周进周出二沉池设计之探讨

周进周出二沉池设计之探讨
沉淀池是水处理工程中常用的构筑物，为提高水处理能力、稳定出水水质、降低运行成本和控制基建投资，各种类型的沉淀池都有了较大的改进和革新。

笔者在某污水处理厂工程的设计中，针对出水水质要求高、用地面积少的情况，二沉池选用了圆形周边进水周边出水幅流式沉淀池。

该工程总设计规模17×104m3／d，近期实施10
×104m3／d。

4座周进周出的沉淀池作二沉池，单池处理能力Qd=3.25×104m3／d。

下文对周进周出沉淀池的选择及配水系统的设计谈一些具体做法。

1 周进周出与中进周出沉淀池的比较
1.1 沉淀区的流态二次沉淀池进水为活性污泥混合液，悬浮物固体MLSS的质量浓度在3000－4000mg／L之间，远高于池内的澄清水。

由于二者间的密度差、温度差而存在二次流和异重流现象。

中进周出和周进周出两种不同池型内的混合液流态各不相同，详见图1与图2：
在中进式沉淀池中，活性污泥混合液从池中心进水管以相对较高的流速进入池内，形成涡流，经布水筒逐渐下降到污泥层上，再沿沉淀区中部向池壁方向流动并壅起环流。

分离出的澄清水部分溢流入出水槽，部分在上面从池边向池中心回流；密度大的混合液则在下面从池边向池中心流动，形成了反向流动的环流。

这种环流不利于沉淀，限制了池子的水力负荷。

而在周边进水周边出水的沉淀池中，密度流的方向与中心进水式相反。

混合液经进水槽配水孔管流入导流区后经孔管挡板折流，下降到池底污泥面上并沿泥面向中心流动，汇集后呈一个平面上升，在向池中心汇流和上升过程中分离出澄清水，并反向流到池边的出水槽，形成大环形密度流，污泥则沉降到池底部。

因此，周进周出沉淀池的异重流流态改变了沉淀区的流态，有利于固液分离。

1．2 容积利用率
异重流现象在中进式沉淀池中会形成短流，部分容积没有得到有效利用，池子的实际负荷比设计负荷大得多。

而周进式由于大环形密度流的形成，容积利用率要高得多。

对应进。

出水槽位置的不同，中心进水与周边进水沉淀池的容积利用率各不相同，详见表1。

表1 幅流式沉淀池容积利用率[1]
1．3 导流筒的作用
中进式中心导流商内的流速相对较高，常在0.1m/s以上，水流向下流动的动能大，易冲击底部污泥，活性污泥在其间难以形成絮凝、澄清作用。

而周进式由于池周长，过水断面大，进水流速小得多。

流速小，雷诺数和弗劳德数都比中迸式小，雷诺数小，惯性作用小；弗劳德数小，粘滞力作用大，这些都有效地促进了简内流态向层流发展，产生同向流，促使活性污泥下沉。

同时，由于活性污泥层的吸附澄清作用，混合液中的污泥颗粒不断与悬浮层中的活性污泥碰撞、吸附、结合、絮凝，产生良好的澄清作用，提高了沉淀效果。

2 周进式二沉池配水均匀性分析
沉淀池的处理效果与池表面负荷及水力停留时间有关。

对于周进式二沉池，还有一个关键因素就是配水系统的均匀稳定性，只有沿圆周各点的进、出水量一致，布水均匀，才能充分发挥该池型的优点。

周进式沉淀池环形布水、均匀出流的水力学模型比较复杂，在计算中，因池直径D远大于配水槽槽宽B，圆弧的影响忽略不计，配水槽简化为校柱形水渠，水流为沿程底孔泄流的直线渐变流。

计算示意图见图3。

均匀配水，距进水点L段上对应的流量为：
Q=Q0（1－L／L0）
孔口出流量：
q=μ.ω（2gZ)0.5
配水水头Z=H－H池，为槽内水位与池液位差。

槽内水流能量微分方程为：
dH+（dV2/2g）+idL＝0
影响配水系统均匀性q／Q0的因素较多，有进水流量Q0、配水槽槽宽B、槽内水深H、流速厂配水孔径d、孔距l等。

