某輻流式二沉池工藝設計(上)

1引言隨著社會的不斷開展，尤其是人口的快速增加、城市化與工業(yè)化水平的不斷提高，隨之而來的原始資源型和污染型水資源短缺問題也日益突出。水資源短缺和水污染加劇所構成的水危機引起了世界各國的關注，治理水污染環(huán)境的課題被列入世界環(huán)保組織的工作日程。我們不僅要到達經濟的開展，生活水平的提高，還應該做到經濟與環(huán)境保護協(xié)調開展，使人們的生活質量不斷提高。傳統(tǒng)的廢水處理技術難以滿足越來越嚴格的污水排放標準的要求,而且傳統(tǒng)的廢水處理廠多數只有負的經濟效益，這無疑使許多企業(yè)無法承受額外的廢水處理費用，經濟的開展帶來了水資源的日趨短缺，客觀上要求廢水能夠循環(huán)再利用。在社會效益和經濟效益最大化的要求下，各種新型的、改進的、高效的廢水處理技術就應運而生了。六十年代初，國外出現了一種向心流二沉池，最大池徑可達42.7m。七十年代，國內先后建成規(guī)模不等的幾座模型及生產性向心流二沉池。研究及生產運行說明，該池在水力效率、水力負荷、沉淀歷時、耐沖擊負荷、技術經濟效益等均優(yōu)于其它類型的二沉池，其主要表現在該池的容積利用率高于普通輻流池50~80%[1]，水力負荷高于普通輻流式二沉池，沉淀歷時短至l小時[2,3]等。向心流二沉池不僅可以新建，而且還適合對原有幅流二沉池的改造、挖掘現有污水處理廠的潛力。有文獻從工程應用角度探討了該池的特點。指出：(1)向心流二沉池的構造適于密度流的特點，克服了短流，減小了“池壁效應”使得整池每△R半徑上所能通過的流量是有限的，水流在沉淀區(qū)內分布根本均勻，有利于沉淀[2]。(2)混合液由池周邊分散入流，故入流動能低，入流方向大體與污泥流動方向一致，減少入流攪起污泥和帶走輕的絮體的可能性，混合液直接由泥斗短路流出的量少，有利于泥水別離及底泥壓縮[4]。2水體污染現狀2.1廢水排放量逐年增長而污水處理率低我國1993~1995年廢水排放量各約為：356億噸、365億噸、373億噸，而2001年廢水排放量到達416億噸，可見廢水排放量逐年增加。近10年來，我國城市生活污水排放量以每年5％的速度遞增，1999年首次超過工業(yè)污水排放量。2001年，全國城市生活污水排放量22l億噸，占全國污水排放總量的53.2％。然而我國城市污水處理廠的建設還遠遠趕不上城市開展的需要，目前全國城市污水處理率只有36.5％，其中二級處理率還不到20％。我國水環(huán)境污染以有機物為主，目前我國七大水系中近一半河段污染嚴重，86％的城市河段污染嚴重。我國的湖泊普遍遭到了污染，尤其是重金屬污染的富營養(yǎng)化問題相對來說比擬嚴重。長江沿岸形成了一條500公里的污油帶，整個流域有4萬個工礦企業(yè)、16000處城市污染源，每天流進長江的工業(yè)廢水有3.6萬噸；黃河面臨著污染和斷流的雙重壓力，監(jiān)測有66.7％的河段為IV類水質；淮河已成為中國大河污染之最了，已經落入了先污染后治理的地步。全國3000家重點污染企業(yè)中，排放工業(yè)污水的企業(yè)，淮河流域占了160家，流域內182座城鎮(zhèn)中排污單位155萬家，僅造紙廠就有1000多家，排出的污水直接進入淮河的干流與支流：其他的水系湖泊、河流也有不同程度的污染。1997年工業(yè)廢水量189億噸，COD排放量1073萬噸，工業(yè)污水的污泥負荷高且大局部流入江河、湖泊、海洋能進入污水處理廠的不到總量的1/10，處理量非常的低[5]。2.2水體污染的影響、防治與保護措施水體污染對人體的健康主要的影響(1)引起急性和慢性中毒。