带有新型絮凝装置的沉淀设备是一种结合了絮凝、沉淀技术, 单独设置过滤单元的给水处理设备, 是一体化净水设备的发展方向之一^[1]。在实际应用中发现目前已有的螺旋斜板一体化净水设备^[2~4]存在整体高度较高, 安装运输不便, 以及絮凝时间较短, 沉淀区布水不均等问题。

　　 带有新型絮凝装置的沉淀设备将同向流螺旋斜板沉淀技术^[5]、新型絮凝技术相结合。其外环絮凝区与中心絮凝区通过过水通道相连接, 不仅增长了絮凝时间, 强化了絮凝效果, 而且使设备在降低整体高度的同时, 依然能够满足各项技术指标, 便于加工、运输与安装。

　　 设备在重庆市某水厂进行连续运行试验, 以水厂配水井内原水为试验用水, 对带有新型絮凝装置的沉淀设备进行抗冲击负荷能力的试验研究, 探讨在连续运行下, 进水浊度与流量变化时, 该设备的处理效果, 以期为建立示范工程提供科学依据。

　　 试验装置如图1所示, 装置主要分为外环絮凝区、中心絮凝桶及中环沉淀区3部分, 设计水量240m³/d。外环絮凝区被竖向挡板平均分为8格, 原水在其中上下翻转, 每格设置3层网格, 每格空塔流速均为0.026 m/s, 孔口流速从0.295 m/s到0.096m/s依次减小。中心絮凝桶分为不同直径的两段, 分别设置单层网格, 空塔流速分别为0.010m/s、0.006 m/s, 相应孔口流速为0.067 m/s和0.056m/s。外环絮凝区出水通过设置在沉淀区底部的过水通道进入中心絮凝区, 总絮凝时间约15min。该沉淀设备表面负荷为32m³/ (m²·h) , 沉淀区螺旋斜板均匀布置, 板间流速6.36mm/s。沉淀区出水由斜板间集水孔收集, 从出水管统一排出。以上设计参数均满足规范要求。

　　 试验场地在重庆市某水厂, 所用原水均来自其配水井, 该厂原水由长江铜罐驿提水工程从长江取水, 提升至马家沟水库, 然后自流进入水厂。试验期间原水水质具体如下:水温23~29℃ (均值为26.5℃) , pH6.5~7.8 (均值为7.1) , 浊度20.71~82 NTU (均值为56.09 NTU) , COD_Mn2.65~3.95mg/L (均值为2.54 mg/L) , UV₂₅₄0.032~0.083cm^-1 (均值为0.061cm^-1) 。

　　 采用分段试验的方法, 连续运行条件下, 分别研究进水浊度及进水流量的变化对带有新型絮凝装置的沉淀设备净水效果的影响, 设计流量下设备排泥周期。所用絮凝剂为聚氯化铝 (PAC) 。

　　 当进水流量为240 m³/d时, 改变进水浊度与PAC投加量, 设备对浊度、UV₂₅₄、COD_Mn的去除效果如图2所示。

　　 由图2可知, 当进水浊度小于50NTU时, 随着投药量的增加, 浊度去除率从75.36%增大到97.12%。当投药量为8 mg/L, 去除率达到93.25%之后, 原水浊度和投药量虽均有所增加, 但出水浊度和浊度去除率未再发生明显变化。由于浊度的急剧增加, 原水中UV₂₅₄由0.032cm^-1升到0.083cm^-1, COD_Mn由2.65 mg/L升到3.95 mg/L。对COD_Mn、UV₂₅₄的去除率随着PAC投加量的增加而逐渐增大, 最终COD_Mn的去除率稳定在50%左右, UV₂₅₄的去除率稳定在40%左右。综上可知, 本次运行试验中当原水浊度低于50NTU时, 最佳投药量在8~10 mg/L范围内;当原水浊度在50~100NTU时, 最佳投药量在10~15mg/L。

　　 在中西部乡镇地区, 用水量随季节变化明显, 存在春季、冬季用水量小, 夏季、秋季用水量大的问题。本次运行试验中考虑这个现实性情况, 在进水量分别为192m³/d、240m³/d、288m³/d的3种工况下各自连续运行20天, 验证设备对浊度、UV₂₅₄及COD_Mn的去除效果。在连续运行期间, 投药量在设计流量下的最佳投药区间。

