用斜管或斜板沉降系統改造矩形平流沉淀池研究
沉淀是自來水生產的關鍵工藝之一。在沉淀池內，懸浮固體發生重力沉降而從水中分離。沉淀效率高，則懸浮固體除去量大，有利于提高出廠水水質。 盡管各種環境污染使傳統的自來水生產工藝面臨挑戰，但沉淀處理的有效性是不容置疑的。與強化混凝相配合，沉淀處理還能提高對重金屬和有毒有機化合物等污染物的去除。然而，沉淀處理的效果取決于多種因素，只有通過優化設計，加強運行管理，才能維持沉淀系統良好的水力條件，最大程度地除去懸浮固體。
1 沉淀與沉淀系統的選擇
沉淀在本質上是一個自然過程。進入沉淀池的水所含懸浮固體的起源多樣，有的是自然顆粒，如細砂，更多的則是原有性質發生了變化的顆粒物，主要是絮凝劑作用的結果。只要這些顆粒的密度比水大，就能夠發生沉降而被除去。有些漂浮物比水輕，在沉淀系統的表面富集，則刮(掃)除處理。
沉淀系統的選擇對提高懸浮固體的沉降效率具有重要意義。對沉淀系統的選用必須綜合考慮，列為主要參考指標的因素包括：(1)待除懸浮固體的類型；(2)沉淀在全部處理過程中的作用； (3)水廠地形和周圍環境；(4)可能的水力沖擊和水質變化幅度；(5)沉淀出水水質標準的設定； (6)沉淀池內污泥的產生量和性質；(7)當地氣候和地質條件；(8)未來擴展和改造規劃；(9)建造、運行和維修費用；(10)設計、建造所需時間等。根據過去的設計和運行經驗，平流沉淀系統的優先選擇序列為(1)矩形平流池；(2)矩形平流池內安裝高速沉淀設備；(3)專利設備。如果原水濁度高，可以回流活性污泥，則應考慮使用豎流式澄清池，提高處理效率，減少占地面積并降低藥劑和污泥處理費用。
2 矩形平流沉淀系統的性能評價
矩形平流沉淀系統具有沉淀效果穩定，操作簡便，維修工作量小等特點，是當今最廣泛采用的主體凈水構筑物。
矩形平流沉淀系統的水處理量大，水力相對穩定，性能易預測，尤其緩沖能力強，即使流速提高2倍，沉淀出水水質也不會明顯惡化。在進水水質異常變化的情況下，通過調節藥劑用量仍能保證沉淀效果。
大量工程實例論證了矩形平流沉淀系統的處理有效性，只是系統占地面積大，且沉淀效果受水力停留時間、混凝處理、進口配水、出口集水、排泥方式等因素的影響。因此，矩形平流沉淀池的設計似乎有很大自由，但經驗表明，矩形平流沉淀池的大小、深淺等都只能在有限的范圍內界定，否則會出現各種不穩定水力條件，降低沉淀處理效率—般認為，窄、淺且長的沉淀池的水力條件好，可作為矩形平流沉淀池的基本造型。
沉淀池長度是改善沉淀出水水質的關鍵參數。加長沉淀池，水力停留時間增加，有利于更多顆粒物發生沉降。Schmidt和Bregas指出，如果保證在沉淀池內2小時的水力停留時間，則矩形平流沉淀池的長深比以控制在35:1—20:1范圍內為佳。有條件的水廠在新建或擴建沉淀池日寸應盡可能加大池長。
理想沉淀是不存在的，水力和顆粒間的相互作用干擾水中顆粒的沉降過程，外界環境條件可能嚴重降低矩形平流沉淀池的除濁功能。
表層短流對沉淀過程的影響最大。由天短流，顆粒在沉淀池內的水力停留時間縮短，則慢沉降顆粒流出，處理負荷傳遞給濾池。如果表層短流現象經常發生，宜在沉淀池如入口處加設擋水墻(圖1)。
密度流對沉淀過程的干擾也很大。如果進水的懸浮固體量高，則向下的密度流破壞沉降速率的均勻分布(圖1)，甚至使*近底部的沉降顆粒發生再懸浮，其程度取決于沉降顆粒的性質，一般不會升高很多，但逐漸向出水口轉移并可能多次升降。根據沉降顆粒的這種再懸浮特征計算，沉淀池水深不得小于2.5m。
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溫差同樣導致密度流的發生。嚴寒地區需對凈水構物進行適當的屏蔽、加溫處理。
在盛風地區和多風季節，高強度風干擾表面水流，嚴重時可發現礬花在表層斑塊狀聚集。設置擋風墻或給沉淀池加蓋有助于降低風帶來的擾動。
渦流是矩形平流沉淀池內不可避免的干擾流。由于導水墻的摩擦作用，以及流態不穩等原因，懸浮顆粒偏流，降低了沉淀除去效果。如果沉淀池太寬，可加設導流墻，提高水流穩態。
矩形平流沉淀池的出水收集系統必須設計合理，保證沿整個出水斷面均勻集水。沉淀出水速度不宜過快，避免打碎凝團或擾動沉降顆粒而惡化出水水質。為提高出水收集系統的性能，一些出水槽設計較長，甚至達到沉淀池中部。
