某辐流式二沉池工艺设计上.docx

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某辐流式二沉池工艺设计上

1引言

随着社会的不断发展，尤其是人口的快速增加、城市化与工业化水平的不断提高，随之而来的原始资源型和污染型水资源短缺问题也日益突出。

水资源短缺和水污染加剧所构成的水危机引起了世界各国的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。

我们不仅要达到经济的发展，生活水平的提高，还应该做到经济与环境保护协调发展，使人们的生活质量不断提高。

传统的废水处理技术难以满足越来越严格的污水排放标准的要求,而且传统的废水处理厂多数只有负的经济效益，这无疑使许多企业无法承受额外的废水处理费用，经济的发展带来了水资源的日趋短缺，客观上要求废水能够循环再利用。

在社会效益和经济效益最大化的要求下，各种新型的、改良的、高效的废水处理技术就应运而生了。

六十年代初，国外出现了一种向心流二沉池，最大池径可达42.7m。

七十年代，国内先后建成规模不等的几座模型及生产性向心流二沉池。

研究及生产运行表明，该池在水力效率、水力负荷、沉淀历时、耐冲击负荷、技术经济效益等均优于其它类型的二沉池，其主要表现在该池的容积利用率高于普通辐流池50~80%[1]，水力负荷高于普通辐流式二沉池，沉淀历时短至l小时[2,3]等。

向心流二沉池不仅可以新建，而且还适合对原有幅流二沉池的改造、挖掘现有污水处理厂的潜力。

有文献从工程应用角度探讨了该池的特点。

指出：

（1）向心流二沉池的构造适于密度流的特点，克服了短流，减小了“池壁效应”使得整池每△R半径上所能通过的流量是有限的，水流在沉淀区内分布基本均匀，有利于沉淀[2]。

（2）混合液由池周边分散入流，故入流动能低，入流方向大体与污泥流动方向一致，减少入流搅起污泥和带走轻的絮体的可能性，混合液直接由泥斗短路流出的量少，有利于泥水分离及底泥压缩[4]。

2水体污染现状

2.1废水排放量逐年增长而污水处理率低

我国1993~1995年废水排放量各约为：

356亿吨、365亿吨、373亿吨，而2001年废水排放量达到416亿吨，可见废水排放量逐年增加。

近10年来，我国城市生活污水排放量以每年5％的速度递增，1999年首次超过工业污水排放量。

2001年，全国城市生活污水排放量22l亿吨，占全国污水排放总量的53.2％。

然而我国城市污水处理厂的建设还远远赶不上城市发展的需要，目前全国城市污水处理率只有36.5％，其中二级处理率还不到20％。

我国水环境污染以有机物为主，目前我国七大水系中近一半河段污染严重，86％的城市河段污染严重。

我国的湖泊普遍遭到了污染，尤其是重金属污染的富营养化问题相对来说比较严重。

长江沿岸形成了一条500公里的污油带，整个流域有4万个工矿企业、16000处城市污染源，每天流进长江的工业废水有3.6万吨；黄河面临着污染和断流的双重压力，监测有66.7％的河段为IV类水质；淮河已成为中国大河污染之最了，已经落入了先污染后治理的地步。

全国3000家重点污染企业中，排放工业污水的企业，淮河流域占了160家，流域内182座城镇中排污单位155万家，仅造纸厂就有1000多家，排出的污水直接进入淮河的干流与支流：

其他的水系湖泊、河流也有不同程度的污染。

1997年工业废水量189亿吨，COD排放量1073万吨，工业污水的污泥负荷高且大部分流入江河、湖泊、海洋能进入污水处理厂的不到总量的1/10，处理量非常的低[5]。

