高士國 阮如新

　　摘要：本文簡要敘述了波形斜板應用于側向流沉淀技術的設計思想﹑側向流波形斜板沉淀試驗研究成果和沉淀單元裝置，以及在工程中的應用情況。作為一種具有顯著特點的新型沉淀技術，側向流波形斜板沉淀工藝將在水工業中得到更廣泛的應用。

　　以“淺層沉淀”原理為理論基礎的斜板、斜管沉淀技術在水處理領域得到廣泛的應用，出現了不同水流方向與不同型式的斜板、斜管組合的多種沉淀裝置。長春中日友好水廠從工藝到設備全部引進的側向流普通斜板沉淀池和哈爾濱三水廠由國外提供技術參數的側向流帶翼斜板沉淀池先后投產，成為我國大型水廠采用側向流沉淀技術的開端。
　　北京市市政設計研究總院在異向流波形斜板沉淀技術研究的基礎上，綜合側向流的長處和波形板的特點，進行了側向流波形斜板沉淀工藝試驗研究，獲得并確定了側向流波形斜板沉淀工藝的結構特征和設計參數。此項成果已在北京市第九水廠二期、三期工程(各50萬 m³／d)和深圳市筆架山水廠改造工程(32萬m³/d)中采用。此項成果九三年獲北京市科技進步獎，九六年被建設部列為重點科技推廣項目，被國家科委列入《國家級科技成果重點推廣計劃指南》項目。

　　1 側向流波形斜扳沉淀工藝的提出

　　1.1 沉淀池設計理論
　　沉淀池設計基本理論，主要有兩條內容。
　　其一，理論上100％去除的最小顆粒沉速與池深無關，而決定于沉淀池單位沉淀面積通過的流量，稱為表面負荷率。
　　　　　　 F＝Q／A 　　　　　　　　(1)
　　式中　F——表面負荷率 (m³/m²·s)
　　　　　Q——流量 (m³/s)
　　　　　A——沉淀面積 (m²)
　　其二，懸浮顆粒在理想沉淀池中的去除率只取決于沉淀池的表面負荷率，而與其它因素如池長、池深、水平流速及沉淀時間無關。
　　　　　　 E＝u_i／F 　　　　　　　　　(2)
　　式中　E——懸浮顆粒去除率
　　　　　u_i——具有小于截留速度的顆粒沉速
　　1.2 實際沉淀池的沉淀效率
　　上述設計理論是建立在理想沉淀池的三項假設上的，即沉淀區的水流在任何一點處的流速完全相同、懸浮顆粒的濃度及分布在池深方向上完全一致并在沉降過程中沉速不變和任何顆粒一觸及池底就被有效去除。
　　而實際沉淀池內的流速不可能完全相同，而是具有一定的流速分布；沉淀池中的絮體不僅大小不一，且具有繼續絮凝現象，在沉降過程中顆粒濃度及分布在池深方向上主要由于同向絮凝作用而不會完全一致，沉速也會發生變化；到達池底的顆粒，由于沉淀池結構等方面因素不一定能被全部除去。
　　由于實際沉淀池與理想沉淀池存在明顯差異，因此相同表面負荷率情況下實際沉淀池去除率將大大低于理想沉淀池，用下式表示：
　　　　 E_r＝K·E_a 　　　　　　　(3)
　　式中 E_r——實際去除率
　　　　 E_a——理想去除率
　　　　 K——系數(K＜I)
　　影響 K值的主要因素：其一是因反應的完善程度而產生的絮體性質，即礬花的密度、大小和均勻性。礬花的密度在很大程度上受水質和混凝劑品種與投加量的制約，而礬花的大小及均勻性主要取決于絮凝反應的形式與性能。其二則是沉淀池的結構型式，能否使反應后的礬花及時有效地與水體分離而去除。
　　1.3 側向流波形斜板沉淀工藝設想
　　利用斜板或斜管增大沉淀面積是提高沉淀效率行之有效的措施。按照水流方向與沉泥下滑方向的關系，分為同向流、異向流(逆向流)和側向流(橫向流)。同向流或異向流沉淀時，水流動力對懸浮顆粒所受重力都有較大影響或干擾。側向流則不然，水流方向與沉泥下滑方向相互垂直，對下滑影響較小，因而可獲得較理想的沉淀效果。
　　以往的側向流平板斜板因其剛度低為減少變形采用增加板厚和設置肋結構等方法，致使材料用量大，并為了安裝上盡量減少支撐結構占用過水斷面而不得不采用復雜的懸吊裝置。這些結構與安裝上的缺陷加之造價較高限制了側向流沉淀技術的應用。
　　為克服平板斜板的上述不足，研究用波形板代替平板。波形板在與平板板厚相同的情況下，其剛度較平板增大一個數量級，因此可適當減薄而節約材料。在波形板兩端部設置支撐節點構成斜板箱，組成沉淀單元，可以在沉淀池中重疊放置，靈活而方便地組合安裝，且無需懸吊結構，將大大降低造價并簡化制作與安裝的工作量。

