多角形無動力快速澄清池技術及應用
1 國內外水處理澄清池需求現(xiàn)狀
1.1 國內外中水處理項目市場的需求
中水處理澄清技術在國外已應用于實踐50年。如美 國、日本、以色列等國的水處理工藝等都大量采用了該 技術，在水澄清池技術方面積累了不少成功的經驗。 我國自“七五”計劃開始研究城市二級處理出水的 再澄清利用技術，從20世紀90年代末開始應用，目前已 經初步形成了一定的規(guī)模，但與發(fā)達國家相比仍有不小 的差距，中水主要還是用于居民沖廁、灌溉、景觀用 水、洗車等，正在開發(fā)在工業(yè)和農業(yè)中的應用。目前， 北京、天津、青島等缺水嚴重地區(qū)走在國內中水市場的 最前端，這些城市都把水澄清回用列入了城市的總體規(guī) 劃。 例如北京城市總體規(guī)劃要求，到2012年城區(qū)要將 16座污水處理廠提標改造建成澄清回用中水處理廠，再 生水回用率將達到50％。但要讓中水流進百姓家，目前 的管線遠遠不能滿足使用要求。北京因此計劃近期在東 南四環(huán)地區(qū)鋪設8條中水干線，將現(xiàn)有的管線逐步向東 南四環(huán)延伸，為沿線房地產開發(fā)、居民小區(qū)和綠化用水 提供可用水源。
1.2 國內經濟形勢有利于環(huán)保產業(yè)的發(fā)展
目前，隨著城市化進程加快和人們生活水平提高，對水的需求增長較快，水處理的單元負荷與標準提升， 供水、污廢水處理和中水回用處理項目大量建設，其中 中水已經成為新的水資源替代源，開發(fā)低碳高效、節(jié)地 型的水澄清新型環(huán)保裝備勢在必行。根據(jù)國家相關部委 的要求，至2011年全國還需新建600座大型城市污水處 理廠、3500座中型污水處理廠，36個省級城市2011年 底前必須實現(xiàn)90%污水回用（目前污水回用處理率不 到30%）；我國尚有92%的城市和98%的縣城需建設 中水回用處理項目（不包含3萬多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)需建項目）。 由此可見，中水處理澄清池裝備用地已經成為一個不 可忽視的新用地源，優(yōu)化水澄清池型、開發(fā)節(jié)省占地 且節(jié)能高效的澄清池裝備成為該研究領域的熱點，這 對緩解水處理建設用地緊張，保障我國環(huán)保產業(yè)的健 康發(fā)展意義重大。
1.3 國內外澄清池使用現(xiàn)狀
目前國內外的中水處理廠的澄清池裝備有矩形平流 式池和圓形輻流結構式池型。其中以圓形居多，占處理 全流程工藝用地的30%～35%。圓形池雖具有水力特性 好、泥水澄清分離效果較好等優(yōu)點，但不能充分利用圓 周以外的四角地面資源，刮泥機旋轉容易產生渦流，來 水和藥劑反應不充分，相鄰布置需留有足夠間隔空間， 占地面積大，同等占地面積處理水量小，建設投資大； 矩形池雖布局緊湊占地省，但桁車或鏈板式刮泥機運行 方式會導致池體兩端存在死角，刮泥裝置不能刮到池兩 端，容易產生泥沙積存，池體過長容易造成泥體上浮現(xiàn) 象，刮泥效果不好。
圓形和矩形澄清池均存在有效容積率低、占地面積 大、處理水量小、澄清池的水力特性差、澄清出水效果 不夠好、土建投資大、運行成本高、泥水澄清分離效果 不佳等不足，故不能從根本上徹底解決當前我國各行業(yè) 排放污水處理中水達標回用的問題。
2 快速澄清池技術研發(fā)
2.1 國內外澄清池現(xiàn)有技術