2.2水体污染的影响、防治与保护措施

2.2.1水体污染对人体的健康主要的影响

（1）引起急性和慢性中毒。

水体受化学有素物质污染后，通过饮水和食物链便可造成中毒，如甲基汞中毒（水俣病）、镉中毒（骨痛病）、砷中毒、铬中毒、农药中毒、多氯联苯中毒等。

这是水污染对人体健康危害的主要方面。

（2）致癌作用。

某些有致癌作用的化学物质，如砷、铬、镍、铍、苯胺、苯并（a）芘和其它多环芳烃等污染水体后，可在水中悬浮物、底泥和水生生物内蓄积。

长期饮用这类水质或食用这类生物就可能诱发癌症。

（3）发生以水为媒介的传染病。

生活污水以及制革、屠宰、医院等废水污染水体，常可引起细菌性肠道传染病和某些寄生虫病，如伤寒、痢疾、霍乱、肠炎、传染性肝炎和血吸虫病等。

（4）间接影响。

水受污染后，常可引起水的感官性状恶化，发生异臭、异味、异色、呈现泡沫和油膜等，抑制水体天然自净能力，影响水的利用与卫生状况。

此外，水体污染还会影响鱼类和其它的水生生物。

例如海洋受石油污染后，油类粘附在鱼鳃上，可使鱼窒息；粘附在藻上、浮游生物身上即可使它们死亡。

人类如果食用了被污染的鱼类和海洋生物，将会严重危害人体健康。

2.2.2水体污染的防治

（1）控制废水物污染浓度及排放总量；

（2）工业废水和生活污水经适当处理循环后使用；

（3）改革工艺，减少污染发展；

（4）处理好工业废渣和生活垃圾，避免因降水和径流的冲刷、溶解而污染水体；

（5）有计划地治理已经被污染的水体，如清理河床和防止雨水污染等；

（6）改善能源利用结构，清洁能源，如风能、太阳能、水电站，以及不受地理气候条件限制的核能[6]。

2.2.3水资源保护策施

（1）加强节约用水管理

节水是保护水资源的一种有效措施，推广节水措施，是保护水资源的关键环节。

一方面，节约清水可以减少污水的排放量，另一方面节水本身就是保护有限的水资源。

在节水措施上，要因地制宜，分类指导，大力发展节水农业、节水工业。

节水农业要在普及渠道防渗、管道输水、小畦灌溉、园林化耕作的基础上，探索节水新途径井灌区水利用系数的提高，主要是继续增加地下输水管道的铺设面积，引进并推广喷灌、滴灌等先进的节水灌溉措施。

工业节水的关键是降低耗水定额，要建设污水处理设施，提高水的重复利用率；同时还要在工业用水单位安装智能卡水表，对企业用水进行摇控，按照用水定额批准水量，定额以内按规定收取水资源费，超出部分加价收费，用经济手段制约浪费；此外，重点抓好用水大户的节水和新上项目的审批。

增加生态环境用水量污染物总量控制方案及其他工程措施的实施，都以一定的设计流量为前提，没有一定的清洁水稀释，就不可能实现水质控制目标，达不到保护水资源的目的。

为此，可将污水处理厂处理后的中水部分用于改善水环境；在水量允许的情况下，争取一定量的环境用水；在重点河段拦蓄雨洪资源。

（2）合理开发水资源

水资源的开发包括地表水资源开发和地下水资源开发。

水资源属于国家所用，因此，生产和生活用水的开发必须遵守《中华人民共和国水法》的有关规定，作到全面规划，统筹兼顾。

在开采地下水的时候，由于各含水层的水质差异较大，应当分层开采；对已受污染的潜水和承压水不得混合开采；对揭露和穿透水层的勘探工程，必须按照有关规定严格做好分层止水和封孔工作，有效防止水资源污染，保证水体自身持续发展。

（3）加大宣传力度

要是人们树立惜水意识，开展水资源警示教育。

一定要建立起水资源危机意识，把节约水资源作为我们自觉的行为准则，采取多种形式进行水资源警示教育。

通过认真贯彻《水法》和《水资源保护规划》等法律法规，促进节约用水，并在一定程度上使地表水污染状况得到改善，地下水的超采受到一定程度的遏制，减缓地下水位的下降速度。