　　2 側向流波形斜板沉淀試驗研究

　　2.1 試驗流程與試驗裝置
　　試驗裝置的設計規模為25m³／h，試驗工藝流程見圖 1。

　　原水來自某水廠進水管(庫水)，由泵提升經計量至混合槽，加藥快速混合后進入反應池，絮凝后流人沉淀池。
　　混合方式為快速軸流式機械攪拌。絮凝反應為波形板豎流式三段反應。
　　沉淀池填料為單元波形扳組。波形板全波高100mm，波長500mm，見圖2。
　　板斜長1500mm。波形板平行組裝，板間距60mm，傾角60°。單元波形板組寬750mm，高1000mm，沿水流方向板長4000mm，板組剖面見圖3。

　　2.2 驗結果
　　試驗原水濁度0.84～1.89NTU，水溫8～19℃。鑒于原水濁度很低，進行了配濁進水試驗，濁度為21.2～30.4NTU。
　　除在沉淀池出水口取樣外，在距沉淀池進水口1.75、2.75、3.75m處分設取樣管，以測定不同板長處的出水濁度。試驗中根據不同進水量、不同板長的試驗結果，考察不同板面負荷的沉淀效果。試驗結果見表 l和表2。 自然濁度進水沉淀試驗結果

表1 1.75m板長 2.75m板長 3.75m板長 4.0m板長 進水量 容積負荷 出水濁度 容積負荷 出水濁度 容積負荷 出水濁度 容積負荷 出水濁度 m³/h m³/m³·h NTU m³/m³·h NTU m³/m³·h NTU m³/m³·h NTU 34 25.95 1.25 16.50 1.16 12.10 1.06 11.33 1.00 25 19.08 1.18 12.14 1.08 8.90 1.05 8.33 1.05 20 15.27 0.82 9.71 0.74 7.12 0.62 6.67 0.6 12 9.16 0.75 5.83 0.7 4.27 0.63 4.00 0.63

人工配濁進水沉淀試驗結果

表2 1.75m板長 2.75m板長 3.75m板長 4.0m板長 進水量 容積負荷 出水濁度 容積負荷 出水濁度 容積負荷 出水濁度 容積負荷 出水濁度 m³/h m³/m³·h NTU m³/m³·h NTU m³/m³·h NTU m³/m³·h NTU 34 25.95 6.61 16.50 4.39 12.10 2.82 11.33 2.43 25 19.08 3.92 12.14 2.51 8.90 1.54 8.33 1.47 20 15.27 2.43 9.71 1.90 7.12 1.12 6.67 0.97 12 9.16 1.87 5.83 1.14 4.27 0.95 4.00 0.80