　　 不同进水流量下设备对浊度的去除效果如图3所示。可知在3种进水流量下, 平均进水浊度分别为57.10NTU、53.42NTU、57.74NTU, 沉淀池出水平均浊度分别为2.17 NTU、2.07 NTU、2.76NTU, 去除率在93.54%~97.39%, 平均去除率分别为96.07%、96.11%、95.10%。随着进水流量的增加, 内外絮凝区、沉淀区水力负荷随之增加, 这会导致絮凝时间缩短, 絮凝不彻底, 沉淀不充分, 进一步导致出水浊度升高。但在本试验中, 3种流量下出水浊度变化较小, 可能原因是设计絮凝时间较长, 且强化网格形成大量微涡流, 增加了絮体之间碰撞几率, 使絮体成长快速而充分, 沉淀时泥水分离效果较好, 最终出水浊度能够保持在3NTU以下。

　　 不同进水流量下设备对UV₂₅₄、COD_Mn的去除效果如图4所示。可知在上述进水流量下, 平均进水COD_Mn为2.65 mg/L、2.59 mg/L、2.39 mg/L, 出水平均COD_Mn分别为1.47 mg/L、1.54 mg/L、1.54mg/L, 平均去除率分别为44.19%、40.26%、35.24%, 出水COD_Mn均小于2 mg/L。进水平均UV₂₅₄为0.063cm^-1、0.061cm^-1、0.058cm^-1, 出水平均UV₂₅₄分别为0.037cm^-1、0.037cm^-1、0.039cm^-1, 平均去除率分别为42.32%、38.93%、33.03%。UV₂₅₄与COD_Mn的去除率随流量增加而减小, 但是3种进水流量下, 出水UV₂₅₄、COD_Mn水质指标变化不大。总体来说, 在最佳投药量范围内投加PAC, 装置在设计流量、低于设计流量20%、高于设计流量20%下运行效果较好, 出水浊度能够保持在3NTU以下, 出水UV₂₅₄、COD_Mn变化较小, 说明设备对原水中污染物去除效能稳定, 抗流量冲击负荷能力较强。

　　 设备的排泥区呈漏斗形, 位于装置下方, 角度为45°, 泥渣依靠重力自动聚集到锥形排泥斗中沉积浓缩。

　　 为研究设备排泥周期, 在设计流量240m³/d下每天从9时至18时连续运行, 接连进行10天试验, 每天同一时刻对进出水取样, 实测并记录其浊度, 取平均值为该时刻浊度代表值。试验期间, 投药量在设计流量下的最佳投药区间, 周期内浊度变化如图5所示。

　　 由图5可知, 设备连续运行6h内, 在进水浊度波动不大的情况下, 出水浊度维持在2.1 NTU左右。15时至18时, 虽然进水浊度变化较小, 但出水浊度增加明显。可能的原因是, 此时污泥区泥渣浓度较大, 新形成的泥渣沉淀困难, 已沉淀泥渣在水流扰动下发生翻泥现象, 使水中悬浮物浓度增加。连续运行9h后, 出水浊度超过3NTU, 此时设备去除原水中杂质能力明显下降, 应当进行排泥。综上可知, 设计流量下, 设备排泥周期宜为9h。

　　 (1) 当原水浊度低于50NTU时, 最佳投药量在8~10mg/L;当原水浊度在50~100NTU时, 最佳投药量在10~15mg/L。

　　 (2) 当进水流量分别为192 m³/d、240 m³/d、288 m³/d时, 出水平均浊度为2.17 NTU、2.07NTU、2.76 NTU, 均小于3 NTU;出水平均UV₂₅₄为0.037cm^-1、0.037cm^-1、0.039cm^-1, 平均COD_Mn为1.47 mg/L、1.54 mg/L、1.54 mg/L, 说明设备在不同流量下连续运行时, 出水UV₂₅₄、COD_Mn变化幅度较小, 出水水质稳定。

　　 (3) 设计流量下, 进水浊度在50NTU左右时, 设备排泥周期宜为9h。

　　 (4) 该设备集混凝、沉淀功能于一体, 絮凝时间长, 絮体形成充分, 沉淀效果好, 能有效去除原水中的污染物。抗冲击负荷能力强, 拥有广阔的应用前景。