水體受化學有素物質污染后，通過飲水和食物鏈便可造成中毒，如甲基汞中毒(水俁病)、鎘中毒(骨痛病)、砷中毒、鉻中毒、農藥中毒、多氯聯(lián)苯中毒等。這是水污染對人體健康危害的主要方面。(2)致癌作用。某些有致癌作用的化學物質，如砷、鉻、鎳、鈹、苯胺、苯并(a)芘和其它多環(huán)芳烴等污染水體后，可在水中懸浮物、底泥和水生生物內蓄積。長期飲用這類水質或食用這類生物就可能誘發(fā)癌癥。(3)發(fā)生以水為媒介的傳染病。生活污水以及制革、屠宰、醫(yī)院等廢水污染水體，?？梢鸺毦阅c道傳染病和某些寄生蟲病，如傷寒、痢疾、霍亂、腸炎、傳染性肝炎和血吸蟲病等。(4)間接影響。水受污染后，?？梢鹚母泄傩誀類夯?，發(fā)生異臭、異味、異色、呈現泡沫和油膜等，抑制水體天然自凈能力，影響水的利用與衛(wèi)生狀況。此外，水體污染還會影響魚類和其它的水生生物。例如海洋受石油污染后，油類粘附在魚鰓上，可使魚窒息；粘附在藻上、浮游生物身上即可使它們死亡。人類如果食用了被污染的魚類和海洋生物，將會嚴重危害人體健康。水體污染的防治(1)控制廢水物污染濃度及排放總量；(2)工業(yè)廢水和生活污水經適當處理循環(huán)后使用；(3)改革工藝，減少污染開展；(4)處理好工業(yè)廢渣和生活垃圾，防止因降水和徑流的沖刷、溶解而污染水體；(5)有方案地治理已經被污染的水體，如清理河床和防止雨水污染等；(6)改善能源利用結構，清潔能源，如風能、太陽能、水電站，以及不受地理氣候條件限制的核能[6]。2.2.3水資源保護策施〔1〕加強節(jié)約用水管理節(jié)水是保護水資源的一種有效措施，推廣節(jié)水措施，是保護水資源的關鍵環(huán)節(jié)。一方面，節(jié)約清水可以減少污水的排放量，另一方面節(jié)水本身就是保護有限的水資源。在節(jié)水措施上，要因地制宜，分類指導，大力開展節(jié)水農業(yè)、節(jié)水工業(yè)。節(jié)水農業(yè)要在普及渠道防滲、管道輸水、小畦灌溉、園林化耕作的根底上，探索節(jié)水新途徑井灌區(qū)水利用系數的提高，主要是繼續(xù)增加地下輸水管道的鋪設面積，引進并推廣噴灌、滴灌等先進的節(jié)水灌溉措施。工業(yè)節(jié)水的關鍵是降低耗水定額，要建設污水處理設施，提高水的重復利用率；同時還要在工業(yè)用水單位安裝智能卡水表，對企業(yè)用水進行搖控，按照用水定額批準水量，定額以內按規(guī)定收取水資源費，超出局部加價收費，用經濟手段制約浪費；此外，重點抓好用水大戶的節(jié)水和新上工程的審批。增加生態(tài)環(huán)境用水量污染物總量控制方案及其他工程措施的實施，都以一定的設計流量為前提，沒有一定的清潔水稀釋，就不可能實現水質控制目標，達不到保護水資源的目的。為此，可將污水處理廠處理后的中水局部用于改善水環(huán)境；在水量允許的情況下，爭取一定量的環(huán)境用水；在重點河段攔蓄雨洪資源?！?〕合理開發(fā)水資源水資源的開發(fā)包括地表水資源開發(fā)和地下水資源開發(fā)。水資源屬于國家所用，因此，生產和生活用水的開發(fā)必須遵守《中華人民共和國水法》的有關規(guī)定，作到全面規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧。在開采地下水的時候，由于各含水層的水質差異較大，應當分層開采；對已受污染的潛水和承壓水不得混合開采；對揭露和穿透水層的勘探工程，必須按照有關規(guī)定嚴格做好分層止水和封孔工作，有效防止水資源污染，保證水體自身持續(xù)開展。〔3〕加大宣傳力度要是人們樹立惜水意識，開展水資源警示教育。