　　圖4為不同進水量時不同板長處出水濁度曲線。
　　將不同進水條件下容積負荷與出水濁度進行回歸，自然濁進水時相關曲線為Y=0.4064LnX－0.3067，相關系數r=0.9291(標準值rα=0.7800)；配濁進水時相關曲線為Y=2.8280LnX－4.0372，相關系數r=0.9205(標準值rα=0.7800)，見圖5。

　　試驗結果表明，沉淀效果令人滿意，說明波形斜板工藝結構的設計和技術參數的選擇是適宜的。
　　2.3 試驗結果分析
　　2.3.1 沉淀效果評價
　　任何沉淀工藝形式固液分離效果的水平均可以用該工藝沉淀結果與其反應出水的靜沉實驗結果相比較而進行評價。
　　本試驗裝置斜板安裝傾角為60°、板間距60mm，其最大沉淀距離為60/cos60°=120mm。見圖6。
　　沉淀水樣是斷面出水的混合樣，全部絮體下沉的平均距離為60mm。

　　靜沉實驗是用1000ml燒杯取沉淀前反應出水，靜沉5min后取上清液測其濁度。上清液取樣距杯底約100mm。
　　表3為沉淀試驗出水與反應出水靜沉實驗濁度對比數據。

沉淀出水與反應出水靜沉實驗對比

表3 進水量 停留時間 min 自然濁度進水 NTU 人工配濁進水 NTU m³/h 沉淀 靜沉 沉淀 靜沉 沉淀 靜沉 25 4.48 5.00 1.05 1.47 1.21 2.73 20 4.28 5.00 0.74 1.90 1.10 3.39 12 4.41 5.00 0.75 1.87 1.01 2.97 平均 4.51 5.00 0.85 1.74 1.11 3.03

　　此表表明，沉淀池停留時間接近5min時出水濁度大大低于反應出水靜沉5min時上清液濁度， 說明本沉淀工藝可以將部分靜沉條件下難以去除的微絮體分離出去。
　　表4所列為與反應出水靜沉5min上清液濁度相近時的沉淀試驗條件數據。

沉淀出水濁度與靜沉實驗濁度相近時沉淀數據

表4 進水 處理水量 板長 停留時間 容積負荷 出水濁度 靜沉濁度 條件 m³/h m min m³/m³·h NTU NTU 自然 34 2.75 2.45 16.50 1.16 1.13 濁度 25 1.75 2.11 19.08 1.18 1.21 人工 34 3.75 3.34 12.14 2.82 2.99 配濁 25 2.75 3.33 12.14 2.51 2.73

　　從表4可以看出，與靜沉5min上清液濁度相接近的沉淀時間遠小于5min。
　　上述兩表反映的評價結果說明，側向流波形斜板沉淀工藝的固液分離效果十分理想。
　　2.3.2 波形斜板結構特性
　　側向流波形斜板沉淀工藝有如此理想的固液分離效果，除側向流固有的水流與沉泥下沉方向垂直互相干擾小的特點外，更主要的還在于斜板的波形結構為板間水體中絮體的繼續絮凝提供了條件和沉泥集聚于波形板的波谷中更易于下滑與排除。
　　2.3.2.1 波形板間隙與繼續絮凝
　　波形扳間隙依波長方向而不同，其圖形分析見圖7。設間隙量在波峰及波谷處為b，其它部位均＜b，最窄處為 bm。當為正弦波時，α角30о，則bm＝b ·cosα。本試驗裝置b＝60mm，則bm＝60×0.866＝52mm。兩斜板間的水流將由于間隙的改變而不斷變化，這種適度的“蛇形”流線和流速的變化，為絮體繼續碰撞進一步絮凝創造了良好的水力條件。絮凝沉淀正是側向流波形斜板沉淀能取得滿意效果的重要因素之一。

