摘要：针对现有的高效沉淀池，通过沉淀机理、工艺流程、性能指标、实际案例进行全方面对比。表明水平管高效沉淀池其沉淀机理更符合“浅层理论”的要求，从根本上解决了斜管的上升流速与下滑速度矛盾的难题，并且采用的配套技术，主体工艺无运转设备、运行费用低、操作管理更便捷，可保证污水深度处理工艺长周期稳定达标运行。通过具体工程设计实例介绍，该工艺具有良好的应用前景。
作者：夏炜1，周密2
（1.上海市政工程设计研究总院，上海200092；2.珠海九通水务股份有限公司，广东珠海519000）
“节能、减排、低碳、环保”是社会和经济科学发展的重要理念。由于环境保护和处理回用的要求，城镇污水处理厂的出水水质标准越来越高。污水的深度处理是建立在污水二级处理基础上的进一步处理。常规二级处理达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B的要求，与一级A标准相比，甚至部分地区要求达到地表水四类要求，均有不小的差距。
市政污水一级A达标深度处理工艺中，主要采用絮凝+沉淀+过滤工艺，所采用的一般方法与现代给水处理方案基本相同，部分数据参考现代给水处理理论中相关的数据。深度处理中的物化去除工艺主要采用了固液分离单元，其作用是去除在混凝过程中形成的絮凝体，使水体中的悬浮物和有机污染物及总磷等得到进一步的去除，以保证后续处理单元的运行要求。一般情况下，沉淀池在固液分离单元中承担去除80%～95%的悬浮固体的重要作用，沉淀池出水SS和TP低，可延长滤池反冲洗周期，提升滤池滤速，并可超越滤池运行。所以在深度处理工艺中，悬浮物SS和TP的去除重心越往前移，所花费的运行费用和管理成本越低，性价比更好，由此可见，沉淀技术在深度处理工艺中显得非常重要。
由于在生化处理系统中产生的生物絮凝体沉淀性能通常较差，所以针对沉淀工艺的选择尤为重要。以下从沉淀的机理、沉淀的工艺比较上进行详细阐述，以提供可长周期稳定达标运行的沉淀工艺。
1沉淀机理简介
颗粒物在净水中的沉降主要为自由沉降，颗粒表面上都吸附了一层水膜，所以颗粒下沉时，实际上是水膜与水之间的滑动关系，所以颗粒物的密度决定了沉降速度，颗粒在水体中受到两个力，重力G和浮力F浮，颗粒在水体中的沉降速度通过加速度体现，所以
上式中：ρ水=1000kg/m3
ρ颗粒=1025kg/m3
α沉=0.03g
根据《给水排水设计手册-城镇给水》中关于颗粒沉降速度的参考，颗粒物的自有沉降速度一般为0.12—0.6mm/s[1]，见下表：
水处理中采用平流沉淀池进行颗粒物的沉降时，由于自由沉降的速度较慢，平流沉淀池的沉降距离一般为3.0-3.5m，停留时间一般为1.5-3.0h，颗粒物沉淀所需的长度约80～90m，造成池体占地面积大。
针对此情况，于1904年哈真提出了“浅层沉淀理论”，由浅层沉淀理论可知，在沉淀池有效容积一定的条件下，增加沉淀面积，可使颗粒去除率提高。根据这一理论，过去曾经把平流沉淀池改建成两层或三层池子，使沉淀面积增加，沉淀效率可提升2-3倍。因此水务行业的从业人员想将平流池分为N层，从而大幅度提升沉淀效率，但无法解决排泥问题，只能将沉淀管倾斜放置，使絮凝物在倾斜角度中下滑出沉淀装置，同时兼顾提升效率和滑泥，所以斜管和斜板对水行业有一定的贡献，但是从浅层理论的严格意义上讲，斜管、斜板还只是一种过渡产品。
