水平管沉淀新技術(shù)的應(yīng)用及工程實(shí)例
隨著《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749-2006）的實(shí)施，各地對水廠“提質(zhì)達(dá)標(biāo)”的工作越來越重視。在水廠中，固–液分離單元（如沉淀池、氣浮池、澄清池）擔(dān)負(fù)著80%~90%以上懸浮固體分離的作用，是主要的凈水構(gòu)筑物之一。固–液分離單元的高效穩(wěn)定運(yùn)行，可大大降低濾前水的濁度，減少濾池負(fù)荷，延長濾池反沖洗周期，保障出水濁度滿足飲用水的要求。
沉淀技術(shù)在污水處理、工業(yè)水處理、石油化工等行業(yè)固–液分離的場合用途非常廣泛，其基本原理相同，本文重點(diǎn)以凈水工程為例，介紹九通水務(wù)研發(fā)的“水平管沉淀分離技術(shù)”（以下簡稱“水平管”）懸浮物沉淀分離的作用機(jī)理，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析，以便各位同行使用和參考。
一、“水平管”的優(yōu)勢
基于“水平管”的重力沉淀池稱為水平管沉淀池，通常的結(jié)構(gòu)為矩形，在矩形池中組裝也不會形成三角形過水死區(qū)，提高了池容的利用率。組成如圖1所示。上部為安裝水平管沉淀裝置的沉淀區(qū)，下部為污泥區(qū)，前部為進(jìn)水區(qū)，后部為出水區(qū)。經(jīng)加藥、混凝反應(yīng)的原水流入沉淀池后，沿進(jìn)水區(qū)整個截面均勻分配，進(jìn)入水平管沉淀分離裝置，澄清后的水緩慢地流向出水區(qū)。
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圖1 水平管沉淀池示意圖
水平管沉淀池具有平流式沉淀池的主要優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，操作彈性大，出水濁度低，是目前最接近“淺池理論”的沉淀技術(shù)。水在水平管內(nèi)水平流動，懸浮顆粒受重力作用豎直下沉，懸浮顆粒接觸水平管60°的管底后從排泥口滑入滑泥道，泥水即時分離，污泥很快從滑泥道掉入污泥區(qū)，有效地解決“淺池理論”排泥難題，水平管流態(tài)見圖2。
沉淀區(qū)的水平管沉淀分離裝置內(nèi)水平管束組合規(guī)則排列，在極小的雷諾數(shù)和較佳的弗勞德數(shù)條件下，水在水平管束內(nèi)流態(tài)為層流，沉淀效率高。
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圖2 水平管流態(tài)圖
水平管沉淀池水平流速采用7-14mm/s，一般采用10mm/s。有效沉淀時間采用3~5min，水平管沉淀分離裝置的長度：10×60×3/1000=1.8m。包括進(jìn)水區(qū)、出水區(qū)的長度，水平管沉淀池的長度為6m。而平流式沉淀池水平流速可采用10-25mm/s，一般采用15mm/s。停留時間為2h，長度一般為108m。兩種沉淀池的有效水深一般都為3.0~3.5m，根據(jù)以上設(shè)計取值可以得出水平管沉淀池的寬度為平流式沉淀池的1.5倍。
由此可見，一般情況下水平管沉淀池池容為平流式沉淀池的 ，占地面積也為平流式沉淀池的9%。顯而易見，采用水平管沉淀技術(shù)，可大幅度減少水廠占地面積和工程投資。
二、“水平管” 對濁度適應(yīng)范圍以及對含藻類、紅蟲原水的處理效果
水平管沉淀池良好的沉淀水力條件和很短的沉降距離，懸浮顆粒在較短的時間內(nèi)能接觸到管底。水平管沉淀分離裝置內(nèi)，水走水道，泥走泥道，泥水互不干擾，因此，相對于其他沉淀方式，“水平管”適應(yīng)的濁度范圍廣，對密度接近水的物體（如藻類、紅蟲等）都有很高的去除率。這些有價值的結(jié)論，通過安裝在珠海市拱北水廠內(nèi)我公司的“水平管”裝置所做的中試試驗得到了逐一證實(shí)。