通过对各设计参数的取定，有不同的处理方法，双向对流配水或单向环槽配水，配水槽等竞或变宽，配水孔等间距或变间距，配水槽平坡或变坡等。

种种方法有各自的特点和适用范围，工程中不仅要考虑到工艺的合理性、稳定性，还要便于土建施工、设备安装等，以臻工艺先进、施工便利。

管理维护方便。

目前常用的计算方法有3种：
①等孔距法
配水槽槽内水面为一水平线，水高H不变，各配水孔配水水头Z一致，孔口出流量q相等，配水孔间距ι恒定。

由式（2）可知，槽宽B与槽长L相关，随L的变化而变化，与进水水量从无关。

实际工程中，B、H0的选择取决于进水流量Q0，H0越大，V越小，配水的效果越理想。

等孔距法配水的优点是：配水孔管大小一致，孔距均等，沿池周均布并与池中心对称。

但工程实用性并不理想，槽宽B沿程变化复杂，施工难度大。

②等宽度法
等宽度法即配水槽槽宽B一致，将dB／dL＝0代人式（1），得：
由式(3)可知，随槽长L的变化，槽内水深H、水流流速V也相应改变。

H的改变说明各孔口配水水头Z、出流量q各不相同。

由于各配水孔管的直径一致，各孔距ι各不相同。

等宽度法由于同时还存在另一变量：流速V，较适用于恒定流量，即进水水量变化不大的情况。

实际工程中，随进水水量。

污泥回流量的改变，会存在一定的误差。

③等流速法
此方法强调配水槽内水流流速厂恒定，从式(1)可知dH／dL ∝V，当流速V为定值且较小时，V2=O，则：dH＝0，H≈H0。

因：
V=（Q0/B0H0）=Q0/BH0（1-L/L0）
得：B=B0（1-L/L0），即槽宽B与槽长L呈线性变化，代入式（1），得：
dH/dL=（HV2/(gH-V2)[-B0/BL0)+[1/(L0-L)-n2g(2/B)+(/H)4/3]
因gH-V2≈gH，得：
dH/dL=-(nV)2[2L0/[(B0(L0-L)+1/H]4/3 (4)
由式（4）可知，H随L顺水流方向逐渐降低，通过确定水深H，各配水孔配水水头Z，进而可得出各配水孔孔距ι。

等流速法的槽宽B随槽长L呈线性关系，变化不复杂，施工可控制。

同时由于流速V不变，受实际进水水量变化的影响并不大。

3 配水计算实例
本文所述工程实例中的周进周出二沉池的池内径45m，池边水深
4.60m，总高度
5.10m，单池处理能力Qd=3.25×104m3／d，表面负荷q＝0.85m3/（m3.d）。

设计计算中，限定工艺边界条件：槽宽不宜小于0.3m；进出水槽槽底为平底；为防止混合液槽内沉淀，环槽流速V不宜低于0.3m/s；配水孔口不宜过小，均采用同一规格φ100，孔深与底板厚度相同。

计算采用了等流速法和等宽度法组合。

①配水槽起端，为满足水量变化要求，采用等流速法计算。

根据最小设计流量Qmin槽内水流流速V＝0.3m/s确定起始槽宽B0及B=B0(1-L ／L0）；根据平均设计流量Qave水力坡降线△H＝0.01m将槽水面曲线划分为几段，按每段平均配水水头确定平均孔距ι。

②配水槽末端，当计算槽宽B＜0.3m时，取槽宽B=0.3m，采用等宽度法确定各配水孔孔距ι。

此时因槽内流量小，配水均匀稳定性受流量变化的影响亦较小。

通过以上计算，该沉淀池配水槽宽B＝1.1-0.3m，渠内水深H=1.2m，配水水头Z≈0.14m，配水孔管直径100mm，孔距ι为1.014-0.744m。

考虑进水量变化的影响，实际配水效果maxιq-q0ι＜2%q0。

出水水质达到排放标准。

4 二沉池其他部件的设置
4.1 单向环流配水
理论上采用双向环槽配水可减少渠道断面，但工程中很难保证双向对称分流，一旦发生偏流，误差会更大，采用单向环流配水更可靠。