　　2.3.2.2 波形結構與沉泥下滑
　　波形板材料為 ABS或PVC，板面平滑。沉泥沿著波峰至波谷的波面與重力合成的方向下滑、集中，在波谷底部形成泥束。這種泥束的形成是波形板特有而平板斜板所不具備的集泥形式。
　　沉泥下滑的基本條件是泥與水的重力差在斜面上引起的下滑力大于沉泥與上部的水面和下部的板面形成的摩擦阻力之和，見式4和圖8。
　　f＞fw + fp (4)
　　式中　f——下滑力
　　　　　fw——水面對泥的阻力
　　　　　fp——板面對泥的阻力

　　水和板面對沉泥下滑的阻力屬粘滯性阻力，與接觸面積的大小成正比。波形斜板形成的下滑泥束具有較小的接觸界面，因而阻力 fw和fp均較小，這樣相對較小的下滑力就可使泥束在波谷中下滑和從波形板組中排除。
　　沉泥在波谷中形成泥束和泥束的下滑所需下滑力較小這兩大特點，使相同安裝傾角的波形斜板與平板斜板相比肯定具有更高的泥水分離效果，沉淀效果更加理想。

　　3 沉淀裝置單元設計

　　正弦波構造形式的斜板，其剛度較之平板大大增加，可以構成單元化沉淀裝置。目前我們開發設計的沉淀單元計有Ⅰ型和Ⅱ型兩種，均已獲得國家實用新型專利。
　　3.1 Ⅰ型側向流波形斜板沉淀單元
　　該沉淀單元為箱型結構，即波形板組兩端連接（焊接）于支撐立板上，兩支撐立板以肋板連接，構成箱型。見圖9。

　　以從波形斜板側向心線垂直被切掉的上端波谷段和下端的波峰段分別作為與支撐板上下端的連接結合部位，波形斜板下端波谷部分和支撐板之間的月牙形間隙自然成為從波谷向下排泥的排泥孔，斜板上端中心線以上的波峰沿水平方向被切掉后所形成的弓形間隙作為斜板組的沖洗孔。見圖10。

　　北京市第九水廠二期沉淀池應用此型沉淀單元。
　　3.2 Ⅱ型側向流波形斜板沉淀單元
　　Ⅰ型側向流波形斜板沉淀單元是方形柱體便于在池中插入安裝和取出，但有相當數量的斜板長短不一，要由標準長度的斜板截取，材料有些浪費；斜板與支撐立板的連接采用焊接或粘接，制作有一定難度；還要加工沖洗孔和排泥孔，需要一定的工作量。為克服這些不足，研制開發了Ⅱ型沉淀單元。見圖11。

　　該型式沉淀單元亦稱側向流棱形框架波形斜板沉淀單元，由框架、波形斜板組和帶弧形托的固定件組成。單元框架是由管狀桿件構成的立體棱形框架，前后視均為平行四邊形，側視為矩形。在前后框上各設W形的一組桿件，左框與右框中間設有中間桿件，以使框架具有足夠的剛度和強度。弧形托固定件分設于前后框的上下框邊以及上下框的前框邊和后框邊中間，波形斜板的兩端分別插入其齒縫并支持于與波形板弧形相對應的框架桿件上，構成對各波形板的線型支撐并將波形板固定成板組。
　　該型沉淀單元使用等長的板材，從而節省材料和加工工作量；不需另行加工沖洗孔和排泥孔，便于檢查和維護，完全避免了污泥堆積又使沖洗極為便利；波形板的安裝固定由焊接或粘接改為定位式的插聯拼裝，大大減少了焊接工作量并提高了制造精度和牢固性。Ⅱ型與Ⅰ型相比，每單位容積可節約材料20%左右，并由于取消了沖洗孔和排泥孔使有效沉淀面積增加20%以上。
　　此型沉淀單元已在深圳市筆架山水廠擴建工程中應用。
　　3.3 側向流棱形框架波形斜板沉淀單元的設計與計算
　　由于該型沉淀單元較Ⅰ型有著顯著的優點，是Ⅰ型的改進型，因此Ⅰ型沉淀單元的設計與計算不再贅述。
　　3.3.1 設計參數
　　水平流速 5～20mm/s , 容積負荷(Cv) 10m³/m³·h , 水力停留時間 6min。?

