周进周出二沉池设计

周边进（出）水型二沉池的设计
才振刚
众所周知，城市污水中含有大量的有毒、有害物质，如不加以处理控制，直接排入水体和土壤中，将会对环境造成污染，不仅损害人民的身体健康，还严重制约着工农业生产和城市的发展。

我国的城市污水处理率很低，长年徘徊在10%以下，一些城市的水环境已经恶化，修建大量的城市污水处理厂
已迫在眉睫。

在各类城市污水处理工艺中，最具代表性的就是活性污泥法，而在活性污泥法处理系统中，二次沉淀池是保证出水水质的关键构筑物之一。

下面，我结合实际工程，就二沉池的选型、计算探讨如下：
一、适用条件
沉淀池主要是去除悬浮于水中的可以沉淀的固体悬浮物。

初次沉淀池主要是对污水中以无机物为主体的比重大的固体悬浮物进行沉淀分离。

而二次沉淀池是对污水中以微生物为主体的、比重小的、因水流作用易发生上浮的固体悬浮物进行沉淀分离。

一般来说，二次沉淀池多采用竖流式和辐流式，前者比较适用处理水量不大的小型污水处理厂；后者则适用大、中型污水处理厂。

二、不同类型二沉池设计、运行参数比较
一般辐流式和竖流式沉淀池，原污水从池中心进入，在池周边出流，进口处流速很大，程紊流现象，影响了沉淀池的分离效果。

而周边进水型辐流式和竖流式沉淀池与此恰恰相反，原污水从池周边流向池中心，澄清水则从池中心返回到池周边流出，在一定程度上克服了上述缺点。

原污水流入位于池周边的进水槽中，在进水槽底部设有进水孔，再从进水孔均匀地进入池内进行悬浮颗粒的沉淀，从而提高沉淀效率。

根据国外资料介绍，这种沉淀池的处理能力比一般辐流式沉淀池要高出一倍。

沉淀池设计计算时一般以水力负荷来计算有效面积，用固体负荷做较核，在二沉池中尤为重要。

根据国外资料，国外所采用周边进水中心出水和周边进水周边出水的二次沉淀池的水力负荷最大为2.72m3/(m2.h)，最小为1.0m3/(m2.h)，而我国较有代表性的城市污水处理厂中二沉池所采用的水力负荷值，最大为1.19m3/(m2.h)，最小为
0.73m3/(m2.h)，由此可以看出，周边进水型二沉池的水利负荷要比普通型二沉池水力负荷平均高出1.72倍。

这就显示了周边进水型二沉池具有气节省面积、减少池数和投资等优越性，是可以推广应用的一种新型二次沉淀池。

三、二沉池中的泥、水间的运动
正常的混合液在量筒中停留10分钟，将出现上下两层，即清水面层和悬浮活性污泥层。

10分钟后悬浮的活性污泥层开始浓缩，但完成浓缩过程至少要半小时以上，甚至好几个小时。

浓缩过程意味着层面以下的活性污泥浓度不断的变浓，在量筒底部出现不高的浓集活性污泥层。

这种在量筒里观察到的现象，在实际的二次沉淀池中，就是明显地存在着澄清层、悬浮沉降层、活性污泥浓密压缩层、底流污泥层等层面。

一般设计计算二次沉淀池时，要考虑两个停留时间，即污水停留时间和活性污泥停留时间。

所以在设计二沉池的有效深度时，将这些层面简化为澄清层和污泥层，两层相加成为二沉池的有效水深。

在二次沉淀池中起浓密作用的是悬浮沉降层的活性污泥颗粒不断下沉传递给浓密压缩层，而污泥层随着时间延长而不断压密浓缩，最后形成底流污泥层。

显然这些层面的高度是随着进水流量、混合液浓度、排泥浓度、回流活性污泥量的变动而有所变动。

这些层面变动的客观事实在周边进水的二沉池表现为：活性污泥混合液进入二沉池后，由于悬浮液的浓度差，就形成了密度流。

而在二沉池中由于不断进入的混合液浓度与澄清层之间的密度总是存在的，所以密度流也总是存在的。

四、周边进水型二沉池的若干优越性
上述密度流所形成的环流现象显然给普通辐流式二沉池带来了问题，主要表现在：环流在出口处上升时会带走轻的细小污泥絮体，影响出水水质；沿底部的密度流又与日俱增刮泥方向相反，容易搅动起轻的活性污泥颗粒，影响沉淀效果；普通辐流式的沉淀池的进口在排泥斗的上方向，混合液进入池后，又是先降落到池底，这样就会造成部分混合液从排泥斗直接短路排出。