一定要建立起水資源危機意識，把節(jié)約水資源作為我們自覺的行為準那么，采取多種形式進行水資源警示教育。通過認真貫徹《水法》和《水資源保護規(guī)劃》等法律法規(guī)，促進節(jié)約用水，并在一定程度上使地表水污染狀況得到改善，地下水的超采受到一定程度的遏制，減緩地下水位的下降速度。3沉淀理論及沉淀池3.1沉淀的根底理論沉淀法是水處理中最根本的方法之一，是去除水中懸浮顆粒雜質的主要方法之一。沉淀是利用水中懸浮顆粒與水的密度差進行別離。當懸浮物的密度大于水的密度時，具有可沉降性能，在重力作用下沉到池底，懸浮物下沉形成沉淀物，以使固液別離。沉淀方式的分類，是按照水中固體懸浮物顆粒的濃度和凝聚性能的大小分為四種不同的類型降[7~11]，包括自由沉淀、絮凝沉淀、擁擠沉淀和壓縮沉淀。自由沉淀在水中懸浮物固體濃度較低的情況下，懸浮顆粒與顆粒之間互不干擾，顆粒的沉淀軌跡是線性變化，這種顆粒沉淀稱為自由沉淀。一個顆粒真正的自由沉降只有當它單獨處于無限的水體中才能得到。實際上都把與自由沉降相差不大的沉降過程看作是自由沉降過程。在整個沉淀過程中，懸浮顆粒的物理性質都不變。一般認為水中顆粒的體積濃度不超過0.2%時，可以看作是自由沉降。在凈水廠中平流式沉淀池的沉淀過程即為典型的自由沉淀，沉淀效果由污水的水平流速和顆粒的停留時間共同決定。絮凝沉淀和自由沉淀相比，絮凝沉淀中顆粒之間存在絮凝作用，顆粒沉淀的軌跡呈拋物線的形式，且懸浮顆粒的物理性質：密度大小、粒徑大小、質量、形狀等是不斷變化的，實際中的顆粒沉降速度也是不斷變化的?；瘜W混凝沉淀的類型就屬于絮凝沉淀。擁擠沉淀在懸浮顆粒濃度較高的情況下，即水中有大量顆粒在有限的水體中沉降時，懸浮物顆粒相互之間會產生影響，使得顆粒沉降速度比自由沉降時小，稱為擁擠沉淀，也叫成層沉淀?；钚晕勰嘣诙纬恋沓刂械某恋?、化學絮凝體在混凝沉淀池中的沉淀均屬于擁擠沉淀的類型。在較高的顆粒體積濃度和粒徑分布比擬均勻的情況下，擁擠沉淀過程中會在上部的澄清水和下部渾水之間出現明顯的界面，這種現象有時被稱為界面沉降。壓縮沉淀在高濃度懸浮顆粒的沉降過程中，由于懸浮顆粒濃度很高，懸浮物顆粒相互間會被擠成團塊結構而一起下沉，這種沉淀稱為壓縮沉淀。在壓縮沉淀中下層顆粒間的孔隙水由于壓力增加和結構的變形而被擠出，最終使污泥得到濃縮，壓縮沉淀也稱為污泥的濃縮。污泥的濃縮過程也就是不斷排除孔隙水的過程。在二次沉淀池中的活性污泥沉淀后期，污泥在濃縮池內的重力濃縮均屬于壓縮沉淀[12]。3.2沉淀池的作用及組成沉淀池是去除懸浮于水中的可以沉淀的固體懸浮物的一種構筑物。沉淀過程簡單易行,別離效果又比擬好,是水處理中的重要過程。沉淀池按其功能可分為進水區(qū)、沉淀區(qū)、污水區(qū)、出水區(qū)及緩沖層等五個局部。進水區(qū)和出水區(qū)是使水流均勻的流過沉淀池；沉淀池也稱澄清池，是可沉降顆粒與廢水別離的工作區(qū)；污泥區(qū)是污泥儲存、濃縮和排除的區(qū)域；緩沖區(qū)是分隔沉淀區(qū)和污泥區(qū)的水層，保證已沉降顆粒不因水流攪動而再次浮起[13]。3.3沉淀池的分類在水處理中，沉淀池分為初次沉淀池和二次沉淀池。初次沉淀池是采用生物處理法的預處理。主要是對污水中以無機物為主體的比重大的固體懸浮物進行沉淀別離。通過初次沉淀池，約30%的BOD和55%的懸浮物可以被去除。二次沉淀池是設置在生物處理構筑物的后面，是對污水中以微生物為主體的、比重小的、因水流作用易發(fā)生上浮的固體懸浮物進行沉淀別離。對于城市污水處理，無論是大型生物化工廠還是污水處理使用新技術二次沉淀池或固液別離池都是必要的。二次沉淀池越來越多的應用在生化和生物污水處理工藝中[14]。