沉淀池是污水处理厂中占地面积最大的构筑物, 为了节约污水处理厂占地面积, 沉淀池的优化设计与布置至关重要。

　　 高浓度活性污泥法 (ZL 200810066 6572) , 是指活性污泥浓度高于6 g/L (GB 50014-2006《室外排水设计规范》中推荐的最高活性污泥浓度) 的活性污泥法污水处理工艺, 具有显著优于其他活性污泥工艺的处理能力^[1,2,3]。随着系统污泥浓度的增加, 污泥沉降性能会迅速下降, 虽然解决的途径很多^[4,5], 但采用沉淀池无疑是最经济最简便的方法, 这就需要提高沉淀池的沉淀能力。

　　 多层平板单元组合沉淀池技术, 通过在沉淀池中增加平板的方法, 增加沉淀面积, 从而提高沉淀池的沉淀能力。可以直接减少沉淀池面积, 并通过高浓度活性污泥法缩小生化系统面积。

　　 2015年7月～2017年4月, 多层平板单元组合沉淀池 (ZL 201510256487.4和ZL 201520325653.7) 中试研究在昆明经济技术开发区水质净化厂 (倪家营污水处理厂) 进行。由于准备将静置沉淀试验中的污泥沉降速度, 视作无平板沉淀池的表面水力负荷, 作为平板沉淀池中试运行的背景值, 故进行了大量的静置沉淀试验, 逐渐发现了静置沉速的不确定性。

　　 2015年9月, 进行预备性的静置沉淀试验, 混合液取自污水处理厂储泥池。

　　 2015年9月～2016年1月, 中试第2～5次试验期间, 静置沉淀试验持续进行, 混合液取自中试装置混合池。随着试验的深入, 发现并开始探讨静置沉速的不确定性。

　　 2016年1月, 中试第6次试验期间, 针对静置沉速的不确定性, 利用更大的、不同直径和高度的容器, 进行静置沉淀试验。

　　 2016年3月, 中试第7次试验期间, 为了定量分析静置沉速的不确定性, 进行不同液柱直径 (液柱高度相同) 和不同液柱高度 (液柱直径相同) 的静置沉淀试验。至此, 确认静置沉速存在严重的不确定性, 不能作为平板沉淀池的背景值, 静置沉淀试验结束。

　　 静置沉淀试验历时半年有余, 共拍摄沉淀照片6 834张, 得到1 415条沉降曲线及其沉速数据。

　　 静置沉淀试验主要采用2 000 mL玻璃量筒作为沉淀柱, 直径约9 cm, 高约43 cm, 液柱直径8.8 cm, 液柱高度33.34 cm。

　　 污泥取自中试装置混合池的混合液。如果混合液污泥浓度低, 则先在量筒中沉淀1次, 得到浓缩的污泥。再将不同数量的浓缩污泥, 分入各量筒, 然后注入上清液或中试装置出水, 稀释成不同的浓度。10只不同浓度的量筒, 先用曝气搅拌均匀, 然后关闭曝气, 取出曝气砂头, 各柱同时开始沉淀过程。沉淀过程, 用电子相机拍照、保存。

　　 静置沉淀照片, 事后反复从容判读, 减少判读误差。判读完成后, 每只量筒和各容器的沉淀过程, 都可以得到1条沉淀过程曲线, 1次静置沉淀试验可以得到10条沉淀过程曲线。

　　 每条沉淀过程曲线都有一段近似直线的线段, 其斜率为整条沉淀过程曲线中斜率的最大值, 该斜率即为静置沉速。为了便于得到该近似直线段, 沉淀过程曲线图中还画出了曲线的斜率曲线, 其最大值附近, 提示着近似直线段的出现。

　　 关于静置沉速的不确定性, 首先发现的是其分散性。

　　 中试第2～5次试验期间, 曾为了提高静置沉淀试验的污泥浓度而进行事先浓缩, 共进行了35次。每次利用同样的量筒, 采用同一混合液, 同样浓度, 同样试验条件, 在同一次静置沉淀试验中同时进行沉淀, 这些完全相同条件下得到的静置沉速数据, 除试验误差外, 应该基本一致, 但实际情况却是相当分散, 见图1。

　　 由图1可见, 其中的每条竖线上的数据点, 描绘的是完全相同条件下静置沉速。短线少, 长线多, 表明静置沉速的分布相当分散。

　　 中试第5次试验期间, 偶然发现, 口径较大的烧杯和桶里的沉速比量筒更快。该现象显示出, 容器大小可能对静置沉速具有一定的影响, 为此, 专门进行了测试。系列试验的试验容器如表1所示。

　　 为了探讨容器大小对静置沉速的影响, 静置沉淀采用不同大小容器, 包括量筒、烧杯、小塑料桶和大塑料桶, 其液柱直径和液柱高度见表2。混合液取自中试混合池。试验结果见图2。

　　 由图2可见, 容器大小对静置沉速的影响的确很大。在污泥浓度很高 (13 859 mg/L及以上) 时, 不同容器实测的污泥沉速, 都很小, 差别也相对较小。而在污泥浓度稍低 (13 204 mg/L及以下) 时, 不同容器实测的污泥沉速, 大小相差可达一倍以上。显示出的确容器越大, 则沉速越大。