3沉淀理论及沉淀池

3.1沉淀的基础理论

沉淀法是水处理中最基本的方法之一，是去除水中悬浮颗粒杂质的主要方法之一。

沉淀是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离。

当悬浮物的密度大于水的密度时，具有可沉降性能，在重力作用下沉到池底，悬浮物下沉形成沉淀物，以使固液分离。

沉淀方式的分类，是按照水中固体悬浮物颗粒的浓度和凝聚性能的大小分为四种不同的类型降[7~11]，包括自由沉淀、絮凝沉淀、拥挤沉淀和压缩沉淀。

3.1.1自由沉淀

在水中悬浮物固体浓度较低的情况下，悬浮颗粒与颗粒之间互不干扰，颗粒的沉淀轨迹是线性变化，这种颗粒沉淀称为自由沉淀。

一个颗粒真正的自由沉降只有当它单独处于无限的水体中才能得到。

实际上都把与自由沉降相差不大的沉降过程看作是自由沉降过程。

在整个沉淀过程中，悬浮颗粒的物理性质都不变。

一般认为水中颗粒的体积浓度不超过0.2%时，可以看作是自由沉降。

在净水厂中平流式沉淀池的沉淀过程即为典型的自由沉淀，沉淀效果由污水的水平流速和颗粒的停留时间共同决定。

3.1.2絮凝沉淀

和自由沉淀相比，絮凝沉淀中颗粒之间存在絮凝作用，颗粒沉淀的轨迹呈抛物线的形式，且悬浮颗粒的物理性质：

密度大小、粒径大小、质量、形状等是不断变化的，实际中的颗粒沉降速度也是不断变化的。

化学混凝沉淀的类型就属于絮凝沉淀。

3.1.3拥挤沉淀

在悬浮颗粒浓度较高的情况下，即水中有大量颗粒在有限的水体中沉降时，悬浮物颗粒相互之间会产生影响，使得颗粒沉降速度比自由沉降时小，称为拥挤沉淀，也叫成层沉淀。

活性污泥在二次沉淀池中的沉淀、化学絮凝体在混凝沉淀池中的沉淀均属于拥挤沉淀的类型。

在较高的颗粒体积浓度和粒径分布比较均匀的情况下，拥挤沉淀过程中会在上部的澄清水和下部浑水之间出现明显的界面，这种现象有时被称为界面沉降。

3.1.4压缩沉淀

在高浓度悬浮颗粒的沉降过程中，由于悬浮颗粒浓度很高，悬浮物颗粒相互间会被挤成团块结构而一起下沉，这种沉淀称为压缩沉淀。

在压缩沉淀中下层颗粒间的孔隙水由于压力增加和结构的变形而被挤出，最终使污泥得到浓缩，压缩沉淀也称为污泥的浓缩。

污泥的浓缩过程也就是不断排除孔隙水的过程。

在二次沉淀池中的活性污泥沉淀后期，污泥在浓缩池内的重力浓缩均属于压缩沉淀[12]。

3.2沉淀池的作用及组成

沉淀池是去除悬浮于水中的可以沉淀的固体悬浮物的一种构筑物。

沉淀过程简单易行,分离效果又比较好,是水处理中的重要过程。

沉淀池按其功能可分为进水区、沉淀区、污水区、出水区及缓冲层等五个部分。

进水区和出水区是使水流均匀的流过沉淀池；沉淀池也称澄清池，是可沉降颗粒与废水分离的工作区；污泥区是污泥储存、浓缩和排除的区域；缓冲区是分隔沉淀区和污泥区的水层，保证已沉降颗粒不因水流搅动而再次浮起[13]。

3.3沉淀池的分类

在水处理中，沉淀池分为初次沉淀池和二次沉淀池。

初次沉淀池是采用生物处理法的预处理。

主要是对污水中以无机物为主体的比重大的固体悬浮物进行沉淀分离。

通过初次沉淀池，约30%的BOD和55%的悬浮物可以被去除。

二次沉淀池是设置在生物处理构筑物的后面，是对污水中以微生物为主体的、比重小的、因水流作用易发生上浮的固体悬浮物进行沉淀分离。

对于城市污水处理，无论是大型生物化工厂还是污水处理使用新技术二次沉淀池或固液分离池都是必要的。

二次沉淀池越来越多的应用在生化和生物污水处理工艺中[14]。

常用沉淀池的类型有平流沉淀池、竖流沉淀池的、辐流沉淀池及斜板（管）沉淀池四种。

3.3.1平流式沉淀池

池型呈长方形，废水从池的一端流入，水平方向流过池子，从池的另一端流出。

在池的进口处底部设贮泥斗，其它部位池底有坡度，倾向贮泥斗。

具有对冲击负荷和温度变化的适应能力较强。

3.3.2竖流式沉淀池

池型多为圆形，亦有呈方形或多角形的，废水从设在池中央的中心管进入，从中心管的下端经过反射板后均匀缓慢地分布在池的横断面上，由于出水口设置在池面或池墙四周，故水的流向基本由上向下。

污泥贮积在底部的污泥斗。

排泥方便，管理简单；占地面积较小。

3.3.3辐流式沉淀池

辐流式沉淀池亦称辐射式沉淀池。

池型多呈圆形，小型池子有时亦采用正方形或多角形。

池的进、出口布置基本上与竖流池相同，进口在中央，出口在周围。

但池径与池深之比，辐流池比竖流池大许多倍。

水流在池中呈水平方向向四周辐流，由于过水断面面积不断变大，故池中的水流速度从池中心向池四周逐渐减慢。

泥斗设在池中央，池底向中心倾斜，污泥通常用刮泥（或吸泥）机械排除[15,16]。

运行较好，管理亦较简单。

辐流式沉淀池分为中进周出式和周进周出式两种形式。

由于中进周出为传统二沉池形式，结构及原理相对简单，在国内普遍应用，而周进周出二沉池是相对新型的池型，虽然在80年代就引进国内，但直到2000年后才得到普遍的推广。