濁度適應(yīng)范圍試驗：在參考文獻(xiàn)［5］的論文中，我們已做了抗水力沖擊能力的試驗，證明“水平管”的抗水力沖擊能力是很強(qiáng)的。在保持流量不變情況下，我們再做“水平管”濁度沖擊試驗。為保證進(jìn)水濁度適應(yīng)貼近真實(shí)，我們?nèi)∮盟吹氐奈勰，通過調(diào)節(jié)不同的進(jìn)水濁度，連續(xù)運(yùn)行了180天后，每2小時取一次樣。得到了大量的實(shí)驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如下：當(dāng)進(jìn)水濁度10~144NTU時，出水濁度在0.5NTU以下；當(dāng)進(jìn)水濁度在144 ~1100NTU時，出水濁度在3.0NTU以下？梢娝焦艹恋沓乜惯M(jìn)水濁度沖擊能力強(qiáng)。試驗期間的進(jìn)出水濁度參見圖3。
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圖3 水平管進(jìn)、出水濁度
對含藻類原水處理的定性試驗：含藻類的原水用常規(guī)重力沉淀的方法很難沉淀，我們根據(jù)水平管沉淀理論做了以下試驗。往水平管沉淀池進(jìn)水端加入含藻類原水，進(jìn)水濁度約16NTU，持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行后，在水平管沉淀池的進(jìn)出水口每隔1個小時取樣，各5個樣，將進(jìn)出水樣分別混合均勻，接入2個500ml透明干凈樣瓶中。將原水樣瓶與出水樣瓶放置在陽光充足的地方照射。經(jīng)過近2個月時間，發(fā)現(xiàn)原水樣瓶的瓶壁上有大量藻類出現(xiàn)，而出水樣瓶的瓶壁上完全沒有藻類痕跡。由于試驗條件限制，我們只做了定性試驗。今后計劃做除藻的定量試驗，以便了解水平管沉淀池的除藻效率。
對含紅蟲原水的試驗：由于紅蟲活體在水中上下游動，在斜管、斜板、平流式沉淀池中很難沉淀，令某水司煩惱不已，應(yīng)水司要求，我們嘗試做了幾次紅蟲的去除定性試驗，意外發(fā)現(xiàn)效果很好，于是決定再做一次去除定量試驗。2008年10月14日，“水平管”裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，分別三次往進(jìn)水端加入1000條紅蟲，每次間隔1.5小時，每次加入之后用100目的尼龍網(wǎng)在出水口持續(xù)承接1h，出水口承接紅蟲分別有60、40、10條，紅蟲去除率分別是94%、96%和99%，說明“水平管”對紅蟲的去除率很高。
以上沉淀機(jī)理分析和試驗結(jié)果證明了水平管沉淀分離技術(shù)比傳統(tǒng)沉淀技術(shù)有不可比擬的沉淀效果，穩(wěn)定性好、耐負(fù)荷變化強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。
三、“水平管”在水廠的應(yīng)用
水平管沉淀池，相當(dāng)于若干層微分化的平流式沉淀池，具有平流式沉淀池的所有優(yōu)點(diǎn)，但效率比平流式沉淀池高9~25倍。由于水平管沉淀效率很高，大部分懸浮物會在水平管沉淀分離裝置前端1m處沉淀，泥斗積泥量較大，因此，要加大水平管沉淀池前端的排泥頻率，最好配置自動排泥系統(tǒng)。
“水平管”可以運(yùn)用于凈水處理，污水處理、中水回用、高濁度的水處理及其它工業(yè)的懸浮物沉淀分離。以下重點(diǎn)介紹“水平管”在凈水廠的應(yīng)用。
新建水廠
新建的水廠采用水平管沉淀分離技術(shù)，可減少占地面積，降低建設(shè)成本和維護(hù)成本，運(yùn)行穩(wěn)定，出水濁度低。這樣能減輕濾池負(fù)荷，延長濾池反沖洗周期，減少濾池反沖水量。
例如：建設(shè)一座水量1×104m3/d的自來水廠，采用斜管沉淀池，尺寸為L8.5×W8.5×H4.7m；而采用水平管沉淀池，尺寸為L5.5×W6.0×H3.0m。