盡管對矩形平流沉淀池特點的認識已相當深入，然而，由于歷史的原因，矩形平流沉淀池的早期設計偏于保守，建設規模較小且各種比例不盡合理，這不僅給進一步提高沉淀出水水質帶來困難，也不利于技術改造。為適應降低沉淀出水濁度并從整體上改善出廠水水質的要求，需結合仍在運行中沉淀池的建造特征，積極探討提高沉淀效率的技術。
3 用斜管或斜板沉降系統改造矩形平流沉淀池
1904年，Hazen首次提出淺層沉淀理論。根據該理論，如果不考慮污泥積累因素，則池深對靜態或水平流沉淀池除濁效果的影響并不大。Camp在1953年率先籌建應用系統，即增加污泥沉降面積的“double---try”沉淀池。到1955年左右，日本出現商用“UnoSeparator“高速沉降器，其由平行斜板組成，板間距25—50mm。此后，瑞典制造Lamella分離器，美國Micro Floc公司則從1969年開始生產斜管沉降系統。
斜管或斜板快速沉降系統允許懸浮顆粒在模內發生有效的重力沉降。斜板沉降設備實際上是把多層沉淀池的底板做成一定傾斜度，以利于排泥，斜管則是將斜板沉降設備再進行橫向分隔。改良型快速沉淀系統將一系列變流小隔板安裝到板一側，形成有利于懸浮顆粒發生混凝的水力條件，從而獲得更高的沉淀效率。
3.1 用料管或斜板沉降系統改造矩形平漉沉淀池的理論探討
在很長一段時間內，出廠水的濁度只要控制在5NTU以下，相應的沉淀池出水濁度標準在10—15NTU范圍內。由于降低出廠水濁度的重要性逐漸被認識，對沉淀處理的要求在加強。而當前正在使用的沉淀池普遍水力停留時間短，跑礬現象比較嚴重，試圖通過加大絮凝藥劑用量而降低沉淀出水濁度的實際效果有限。適當的構筑物改造對提高短小沉淀池的處理能力是必要的。
斜管或斜板沉淀系統大大增加沉淀面積，改善了沉淀池的水力條件，使沉淀池的處理能力大幅度提高。然而，由于待處理水在斜管或斜板內的水力停留時間短(斜管3—5分鐘，斜板則15—20分鐘，取決于管或板模型和表面負荷率)，快速沉降系統抗水量、水質沖擊負荷能力普遍差，如果預處理效果不好，則沉淀出水水質易發生變化而破壞供水水質的穩定性。
用斜管或斜板沉降系統改造整個矩形平流沉淀池并無優勢。一方面，矩形平流沉淀池前1/4—1/3部分的自然沉降效率高，快速沉降系統對顆粒沉降過程的促進作用并不大，反而易造成管板的堵塞；另一方面，矩形平流沉淀池前段的水力條件難控制，如果配水不勻或紊流嚴重，要保證斜管內的平流狀態，則需增加斜管長度，給設計、安裝帶來困難。在沉淀池中后段建造快速沉降系統可能是最理想的改造方案。
設計平流——斜管或斜板組合沉淀池的優勢在于： (1)保留了平流沉淀池對水質變化的緩沖作用，沉淀系統具有良好的穩定生產能力。根據運行經驗，懸浮顆粒物的自然沉降主要發生在矩形平流池的前1/4--1/3部分。因此，即使待處理水的懸浮顆粒物含量增加，由于平流池的除濁作用，斜管或斜板沉降系統所受沖擊小，有利于系統功能的正常發揮，因而能保持出水水質的相對穩定：(2)允許一定程度的超負荷生產。在矩形平流池內，盡管部分輕小顆粒可與大而重的顆粒發生共沉降，但總是有少量既未自沉也未被共沉的顆粒物流入沉淀池末端。安裝斜管或斜板沉降系統后，顆粒間可能再次發生碰撞而沉降。考慮到斜管或斜板的高沉淀效率，可以適當降低對進水濁度的要求，因此允許——程度的超負荷運行。有資料表明，理想狀態下，在乎流沉淀池出水區加裝斜管或斜板沉降系統后，出水量可捉高到原來的2—3倍：(3)提高了沉淀系統的運行可*性。絮凝藥劑的適量投加、混合質量等對矩形平流沉淀池處理效率的影響很大，藥劑投加量不足，很容易發生沉淀出水水質惡化等事故。而在池內安裝斜管或斜板后，即使對水質或水量變化的反應不及時，由于斜管或斜板的再次絮凝沉淀效應，對出水水質的影響也不會很大。顯然，平流——斜管或斜板組合沉淀池的安全性能好，能夠耐受一定的操作失誤：(4)建造斜管或斜板沉降系統后，沉淀池內的水力、水流條件發生有利于控制短流、紊流、密度流等的變化，減少了氣溫、風力等自然因素對沉淀效率的影響： (5)節省資金。擴展平流沉淀池或將平流池整體改造為斜管或斜板快速沉降系統都要消耗比建造組合沉淀池高得多的費用。
3.2 平流——斜管或斜板組合沉淀池的基本構造