　　 为了探讨液柱高度的影响, 进行了液柱直径相同而液柱高度不同的静置沉淀试验, 液柱直径和液柱高度见表1中不同液柱高度试验。

　　 混合液取自中试混合池。试验结果见图3。

　　 由图3可见, 液柱高度对静置沉速的影响也很大。在污泥浓度较高 (8 655 mg/L) 时, 不同高度实测的污泥沉速, 都很小, 差别也相对较小。而在污泥浓度较低 (3 644 mg/L和5 566 mg/L) 时, 不同高度实测的污泥沉速, 大小相差可达数倍。显示出的确高度越大, 则沉速越大。

　　 中试第6次试验期间, 进一步深入考察系列容器对静置沉速的影响, 包括量筒和4个不同大小的不锈钢桶锅, 继续考察容器对静置沉速的影响。试验容器的液柱直径和液柱高度见表3。

　　 混合液取自中试混合池。试验结果见图4。

　　 由图4可见, 在污泥浓度很高 (19 605 mg/L) 时, 不同容器实测的污泥沉速, 都很小, 差别也相对较小。而在污泥浓度较低 (8 803 mg/L及以下) 时, 不同容器实测的污泥沉速, 大小差距明显。

　　 容器大小对静置沉速的影响得到再次证实, 显示出的确容器越大, 则沉速越大。即使容器已经大到60 cm, 沉速随容器增大而增加的趋势, 仍然存在。

　　 2016年3月5日～24日, 中试第7次试验期间, 为了定量考察静置沉速与液柱直径及液柱高度的关系, 专门进行了系列静置沉淀试验。

　　 试验容器同前, 只是不同液柱直径的静置沉淀试验中的液柱高度相同, 均为27 cm。

　　 混合液取自中试混合池。试验结果见图5。

　　 试验结果仍然是, 液柱直径越大或液柱高度越大, 则静置沉速越大。

　　 根据试验结果, 计算了静置沉速对液柱直径和液柱高度的变化率, 见图6。

　　 由图7可见, 在污泥浓度较低 (5 000 mg/L及以下) 时, 静置沉速对液柱高度的变化率很大, 并迅速下降, 而对液柱直径的变化率很低, 但逐渐上升, 表明此时液柱高度的影响比直径大得多。

　　 在污泥浓度较高 (5 000～10 000 mg/L) 时, 二者接近, 均逐渐下降, 但对高度的变化率降低得快, 而对直径的变化率降低得慢, 表明此时液柱直径的影响比高度更大。

　　 在污泥浓度很高 (10 000 mg/L及以上) 时, 二者均趋近于0, 表明此时高度和直径的影响均很小。

　　 2016年3月, 前述中试第7次试验 (无平板) 期间的静置沉速与当时中试运行的临界表面水力负荷见图7。

　　 由图7可见, 在同样的污泥浓度条件下, 静置沉速与无平板沉淀池的临界表面水力负荷并不相等, 前者低于后者很多, 特别是在浓度较高 (5 000 mg/L以上) 的时候。

　　 究其原因, 则是由于中试沉淀池比静置沉淀试验的容器大得多, 按照液柱高度越大, 或液柱直径越大, 则静置沉速越大的规律, 故等于液柱为中试沉淀池的静置沉速的临界表面水力负荷, 当然比静置沉淀试验的静置沉速大得多。因此, 静置沉速, 不能代表普通沉淀池的临界表面水力负荷。

　　 在静置沉淀试验中常常观察到液柱中出现一些没有污泥的奇怪空洞, 见图8。随着沉淀过程的进行, 这些空洞将逐渐缩小, 并最终被压缩、消失。空洞的形成和维持, 使得泥面较高, 静置沉速较小, 反之亦然。空洞可能瞬间坍塌, 此时泥面会迅速下降, 静置沉速突然变大。空洞的形成、维持和坍塌, 具有很强的随机性, 造成了静置沉速分散性。容器的底部支撑作用和边壁阻滞作用, 是空洞出现的原因。容器底部的支撑作用, 使得污泥颗粒在沉降过程中可以互相支撑, 从而在污泥层中形成许多不规则的空洞, 并有利于空洞的维持。容器边壁的阻滞作用, 对污泥施加了向上牵引的力, 使得污泥颗粒相互牵连, 在污泥层中形成许多不规则的空洞, 并有利于空洞的维持。

　　 较小的容器, 底部和边壁的影响更强烈, 有利于这些污泥层中的不规则空洞的形成和维持, 故使得静置沉速较小, 而较大的容器则正相反, 故容器越大, 静置沉速越大。随着液柱高度的增加, 底部的支撑作用减弱, 同样, 随着液柱直径的增加, 边壁的阻滞作用减弱, 都会使得空洞难以形成和 维持, 故液柱高度越大, 液柱直径越大, 则静置沉速越大。

　　 本试验发现了静置沉速的不确定性, 包括:静置沉速的分散性, 同样条件下的静置沉速分布相当分散;静置沉速与试验容器的相关性, 液柱高度越大或液柱直径越大, 则静置沉速越大。

　　 包括:污泥层中空洞的形成、维持和坍塌的随机性, 是造成静置沉速分散性的根本原因;较小容器的底部支撑作用和边壁阻滞作用较强, 有利于空洞的形成和维持, 较大容器则相反, 故液柱高度越大或液柱直径越大, 则沉速越大。