截止至2007年国内采用周进周出工艺的污水处理厂约150座，而采用中进周出二沉池工艺的污水处理厂约300座，因此国内城镇污水处理厂中辐流式二沉池还是以中心进水周边出水形式为主，周边进水周边出水形式其次，但周进周出二沉池使用的比例已经在不断增加，周进周出二沉池己成为国中常见的一种池型[17]。

3.3.4斜板（管）沉淀池

斜板（管）沉淀池是根据浅池理论在沉淀池的沉淀区加斜板或斜管而构造。

它由斜板沉淀区、进水配水区、清水出水区、缓冲区和污泥区组成。

该池水力半径大大减小，从而雷诺数Re大为降低，弗罗德数Fr大为提高，改善了沉淀池水流稳定条件。

斜板沉淀池的Fr值一般为10-3~10-4，Re值为100~1000。

可满足水流稳定性和层流的条件[18]。

二次沉淀池的构造和初沉池一样，可以采用平流式、竖流式和辐流式沉淀池。

普遍存在四个区：

清水区、絮凝区、成层沉降区、压缩区。

一般来说，二次沉淀池多采用竖流式和辐流式，竖流式沉淀池比较适用处理水量不大的小型污水处理厂；而辐流式沉淀池则适用大、中型污水处理厂。

3.4周边进水周边出水二沉池的发展现状

污水处理厂的建设必须坚持经济效益、社会效益和环境效益的统一。

也就是说，任何一个构筑物的建设，都要遇到技术问题和经济问题。

鉴予我国当前资金短缺，全国工程项目的环保资金占工程项目总投资平均不到4％，而发达国家一般为15％～20％。

这就要求我们在资金一时无法大幅增加的基础上，加大力度开发污水处理的技术问题，争取从技术上有所突破，来解决环境问题。

因此，如何研究并提出技术上可靠、经济上合理的技术方案，以达到治理污染花钱最少，效果最佳的目的，是我们环境保护工作者长期面对的问题[5]。

沉淀池是水处理工程中常用的构筑物，为提高水处理能力、稳定出水水质、降低运行成本和控制基建投资，各种类型的沉淀池都有了较大的改进和革新。

周边进水周边出水沉淀池就应运而生，其污水表面负荷大，同样处理水量需池表面积小，从而节省了投资；进水均匀，处理效强好。

3.5周进周出与中进周出幅流式二沉池比较

3.5.1设计、运行参数比较

中进周出辐流式二沉池的原污水从池中心进入，在池周边出流，进口处流速很大，程紊流现象，影响了沉淀池的分离效果。

而周进周出辐流式二沉池与此恰恰相反，其原污水从池周边流向池中心，澄清水则从池中心返回到池周边流出，在一定程度上克服了上述缺点。

原污水流入位于池周边的进水槽中，在进水槽底部设有进水孔，再从进水孔均匀地进入池内进行悬浮颗粒的沉淀，从而提高沉淀效率。

根据国外资料介绍，这种沉淀池的处理能力比中进周出辐流式二沉池要高出一倍。

沉淀池设计计算时一般以水力负荷来计算有效面积，用固体负荷做较核。

根据国外资料，国外所采用周边进水中心出水和周边进水周边出水的二次沉淀池的水力负荷最大为2.72m3/（m2·h），最小为1.0m3/（m2·h），而我国较有代表性的城市污水处理厂中二沉池所采用的水力负荷值，最大为1.19m3/（m2·h），最小为0.73m3/（m2·h），由此可以看出，周边进水型二沉池的水利负荷要比普通型二沉池水力负荷平均高出1.72倍。

