斜板沉淀池在一體化氧化溝中的作用

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簡(jiǎn)介： 對(duì)一體化氧化溝中斜板沉淀池內(nèi)部的流態(tài)及固液分離效果進(jìn)行了研究，探討了其分離機(jī)理和影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明：沉淀池底部設(shè)有的特殊過渡區(qū)具有良好的消能作用，可使斜板沉淀區(qū)的流態(tài)快速?gòu)奈闪鬓D(zhuǎn)變?yōu)閷恿?，達(dá)到最佳沉淀效果。斜板區(qū)的分離過程是污泥沉淀與污泥懸浮層的過濾、捕獲共同作用的結(jié)果，其效率比一般二沉池高，水力停留時(shí)間＞30 min，出水SS值＜38 mg/L。
關(guān)鍵字：一體化氧化溝 斜板沉淀池 固液分離 流態(tài)

中圖分類號(hào)：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)11-0066-04

　　氧化溝由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單和運(yùn)行管理簡(jiǎn)便已發(fā)展成為污水生物處理的主要方法之一。為了適應(yīng)防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的要求，經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改造，氧化溝在去除污水中有機(jī)污染物的同時(shí)，還可完成生物脫氮和除磷^［1～3］，因此氧化溝被各國(guó)廣泛采用。一體化氧化溝(Integrated Oxidation Ditch)是將沉淀池與氧化溝合建，無(wú)單獨(dú)的污泥回流系統(tǒng)，基建投資和運(yùn)行費(fèi)用均較低，并在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氧化溝占地大的缺點(diǎn)。由于污泥回流及時(shí)，減少了污泥膨脹的可能。
　　氧化溝內(nèi)多水深＜2 m，目前也有深達(dá)3～4.6 m的。為了避免污泥沉積到溝底，溝內(nèi)混合液的循環(huán)流速＞0.3 m/s，通常為0.3～0.5 m/s^［4］。這就使得溝內(nèi)循環(huán)的混合液具有較高的動(dòng)能。由于受氧化溝結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的限制，與氧化溝合建的沉淀池應(yīng)滿足：①沉淀池與氧化溝的容積比盡可能??；②削減進(jìn)入沉淀區(qū)混合液的能量，以保證高效沉淀。目前應(yīng)用較多的有BMTS式和船式^{［5、6］}，斜板沉淀池由于池深淺、占地少、固液分離效果好，也已在一體化氧化溝中廣泛應(yīng)用。

1　試驗(yàn)裝置

　　氧化溝主體和斜板沉淀池模型均用有機(jī)玻璃制作。污水由高位水箱經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)流入氧化溝中，并迅速與溝內(nèi)原有混合液混合。經(jīng)多次循環(huán)處理后，與進(jìn)水等量的混合液在沉淀池內(nèi)固液分離，經(jīng)出水堰排出(見圖1)。

　　由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^小，沒有適當(dāng)規(guī)格的曝氣轉(zhuǎn)刷可以安裝，所以在氧化溝的一端轉(zhuǎn)彎處設(shè)一臺(tái)攪拌機(jī)推動(dòng)混合液在溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)(轉(zhuǎn)速在100～250 r/min之間調(diào)節(jié))。攪拌槳的型式類似于曝氣轉(zhuǎn)碟，在平面圓盤上固定6片槳板。鑒于攪拌機(jī)的供氧能力有限，在進(jìn)水口前設(shè)置一充氧泵。氧化溝模型長(zhǎng)為0.8 m，設(shè)有沉淀池的廊道寬為0.1 m，另一廊道寬為0.07 m，有效水深為0.3 m，有效容積為41 L。
　　試驗(yàn)中采用斜板沉淀池作為溝內(nèi)合建的沉淀池。其迎水面制成坡形，防止溝內(nèi)混合液在沉淀池前由于截面突縮出現(xiàn)旋渦流。在斜板底部設(shè)置雙層穿孔板作為過渡區(qū)，以消耗混合液上升時(shí)挾帶的動(dòng)能。沉淀池出水堰口為鋸齒型，保證出水均勻和各個(gè)斜板間布水均勻、負(fù)荷相等。沉淀池底部長(zhǎng)為0.20 m，寬為0.05 m ，距溝底0.05 m，側(cè)面廊道寬為0.05 m。沉淀池容積占氧化溝總?cè)莘e的6.13%。
　　試驗(yàn)歷時(shí)9個(gè)月，污水取自哈爾濱市馬家溝河，水質(zhì)情況(如表1)為典型的城市污水。處理水量為0.6～7.8 L/h，原水溫度基本隨季節(jié)而變(10～27 ℃)，污泥濃度為2～2.8 g/L，MLVSS為1.4～1.9 g/L。水質(zhì)與污泥指標(biāo)采用標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)。

