水平管沉淀新技术的应用及工程实例
随着《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的实施，各地对水厂“提质达标”的工作越来越重视。在水厂中，固–液分离单元（如沉淀池、气浮池、澄清池）担负着80%~90%以上悬浮固体分离的作用，是主要的净水构筑物之一。固–液分离单元的高效稳定运行，可大大降低滤前水的浊度，减少滤池负荷，延长滤池反冲洗周期，保障出水浊度满足饮用水的要求。
沉淀技术在污水处理、工业水处理、石油化工等行业固–液分离的场合用途非常广泛，其基本原理相同，本文重点以净水工程为例，介绍九通水务研发的“水平管沉淀分离技术”（以下简称“水平管”）悬浮物沉淀分离的作用机理，并结合工程实例进行分析，以便各位同行使用和参考。
一、“水平管”的优势
基于“水平管”的重力沉淀池称为水平管沉淀池，通常的结构为矩形，在矩形池中组装也不会形成三角形过水死区，提高了池容的利用率。组成如图1所示。上部为安装水平管沉淀装置的沉淀区，下部为污泥区，前部为进水区，后部为出水区。经加药、混凝反应的原水流入沉淀池后，沿进水区整个截面均匀分配，进入水平管沉淀分离装置，澄清后的水缓慢地流向出水区。
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图1 水平管沉淀池示意图
水平管沉淀池具有平流式沉淀池的主要优点，稳定运行，抗冲击负荷能力强，操作弹性大，出水浊度低，是目前最接近“浅池理论”的沉淀技术。水在水平管内水平流动，悬浮颗粒受重力作用竖直下沉，悬浮颗粒接触水平管60°的管底后从排泥口滑入滑泥道，泥水即时分离，污泥很快从滑泥道掉入污泥区，有效地解决“浅池理论”排泥难题，水平管流态见图2。
沉淀区的水平管沉淀分离装置内水平管束组合规则排列，在极小的雷诺数和较佳的弗劳德数条件下，水在水平管束内流态为层流，沉淀效率高。
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图2 水平管流态图
水平管沉淀池水平流速采用7-14mm/s，一般采用10mm/s。有效沉淀时间采用3~5min，水平管沉淀分离装置的长度：10×60×3/1000=1.8m。包括进水区、出水区的长度，水平管沉淀池的长度为6m。而平流式沉淀池水平流速可采用10-25mm/s，一般采用15mm/s。停留时间为2h，长度一般为108m。两种沉淀池的有效水深一般都为3.0~3.5m，根据以上设计取值可以得出水平管沉淀池的宽度为平流式沉淀池的1.5倍。
由此可见，一般情况下水平管沉淀池池容为平流式沉淀池的 ，占地面积也为平流式沉淀池的9%。显而易见，采用水平管沉淀技术，可大幅度减少水厂占地面积和工程投资。
二、“水平管” 对浊度适应范围以及对含藻类、红虫原水的处理效果
水平管沉淀池良好的沉淀水力条件和很短的沉降距离，悬浮颗粒在较短的时间内能接触到管底。水平管沉淀分离装置内，水走水道，泥走泥道，泥水互不干扰，因此，相对于其他沉淀方式，“水平管”适应的浊度范围广，对密度接近水的物体（如藻类、红虫等）都有很高的去除率。这些有价值的结论，通过安装在珠海市拱北水厂内我公司的“水平管”装置所做的中试试验得到了逐一证实。
浊度适应范围试验：在参考文献［5］的论文中，我们已做了抗水力冲击能力的试验，证明“水平管”的抗水力冲击能力是很强的。在保持流量不变情况下，我们再做“水平管”浊度冲击试验。为保证进水浊度适应贴近真实，我们取用水源地的污泥，通过调节不同的进水浊度，连续运行了180天后，每2小时取一次样。得到了大量的实验数据，结果如下：当进水浊度10~144NTU时，出水浊度在0.5NTU以下；当进水浊度在144 ~1100NTU时，出水浊度在3.0NTU以下。可见水平管沉淀池抗进水浊度冲击能力强。试验期间的进出水浊度参见图3。
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图3 水平管进、出水浊度