為實現(xiàn)污水的快速澄清，國內外較多采用將混合、 絮凝反應及沉淀工藝綜合在一個池內的機械攪拌澄清 池，如中國專利2330649所述泥渣分離接觸型澄清池 等，第一級混凝室反應水依靠可提升的提耙開啟后進入 第二級混凝室反應，混凝反應不充分，后續(xù)澄清分離效 率不高，且運行成本大，澄清過程只有一次泥水分離， 水停留時間長，出水難以達到高要求。同時，此結構澄 清池底部因上部為封閉結構，施工困難，只能處理低濁 度水；中國專利2318216公開的高效沉淀池，為提高絮 凝效果將反應區(qū)外移，增大了占地面積，加大了投資和 造價，沒有能充分發(fā)揮加速澄清池占地面積小的特點； 中國專利CN1669945公開的中置式澄清池采用二級分開 機械攪拌混凝，雖然可以避免操作帶來影響混凝反應的 不足，提高混凝效果，然而旁置混合池，同樣增加了占 地面積；在池體外增加一混合池結構不利于組合布置； 上方下圓澄清池，下部為適應旋轉刮泥仍然采用圓形截 面，未能充分發(fā)揮上下正方形池型同等占地最大池容特 點，另外，經劇烈機械攪拌混凝反應后溢流進入澄清 池，對水的擾流較大，影響處理效率。
上述對機械加速澄清池的改進，都存在“顧此失 彼”現(xiàn)象，要么混凝反應不夠充分，要么為滿足混凝反 應增大了占地面積和投資成本；因而優(yōu)良的混凝效果與 占地面積大的矛盾沒有得到徹底解決，為實現(xiàn)快速澄清 所需占地面積還是相對較大。此外，它們還存在2個共 同缺陷：1）澄清分離均只有一次泥水分離，分離效率 低，相對停留時間長，只能處理低濁度水；2）由于受 現(xiàn)有圓形刮泥機技術限制，澄清池至少下部仍然要采用 圓形結構，雖然有人提出上部正方形下部圓形池結構， 仍不能充分發(fā)揮占地最大容積（同深度）效應，處理水 量達不到占地最小化，多池共建因不能共壁，也不能實 現(xiàn)投資最小化。
2.2 正方形（多角形）快速澄清池技術的研發(fā)
（1）總體思路
現(xiàn)有的澄清池體是上下全截面圓形池，若采用上下 全截面正方形池，不僅可以最大限度利用占地池容，而 且可達到占地最小化；當多池合建時，可以通過相鄰共 用壁，使占地和投資都達到最小化；而且正方形澄清池 有更好的水力特性，能在澄清過程中使微；蛭⑿躞w的 團聚增大，產生沉淀泥渣。輔以內置混凝反應室，采用 豎向相間波紋板，通過相間波紋板截面寬窄變化流道， 使水產生紊流，達到既產生絮凝反應效果，水流又相對 平穩(wěn)，有利于進入澄清池后的快速泥水分離澄清，可較 好解決混凝反應與澄清同池設置時相互影響的矛盾。
根據(jù)該思路，采用中置圓或正方形（多角形）混凝 反應室截面，混凝反應室與混凝反應槽的水連通，相 間“人”字或倒“W”形渦流絮凝反應裝置，經二級混 凝反應水，通過相間分開的“人”字或倒“W”狹縫上 升，由于流道截面由窄變寬的變化產生渦流，起到進一步絮凝反應，使已經微絮凝或還未絮凝顆粒進一步增 絮，從而強化了對微小顆粒物的分離效果，并且此渦流 絮凝反應相對更為平穩(wěn)，不會影響澄清分離，不僅提高 了澄清分離效果，而且還提高了出水水質。此外，混凝 反應室下部設置導流擴散喇叭口，以增加進入澄清池布 水均勻度，并可使一部分已經形成的大泥渣絮體先行 沉淀。
（2）技術方案
上下全截面正方形（多角形）澄清池底不設置旋轉 刮泥裝置，依靠處理工藝運動過程及水自身壓力，經加 藥的處理水通過紊流裝置產生紊流，長的流程及波動性 紊流使藥劑與水充分絮凝反應，有利于減小水流阻力， 降低混凝反應槽及整個澄清池深度，降低工程造價；可 以產生“波動性紊流”，提高混合絮凝效果。水通過網 格紊流裝置能夠形成紊流產生絮凝，單一相間設置于混 凝反應槽，并采用相間網格，水通過各種形狀網格肋形 成繞流產生渦流，既能產生混凝所需紊流，且水力半徑 小，更有利于水中微顆粒旋渦運動，使微小雜質相互接 觸增大聚凝顆粒；同時其阻力損失又小，通過自流進入 后續(xù)處理。環(huán)繞的混凝反應槽在池的外圈，長的混凝反 應流程更有利于混凝反應充分，將混凝反應槽縱向分 隔，可以有更長的混凝反應時間；炷磻墼O置在澄 清池上部，主要是從節(jié)省占地考慮，使之既有長的優(yōu)良 的混凝反應效果，又不增加占地面積。