表1　馬家溝河污水水質(zhì)項(xiàng)目數(shù)值pH6.0～7.2SS(mg/L)60～160CODCr(mg/L)258.9～407.5BOD₅(mg/L)100.3～144.8NH₃-N(mg/L)18.2～30.5TKN(mg/L)23.8～41.2TP(mg/L)4.5～8.6

2　斜板沉淀池內(nèi)流態(tài)與固液分離效果

　　斜板沉淀池內(nèi)的流態(tài)如圖2所示，共分為4個(gè)區(qū)：主流區(qū)、過渡區(qū)、斜板區(qū)和清水區(qū)。

2.1主流區(qū)
　　主流區(qū)即位于沉淀池底部的氧化溝混合液的流動(dòng)區(qū)，其主要作用是傳輸待分離的混合液進(jìn)入沉淀池，沉淀后的污泥又經(jīng)此進(jìn)入氧化溝中隨混合液繼續(xù)循環(huán)。為防止氧化溝內(nèi)混合液中污泥沉積，其混合液平均流速取0.35 m/s。設(shè)有沉淀池的廊道的過水?dāng)嗝婷娣e為0.03m²；在沉淀池處，由于其占據(jù)一定的斷面，因此過水?dāng)嗝婷娣e減小至0.0175m²。根據(jù)物料平衡原理，沉淀池底部主流區(qū)內(nèi)混合液的平均流速為0.6 m/s。此時(shí)水流除水平流速外，還有上、下、左、右的脈動(dòng)分速，且伴有小的渦流體，屬紊流狀態(tài)，在一定程度可使密度不同的水流較好地混合。為使顆粒沉淀，在進(jìn)入沉淀池斜板區(qū)之前必須降低雷諾數(shù)以利于顆粒
的沉降。
2.2過渡區(qū)
　　位于斜板下部的雙層穿孔板的作用是消能和調(diào)整流態(tài)，稱為過渡區(qū)。當(dāng)混合液流徑過渡區(qū)時(shí)，由于穿孔板的阻力和孔徑的放大，向上的流速降低和水流本身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦流使混合液的能量迅速降低。斜板沉淀池作為二沉池的表面負(fù)荷一般為4～6 m3/(m2·h)，相應(yīng)的斜板區(qū)內(nèi)水流上升速度也為1.11～1.67 mm/s。過渡區(qū)消能作用可以用主流區(qū)和斜板區(qū)的動(dòng)能比值表示：
　　　　E_主流／E_斜板=［0.60 m/s］²／［1.11 mm/s］²=2.9×10⁵
　　由上式可知，過渡區(qū)將混合液的能量衰減了5個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　若拆除過渡區(qū)雙層穿孔板，不能消除混合液進(jìn)入斜板區(qū)帶有的較大動(dòng)能，污泥嚴(yán)重上翻，固液分離效果極差，出水中SS高達(dá)300 mg/L。
　　過渡區(qū)的作用還包括均勻進(jìn)水和作為污泥回流的通道起著雙向傳輸?shù)淖饔?。由于進(jìn)水不均勻會(huì)使部分斜板負(fù)荷高而其他斜板負(fù)荷低，造成局部積泥、出水SS升高。沉淀池底部主流區(qū)內(nèi)混合液的平均流速為0.6 m/s，是獨(dú)立設(shè)置在斜板沉淀池底部過渡區(qū)中水流速度(10～25 mm/s)的20～50倍，因此雙層穿孔板對(duì)保證配水均勻是必不可少的。
2.3　斜板區(qū)
　　斜板區(qū)是污泥與水分離的實(shí)際區(qū)域，即工作區(qū)。污泥絮凝體在這里形成并在重力作用下沉降到斜板上，澄清后的污水進(jìn)入清水區(qū)。在過渡區(qū)形成的污泥顆粒絮凝體在不斷上升的水流帶動(dòng)下進(jìn)入斜板沉淀區(qū)，在斜板上與重力平衡時(shí)形成的動(dòng)態(tài)污泥懸浮層相遇，使不斷上涌的混合液中污泥顆粒被捕獲和過濾。懸浮污泥層的厚度是變化的，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)，重力足以抵抗摩擦力，污泥層就會(huì)下沉到氧化溝中進(jìn)入主流區(qū)。此后，從斜板上下滑的污泥層又會(huì)逐漸積累，再滑落至氧化溝內(nèi)周而復(fù)始。相對(duì)于過渡區(qū)對(duì)上升水流的阻力而言，懸浮污泥層的動(dòng)態(tài)變化對(duì)整個(gè)污泥沉降過程沒有太大的影響，試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。從理論上講，沉淀池的出水效率在很大程度上由混合液的上升流速和污泥沉速?zèng)Q定，只有當(dāng)污泥沉速大于上升流速時(shí)，沉淀才能發(fā)生。但由于動(dòng)態(tài)污泥懸浮層的存在，水中的顆粒有充分的機(jī)會(huì)和活性污泥懸浮層的顆粒碰撞凝聚，其沉速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同條件下的靜態(tài)沉速，從而可以提高上升水流速度或產(chǎn)水量。
　　斜板間的污水流動(dòng)狀態(tài)理論上應(yīng)為層流，其雷諾數(shù)為15。從圖2可以看出，斜板之間的流動(dòng)狀態(tài)并不是完全的層流，從過渡區(qū)上升的旋渦流還需要一段時(shí)間和距離才能擴(kuò)散和穩(wěn)定，因此只能說斜板區(qū)的中、上部水流處于層流狀態(tài)。過渡區(qū)上升旋渦流對(duì)斜板的沖擊影響與混合液的能量及分布的均勻性有關(guān)。
　　混合液通過懸浮污泥層類似于絮凝沉淀過程，而混合液的上升流速與污泥的體積濃度有關(guān)。上升流速越大，體積濃度越小，懸浮污泥層厚度相應(yīng)增大。當(dāng)上升流速接近于自由沉速時(shí)，體積濃度接近于零，懸浮污泥層消失。反之，當(dāng)上升流速越小，懸浮層體積濃度越大。因此水量越大，上升流速越大，過渡區(qū)的上升旋渦流對(duì)斜板的沖擊影響與混合液的能量也越大，斜板底端的紊流區(qū)域增加，懸浮污泥層厚度相應(yīng)增大。當(dāng)達(dá)到某極限值時(shí)，出水SS猛增，斜板頂部污泥開始上翻，此極限即是斜板沉淀池的污泥穿透臨界點(diǎn)。
　　混合液沖擊能量和沉淀池水力停留時(shí)間與出水SS的關(guān)系，如圖3所示。