对含藻类原水处理的定性试验：含藻类的原水用常规重力沉淀的方法很难沉淀，我们根据水平管沉淀理论做了以下试验。往水平管沉淀池进水端加入含藻类原水，进水浊度约16NTU，持续稳定运行后，在水平管沉淀池的进出水口每隔1个小时取样，各5个样，将进出水样分别混合均匀，接入2个500ml透明干净样瓶中。将原水样瓶与出水样瓶放置在阳光充足的地方照射。经过近2个月时间，发现原水样瓶的瓶壁上有大量藻类出现，而出水样瓶的瓶壁上完全没有藻类痕迹。由于试验条件限制，我们只做了定性试验。今后计划做除藻的定量试验，以便了解水平管沉淀池的除藻效率。
对含红虫原水的试验：由于红虫活体在水中上下游动，在斜管、斜板、平流式沉淀池中很难沉淀，令某水司烦恼不已，应水司要求，我们尝试做了几次红虫的去除定性试验，意外发现效果很好，于是决定再做一次去除定量试验。2008年10月14日，“水平管”装置运行稳定后，分别三次往进水端加入1000条红虫，每次间隔1.5小时，每次加入之后用100目的尼龙网在出水口持续承接1h，出水口承接红虫分别有60、40、10条，红虫去除率分别是94%、96%和99%，说明“水平管”对红虫的去除率很高。
以上沉淀机理分析和试验结果证明了水平管沉淀分离技术比传统沉淀技术有不可比拟的沉淀效果，稳定性好、耐负荷变化强、应用范围广。
三、“水平管”在水厂的应用
水平管沉淀池，相当于若干层微分化的平流式沉淀池，具有平流式沉淀池的所有优点，但效率比平流式沉淀池高9~25倍。由于水平管沉淀效率很高，大部分悬浮物会在水平管沉淀分离装置前端1m处沉淀，泥斗积泥量较大，因此，要加大水平管沉淀池前端的排泥频率，最好配置自动排泥系统。
“水平管”可以运用于净水处理，污水处理、中水回用、高浊度的水处理及其它工业的悬浮物沉淀分离。以下重点介绍“水平管”在净水厂的应用。
新建水厂
新建的水厂采用水平管沉淀分离技术，可减少占地面积，降低建设成本和维护成本，运行稳定，出水浊度低。这样能减轻滤池负荷，延长滤池反冲洗周期，减少滤池反冲水量。
例如：建设一座水量1×104m3/d的自来水厂，采用斜管沉淀池，尺寸为L8.5×W8.5×H4.7m；而采用水平管沉淀池，尺寸为L5.5×W6.0×H3.0m。
如果沉淀池计算壁厚为300mm，水池占地面积沉淀池长度和宽度都以池外壁尺寸计算，斜管沉淀池占地面积为9.1×9.1=83m2，水平管沉淀池占地面积为6.6×6.1=40.3m2。水平管沉淀池占地面积为斜管沉淀池的49%，建设成本相对应的比斜管沉淀池低。
老水厂的改造
“水平管”可以应用于以下几种情况的水厂改造：
（1）水源为地表水，浊度波动很大（受凌汛、洪汛、夏季暴雨期等影响），藻类季节性地爆发，或受红虫、摇蚊幼虫等困扰。常规沉淀池不能满足要求，致使滤池出水水质下降。
改造措施：在保留原有主体构筑物的前提下，保留原有的排泥系统，拆除原有沉淀池的内部设施（如沉淀池中的斜管、斜板填料），加装水平管沉淀分离装置，改造出水区。必要时，还需对前后构筑物（如絮凝反应池、过滤池）和设备进行配套改造。
这样改造的土建工作量少，容易实施，投入产出比高，通常水平管沉淀池的出水浊度可降低到2NTU以下，大大减轻了滤池的负荷，提高了出水水质。
如图4所示，一座水量1.0×104m3/d的水厂斜管沉淀池改造为水平管沉淀池的示意图。
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图4 斜管沉淀池改造为水平管沉淀池
（2）水厂供水范围的经济快速发展，造成供水量严重不足。
改造措施：在保留原有主体构筑物的前提下，保留原有的排泥系统，拆除原有的沉淀池内部设施，增大进出水管道，加装水平管沉淀分离装置、改造出水区。
改造后，可大大提高沉淀率，以斜管沉淀池改造为例，处理水量比原来增大1倍。利用“水平管”对水厂改造挖潜不仅可提高产水量，还可提升沉淀池出水水质，降低沉淀池的维护成本。
例如：将一座水量2.5×104m3/d的斜管沉淀池改造为水平管沉淀池，如果前后工艺配套合理，水量可增大到5×104m3/d。