这些问题与密度流流速大小有关，流速越大越严重。

要控制流速，往往只有限制进水流量，也就是要控制过流率即水力负荷值。

由于这一原因，一
般辐流式的二次沉淀池要较大幅度地提高表面负荷是困难的。

提高二沉池负荷率的关键是要解决好上述密度流所引起的问题，改变普通辐流式二沉池内的水流流态是解决问题的主要手段。

对于普遍适用于大、中、小型污水处理厂的圆形沉淀池来说，采用周边进水、周边出水的辐流式二沉池是一个较好的办法。

周边进水沉淀池由于是周边进水比普通辐流式沉淀池中心进水流速小得多，其进水水流动能也低得多，因而有可能比普通辐流式沉淀池提高50%-100%水力负荷。

而它所形成的密度流流速仍然不会很大。

同时由于周边进水所形成的水流方向与刮吸泥机转动方向又大体一致，所以搅动起污泥和带走较轻活性污泥絮体的可能性都比较小，从而也有可能提高沉淀效率。

由以上探讨可见，周边进水沉淀池是一种值得推广的污水处理构筑物。

五、二沉池设计计算
二沉池是以沉淀、去除生物处理过程中产生的污泥获得澄清的处理水为其主要目的。

二沉池有别于其它沉淀池，其作用一是泥水分离（沉淀）、二是污泥浓缩，并因水量、水质的时常变化还要暂时贮存活性污泥。

通常处理系统的建设费用是和系统处理构筑物的容积大小成正比的，所以二沉池的设计计算是否合理，直接影响到整个生物处理系统的运行处理效果和建设费用的大小。

1．影响二沉池运行设计的几个主要因素
二沉池运行过程中的影响因素很多，其中有些因素甚至是相互矛盾的。

在沉淀过程中的影响因素有：（1）污水：流量、水温；（2）沉淀池：表面积和出流量、池高度、溢流堰长度地点和负荷、进水形式、池型、污泥收集系统、水力条件、水波和自然风影响；（3）污泥：负荷、区域沉淀速度、污泥体积指数、硝化程度；（4）生物处理情况：活性污泥模式、BOD负荷；
在浓缩过程中的影响因素有：（1）污水：混合液流量；（2）池体：池表面积、池高、污泥收集系统；（3）污泥：沉速（ZSV）、SVI、混合液浓度和负荷、回流比、污泥槽高度。

欲获得满意的二沉池运行效果，就必须适当的满足二沉池运行的诸多的条件，就目前研究的情况，设计中主要考虑因素有如下几点：
（1）活性污泥的沉降性能
在生物处理系统中，活性污泥的特性，特别是污泥的沉降性能，直接影响着二沉池的工艺设计与运行。

衡量活性污泥沉降性能的参数有二个：一是污泥指数SVI（mL/g）；二是污泥沉降比：SV%。

SVI的物理意义是：曝气池出口混合液经30min静沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积（mL）。

SV%又称30分钟沉降比，混合液在量筒内静置30 分钟后所形成的沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率。

SVI、SV%与混合液污泥浓度MLSS（g/L）之间有下列关系：
SVI=SV / MLSS （mL/g）（1-1）
或SV=SVI×MLSS （mL/L）
SVI值能反应出活性污泥的凝聚、沉淀性能，过低说明泥粒细小，无机物含量高，污泥缺乏活性；过高则说明污泥沉降性能不好，并具有产生膨胀现象的可能。

其沉降性能一般区别如下：SVI< 100 沉降性能好；
100 < SVI< 200 沉降性能一般；
SVI > 200 沉降性能不好。

从式（1-1）可看出：要想获得适当的SVI值，则需在设计时选用适当的污泥浓度（MLSS）值，当进入生物反应器中的有机物量一定时，污泥浓度愈高，则污泥负荷（F/M）愈小，所以在设计时必须正确选择污泥负荷(F/M)。

污泥浓度（MLSS）、污泥负荷（F/M）与曝气池体积（V）之间有下列关系：
F/M= Q·S0/V·MLSS
式中: Q —污水流量(m3/h)；
S0— BOD5浓度(kg/m3)；
V —曝气池体积m3。

其它同前。

在设计中一般根据污泥负荷（F/M）选择确定污泥指数（SVI），此数据一般采用运行值或试验值，可根据表1选取，混合液污泥浓度可根据处理工艺从表2中选取。

对大多数废水, F/M在下述范围内: 0.3<F/M<0.6。

（2）回流污泥、回流比、回流污泥浓度、浓缩时间
在生物处理系统中必须保持足够且恒定的生物群体，因此在二沉池中所沉淀的生物固体（污泥）一部分必须返回到曝气池，另一部分从二沉池中排放掉。