　　由圖3可知，隨著停留時(shí)間縮短，出水SS逐漸增大。但當(dāng)水力停留時(shí)間＞30 min時(shí)，出水中的SS＜38 mg/L；當(dāng)水力停留時(shí)間＜30 min時(shí)，出水中的SS值猛增至69～98 mg/L。試驗(yàn)表明，可將水力停留時(shí)間=30 min作為該斜板沉淀池的污泥穿透臨界點(diǎn)。
2.4　清水區(qū)
　　清水區(qū)能夠分隔沉淀工作區(qū)與出水堰區(qū)域，使斜板區(qū)的沉降過程不受出水水流影響。鋸齒形溢流堰比普通水平堰更易加工也更易保證出水均勻。

3　影響沉淀效果的因素

3.1斜板傾斜角度
　　試驗(yàn)中改變沉淀池的斜板傾斜角度，利用出水的SS值來(lái)判斷出較佳的斜板傾斜角度。表2為傾斜角與出水中SS的關(guān)系。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，斜板呈65°和70°傾角時(shí)，出水水質(zhì)較好。

表2　斜板傾斜角與出水中SS的關(guān)系斜板傾角(°)5560657075出水SS(mg/L)4038342337

　　沉淀池的固液分離過程包括污泥顆粒在斜板區(qū)的沉降和絮凝體沿斜板的下滑回落到氧化溝中。在斜板區(qū)污泥顆粒受到的作用力有：自身重力、混合液的沖擊力、斜板的彈力和摩擦力。污泥顆粒在斜板區(qū)沉降過程決定于混合液沿垂直向上方向的沖擊力和污泥顆粒的重力之差。因此斜板傾角較大時(shí)，沖擊力較大，不利于顆粒沉淀。絮凝體沿斜板的下滑過程則是自身重力、混合液的沖擊力沿斜板方向的分力和摩擦力的共同作用結(jié)果。污泥絮體的粘性比顆粒狀泥沙及其絮凝體大，加之斜板區(qū)的污泥濃度高，故斜板傾角較小時(shí)，其自身重力沿斜板方向的分量不足以抵消其他力沿該方向的合力而不能向下滑動(dòng)。
3.2　沉淀池的位置與外形
　　在氧化溝內(nèi)由于受到彎道的影響，在直流段兩端及溝的內(nèi)外側(cè)和溝中間的混合液流速都是不均勻的，在不改變氧化溝的進(jìn)水量及沉淀池表面負(fù)荷的前提下，將沉淀池置于氧化溝直流段的中后段外側(cè)，污泥沉淀效果最好。
　　氧化溝設(shè)置沉淀池后，該段過水?dāng)嗝娴牧鲬B(tài)發(fā)生了變化，在沉淀池的底部前端混合液的流動(dòng)發(fā)生了突縮變化，在沉淀池后端混合液的流動(dòng)發(fā)生了突擴(kuò)的變化。因此，在沉淀池前后的混合液流動(dòng)紊動(dòng)程度較大，屬于紊流。另外，在沉淀池的底部混合液的過流斷面變小、流速變大，如果過流斷面過小，則此處混合液的流動(dòng)成為急流。當(dāng)急流不能維持在臨界水深以下時(shí)，則混合液在流過沉淀池的底部后，便向超過臨界水深的緩流進(jìn)行突變，將產(chǎn)生水躍。此外，水頭損失與速度有關(guān)，當(dāng)急流的速度大于緩流的速度而底坡不足以克服急流的磨擦損失時(shí)，急流也將以水躍的形式轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鳌?br />　　因此，為了減小突縮和突擴(kuò)形成溝內(nèi)旋渦區(qū)和影響污泥沉降，將沉淀池的迎水面擋板制成船頭型，縮小沉淀池的外寬，使氧化溝內(nèi)的混合液能同時(shí)從沉淀池的底部和側(cè)面流動(dòng)。另外在生產(chǎn)應(yīng)用中，將氧化溝的橫斷面在沉淀區(qū)一段加寬或加深也是一種可取方案。
