西安某净水厂原水为黑河水,一期规模40万m³/d,远期总规模100 万m³/d。 鉴于当地水源条件及用水量增长特点,避免设施闲置,一期工程混凝沉淀部分按两个阶段实施,即每阶段实施规模均为20万m³/d。本次混凝沉淀池施工图按20万m³/d设计。一阶段主要工艺流程如图1所示。

　　 在现有的大型水厂混合设施中,管道混合、机械搅拌混合是常用的2 种方式。该水厂若采用管道混合,水头损失较高;同时,水厂实际运行中不可能总是满负荷,当水量减少而达不到一定流速时,混合效果必然下降,运行控制条件较差。相比管道混合器,机械搅拌快速混合在混合效果、对水量水质的适应性上具有明显优势,但机械混合在以往工程中存在的问题主要有:① 基建投资较管道混合器高;② 设备维修工作量较大。 本设计综合比较以上2 种混合方式的特点,选用了机械混合方式。

　　 机械混合池和絮凝沉淀池合建,一期一阶段设计规模20万m³/d,共2座。每座机械混合池对应1座絮凝沉淀池。每座絮凝沉淀池通过前后设置的叠梁闸分成可独立运行的两组。

　　 每座机械混合池处理规模10万m³/d,由2格串联的混合池组成,单格平面尺寸L×B=2.8m×2.8m,池净深4.0m,水深H=3.5m,有效水深H≈1.35 m(上排式叶轮中心线到翻转隔墙的高度差);单格有效混合时间8.3s,总混合时间16.6s,速度梯度G约为618s^-1(20 ℃)。此外,如图2所示,机械混合池加药点选在叶轮的负压区。这种布置方式既达到药剂均布,又使得药剂与水流混合后在搅拌机的旋转作用下呈螺旋上升、翻转、下降,各方向传质强烈。

　　 折板絮凝池是国内20世纪80年代初开始广泛应用的高效絮凝工艺,其原理是运用折板缩放或转弯造成的边界层分离现象所产生的附壁紊流耗能方式,水流在絮凝池内沿程保持横向均匀,纵向分散地输入微量而足够的能量,有效提高了絮凝体沉降性能。这种池型对原水水量和水质变化的适应性较强,停留时间较短,并可相应节约絮凝剂剂量。本工程折板絮凝池设计特点如下。

　　 折板絮凝工艺各段流速和时间的选取是决定絮凝效果的关键。本工程第一段采用90°不锈钢相对折板,第二段采用90°不锈钢平行折板,不锈钢折板宽度为500mm,于各通道池壁预埋折板固定角钢。第三段采用钢筋混凝土平行折板。各段絮凝主要参数见表1。

　　 G值和流速的递减必须与折板絮凝工艺流程中絮凝体由小到大的形成过程相适应,比较符合实际控制范围且分布合理。本工程折板絮凝池总絮凝时间约22.8min,有效絮凝时间16.3min。

　　 西安某净水厂一期一阶段絮凝池设计规模20万m³/d,共2座,每座分2系列,单系列设计规模5万m³/d。2系列进水端与出水端均设闸门,每系列均可单独运行。每个系列有8个进出水通道,可以实现多点进水、多点出水,各通道底部预埋底部连通管。

　　 传统的多通道絮凝池竖井的布置构造复杂,水流方向迂回曲折,尤其是首段絮凝区的单个竖井净空狭窄,不仅易受到进水量变化的影响,而且折板安装难度较大,不易满足折板安装的高精度要求,致使实际运行中达不到预期的絮凝效果。西安某净水厂一期工程折板絮凝池采用多个单通道并联,每个单通道3 级串联,施工简易,精度高且能保证折板絮凝池均匀进出水(见图3和图4)。首先3级串联絮凝单元,各单元的形状、尺寸及折板布置形式一致,折板间距随设计G值变化的需要逐级调整。

　　 絮凝池内积泥是运行中常见的问题,通常絮凝池前段不积泥或积泥很少,往后积泥越来越多,一旦产生泥沙沉积将直接影响絮凝效果,所以不容忽视池底的排泥。 折板絮凝池池底四周抹坡,抹坡角度60°,以便污泥滑落。 折板絮凝池通过DN200穿孔排泥管及水力快开式排泥阀(带电磁四通阀),利用静压排泥至排泥渠;放空清洗时,先利用排泥管将泥水排至排泥渠至泥线处理,剩余池水通过DN200 放空管至厂区雨水系统。 为了减少折板絮凝池排泥水量,节约成本。 运行过程中应通过前段部分的排泥阀开阀的时间和后段部分排泥阀开阀的时间调整来摸索适合本工程的排泥阀开启时间及排泥间隔。如前段部分排泥开阀时间20s、40s,后段部分1min。