常用沉淀池的類型有平流沉淀池、豎流沉淀池的、輻流沉淀池及斜板〔管〕沉淀池四種。平流式沉淀池池型呈長方形，廢水從池的一端流入，水平方向流過池子，從池的另一端流出。在池的進口處底部設貯泥斗，其它部位池底有坡度，傾向貯泥斗。具有對沖擊負荷和溫度變化的適應能力較強。豎流式沉淀池池型多為圓形，亦有呈方形或多角形的，廢水從設在池中央的中心管進入，從中心管的下端經過反射板后均勻緩慢地分布在池的橫斷面上，由于出水口設置在池面或池墻四周，故水的流向根本由上向下。污泥貯積在底部的污泥斗。排泥方便，管理簡單；占地面積較小。輻流式沉淀池輻流式沉淀池亦稱輻射式沉淀池。池型多呈圓形，小型池子有時亦采用正方形或多角形。池的進、出口布置根本上與豎流池相同，進口在中央，出口在周圍。但池徑與池深之比，輻流池比豎流池大許多倍。水流在池中呈水平方向向四周輻流，由于過水斷面面積不斷變大，故池中的水流速度從池中心向池四周逐漸減慢。泥斗設在池中央，池底向中心傾斜，污泥通常用刮泥〔或吸泥〕機械排除[15,16]。運行較好，管理亦較簡單。輻流式沉淀池分為中進周出式和周進周出式兩種形式。由于中進周出為傳統(tǒng)二沉池形式，結構及原理相對簡單，在國內普遍應用，而周進周出二沉池是相對新型的池型，雖然在80年代就引進國內，但直到2000年后才得到普遍的推廣。截止至2007年國內采用周進周出工藝的污水處理廠約150座，而采用中進周出二沉池工藝的污水處理廠約300座，因此國內城鎮(zhèn)污水處理廠中輻流式二沉池還是以中心進水周邊出水形式為主，周邊進水周邊出水形式其次，但周進周出二沉池使用的比例已經在不斷增加，周進周出二沉池己成為國中常見的一種池型[17]。斜板〔管〕沉淀池斜板〔管〕沉淀池是根據淺池理論在沉淀池的沉淀區(qū)加斜板或斜管而構造。它由斜板沉淀區(qū)、進水配水區(qū)、清水出水區(qū)、緩沖區(qū)和污泥區(qū)組成。該池水力半徑大大減小，從而雷諾數Re大為降低，弗羅德數Fr大為提高，改善了沉淀池水流穩(wěn)定條件。斜板沉淀池的Fr值一般為10-3~10-4，Re值為100~1000?？蓾M足水流穩(wěn)定性和層流的條件[18]。二次沉淀池的構造和初沉池一樣，可以采用平流式、豎流式和輻流式沉淀池。普遍存在四個區(qū)：清水區(qū)、絮凝區(qū)、成層沉降區(qū)、壓縮區(qū)。一般來說，二次沉淀池多采用豎流式和輻流式，豎流式沉淀池比擬適用處理水量不大的小型污水處理廠；而輻流式沉淀池那么適用大、中型污水處理廠。3.4周邊進水周邊出水二沉池的開展現狀污水處理廠的建設必須堅持經濟效益、社會效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。也就是說，任何一個構筑物的建設，都要遇到技術問題和經濟問題。鑒予我國當前資金短缺，全國工程工程的環(huán)保資金占工程工程總投資平均不到4％，而興旺國家一般為15％～20％。這就要求我們在資金一時無法大幅增加的根底上，加大力度開發(fā)污水處理的技術問題，爭取從技術上有所突破，來解決環(huán)境問題。因此，如何研究并提出技術上可靠、經濟上合理的技術方案，以到達治理污染花錢最少，效果最正確的目的，是我們環(huán)境保護工作者長期面對的問題[5]。沉淀池是水處理工程中常用的構筑物，為提高水處理能力、穩(wěn)定出水水質、降低運行本錢和控制基建投資，各種類型的沉淀池都有了較大的改進和革新。周邊進水周邊出水沉淀池就應運而生，其污水外表負荷大，同樣處理水量需池外表積小，從而節(jié)省了投資；進水均勻，處理效強好。3.5周進周出與中進周出幅流式二沉池比擬設計、運行參數比擬中進周出輻流式二沉池的原污水從池中心進入，在池周邊出流，進口處流速很大，程紊流現象，影響了沉淀池的別離效果。