斜管、斜板沉淀技术通过缩短沉降距离，使沉淀效率提高，池体占地面积减小。絮凝物在斜管中自由沉降后，接触斜管管壁，絮凝物在重力的作用下沿下滑至斜管底部，最终通过泥斗汇集后集中排出。由于絮体在水中斜面上的受力比较法复杂，现选取了主要的几个受力情况，进行了粗略的力学分析。颗粒在水中下滑时，受到水中的浮力、重力、斜面的支撑力、斜面上摩擦力f，重力可分解为对倾斜板的F压和下滑力F滑，颗粒在斜板上的下滑速度通过加速度体现，所以：
根据许保玖《给水处理理论》中的相关描述，在斜管中根据絮体的大小、密度不同，一般下滑速度为1.4～4.4mm/s[2]，见下表：
在异向流斜管中，水流的上升与絮凝物的下滑均在同一同道中，造成上升流速与下滑速度相互影响和相互制约，上升流速不允许高于絮体的下滑速度，否则絮凝物无法在斜管中下滑，会跟随水流冲出斜管，造成水质超标。斜管沉淀技术虽然提升了沉淀效率，但是絮凝物的在斜管中无法即时脱离水体，只能通过在斜管中较长的下滑距离下滑出沉淀装置，此时又会受到上升流速的影响，所以无法达到最佳的“浅层沉淀”。在污水深度处理中，受到了絮凝物下滑速度的限制，根据《室外排水设计规范》的要求设计的斜管沉淀池的上升流速仅为0.4mm/s-0.6mm/s，上升流速无法提高，沉淀效率收到影响。
针对斜管技术的不足，水行业进行了多样的研发，通过加强絮凝、污泥回流等措施提升絮凝物的密度，加快下滑速度，从而提高上升流速，研发出高密度沉淀和超高速沉淀池，其中沉淀单位仍采用斜管，上升流速一般为3.3-5.5mm/s，均未从根本上解决泥、水在同一同道中相互影响制约的问题，该问题困扰国内外水行业从业人员多年，一致无法从沉淀机理上有效解决，制约了水处理沉淀技术的革新性发展，是水处理沉淀领域的一大遗憾。
针对斜管的不足，珠海九通水务研制出水平管沉淀分离技术，该技术实现了沉淀管水平放置并增加了相对独立的滑泥道，实现了水与絮凝物分流，达到水走水道、泥走泥道的目的，从根本上解决了泥、水相互影响制约的难题。相比常规斜管沉淀技术，沉淀效率是斜管的3-5倍，并且实现了絮凝物即时脱离水体，絮凝物首先与水流脱离仅需10s，其次脱离沉淀装置仅需250s，总时间仅为常规斜管技术的26%。该技术将“浅层沉淀”发挥至极致，是目前真正意义上的高效沉淀技术[3]。
2工艺流程说明
通过沉淀机理的研究，并结合沉淀技术的发展，目前目前市面上较常见的常规沉淀技术为平流沉淀（可理解为沉淀技术1.0）、斜管、斜板沉淀池（可理解为沉淀技术2.0），由于生化处理系统中产生的生物絮凝体沉淀性能通常较差，絮凝物的粒径与密度均较小，平流沉淀池和斜管、斜管沉淀池在深度处理工中占地面积较大，沉淀效率较低，且无法长周期稳定达标运行，在深度处理工艺中较少使用。目前可采用的普通高效沉淀技术有高密度沉淀池、超高速沉淀池等（可理解为沉淀技术2.5）和水平管高效沉淀池（可理解为沉淀技术3.0）。
通过多个实际案例的考察和分析，针对水平管高效沉淀池与普通高效沉淀池的工艺流程进行简单介绍。
2.1水平管高效沉淀池工艺流程
在此工艺流程中，水平管高效沉淀池采用了高效絮核装置与筛板絮凝池的前端絮凝工艺，通过水力絮凝技术和水平管高效沉淀分离技术，使SS与TP指标在沉淀后可达到一级A指标，可超越滤池排放。具体工艺见图3:
工艺特点：
1)整体工艺均为水力自流，无机械设备，维护成本低，无停水维修机械的风险，可长周期稳定达标运行；
2)高效絮核装置中装填填料，应对生物絮凝体少且轻的状态，可增强絮凝物之间的碰撞几率，形成密度较大的晶核，为后续絮凝打下基础，无需使用污泥回流提升前端的絮凝物浓度；
3)筛板絮凝池中设置了垂直放置的筛板装置，避免了污泥堵塞问题，并且筛板装置开孔孔径合理，可提供更大的水力紊动，使絮凝物凝聚更为密实；