相間“人”字或倒“W”形渦流絮凝反應裝置。經 二級混凝反應水，通過相間分開的“人”字或倒“W” 狹縫上升，由于流道截面由窄變寬的變化產生渦流，起 到進一步絮凝反應，使已經微絮凝或還未絮凝顆粒進一 步增絮，從而強化了對微小顆粒物的分離效果，并且此 渦流絮凝反應相對更為平穩(wěn)，又為澄清池能夠產生三次 泥水分離創(chuàng)造了條件，提高出水水質。經絮凝反應后水 進入渦流絮凝反應裝置下方，首先較大絮體沉淀分離， 而后進入反應裝置形成渦流絮凝反應，上升流一方面與 來自上部斜板（管）分離區(qū)下滑污泥形成接觸沉淀，另 一方面在此區(qū)域還進行澄清分離，從而顯著提高了泥水 分離效果。
混凝反應室下部設置導流擴散喇叭口，以增加進入 澄清池的布水均勻度，使一部分大泥渣絮體先行沉淀。 由于組合了多種泥水分離技術于一體，在不增加占地面 積的情況下，可以實現(xiàn)二級混凝、一級助凝和一級絮凝 的多次混凝和絮凝反應，顯著提高了絮凝效果和后續(xù)泥 水分離效率，不僅縮短了水力停留時間，增大了處理能 力，實現(xiàn)了快速泥水分離，而且多次絮凝出水水質好。 因此可以做到不需添加助凝藥劑，也省略了投加設備， 節(jié)省了機械混凝運行費用。不增加占地面積的多級混 凝、絮凝反應，顯著提高了泥水分離效果，處理能力適 應性強，表面負荷高，可以適應各種進水水質、水量變 化，耐水質水量沖擊性好，出水水質優(yōu)異，特別是無動 力、無疲勞運行節(jié)能特點，適用于中水處理及原水處理 和污水處理等工藝。
2.3 正方形（多角形）快速澄清池技術成果及技術特點 正方形（多角形）快速澄清池技術目前已獲國家發(fā) 明專利（授權號：ZL200810242781.X）。其通過在正方 形（多角形）快速澄清池上部設環(huán)繞網格混凝裝置，中 部設豎向波紋凝絮裝置及中下部設倒W結構助凝與池下 部四角（多角）渦流碰撞實現(xiàn)多次水力學無動力反應分 離，利用池深進行底部水壓排泥，體現(xiàn)節(jié)地低能耗高功 效水平。達到占地池容利用最大化和處理效果最優(yōu)化， 提高處理水量25%，出水增效30%，節(jié)省運行費30%。 該設備的立面、平面示意圖如下。
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正方形（多角形）快速澄清池的特點：1）在澄清池上部 外和/或內周，增設有混凝反應槽，使之有長的混凝反應時 間和高的混凝反應效率，又不增加占地面積；2）在澄清池 中部再增加一個絮凝反應裝置，進一步使微小顆粒和/或 絮體增大，為多次泥水分離創(chuàng)造條件；3）原內置混凝反 應室機械攪拌劇烈混凝反應改為相對平穩(wěn)的紊流混凝反 應，為快速澄清提供了條件。 上下全截面正方形（多角 形）結構池，不僅單池可增加面積27%，相鄰合建至少可以 節(jié)約占地35%以上，所有單體構筑物為一體化組合，距 離相對變小，連接管渠變短，甚至單體構筑物之間只用 套管，水力損失減少，水泵功率揚程變小，節(jié)省總投資 25%；在池來水充分利用四角（多角）碰撞產生紊流，強化了混凝反應，水力特性更佳，池面至池底全截面均 為正方形（多角形）結構池型。
3 正方形（多角形）快速澄清池應用效果