平流——斜管或斜板組合沉淀池的基本構造見圖2和圖3。為充分利用密度大的顆粒的自然沉降作用并提高配水水力條件，沉淀池前1/4或1/3部分設計為開敞式，也可從1/2處開始安裝斜板。
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安裝斜管沉降系統的池深不得小于3.6m。其中，斜管下部與池底的間距不得小于2m，而斜管上部與集水槽的間距不得小于0.8m。
3.3 優化矩形平流——斜管或斜板組合沉淀池設計的技術關鍵
瑞典、荷蘭、法國和日本等國對斜管或斜板沉淀技術非常重視，實際應用也較多，在系統設計和運行方面積累了較多經驗。
3.3.1 提高預處理效果，形成沉降性能良好的絮體
藥劑類型、混合和絮凝質量等預處理因素直接影響可沉降絮體的生長行為。當前，我國主要采取水力混合和絮凝工藝，對混合和絮凝過程的人工調控能力不強，因而對藥劑合理投加、混合和絮凝過程的設計等的要求較高。應通過強化預處理過程，形成更多易沉淀除去的絮體。
3.3.2 均勻配水
均勻配水是控制水在沉淀池內的流態，消除短流、紊流等破壞性水力條件的關鍵因素。可通過設置擋水墻防止短流，建造花墻人口來均勻分配流速，達到改善進入斜管或斜板沉降系統的水流狀態的目的。
盡管雷諾數(Re)和弗勞德數(Fr)未被列為斜管或沉板沉降系統的設計標準，但為保證管或板內的處于平流狀態，雷諾數應小于200，最好在50左右，而弗勞德數要大于10-5。將模塊安裝在穩定水流區，如水體中部，是維持管或板內平流的有效措施。
3.3.3 研究顆粒在斜管或斜板內的沉降規律，選擇適當類型的模塊
鋁或鐵顆粒物在斜管或斜板內的沉降包括阻滯沉降、過渡和密實3個基本階段。在阻滯沉降階段，絮體沿斜管或斜板表面下滑，而進入過渡和密實階段后，絮體不再輕易下滑。大多數情況下，絮體在幾個小時內就可以進入密實階段。
根據顆粒在斜管或斜板內的凝聚沉降規律，選擇沉降表面積大，水力效率高且不易被堵塞的模塊。經驗表明，六角形蜂窩斜管的綜合性能佳。盡管斜管水力半徑小，雷諾數低，但沉降能力較斜板強，而斜板在經濟成本上占很大優勢。
斜管或斜板的傾斜角度是基本設計參數。Culp于1968年首次研究了斜管或斜板傾斜角度對沉淀效率的影響。將傾斜角度調節為0、5、20、35、40、45、60和90度，對比研究表明，傾斜45--60度時的沉淀效率最高，沉降顆粒的“自凈”作用強。
3.3.4 維持水力平衡，合理設計斜管或斜板的處理負荷
盡管斜管或斜板沉降系統可在保證出水水質的情況下使表面負荷率提高100--200％，但在寒冷地區，斜管的最大表面負荷率應控制在5—6.3m/h，暖熱帶地區也不宜超過7.5---8.8m/h范圍。
3.3.5 有效排泥
斜管或斜板的懸浮顆粒除去效率高，因而池底污泥積累速度快，帶來的主要危害包括：(1)降低有效沉降深度，干擾配水：(2)發生了沉降的顆粒易再懸浮，增加斜管或斜板的處理負荷； (3)沉積污泥內完成的有機物降解和微生物活動等過程產生異臭異味。為保證沉淀系統的正常運行，必須建造有效的排泥系統。此外，污泥收集方式是影響設計安裝斜管或斜板所需最小水深的重要依據。
排泥系統的選用主要取決于當地氣候、原水懸浮顆粒的性質和數量、絮凝劑的類型和用量、環境美學、經濟成本等因素。由于受垂直空間限制，軌道刮板循環排泥常用寸斜管或斜板沉降系統的連續排泥。刮板排泥的主要優勢表現在：(1)適用于各種環境如果水中磨損性砂礫石含量少，維修量小(2)刮板運行緩慢(一般<0.3m/min，對上層水體的擾動小，同時減少了沉降顆粒的再懸浮： (3)刮出污泥的含固率高，減少了污泥的體積，相應降低了污泥處理費用；(4)不受表層水體結冰影響。
3.3.6 均勻集水
以建造長方形斷面集水槽為宜，槽長按覆蓋全部斜管或斜板安裝區域設計。
3.3.7 其他控制技術
設計適當的支持系統，便于吊裝和拆卸清洗斜管或斜板。選用衛生、堅固的斜管或斜板材料。
細菌或藻類生長和材料老化等是降低斜管或斜板沉降系統性能的重要破壞性因素，設計較深的出水區為主要控制對策。
有些水廠用石灰等化學物質調節待處理水的堿度、硬度等化學性質，要防止CaC01等沉積物在模內積累，縮小過水斷面。
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