如果沉淀池計算壁厚為300mm，水池占地面積沉淀池長度和寬度都以池外壁尺寸計算，斜管沉淀池占地面積為9.1×9.1=83m2，水平管沉淀池占地面積為6.6×6.1=40.3m2。水平管沉淀池占地面積為斜管沉淀池的49%，建設(shè)成本相對應(yīng)的比斜管沉淀池低。
老水廠的改造
“水平管”可以應(yīng)用于以下幾種情況的水廠改造：
（1）水源為地表水，濁度波動很大（受凌汛、洪汛、夏季暴雨期等影響），藻類季節(jié)性地爆發(fā)，或受紅蟲、搖蚊幼蟲等困擾。常規(guī)沉淀池不能滿足要求，致使濾池出水水質(zhì)下降。
改造措施：在保留原有主體構(gòu)筑物的前提下，保留原有的排泥系統(tǒng)，拆除原有沉淀池的內(nèi)部設(shè)施（如沉淀池中的斜管、斜板填料），加裝水平管沉淀分離裝置，改造出水區(qū)。必要時，還需對前后構(gòu)筑物（如絮凝反應(yīng)池、過濾池）和設(shè)備進(jìn)行配套改造。
這樣改造的土建工作量少，容易實(shí)施，投入產(chǎn)出比高，通常水平管沉淀池的出水濁度可降低到2NTU以下，大大減輕了濾池的負(fù)荷，提高了出水水質(zhì)。
如圖4所示，一座水量1.0×104m3/d的水廠斜管沉淀池改造為水平管沉淀池的示意圖。
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圖4 斜管沉淀池改造為水平管沉淀池
（2）水廠供水范圍的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，造成供水量嚴(yán)重不足。
改造措施：在保留原有主體構(gòu)筑物的前提下，保留原有的排泥系統(tǒng)，拆除原有的沉淀池內(nèi)部設(shè)施，增大進(jìn)出水管道，加裝水平管沉淀分離裝置、改造出水區(qū)。
改造后，可大大提高沉淀率，以斜管沉淀池改造為例，處理水量比原來增大1倍。利用“水平管”對水廠改造挖潛不僅可提高產(chǎn)水量，還可提升沉淀池出水水質(zhì)，降低沉淀池的維護(hù)成本。
例如：將一座水量2.5×104m3/d的斜管沉淀池改造為水平管沉淀池，如果前后工藝配套合理，水量可增大到5×104m3/d。
四、“水平管”的發(fā)展歷程及工程實(shí)例
水平管沉淀分離技術(shù)從自主立項到實(shí)際的工程運(yùn)行，歷時近五年時間。通過綜合分析平流式沉淀池、斜管（板）沉淀池、澄清池等的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過多次試驗，終于研發(fā)成功。主要經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段。
2007年8月，“水平管沉淀分離裝置”在深圳水務(wù)集團(tuán)的國家863安全飲用水保障技術(shù)研究基地做試驗；
2007年12月，“水平管沉淀分離裝置”在珠海市拱北水廠中試成功；
2008年7月26日 “水平管沉淀分離裝置” 通過了廣東省科技廳組織的科技成果鑒定；沈大年、宋仁元等專家組成的鑒定委員會一致認(rèn)為該項技術(shù)是沉淀工藝的一次重大創(chuàng)新突破，在技術(shù)上達(dá)到了國際先進(jìn)水平。
2008 年9月18日 “水平管沉淀分離裝置”獲得國家創(chuàng)新基金；
2009年10月，“水平管沉淀分離裝置” 獲得國家發(fā)明專利；
2010年8月中旬，“水平管沉淀分離裝置”在內(nèi)蒙內(nèi)蒙古巴彥淖爾市河套水務(wù)公司通水投入使用。8月21日，“水平管沉淀分離技術(shù)”工程項目應(yīng)用現(xiàn)場會的成功召開，標(biāo)志著此項技術(shù)成果實(shí)用化已具備實(shí)際工程范例。
以下為“水平管”沉淀分離技術(shù)在該項目的實(shí)際應(yīng)用情況。
