔管可平行或垂直于池长方向，平底池子里，穿孔管间距为1.5-2.0m，管径采用200-300mm，孔口向下与垂直线成45°-60°角度交叉排列，孔眼间距为0.4-0.8m，孔眼面积与穿孔管断面面积之比一般采用0.4-0.5。穿孔管的排泥阀门宜采用快开阀，启闭快速灵活；为了方便检修疏通，穿孔管一端采用蒙板封堵，或安装小口径阀门方便冲洗。

3、机械排泥

机械排泥有多种形式，广泛使用的是利用排泥泵或虹吸方式将池底积泥排出沉淀池，排泥效果均较好，多用于大、中型城镇供水厂。机械排泥是连续排泥，沉淀池可做成平底，刮泥设备将池底积泥集中起来连续排出。

三、斜管沉淀池

（一）斜管沉淀池沉淀原理

根据公式＝Q/A可知，水处理量Q一定时，增加沉淀池表面积A，沉淀池表面负荷率Q/A减小，即颗粒截留沉速就小，意味着更小的颗粒可在沉淀池中去除，提高沉淀效果，从而得出结论：沉淀池去除率与沉淀池的表面积有关，而与深度无关，表面积越大，沉淀效果越好。在平流沉淀池中安装斜板、斜管，就可增加沉淀面积，从水流条件来说，斜管优于斜板。反之，在水处理量和沉淀效果一致的前提下，斜管沉淀池占地面积较平流沉淀池要小，这也是斜管沉淀池得到广泛应用的原因之一。

斜管沉淀池是用一组管道，并排叠成一定倾斜度，水从管道一端流到另一端，就相当于流经了一个佷浅很小的沉淀池，水流处于平流状态，各层互不干扰，为颗粒沉降创造了有利条件。

斜管一般采用乙丙共聚或聚丙烯塑料加工成片材，厚度为0.4-0.5mm，通过焊接或粘接形成具有一定倾斜角度的组件。塑料片材应表面光滑，无裂缝、气泡，无明显色差、杂质，无明显凹凸点，产品质量应符合《供水用斜管》（CJ/T83-1999）的要求。斜管形状一般为正六边形，内切圆直径为25-35mm，长度为800-1000mm，组件倾斜角度为60°，如图所示：  

斜管组件

安装斜管时，其前后左右都应靠紧，避免留有缝隙影响水质；斜管材料比重略小于水（0.9-0.94），需进行抗浮处理，一般使用尼龙绳穿过斜管的孔眼将其固定在支架上，或采用直径8mm左右的圆钢压条，用尼龙绳固定。

斜管沉淀池构造

斜管沉淀池一般可分为配水区、斜管区、清水区和积泥区，如图所示。混凝后的水均匀流入配水区，自下而上通过斜管，絮凝体与水在斜管内分离，清水区水经集水系统流出沉淀池，沉淀在斜管内的絮凝体沿管壁下滑落入积泥区，通过排泥系统排出沉淀池。斜管沉淀池上部清水区高度不宜小于1.0m，较高的清水区有利于出水均匀，减少日照影响及藻类繁殖；斜管沉淀池下部配水区高度不宜小于1.5m，保证配水均匀，在沉淀池进口处应设穿孔墙或格栅等整流措施；沉淀池积泥区高度应根据沉泥量、沉泥浓缩程度、排泥方式等确定；斜管沉淀池一般采用斗底排泥，积泥斗边坡坡度不应小于45°，否则容易影响排泥效果。

（二）影响沉淀效果的因素

颗粒截留沉速间接反映了斜管的沉淀效果，在影响因素的分析讨论中，将以截留沉速作为沉淀效果的指标：

1、斜管倾斜角θ的影响

理论上斜管倾斜角θ越小，沉淀面积越大，颗粒截留沉速越小，处理水量相同时，可截留更小的颗粒，沉淀效果更好；对于矾花颗粒来说，一般认为倾斜角度为35°-45°时效果最好，但为了排泥畅通，实际生产中一般采用θ＝60°。

    2、斜管长度的影响

增加斜管长度，可增强沉淀效果，因为斜管的前段泥水混杂，污泥浓度较大，斜管的后段泥水开始分离，清水向上流出，絮凝体在斜管内沉淀下滑。斜管泥水混杂段随上升流速的大小而变化，一般为200-250mm，如果斜管较短，泥水分离不充分，沉淀效果不好；斜管较长，制作和安装困难，沉淀效果提高也有限，而且增加投资。实际生产中采用的斜管长度一般为800-1000mm。

3、斜管直径的影响

理论上斜管直径越小，颗粒沉淀距离越短，沉淀效果越好，但管径太小，制作困难，成本高，影响排泥。实际生产中采用的斜管直径一般为25-35mm。

4、斜管中上升流速的影响

斜管中上升流速越小（指沿斜管内水流方向的流速），沉淀效果越好。但过小的上升流速，达不到提高产水量的目的，实际生产中采用的上升流速一般为3-4mm/s，处理低温水时，流速可适当降低。

四、沉淀池运行管理

（一）平流沉淀池运行应符合下列规定：

1、必须严格控制运行水位，沉淀池出水不得淹没出水槽；

2、必须做好排泥工作，并应保持排泥设备正常运行，排泥周期应根据原水浑浊度和排泥水浑浊度确定；

3、停止和启用操作应减少滤前水浑浊度的波动；

4、出水浑浊度指标宜控制在3NTU以下。

（二）斜管沉淀池运行应符合下列规定：

1、必须做好排泥工作，并应保持排泥阀的完好、灵活，排泥管道的畅通，排泥周期应根据原水浑浊度和排泥水浑浊度确定；

2、启用时初始的上升流速应缓慢，清洗时应缓慢排水；

3、斜管表面及斜管管内沉积产生的泥渣应定期进行清洗；

4、出水浑浊度指标宜控制在3NTU以下。

（三）沉淀池运行管理

1、不间断投加混凝剂；

2、每小时巡视观察沉淀效果，根据原水水量和水质变化，及时调整混凝剂投加量，保证良好的絮凝沉淀效果，检测记录沉淀池出水浊度；

3、及时排泥，原水浊度高，排泥周期短，原水浊度低，排泥周期长，排泥历时为排泥水变清为止，记录排泥时间、周期和排泥历时；   

4、 防止藻类及微生物滋生，可在原水中投加消毒剂杀灭藻类及微生物；

5、斜管沉淀池斜管顶出现泥毯，应降低水位，露出管口，用压力水冲洗清除泥毯。

四、结语

1、沉淀效果与混凝效果密切相关，良好的混凝效果是保证良好沉淀效果的必要条件；

2、良好的沉淀效果可去除水中80-90%的悬浮杂质；

3、沉淀池去除率与沉淀池的表面积有关，而与深度无关；

4、沉淀池运行管理中排泥至关重要，是保证沉淀池正常运行的必要条件，应根据原水浊度和排泥水浑浊确定合理的排泥周期；

5、运行人员每小时巡视观察沉淀效果，检测记录沉淀池出水浑浊度，浑浊度应小于3NTU。(作者：陈莹）