　　3.3.2 板箱尺寸與處理能力
　　板箱高度H(m) 1.0 1.1
　　板箱寬度B(m) 1.3 1.3
　　單箱體積m³ 2.6 2.86
　　有效沉淀面積m2 16.6 18.4
　　每m3箱體處理能力(Cn)m³/h 8～15
　　3.3.3 板箱用量計算
　　3.3.3.1 按板箱容積計算
　　V= 　　　　　　　　　　　　(5)
　　式中：V——需要的板箱總容積(m3)
　　　　　Q——設計處理水量(m³/h)
　　　　　Cv——容積負荷(m³/m³·h)
　　　　　1.2——設計安全系數
　　3.3.3.2 按板箱數量計算
　　n= 　　　　　　　　　　　　(6)
　　式中：　n——需要的板箱數量
　　　　　　Q——設計處理水量(m³/h)
　　　　　　Cn——每箱處理能力(m³/h)
　　　　　　1.2——設計安全系數
　　3.3.4 沉淀單元的安裝
　　在滿足設計參數條件下，板組單元在設計所需數量確定后，可以在沉淀池中隨意疊放，組成多種池形。見圖13。

　　一般波形板箱豎向疊放2～4個單元，不宜超過4個單元，以3個為宜。
　　板箱下面垂直水流方向以及板箱縱向兩端空間部分設檔板以防短流。

　　板箱上端一般潛沒水下100mm。
　　一般以設于波形板箱下的潛水刮泥車排泥。見圖14。

　　4 工程應用

　　4.1 北京市第九水廠二期工程
　　北京市第九水廠二期工程日處理能力50萬m³。工藝流程為：原水—混合—絮凝—沉淀—過濾—碳吸附—消毒—配水。沉淀采用側向流波形斜板工藝。分二個系列，每系列按25萬m³/d設計，每系列設沉淀池二座，共四池。
　　每池長19m、寬28m、最深處7.5m。斜板區分前后兩部分，前板箱區沿水流方向設置5排板箱、長5m；后板箱區沿水流方向設置4排板箱、長4m；中間相隔1.3m。板箱前設有4.7m長進水區，板箱后設有4.0m長出水區。斜板區由上下兩層板箱組成，板箱總高4.5m，有效高度4.0m，板箱下部為集泥區。安裝布置見圖15。

　　該工程波形斜板沉淀工藝板面有效系數0.75，容積負荷7m³/m³·h，水平流速14mm/s。超負荷25％時，容積負荷8.5m3/m3·h，水平流速17mm/s。
　　4.2 深圳市筆架山水廠改造擴建工程
　　該廠原處理能力18萬m³/d，平流沉淀池。97年擴建為32萬m³/d，原平流沉淀池填充波形斜板改造為側向流沉淀池，分建兩池。平面布置示意見圖16。

　　每池長41.6m、寬11.5m、最深處4.5m。波形斜板箱沿深度方向放置2層，總高2.2m，沿水流方向放置3排，總長3.9m。
　　該工程波形斜板沉淀工藝板面有效系數0.8，容積負荷25m³/m³·h，水平流速24mm/s。超負荷40萬m³/d時，容積負荷31m³ /m³·h，水平流速30mm/s。

作者單位：

高士國，北京市市政工程設計研究總院總工程師。
北京市西城區月壇南街乙2號（100045）。 電話：86-010-68023409， 傳真：86-010-68010984

阮如新，北京市市政工程設計研究總院研究所高級工程師。
北京市西城區大帽胡同26號 (100035)。電話：86-010-66167314， 傳真：86-010-66167320