这就显示了周边进水型二沉池具有节省面积、减少池数和投资等优越性，是可以推广应用的一种新型二次沉淀池[19~24]。

3.5.2流态比较

二次沉淀池进水为活性污泥混合液，悬浮物固体MLSS的质量浓度在3000~4000mg/L之间。

由于二者间的密度差、温度差而存在二次流和异重流现象。

中进周出和周进周出两种不同池型内的混合液流态各不相同，见图3.1与图3.2。

图3.1中心进水周边出水沉淀池

图3.2周边进水周边出水沉淀池

在中进式沉淀池中，活性污泥混合液从池中心进水管以相对较高的流速进入池内，形成涡流，经布水筒逐渐下降到污泥层上，再沿沉淀区中部向池壁方向流动并壅起环流。

分离出的澄清水部分溢流入出水槽，部分在上面从池边向池中心回流；密度大的混合液则在下面从池边向池中心流动，形成了反向流动的环流。

这种环流不利于沉淀，限制了池子的水力负荷[25]。

而在周边进水周边出水的沉淀池中，密度流的方向与中心进水式相反。

混合液经进水槽配水孔管流入导流区后经孔管挡板折流，下降到池底污泥面上并沿泥面向中心流动，汇集后呈一个平面上升，在向池中心汇流和上升过程中分离出澄清水，并反向流到池边的出水槽，形成大环形密度流，污泥则沉降到池底部。

因此，周进周出沉淀池的异重流流态改变了沉淀区的流态，有利于固液分离。

3.5.3容积利用率的比较

异重流现象在中进周出沉淀池中会形成短流，而且由于中心进水的流速较快，在中心部分形成湍流，中心部分容积没有得到有效利用，池子的实际负荷比设计负荷大得多。

而周进式由于大环形密度流的形成，容积利用率要高得多。

对应进、出水槽位置的不同，中进式与周进式沉淀池的容积利用率各不相同，如表3.1所示[25]。

表3.1辐流式沉淀池的容积利用率

进水槽位置

出水槽位置

容积利用率（%）

中心进水

周边出水

48

周边进水

R/4

85.7

R/3

87.5

R/2

79.7

池周R处

93.6

其中：

R为池半径

周进周出沉淀池效率高的主要因素体现在三个方面[26]：

（1）容积利用率高；

（2）出水槽在澄清水流的末端，基本上消除了传统二沉池中异重流环流的有害影响；

（3）在池中存在着清水层、悬浮层和污泥层等三个层次，有两个清楚的界面。

由于池内呈一个平面上升的流态，活性污泥混合液会在悬浮层中出现良好的絮凝、澄清作用。

3.5.4周边进水型二沉池的若干优越性

密度流所形成的环流现象给中进周出辐流式二沉池带来了问题，主要表现在：

环流在出口处上升时会带走轻的细小污泥絮体，影响出水水质；沿底部的密度流又与日俱增刮泥方向相反，容易搅动起轻的活性污泥颗粒，影响沉淀效果；中进周出辐流式的沉淀池的进口在排泥斗的上方向，混合液进入池后，又是先降落到池底，这样就会造成部分混合液从排泥斗直接短路排出。

这些问题与密度流流速大小有关，流速越大越严重。

要控制流速，往往只有限制进水流量，也就是要控制过流率即水力负荷值。

由于这一原因，中进周出辐流式二次沉淀池要较大幅度地提高表面负荷是困难的。

改变中进周出辐流式二沉池内的水流流态是提高二沉池负荷率的主要手段。

对于普遍适用于大、中、小型污水处理厂的圆形沉淀池来说，采用周边进水、周边出水的辐流式二沉池是一个比较好的办法。

周边进水沉淀池由于是周边进水比中心进水辐流式沉淀池流速小得多，其进水水流动能也低得多，因而有可能比中进周出辐流式沉淀池提高50%~100%水力负荷。

而它所形成的密度流流速仍然不会很大。

同时由于周边进水所形成的水流方向与刮吸泥机转动方向又大体一致，所以搅动起污泥和带走较轻活性污泥絮体的可能性都比较小，从而也有可能提高沉淀效率。

周边进水周边出水沉淀池比中心进水周边出水沉淀池具有显著的优点：

（1）水流进入沉淀池主体前迅速扩散，以很低的速度从靠近池底处进入澄清区，由于速度很小，能避免通常高速进水时伴有的短流现象，提高了池容积的有效利用系数，如表3.1所示；

（2）沉淀池的性能准则可用水流有效停留时间和理论停留时间之比来表示，中心进水沉淀池的比值约30％，周边进水沉淀池的比值约70%~85％，沉淀效率可提高近两倍；

（3）在处理出水水质相同条件下，周边进水沉淀池比中心进水沉淀池的水力负荷可高出一倍，从而池容积可节省一半，可大大降低工程造价。

而且，这种池型的独特优点还在于它具有广泛的适应性，经生产实践说明这种沉淀池适用于大、中、小型污水处理厂，无论是新建还是改扩建工程中均可获得良好的工程效益和经济效益的。

周边进出水沉淀池有可能用于给水厂的沉淀池和污泥浓缩池，而受到关注和重视。

因此，周边进水沉淀池是一种值得推广的污水处理构筑物。