4)水平管高效沉淀池采用哈真“浅池理论”设计，在沉淀区中将竖直的过水断面分割成沉降距离相等的沉淀管和滑泥斜道，细分了沉淀和排泥功能，缩短了沉淀所需时间，沉淀效率高，在实际的案例中，可根据水质情况超越滤池直接排放；
5)调试操作便捷，运行费用低，仅需合理投加PAC即可保证工艺流程正常运行。
2.2普通高效沉淀池工艺流程
在此工艺流程中，高效沉淀池在应对生物絮凝体少且轻的状态时，采用了PAM与污泥回流的措施进行絮凝体加强，提升了絮凝物的密度，提高了沉淀效率。具体工艺见图4：
工艺特点：
1)在混合、絮凝、沉淀的三个工序之间，采用直通方式紧密衔接，简化了池型，节省了占地面积；
2)应用絮凝剂、助凝剂、活性污泥回流的联合应用以及机械混凝手段，提升了絮凝物的密度；
3)通过在高效沉淀池中设置了锥形斗和刮泥机，排泥浓度高，可减少水量损失；
4)需要根据水质和水量合理调整污泥回流比、药剂投加、搅拌机转速，对自动控制要求较高，需注重人员的培训、日常操作管理；
5)采用了较多的机械设备，在运行中需提高保养和管理强度，避免运转设备损坏，造成系统停水维修。
3工艺综合比较与选用
3.1工艺综合比较
针对深度处理中的絮凝物特性、相关专家访谈、实际运行案例分析并查阅了相关论文，针对以上高效沉淀技术在技术指标、性能指标、运行管理等方面进行综合比较。
3.2工艺的实际选用
我院在安徽安庆市污水处理厂一级A达标项目的工艺选择中，充分比较了现有的多个高效沉淀技术，通过在沉淀效率、运行费用、操作难度、日常维护等多个方面进行了横向对比，水平管高效沉淀池在沉淀机理中更符合“浅层理论”的要求，具备高效沉淀和即时分离的功效，做到了泥、水互不影响，互不制约，从根本上解决了斜管的上升流速与下滑速度矛盾的难题，并且采用的配套技术，无主体运转设备、运行费用低、操作管理更便捷，可保证污水深度处理工艺长周期稳定达标运行。
该项目中处理水量为15000m3/d，日变化系数为1.56，根据处理厂运行要求，分为两组设计。依据《给水排水设计手册-城镇给水》第三版P537页中关于水平管高效沉淀池的设计要点进行沉淀池设计[4]，并查阅了《水平管沉淀池工程技术规程》CECS338：2014相关的技术要求。其中水平管高效沉淀池的设计过流负荷为34.8m3/m2˙h，沉淀池内壁尺寸为14.0×6.0×5.0m，池体面积与普通高效沉淀池相当，但池体深度比普通高效沉淀池浅，施工简单，基建投资费用低。大致布置方式见下图：
4结语
随着城市化的进程加快，对污水处理的指标和要求会提出更高的要求。作为污水处理厂，其运行效果、出水氮磷去除率对当地的水资源保护产生了更加深远的影响，作为运营单位，相比一次性投资费用，更重视所选工艺的运行费用，这是一个长期的费用支出，同时所选工艺维护运行费用低、操作管理便捷也是重要的关注点，所以我院通过分析，水平管高效沉淀技术综合性能优于其他普通高效沉淀工艺，同时考虑到该技术达到了世界先进水平，可保证污水提标改造工艺选择的技术先进性，并且该技术抗冲击负荷能力强，为今后的进一步提标改造留下必要的冗余，最终选择水平管高效沉淀工艺用于安徽安庆市1.5万吨/日污水处理厂一级A提标改造项目。
参考文献：
[1]《给水排水设计手册-城镇给水》第三版第530页中国建筑工业出版社
[2]许保玖.《给水处理理论》中国建筑工业出版社
[3]张建国，张良纯，刘玲云.水平管沉淀分离装置的开发研究给水排水，2008,24（9）：47-51
[4]《给水排水设计手册-城镇给水》第三版第537-540页中国建筑工业出版社