另外，配水槽内的刮渣板随吸泥机单向旋转，双向配水不利于配水槽内撇渣。

4.2 配水槽与集水槽
配水槽和集水槽沿池周布置，两槽合建，共底共壁，配水孔管中心。

挡水裙板。

出水堰环与池周同心，保证进出水均匀。

4.3 进水区挡水裙板
挡水裙板延伸至水面下1.5m处以保证良好的澄清絮凝效果。

4.4 除渣
浮渣集中在配水渠道的小块面积上，通过安装在撇渣设备竖臂上的叶片刮集，驱动配水渠末端的浮闸堰门排除。

4.5 排泥
排泥设备选用中心传动单管吸泥机。

吸泥机转动方向与进水形成的水流方向一致，搅动池底污泥和带走轻的活性污泥絮体的可能性亦较小。

吸泥管断面由池边到池中心逐渐放大，可保证污泥在吸泥管内流速均匀，防止孔口堵塞及污泥在管内沉积。

5 结语
周进周出幅流式沉淀池与传统的中心进水式相比，具有较大的有效容积、高溢流率、最佳水力稳定性、最大范围进水面、进水渠道表面撇渣等优点，在保证配水均匀稳定性的前提下，可以得到良好的处理效果。

转炉除尘浊循环水处理系统的改造
天津铁厂炼钢厂原设计能力为年产120×104t钢，经过不断改造，已具备年产200×104t钢的能力。

烟气量的增加给转炉除尘浊循环水处理系统提出了新的任务。

本文所介绍的工程是在不改造沉淀池的情况下，通过其它设施的技术改造，有效地保证了供水的水质和水量。

1 原浊循环水系统运行状况
1．1 浊环水系统回水的特点
炼钢厂现有3座30t氧气顶吹转炉，除尘工艺采用的是“两文三脱”烟气净化工艺，回水主要为“一文”、“二文”除尘冷却水，“一文”、“二文”水封水，经复挡脱水器排出，即成为转炉除尘回水。

回水呈黑灰色，SS以FeO为主，SS颗粒较大。

炼钢过程中投加的部分过量石灰随烟气进人回水中，使回水的硬度、碱度较高，pH＞10。

1.2 原转炉除尘浊循环水处理工艺
3座转炉除尘废水由各自排水渠流入集水干渠，经配水井分别进入2座ф24m幅流沉淀池，经过沉淀处理，上清液通过溢流堰、集水渠进人热水井油上塔泵组送到冷却塔冷却，冷却后自流进入冷水井，经供水泵组加压送至转炉净化烟气。

在ф24m幅流沉淀池中沉淀下来的颗粒与水形成底流泥浆，在刮泥机作用下汇集至沉淀池中央，在水头作用下由沉淀池底部的排泥管自流人泥浆池，由泥浆泵供给40m2板框压滤机脱水处理，滤液汇集于滤液池，由泵组送回配水井。

泥浆经板框压滤机脱水后形成的泥饼由汽车外运予以回收。

2 产量增加带来的问题
2.1 供水能力不足
1994年炼钢投产时，除尘供水量为500m3/h干线压力0.7MPa，随着第三座转炉的投产，于1996年底完成供水泵组的第一次改造。

限于泵站环境条件制约，仅将单吸泵组改为双吸泵组，供水量增至
800m3/h干线压力0.9MPa。

由于炼钢产量进一步提高及转炉除尘工艺的改造，原系统中供水泵组供水能力再一次显出不足，需要提高泵组的供水能力。

满足除尘工艺水量1000－1200m3/h，用水点压力0.4－0.6MPa的要求。

2．2 沉淀池能力不足
2座ф24幅流沉淀池是本系统重要的处理构筑物。

在此，回水中的悬浮物沉降至池底，在刮泥机的作用下，进行初步浓缩，形成底流泥浆，由泥浆管排出，泥水初步分离。

由哈真（Hazen）提出的理论：E=Ui/(Q/A)[1](Ui小于截流沉速U的颗粒沉速）即沉淀池表现积A一定时，流量Q增加，必定导致沉淀池去除率E下降，出水悬浮物含量高，出水水质恶劣。

而表面负荷率Q／A（m3／m2·h）在数值上等于截流沉速U（m／h），流量的增加使截流沉速增大，在沉淀池有效水深一定时，缩短了沉淀时间，也证明了水量的增加必然给沉淀池出水水质带来不利影响。