河套水務(wù)集團(tuán)有限公司恒源供水公司（地址：內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市）原水取自黃河灌溉水，基本上達(dá)到《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002)中的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但原水含砂量大、濁度高，年平均濁度5000NTU，最大可達(dá)到7000NTU。以前供水主要采用滲渠取水，無其他凈水措施，滲渠取水管易淤塞。
針對如此高濁度的原水，河套水務(wù)集團(tuán)經(jīng)過多方面調(diào)研，實(shí)地考察我公司的“水平管”中試裝置，確信水平管沉淀分離技術(shù)對黃河流域的水處理的技術(shù)可行性，采用“水平管”建設(shè)一座新的水廠，處理水量1×104m3/d，處理工藝為“管道混合器+絮凝反應(yīng)池+水平管沉淀池”。工藝流程圖見圖5。主要構(gòu)筑物和設(shè)備如下：
絮凝反應(yīng)池：
尺寸：L4.5×W7.0×H4.0m，數(shù)量：1座，絮凝時間：18min。
水平管沉淀池：
設(shè)計參數(shù)：水平流速采用10mm/s，有效沉淀時間為3.3min，
尺寸：L5.5×W7.0×H4.5m，
數(shù)量：1座，
進(jìn)水區(qū)采用穿孔墻配水，通過穿孔墻將水流均勻分布于水平管沉淀池整個斷面上。
出水區(qū)由孔板集水箱和集水槽兩部分組成。出水經(jīng)過孔板集水箱流進(jìn)集水槽，孔板集水箱上開有若干個圓孔，使整個過水?dāng)嗝媪魉僖恢？装寮浜附釉诩壑醒耄叟c集水箱連接面開有進(jìn)水口，使出水流速平緩，便于集水。
污泥區(qū)：水平管沉淀池設(shè)置4個排泥斗，污泥順著傾斜的斗壁快速下滑并在泥斗底部聚沉，壓縮污泥間隙水，減少污泥容積。每個排泥斗安裝一根排泥管。設(shè)置污泥界面儀，可根據(jù)污泥的高度自動排泥，也可以手動排泥。
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圖5 工藝流程圖
行車式?jīng)_洗系統(tǒng)：“水平管”巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在運(yùn)行中沒有污泥積聚。由于該工程黃河原水的濁度高、黏性大，“水平管”也可能會像斜管沉淀池的斜管那樣，管壁有少許結(jié)垢。為了減少勞動強(qiáng)度，進(jìn)行不停水清洗，特意配套了行車式?jīng)_洗系統(tǒng)，沖洗過程出水濁度稍有提高，但不會影響正常供水。清洗工作時，通過電動減速機(jī)驅(qū)動，帶動沖洗小車沿著鋪設(shè)的2條鋼軌往復(fù)運(yùn)動。同時潛水泵抽取澄清水通過沖洗水管沖洗水平管沉淀分離裝置。沖洗水管為2根成90°的不銹鋼管，上面焊接噴頭，在豎直和水平方向同步?jīng)_洗，以達(dá)到全方位清洗目的。該系統(tǒng)自動運(yùn)行，方便管理。
該水廠于2010年8月17日投入運(yùn)行，至收稿日期止，水平管沉淀分離裝置排泥順暢，無積泥現(xiàn)象，運(yùn)行的水量、水質(zhì)均達(dá)到設(shè)計要求，運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：
原水濁度：通常50~600NTU左右，峰值可達(dá)7000 NTU；
出水濁度：1NTU左右；
投加PAC的劑量在5~10mg/L，高濁度時需投加PAM。
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圖6
新增運(yùn)行中的日產(chǎn)1萬噸“水平管”凈水廠
五、“水平管”裝置選型說明
盡管“水平管”是基于100多年前的“淺池理論”設(shè)計的，使用上也非常方便，但在設(shè)計理念上有獨(dú)特到的創(chuàng)新之處，與傳統(tǒng)的斜管（板）有所不同。