　　在實(shí)際應(yīng)用中，氧化溝的結(jié)構(gòu)通常根據(jù)場(chǎng)地、曝氣設(shè)備等條件來(lái)確定。對(duì)于氧化溝內(nèi)合建的沉淀池而言，其長(zhǎng)寬在氧化溝限定的范圍內(nèi)。由于受到彎道的影響，在溝直流段兩端及溝的內(nèi)、外側(cè)及溝中間的混合液流速都是不均勻的，因此沉淀池的長(zhǎng)與寬是決定沉淀池下部的壓力分布是否均勻的主要因素之一。在不改變氧化溝的進(jìn)水量及沉淀池表面負(fù)荷的前提下，試驗(yàn)中將沉淀池長(zhǎng)寬比L/B對(duì)出水SS值的影響進(jìn)行了考察，結(jié)果如圖4所示。

　　從圖4中可以看出，當(dāng)1.5≤L/B≤4.0時(shí)，沉淀池的沉淀效果較好；而當(dāng)L/B＞4.0或L/B＜1.0時(shí)，沉淀效果較差。最佳長(zhǎng)寬比為1.5～4.0。分析其原因：
　?、佼?dāng)長(zhǎng)寬比值較小時(shí)，沉淀池內(nèi)在寬度方向上和在氧化溝溝寬方向上流速的分布是不均勻的，因而出水水質(zhì)受到一定的影響。
　　②當(dāng)長(zhǎng)寬比值較大時(shí)，雖然寬度方向上影響小，但在池長(zhǎng)方向上受到的影響增大，因而出水水質(zhì)還是受到一定的影響。
3.3　污泥濃度與污泥齡
　　由于污泥的沉速隨懸浮固體濃度MLSS的增加而減小，因此在相同SVI、相同表面負(fù)荷率的條件下，MLSS越高則出水SS越高。為維持一定的出水水質(zhì)，隨著MLSS的增加應(yīng)相應(yīng)降低表面負(fù)荷率。
　　污泥齡是決定污泥沉降性能的重要因素。污泥齡過短，細(xì)菌處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，能量較高，不易沉降；而污泥齡過長(zhǎng)，污泥容易微細(xì)化，因此應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)選擇合適的污泥齡。試驗(yàn)中將污泥齡控制在10～30 d。

4　結(jié)論

　　從以上斜板沉淀池在一體化氧化溝中的固液分離效果和內(nèi)部混合液的流態(tài)試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：
　　①與氧化溝合建的斜板沉淀池效率比一般二沉池高，水力停留時(shí)間＞30 min，出水SS值＜38 mg/L。
　　②斜板下部設(shè)有特殊的過渡區(qū)，具有良好的消能和調(diào)整流態(tài)的作用，可使斜板沉淀區(qū)的流態(tài)快速?gòu)奈闪鬓D(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳎_(dá)到最佳沉淀效果，沉降過程不受溝內(nèi)主流的影響。
　?、坌卑彘g的固液分離過程是自由沉淀、絮凝沉淀、污泥懸浮層的過濾和捕獲以及污泥層下滑過程的共同作用。
　?、苡绊懗恋硇Ч囊蛩赜行卑鍍A斜角度、沉淀池的位置與外形、污泥濃度和污泥齡。

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