　　 在絮凝区与沉淀区之间设置过渡区的作用在于:①从絮凝区向沉淀区均匀布水;②降低Re数,使絮凝区所要求的紊流过渡到沉淀区所要求的层流。若合理布置流程即絮凝区流程,形成絮凝区向沉淀区的多点布水,同时降低末端流速,则可不设过渡区以节省混凝沉淀设备容积。本工程未专设过渡区,在絮凝区进入沉淀区处设穿孔花墙,将水流均匀分布于沉淀池整个断面上,最后一段流速为0.04m/s,Re数已很小,完全满足流态过渡的需要。

　　 (1)保留了平流沉淀段对水质变化的缓冲作用,由于平流沉淀段的除浊作用,斜管沉淀池所受冲击小,有利于系统功能的正常发挥,因而能保持出水水质的相对稳定。

　　 (2)允许一定程度的超负荷生产。

　　 (3)提高了沉淀系统的运行可靠性。平流沉淀段处理效率受絮凝药剂的投加量、混合质量等影响很大,而在平流沉淀段末端安装斜管后,即使平流段对水质或水量变化的反应不及时,由于斜管或斜板的沉淀效果,则对沉淀池出水水质的影响也不会很大。

　　 (4)建造斜管沉降系统后,沉淀池内的水力、水流条件发生有利于控制短流、紊流、密度流等的变化,减少了气温、风力等自然因素对沉淀效率的影响^[1]。

　　 为保证配水均匀,平流沉淀段进、出水端采用穿孔花墙配水,过孔流速约为0.088m/s。斜管沉淀池进水采用栅条孔进水,过孔流速约0.1m/s,出水采用穿孔集水槽自由出流,以保证出水均匀。

　　 通过总结国内运行良好的斜管沉淀池的运行参数,发现除上升流速外,对配水区起端水平流速的控制也很重要。如果配水区的起端水平流速过高,即使斜管沉淀池的表面负荷较低,其出水水质对负荷及积泥深度的变化也很敏感。为了保证沉淀效果,本工程配水区的起端水平流速宜控制在约0.02m/s。此外斜管区沿水流方向不能太长,否则斜管近远端流速相差较大。有研究表明^[2],当斜管长宽比L/B接近6时,配水区末端的斜管流量极小,配水极不均匀,本工程斜管沉淀池长宽比L/B约2.5。

　　 斜管沉淀池对悬浮颗粒去除效率高,因而池底污泥积累速度快,

　　 本工程斜管沉淀池采用穿孔排泥管排泥,沿水流方向设6个泥斗,每俩泥斗设一根穿孔排泥管,排泥管末端设快开排泥阀,可以单独控制每根排泥管。根据运行情况调整斜管沉淀池排泥时间间隔及排泥历时,时间间隔太短、排泥时间过长容易造成排泥不节能,时间间隔太长容易滋生摇蚊幼虫,因此实际运行中,需要两者兼顾。

　　 斜管沉淀池运行过程中,有一部分底泥沿斜管滑落到支撑梁,如果支撑梁设计不合理,会导致污泥长时间堆积,最终发生厌氧反应,泥质变轻、上浮,影响出水水质。为防止支撑梁处污泥堆积,本工程设计时支撑梁双侧做60°抹角,方便积泥滑落。

　　 (1)折板絮凝池运行时要注意折板前后液位平衡,如果出现液位差较大的情况,需采取措施避免折板单侧受压过大。

　　 (2)折板絮凝属于水力絮凝,当冬季降负荷运行时,为保证絮凝效果,应采取减少运行池数的方法来保证有足够的水头。

　　 (3)排泥问题。城市净水厂在制水过程中也消耗了很大一部分水量(一般占水厂总制水量的4%~7%)。随着我国水资源短缺问题的日益突出,减少水厂自用水量显得尤为重要。本工程实际运行后,应根据处理水量及水质进行排泥水减量化的试验研究,通过对水厂排泥水水质的分析和排泥水的减量化生产性试验,提出水厂各构筑物的节水排泥工况。