“水平管”裝置矩形結(jié)構(gòu)，工廠模塊化生產(chǎn)，可組成任意的產(chǎn)水量，可因地制宜靈活安裝，施工非常方便。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)濁度由低到高劃分，“水平管”可分為A、B、C和D等4種不同規(guī)格。以濁度為500NTU以下的湖泊江河水為例，“水平管”應(yīng)選A型， 下面以凈水廠為例，作為“水平管”的選型參考。其他行業(yè)的水處理選型可與筆者進(jìn)行交流。
“水平管”的主要設(shè)計參數(shù)：水平流速采用7-14mm/s，有效沉淀時間為3~5min。
已知條件
設(shè)計水量：Q=20000m3/d=0.231m3/s；為留有余量，水平流速通常取值ν=10mm/s=0.01m/s，有效沉淀時間為t=3min=180s。
設(shè)計計算
水平管沉淀池分n=2格獨(dú)立運(yùn)行。
每格水平管沉淀池的“水平管”裝置橫截面積：
A= m2
“水平管”裝置的高度規(guī)格為1.0m、2.0m等整數(shù)倍，考慮到沉淀池的水深和排泥道的布置，高度h一般取2m，那么“水平管”裝置寬度W= m。
“水平管”裝置的長度L=υ×t=0.01×180=1.8m，取整數(shù)2.0m。
根據(jù)以上計算，處理水量Q=20000m3/d的水廠選用2套“水平管”裝置，每套“水平管”裝置尺寸為L×W×h=2×5.8×2m。
水平管沉淀池其他部分設(shè)計（如進(jìn)水區(qū)、出水區(qū)、排泥），請參考給水排水設(shè)計手冊與現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，在此不再贅述。
六、結(jié)束語
“水平管”是目前最接近“淺池理論”的沉淀技術(shù)，經(jīng)過近5年的技術(shù)研發(fā)、中試和工程應(yīng)用，日趨成熟和完善，1×104m3/d的工程成功應(yīng)用，標(biāo)志著此項技術(shù)成果已轉(zhuǎn)化為工程范例，為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，F(xiàn)已研發(fā)出配套的“水平管”自動化生產(chǎn)線，不久將投入工業(yè)化生產(chǎn)。 “水平管”有望逐步替代平流沉淀池、斜管（板）沉淀池，成為水處理的主流沉淀技術(shù)。
盡管“水平管”工程應(yīng)用效果令人滿意，還需做好相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累，不斷創(chuàng)新，研究“水平管”對不同源水的適用性，盡快應(yīng)用于更多的水處理項目。我們相信“水平管沉淀分離技術(shù)” 將會在全國乃至全世界得到廣泛的應(yīng)用！
特別鳴謝：中國科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金管理中心、中國水協(xié)、廣東省科技廳、珠海市科技局、深圳市水務(wù)（集團(tuán)）有限公司、珠海市水務(wù)集團(tuán)、河套水務(wù)集團(tuán)等大力支持，還有“水平管沉淀分離裝置”鑒定會宋仁元、沈大年等專家組成員一直以來的關(guān)心和支持。在此表示衷心的感謝。
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［8］“水平管沉淀分離技術(shù)”進(jìn)入實(shí)用階段，中國水網(wǎng) http://news.h2o-china.com/html/2010/08/241282552242_1.shtml
作者單位：
陳球 張良純 張建國：珠海九通水務(wù)有限公司（廣東 珠海）
楊有祿：河套水務(wù)集團(tuán)（內(nèi)蒙古 巴彥淖爾）
（作者通訊地址：廣東省珠海市梅華東路302號 電話：0756-2269599 公司網(wǎng)址：www.9tone.com） 收稿日期：2010-9-1）
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