返回到曝气池的生物量，是用来维持系统所要求的污泥浓度，降解进入系统中的有机物质。

有机物越多，需要的生物量越大，要想维持系统所要求的污泥浓度，就必须保证回流污泥的量。

在生物系统物料平衡中有如下关系式存在：
X= X r·R/(1+R)
式中：R ---污泥回流比%；
X r---回流污泥浓度kg/m3；
X ---混合液污泥浓度MLSS kg/m3
由此式可看出:（1）想要得到预期的X（MLSS）值,就必须保证有一定的回流污泥浓度和回流污泥量；（2）X<Xr。

回流污泥量，一般用回流比控制。

对于平流式和辐流式二沉池一般采用R≤1.5;竖流式沉淀池R≤2.0，因为较大的回流比会加大二沉池分离区紊动程度，而影响沉淀过程。

回流污泥浓度在很大程度上与活性污泥的性质和二沉池内污泥浓缩条件有关，活性污泥的浓缩性能不仅取决于SVI，还受到浓缩区高度、停留时间的影响。

浓缩区的高度和停留时间与下列因素有关：固体负荷；二沉池进、配水方式；刮泥机种类与性能；污泥回流量及二沉池的池型等。

在我国一般认为，混合液在量筒中沉淀30min后形成的污泥浓度基本上可代表混合液在二沉池所形成的污泥浓度，也即为回流污泥浓度。

回流污泥浓度（X r）与SVI之间有下列关系：
X r=r·106/SVI （mg/l）
式中的r是考虑污泥在二沉池中的停留时间、池深、污泥层厚度等因素有关的系数，一般取1.2左右。

德国在二沉池竖向设计中研究较多，并提出了二沉池底流污泥浓度（X B）与浓缩时间（t E）之间的关系式：
X B=(103/SVI)·(t E)1/3（kg/m3）
式中：SVI—污泥指数（L/kg）；
t E—污泥浓缩时间（h）。

由此式看：污泥浓缩时间越长，底流污泥浓度则越高，回流污泥浓度越高，回流比R则可越小；另一方面活性污泥在二沉池浓缩区和刮泥区的停留时间应尽可能短，以免二沉池内污泥中的磷再次释放以及因脱氮而造成的污泥上浮现象。

但是要精确的确定最佳浓缩时间和影响系数，还要做大量的研究工作。

浓缩时间的确定对二沉池的计算特别重要，设计可根据表3经验数据选取:
回流污泥浓度因受刮泥系统的影响,其浓度一般低于底流浓度,其减少值与所采用的刮泥系统有关。

采用刮泥时：X r≌0.7X B
采用吸泥时：X r≌0.5-0.7X B
以上二式适用于机械刮吸泥式二沉池。

（3）污泥体积负荷和表面负荷
污泥体积负荷（q v）和表面负荷q′是设计计算二沉池表面积的参数。

二者有如下关系：
q′=q v/(MLSS×SVI)
在处理水量一定时，沉淀池表面面积与表面负荷成反比,A =Q/q′，为了保持较低的出水SS值和BOD 值,我国《室外排水设计规范》GBJ14-87(1997)中规定活性污泥法二沉池表面水力负荷1.0-2.5m3/(m2.h) ，德国对水平流态的二沉池（平流、辐流二沉池）规定：q′≯1.6 m3/(m2.h)；q v≦0.45m3/(m2·h)，对竖流式沉淀池，因存在着污泥层的过滤作用和活性污泥的絮凝作用，污泥体积负荷较大q′≯2.0 m3/(m2.h)、q v≦0.6m3/(m2·h)。

2．目前国内二沉池常用计算方法
（1）二沉池表面积计算方法
计算二沉池沉淀部分水面常用方法有表面负荷法和固体通量法，固体通量法在理论上与污泥浓缩过程更为贴切，更是用于浓缩池的计算。

在许多沉淀池的设计计算中，依据试验测得的污泥沉降曲线给人以精确和复杂的印象，但对于大多数的设计来说，并没有条件对处理工艺所生成的污泥进行沉降试验，因此二沉池的设计一般都采用经验值。

一般设计中沉淀池的面积确定在我国简化为A =Q/q′，《室外排水设计规范》中不仅规定了表面水力负荷值，而且规定了二沉池的径深比。

英国WRC出版的TR11和TR144(STOM用户手册)对于面积计算都很简单，且为工艺核查提供了图表，使沉淀池面积计算大为简化，同时，此表格还是一种比较沉淀池运行情况的方法，通过表格也可清楚的看到沉淀池微小变化影响着MLSS和SVI。

（2）二沉池的高度设计
我国目前《室外排水设计规范》规定，沉淀池的有效水深宜采用2-4米，设计手册和教科书对二沉池高度设计，只作了二沉池有效水深和二沉池污泥区容积计算二项描述。