四、“水平管”的发展历程及工程实例
水平管沉淀分离技术从自主立项到实际的工程运行，历时近五年时间。通过综合分析平流式沉淀池、斜管（板）沉淀池、澄清池等的优缺点，经过多次试验，终于研发成功。主要经历了以下几个发展阶段。
2007年8月，“水平管沉淀分离装置”在深圳水务集团的国家863安全饮用水保障技术研究基地做试验；
2007年12月，“水平管沉淀分离装置”在珠海市拱北水厂中试成功；
2008年7月26日 “水平管沉淀分离装置” 通过了广东省科技厅组织的科技成果鉴定；沈大年、宋仁元等专家组成的鉴定委员会一致认为该项技术是沉淀工艺的一次重大创新突破，在技术上达到了国际先进水平。
2008 年9月18日 “水平管沉淀分离装置”获得国家创新基金；
2009年10月，“水平管沉淀分离装置” 获得国家发明专利；
2010年8月中旬，“水平管沉淀分离装置”在内蒙内蒙古巴彦淖尔市河套水务公司通水投入使用。8月21日，“水平管沉淀分离技术”工程项目应用现场会的成功召开，标志着此项技术成果实用化已具备实际工程范例。
以下为“水平管”沉淀分离技术在该项目的实际应用情况。
河套水务集团有限公司恒源供水公司（地址：内蒙古自治区巴彦淖尔市）原水取自黄河灌溉水，基本上达到《地面水环境质量标准》（GB 3838-2002)中的Ⅱ类水质标准，但原水含砂量大、浊度高，年平均浊度5000NTU，最大可达到7000NTU。以前供水主要采用渗渠取水，无其他净水措施，渗渠取水管易淤塞。
针对如此高浊度的原水，河套水务集团经过多方面调研，实地考察我公司的“水平管”中试装置，确信水平管沉淀分离技术对黄河流域的水处理的技术可行性，采用“水平管”建设一座新的水厂，处理水量1×104m3/d，处理工艺为“管道混合器+絮凝反应池+水平管沉淀池”。工艺流程图见图5。主要构筑物和设备如下：
絮凝反应池：
尺寸：L4.5×W7.0×H4.0m，数量：1座，絮凝时间：18min。
水平管沉淀池：
设计参数：水平流速采用10mm/s，有效沉淀时间为3.3min，
尺寸：L5.5×W7.0×H4.5m，
数量：1座，
进水区采用穿孔墙配水，通过穿孔墙将水流均匀分布于水平管沉淀池整个断面上。
出水区由孔板集水箱和集水槽两部分组成。出水经过孔板集水箱流进集水槽，孔板集水箱上开有若干个圆孔，使整个过水断面流速一致。孔板集水箱焊接在集水槽中央，集水槽与集水箱连接面开有进水口，使出水流速平缓，便于集水。
污泥区：水平管沉淀池设置4个排泥斗，污泥顺着倾斜的斗壁快速下滑并在泥斗底部聚沉，压缩污泥间隙水，减少污泥容积。每个排泥斗安装一根排泥管。设置污泥界面仪，可根据污泥的高度自动排泥，也可以手动排泥。
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图5 工艺流程图
行车式冲洗系统：“水平管”巧妙的结构设计，在运行中没有污泥积聚。由于该工程黄河原水的浊度高、黏性大，“水平管”也可能会像斜管沉淀池的斜管那样，管壁有少许结垢。为了减少劳动强度，进行不停水清洗，特意配套了行车式冲洗系统，冲洗过程出水浊度稍有提高，但不会影响正常供水。清洗工作时，通过电动减速机驱动，带动冲洗小车沿着铺设的2条钢轨往复运动。同时潜水泵抽取澄清水通过冲洗水管冲洗水平管沉淀分离装置。冲洗水管为2根成90°的不锈钢管，上面焊接喷头，在竖直和水平方向同步冲洗，以达到全方位清洗目的。该系统自动运行，方便管理。
该水厂于2010年8月17日投入运行，至收稿日期止，水平管沉淀分离装置排泥顺畅，无积泥现象，运行的水量、水质均达到设计要求，运行数据如下：
原水浊度：通常50~600NTU左右，峰值可达7000 NTU；
出水浊度：1NTU左右；
投加PAC的剂量在5~10mg/L，高浊度时需投加PAM。
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图6
新增运行中的日产1万吨“水平管”净水厂
五、“水平管”装置选型说明