而周進周出輻流式二沉池與此恰恰相反，其原污水從池周邊流向池中心，澄清水那么從池中心返回到池周邊流出，在一定程度上克服了上述缺點。原污水流入位于池周邊的進水槽中，在進水槽底部設有進水孔，再從進水孔均勻地進入池內進行懸浮顆粒的沉淀，從而提高沉淀效率。根據國外資料介紹，這種沉淀池的處理能力比中進周出輻流式二沉池要高出一倍。沉淀池設計計算時一般以水力負荷來計算有效面積，用固體負荷做較核。根據國外資料，國外所采用周邊進水中心出水和周邊進水周邊出水的二次沉淀池的水力負荷最大為2.72m3/(m2·h)，最小為1.0m3/(m2·h)，而我國較有代表性的城市污水處理廠中二沉池所采用的水力負荷值，最大為1.19m3/(m2·h)，最小為0.73m3/(m2·h)，由此可以看出，周邊進水型二沉池的水利負荷要比普通型二沉池水力負荷平均高出1.72倍。這就顯示了周邊進水型二沉池具有節(jié)省面積、減少池數和投資等優(yōu)越性，是可以推廣應用的一種新型二次沉淀池[19~24]。流態(tài)比擬二次沉淀池進水為活性污泥混合液，懸浮物固體MLSS的質量濃度在3000~4000mg/L之間。由于二者間的密度差、溫度差而存在二次流和異重流現象。中進周出和周進周出兩種不同池型內的混合液流態(tài)各不相同，見圖3.1與圖3.2。圖3.1中心進水周邊出水沉淀池圖3.2周邊進水周邊出水沉淀池在中進式沉淀池中，活性污泥混合液從池中心進水管以相對較高的流速進入池內，形成渦流，經布水筒逐漸下降到污泥層上，再沿沉淀區(qū)中部向池壁方向流動并壅起環(huán)流。別離出的澄清水局部溢流入出水槽，局部在上面從池邊向池中心回流；密度大的混合液那么在下面從池邊向池中心流動，形成了反向流動的環(huán)流。這種環(huán)流不利于沉淀，限制了池子的水力負荷[25]。而在周邊進水周邊出水的沉淀池中，密度流的方向與中心進水式相反?；旌弦航涍M水槽配水孔管流入導流區(qū)后經孔管擋板折流，下降到池底污泥面上并沿泥面向中心流動，聚集后呈一個平面上升，在向池中心匯流和上升過程中別離出澄清水，并反向流到池邊的出水槽，形成大環(huán)形密度流，污泥那么沉降到池底部。因此，周進周出沉淀池的異重流流態(tài)改變了沉淀區(qū)的流態(tài)，有利于固液別離。容積利用率的比擬異重流現象在中進周出沉淀池中會形成短流，而且由于中心進水的流速較快，在中心局部形成湍流，中心局部容積沒有得到有效利用，池子的實際負荷比設計負荷大得多。而周進式由于大環(huán)形密度流的形成，容積利用率要高得多。對應進、出水槽位置的不同，中進式與周進式沉淀池的容積利用率各不相同，如表3.1所示[25]。表3.1輻流式沉淀池的容積利用率進水槽位置出水槽位置容積利用率〔%〕中心進水周邊出水48周邊進水R/485.7R/387.5R/279.7池周R處93.6其中：R為池半徑周進周出沉淀池效率高的主要因素表達在三個方面[26]：(1)容積利用率高；(2)出水槽在澄清水流的末端，根本上消除了傳統(tǒng)二沉池中異重流環(huán)流的有害影響；(3)在池中存在著清水層、懸浮層和污泥層等三個層次，有兩個清楚的界面。由于池內呈一個平面上升的流態(tài)，活性污泥混合液會在懸浮層中出現良好的絮凝、澄清作用。3.5.4周邊進水型二沉池的假設干優(yōu)越性密度流所形成的環(huán)流現象給中進周出輻流式二沉池帶來了問題，主要表現在：環(huán)流在出口處上升時會帶走輕的細小污泥絮體，影響出水水質；沿底部的密度流又與日俱增刮泥方向相反，容易攪動起輕的活性污泥顆粒，影響沉淀效果；中進周出輻流式的沉淀池的