有效水深按沉淀时间计算，一般沉淀时间取1-1.5h。

而污泥区容积按2h贮泥量计算。

事实上这一规定是无法进行二沉池高度的详细计算的，例如：污泥区与池边高度的关系。

国内某些设计研究院对辐流式二沉池总高度计算采用：超高、有效水深、缓冲层高度、刮泥板高度、
沉淀池底锥体部分高度之和。

其中有效水深计算沉淀时间一般采用3小时，水力表面负荷采用我国设计规范所规定的1-1.5m3/m2.h。

缓冲层高度取0.5米。

（除去池底锥体部分高度，其它均为池边深度）在生产运行中取得良好效果。

英国WRC设计最大的缺陷同样是缺少沉淀池的高度数据，但在欧洲一般采用德国ATV（污水处理协会）高度分区方法加以补充。

德国ATV制定的设计规范（A131）规定的二沉池深度计算，把二沉池深度方向按其作用分为4个区：清水区、分离区、储存区、浓缩及刮泥区。

a.清水区（h1）
为安全保证区，减轻风、密度差、溢流堰对污泥絮体的抽吸作用和不均匀界面沉降等不可避免的影响因素。

h1 = 0.5m
b.分离区（h2）
混合液在分离区泥水分离，该区存在絮凝和沉淀二个过程，分离区的沉淀过程会受进水的紊流影响。

分离区计算停留时间0.5h。

计算公式：h2 = 0.5·Q max(1+R)/[1-(SVI×MLSS)](m)
式中：SVI——污泥指数（m3/kg）；
MLSS—混合液悬浮固体浓度（kg/m3）
R———回流比（%）；
Q max——污水设计流量（m3/h）
c.储存区（h3）
作用是在雨季储存污泥，以免曝气池中污泥浓度大幅度下降，造成处理效果下降，储存区与分离区是连续一体的。

储泥区所储存的污泥可保证雨季曝气池中污泥浓度不低于旱季污泥浓度的70%，其差值
ΔMLSS=0.3MLSS。

储存区的大小，应满足雨季时在1.5h内能接纳从曝气池内多流出的污泥量,污泥体积浓度按500L/m3计（经验数据），在此期间，污泥在储存区进行浓缩，并分布于整个二沉池面积上，二沉池污泥量的增加量为：
ΔN=ΔMLSS·SVI·Q max·(1+R)·1.5 (L)
ΔN的体积V3 = ΔN／500 (m3)
h3 = 0.45·q v·(1+R)/500(m)
式中：500L/m3 —污泥体积浓度。

ΔMLSS—污泥浓度变化值 = 0.3MLSS(kg/m3)
SVI——污泥指数（L3/kg）；
q v——污泥体积负荷(L/m2·h)；
q v =q′·MLSS·SVI。

d.浓缩及刮泥区（h4）
浓缩区是保证污泥底流浓度的区域。

h4 = q v·(1+R)t E/C (m)
式中：t E—浓缩时间h,一般0.5-2.0h；
C—浓缩区污泥浓度值(L/m3)；
C = 300·t E+500
浓缩区内污泥可视为由一层层的等浓度层叠加在一起的，该浓度为单层浓度的平均值，单层浓度为C n =(103/SVI)·(t E)1/3。

二沉池总深度 h = h1+ h2+h3+ h4 (m)对辐流式二沉池计算总池深为其水平流程2/3处的池深,如图1所示。

同时还应满足池边深度h min≥2.5m,计算总池深h≥3.0m，中心斗边深度h max≥4.0m。

3.配水槽的设计
设计好周边进（出）水沉淀池的关键是保证配水均匀，设计好配水渠（槽），达到理想的运行效果。

配水渠（槽）的设计包括原水沿池周的配水槽和澄清水的环行出水槽及由澄清区的导流板与池底形成的布水区。

前者可以根据水流特征进行正确的设计计算，后者可以通过构造设计来满足要求。

一般说来，配水槽为矩形，设计是通常按一点进水分两边环行配水，槽内由于沿线均匀布水，流量逐渐减少，若槽宽度为定值，水流断面面积仅与水深有关，整个配水槽属棱柱体，水流特征属非均匀流，因过水断面沿程变化是缓慢的，属缓变流。

为此，应采取临界水深进行设计计算。

六、结论
二沉池是目前活性污泥系统中使用最广泛的构筑物，周边进（出）水型二沉池比其它二沉池有优越性。

二沉池的设计计算在我国乃至世界范围内，都存在着不同程度的理论和实际上的不完善，还需进一步的研究探讨。

辐流式二沉池竖向设计计算方法建议采用一下二种方法：
（1）德国分区计算法计算，我国规范数据校核；
（2）用上述某设计院计算方法计算，按我国设计规范规定深度与德国深度规定相结的方法进行校核。

配水槽的设计宜采用临界水深进行计算。