目前，該技術已在安寧永昌鋼鐵有限公司污水處理 及回用水處理項目及太原市三興集團焦化廠焦化污水處 理循環(huán)利用水兩個項目中實施，處理達到的指標：節(jié)約 土地資源35%、增加處理水量28%、增加沉淀池水力特 性20%、降低投資總額25%、降低運行成本29%、提高 泥水分離效果20%、自動化程度提高20%、減少運行操 作人員40%、節(jié)省運行藥劑36%、增加回收水資源20%、 節(jié)約運行電力能耗35%，每節(jié)約1度電，就相應節(jié)約了 0.4kg標準煤，減少污染排放0.272kg粉塵、0.997kg二氧 化碳、0.03kg二氧化硫、0.015kg氮氧化物。實現(xiàn)了占地 池容最大化、建設投資最小化、運行效果最佳化及污染 最小化。以上兩個項目的單位運行時間都已在1年以上， 均達到預期的運行效果，得到了用戶的好評。
4 快速澄清池產業(yè)化研發(fā)內容及方案
傳統(tǒng)的澄清池為混合、絮凝反應及澄清分離沉淀工 藝分別在2個池內，攪拌提耙為半提耙或全開啟狀態(tài)， 易造成進水未經第一混凝室充分反應就直流上升至第二 混凝室反應不充分；混合、絮凝需動力攪拌。澄清過程 只有一次泥水分離，出水效果差，占地面積大。
（1）建立不同處理工藝澄清池最佳配置的模型， 研究產業(yè)化工程應用推廣，實現(xiàn)節(jié)地最大化。通過對正 方形（多角形）澄清池用于不同處理工藝研究（供水/廢 水/再生回用水處理），建立最佳配置的模型，連接管渠 管徑、長度、高度、角度、流速變化、水力損失，以及 共用壁強度結構力學計算，為工程應用提供設計支撐， 從而實現(xiàn)節(jié)地最大化。進一步優(yōu)化完善示范性應用與產 業(yè)化工程推廣的研究。
（2）建立集成環(huán)繞混凝反應紊流和豎向相間波紋板 凝絮反應，及倒W結構渦流助凝反應與多種泥水分離結 合于一體的高效澄清池，減少水處理混凝反應池面積， 提高耐沖擊負荷能力，降低運行費用。
通過創(chuàng)新設計組合多種泥水分離技術于一體的正方 形（多角形）澄清池，通過池壁上部內置有帶紊流裝置 的環(huán)繞混凝反應槽及內置豎向相間波紋板混凝反應室， 利用水力學實現(xiàn)無動力混凝；澄清池中下部相間“人” 字或倒“W”結構渦流絮凝反應裝置，利用水力學接觸 反應，實現(xiàn)多次泥水分離，提高澄清效果，澄清池內部 無需運行電耗，耐沖擊負荷能力強，多池相鄰組合設置 節(jié)省占地。
（3）通過建造快速澄清池成套裝備綜合實驗及測試 平臺，滿足快速澄清池在各類水處理（供水/廢水/再生回 用水處理）工藝應用提供技術支持保障。
5 結語
節(jié)約土地資源及節(jié)能是我國可持續(xù)發(fā)展的基本國 策，但現(xiàn)有的中水處理混凝沉淀工藝將混合、反應、澄 清等工藝單元分別設置在不同池體，占地面積大、工藝 流程長、機械攪拌能耗高。巨大的水處理項目建設將需 占用大量土地資源，水處理設施用地已經成為一個不可 忽視的新用地源。
隨著水處理單元的負荷與標準不斷提升，國內外水處 理建設市場巨大，每年約需1萬套的澄清池裝備，年產值約 50億元人民幣。因而開發(fā)節(jié)能（無動力運行）、節(jié)地、高效 快速澄清池裝備將成為發(fā)展趨勢。
無動力正方形（多角形）快速澄清池將環(huán)繞混凝反應 紊流、豎向相間波紋板絮凝反應“波動性紊流”、“人” 字或倒“W”結構渦流助凝及全截面正方形（多角形） 澄清池等技術巧妙結合，實現(xiàn)了無動力混凝和絮凝反應 及各工藝單元的一體化集成，具有抗沖擊負荷能力強、 混凝效果好、出水水質優(yōu)、低能耗、停留時間短、占地 面積小、建設投資少等特點。因此，快速澄清池項目具 有巨大的市場推廣潛力。
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