尽管“水平管”是基于100多年前的“浅池理论”设计的，使用上也非常方便，但在设计理念上有独特到的创新之处，与传统的斜管（板）有所不同。
“水平管”装置矩形结构，工厂模块化生产，可组成任意的产水量，可因地制宜灵活安装，施工非常方便。根据进水水质浊度由低到高划分，“水平管”可分为A、B、C和D等4种不同规格。以浊度为500NTU以下的湖泊江河水为例，“水平管”应选A型， 下面以净水厂为例，作为“水平管”的选型参考。其他行业的水处理选型可与笔者进行交流。
“水平管”的主要设计参数：水平流速采用7-14mm/s，有效沉淀时间为3~5min。
已知条件
设计水量：Q=20000m3/d=0.231m3/s；为留有余量，水平流速通常取值ν=10mm/s=0.01m/s，有效沉淀时间为t=3min=180s。
设计计算
水平管沉淀池分n=2格独立运行。
每格水平管沉淀池的“水平管”装置横截面积：
A= m2
“水平管”装置的高度规格为1.0m、2.0m等整数倍，考虑到沉淀池的水深和排泥道的布置，高度h一般取2m，那么“水平管”装置宽度W= m。
“水平管”装置的长度L=υ×t=0.01×180=1.8m，取整数2.0m。
根据以上计算，处理水量Q=20000m3/d的水厂选用2套“水平管”装置，每套“水平管”装置尺寸为L×W×h=2×5.8×2m。
水平管沉淀池其他部分设计（如进水区、出水区、排泥），请参考给水排水设计手册与现行设计规范，在此不再赘述。
六、结束语
“水平管”是目前最接近“浅池理论”的沉淀技术，经过近5年的技术研发、中试和工程应用，日趋成熟和完善，1×104m3/d的工程成功应用，标志着此项技术成果已转化为工程范例，为该技术的进一步推广应用奠定了良好的基础。现已研发出配套的“水平管”自动化生产线，不久将投入工业化生产。 “水平管”有望逐步替代平流沉淀池、斜管（板）沉淀池，成为水处理的主流沉淀技术。
尽管“水平管”工程应用效果令人满意，还需做好相关运行数据的积累，不断创新，研究“水平管”对不同源水的适用性，尽快应用于更多的水处理项目。我们相信“水平管沉淀分离技术” 将会在全国乃至全世界得到广泛的应用！
特别鸣谢：中国科技部科技型中小企业技术创新基金管理中心、中国水协、广东省科技厅、珠海市科技局、深圳市水务（集团）有限公司、珠海市水务集团、河套水务集团等大力支持，还有“水平管沉淀分离装置”鉴定会宋仁元、沈大年等专家组成员一直以来的关心和支持。在此表示衷心的感谢。
参考文献：
［1］许保玖，给水处理理论，北京，中国建筑工业出版社， 2000.
［2］聂梅生等，水工业工程设计手册—水资源及给水处理，中国建筑工业出版社， 2
［3］中国市政院，给水排水设计手册，北京，中国建筑工业出版社，2001.
［4］严煦世主编 给水工程，第四版，北京，中国建筑工业出版社，1999.
［5］张建国、张良纯．水平管沉淀分离装置的研究．中国给水排水，2008,24（9）：47-51.
［6］张建国、张良纯．水平管沉淀分离新技术的研究与应用．第八届深港珠澳供水界学术交流会暨第五届海峡两岸水质安全技术与管理研讨会论文集，2009,10.28-29.
［7］“水平管沉淀分离技术” 工程项目应用现场会顺利召开，中国水星http://www.waterchina.com/main/Web/Article/2010/08/25/1705288593C99953.aspx
［8］“水平管沉淀分离技术”进入实用阶段，中国水网 http://news.h2o-china.com/html/2010/08/241282552242_1.shtml
作者单位：
陈球 张良纯 张建国：珠海九通水务有限公司（广东 珠海）
杨有禄：河套水务集团（内蒙古 巴彦淖尔）
（作者通讯地址：广东省珠海市梅华东路302号 电话：0756-2269599 公司网址：www.9tone.com） 收稿日期：2010-9-1）
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