经计算循环水量为500m3/h，单池停留时间为2．92h；水量达到1000m3/h时，停留时间仅为1.46h。

同时生产供水的悬浮物含量高（150-200mg/L，有时高达400mg/L），造成喷嘴布水不均，甚至堵塞喷嘴。

虽经改造喷嘴形式，增大风机叶轮直径，除尘效果仍理想。

2．3 泥浆处理能力不足
氧气顶吹转炉烟气净化的污泥含铁量达60%左右，具有含铁量高，烧结性能好，易成块，含氧化钙可降低烧结过程中石灰需要量，因此考虑回收。

由于处理水量的增加，沉淀池需频繁排泥，泥浆含水量提
高，含泥量降到10％以下，原系统中3台浓缩机已造无法使用，沉淀池排出泥浆直接送至板框压滤脱水，导致压滤机过滤时间延长。

在钢产量迅速增加，污泥量大幅度提高的情况下，无法及时处理沉淀池排出泥浆。

2．4 泥浆管道堵塞及滤布磨损
在沉淀池内泥浆总量高的情况下，原系统即使排泥频繁，也易发生排泥管堵塞的现象。

通过对生产中堵塞的排泥管切断分析，管道中沉积的悬浮物约1／4－1／3管径高度，大大降低了管道的过流断面。

此外，由于除尘水中粗颗粒密度高、直径大，也是造
成原系统中板框压滤机滤布磨损快使用寿命短的主要原因。

3 改造措施及实际效果
根据转炉烟气净化除尘工艺的要求，结合原除尘浊环水处理工艺状况，确定改造方案。

3．1 提高泵站供水能力
新建浊环水泵站及配套设施，安装5台多级泵组（3运2备），提高供水能力。

实际生产中流量可至1000－1200m3／h，供水干线压力在1.0－1.2MPa，满足除尘工艺各用水点要求。

新泵站吸水井与原泵站吸水井相通，提高了吸水井有效容积，有利于泵组稳定供水。

3．2 改造脱水设备
泥浆脱水设备的改造是确保沉淀地出水水质的重要措施。

沉淀池中刮泥机的运动是一个矛盾过程，一方面起到了污泥浓缩作用（对沉
淀池中粗颗粒），一方面则引起了搅扰（对细颗粒），因此，在不改造沉淀池的前提下，必须及时处理沉淀池排出的泥浆，促进细颗粒的沉淀。

①安装80m2自动板框压滤机6台（4运2备），6台手动板框压滤机停用。

使过滤面积由240m2增至320m2。

泥饼实际产量每月由2000t 增至4800t，极大降低了沉淀池负荷。

②配合压滤机扩容，改造泥浆泵站，安装3台渣浆泵组（1运2备），其单台流量、压力满足4台板框压滤机同时工作要求。

③改造停用的3台浓缩机，恢复使用（1运2备）。

改造后3台浓缩机相互间可独立工作，以利于设备检修。

通过改造，沉淀池底流泥浆可连续排出处理，促进沉淀池中颗粒的沉淀，同时运行班组职工可根据生产实际采取泥浆泵一浓缩机一板框压滤机工作方式（沉淀池中泥浆多）、泥浆泵一板框压滤机或浓缩机—板框压滤机工作方式（沉淀池中泥浆少），合理配置设备，防止板框压滤机喷料。

3.3 增加沉淀的前处理
根据2.4的分析，除改造脱水设备外还应在沉淀池前去除粗颗粒，避免泥浆管道堵塞，减少滤布的磨损。

在调查研究基础上，决定采用螺旋分级机，去除粗颗粒。

在沉淀池前回水槽上设问板。

闸板前槽壁安装旁通网板与螺旋分级机进水槽相连。

通过2个闸板的开闭调节可选择是否使用螺旋分级机，以确保不停水就可检修螺旋分级机。

螺旋分级机投入使用后每天分离出的粗颗粒达10t，板框压滤机滤布
由原来的每天更换20块左右下降到现在每天更换10块，基本达到改造目的。

4 结语
本次改造后，经过1a的生产运行，供水量为900－1000m3／h，水压为1.0－1.2MPa，水中的悬浮物长期小于100mg/L。

炼钢厂生产反映，喷嘴布水均匀段有堵塞喷嘴的现象，烟气净化效果显著。

此次除尘浊环水处理系统的改造在30t转炉湿法未燃法烟气净化除尘工艺上取得了成功，对相同除尘工艺的其它炉容转炉的新建或改造除尘浊环水处理系统具有一定的借鉴意义。