多角形无动力快速澄清池技术及应用
1 国内外水处理澄清池需求现状
1.1 国内外中水处理项目市场的需求
中水处理澄清技术在国外已应用于实践50年。如美 国、日本、以色列等国的水处理工艺等都大量采用了该 技术，在水澄清池技术方面积累了不少成功的经验。 我国自“七五”计划开始研究城市二级处理出水的 再澄清利用技术，从20世纪90年代末开始应用，目前已 经初步形成了一定的规模，但与发达国家相比仍有不小 的差距，中水主要还是用于居民冲厕、灌溉、景观用 水、洗车等，正在开发在工业和农业中的应用。目前， 北京、天津、青岛等缺水严重地区走在国内中水市场的 最前端，这些城市都把水澄清回用列入了城市的总体规 划。 例如北京城市总体规划要求，到2012年城区要将 16座污水处理厂提标改造建成澄清回用中水处理厂，再 生水回用率将达到50％。但要让中水流进百姓家，目前 的管线远远不能满足使用要求。北京因此计划近期在东 南四环地区铺设8条中水干线，将现有的管线逐步向东 南四环延伸，为沿线房地产开发、居民小区和绿化用水 提供可用水源。
1.2 国内经济形势有利于环保产业的发展
目前，随着城市化进程加快和人们生活水平提高，对水的需求增长较快，水处理的单元负荷与标准提升， 供水、污废水处理和中水回用处理项目大量建设，其中 中水已经成为新的水资源替代源，开发低碳高效、节地 型的水澄清新型环保装备势在必行。根据国家相关部委 的要求，至2011年全国还需新建600座大型城市污水处 理厂、3500座中型污水处理厂，36个省级城市2011年 底前必须实现90%污水回用（目前污水回用处理率不 到30%）；我国尚有92%的城市和98%的县城需建设 中水回用处理项目（不包含3万多个乡镇需建项目）。 由此可见，中水处理澄清池装备用地已经成为一个不 可忽视的新用地源，优化水澄清池型、开发节省占地 且节能高效的澄清池装备成为该研究领域的热点，这 对缓解水处理建设用地紧张，保障我国环保产业的健 康发展意义重大。
1.3 国内外澄清池使用现状
目前国内外的中水处理厂的澄清池装备有矩形平流 式池和圆形辐流结构式池型。其中以圆形居多，占处理 全流程工艺用地的30%～35%。圆形池虽具有水力特性 好、泥水澄清分离效果较好等优点，但不能充分利用圆 周以外的四角地面资源，刮泥机旋转容易产生涡流，来 水和药剂反应不充分，相邻布置需留有足够间隔空间， 占地面积大，同等占地面积处理水量小，建设投资大； 矩形池虽布局紧凑占地省，但桁车或链板式刮泥机运行 方式会导致池体两端存在死角，刮泥装置不能刮到池两 端，容易产生泥沙积存，池体过长容易造成泥体上浮现 象，刮泥效果不好。
圆形和矩形澄清池均存在有效容积率低、占地面积 大、处理水量小、澄清池的水力特性差、澄清出水效果 不够好、土建投资大、运行成本高、泥水澄清分离效果 不佳等不足，故不能从根本上彻底解决当前我国各行业 排放污水处理中水达标回用的问题。
2 快速澄清池技术研发
2.1 国内外澄清池现有技术
为实现污水的快速澄清，国内外较多采用将混合、 絮凝反应及沉淀工艺综合在一个池内的机械搅拌澄清 池，如中国专利2330649所述泥渣分离接触型澄清池 等，第一级混凝室反应水依靠可提升的提耙开启后进入 第二级混凝室反应，混凝反应不充分，后续澄清分离效 率不高，且运行成本大，澄清过程只有一次泥水分离， 水停留时间长，出水难以达到高要求。同时，此结构澄 清池底部因上部为封闭结构，施工困难，只能处理低浊 度水；中国专利2318216公开的高效沉淀池，为提高絮 凝效果将反应区外移，增大了占地面积，加大了投资和 造价，没有能充分发挥加速澄清池占地面积小的特点； 中国专利CN1669945公开的中置式澄清池采用二级分开 机械搅拌混凝，虽然可以避免操作带来影响混凝反应的 不足，提高混凝效果，然而旁置混合池，同样增加了占 地面积；在池体外增加一混合池结构不利于组合布置； 上方下圆澄清池，下部为适应旋转刮泥仍然采用圆形截 面，未能充分发挥上下正方形池型同等占地最大池容特 点，另外，经剧烈机械搅拌混凝反应后溢流进入澄清 池，对水的扰流较大，影响处理效率。
上述对机械加速澄清池的改进，都存在“顾此失 彼”现象，要么混凝反应不够充分，要么为满足混凝反 应增大了占地面积和投资成本；因而优良的混凝效果与 占地面积大的矛盾没有得到彻底解决，为实现快速澄清 所需占地面积还是相对较大。此外，它们还存在2个共 同缺陷：1）澄清分离均只有一次泥水分离，分离效率 低，相对停留时间长，只能处理低浊度水；2）由于受 现有圆形刮泥机技术限制，澄清池至少下部仍然要采用 圆形结构，虽然有人提出上部正方形下部圆形池结构， 仍不能充分发挥占地最大容积（同深度）效应，处理水 量达不到占地最小化，多池共建因不能共壁，也不能实 现投资最小化。
2.2 正方形（多角形）快速澄清池技术的研发
（1）总体思路
现有的澄清池体是上下全截面圆形池，若采用上下 全截面正方形池，不仅可以最大限度利用占地池容，而 且可达到占地最小化；当多池合建时，可以通过相邻共 用壁，使占地和投资都达到最小化；而且正方形澄清池 有更好的水力特性，能在澄清过程中使微粒或微絮体的 团聚增大，产生沉淀泥渣。辅以内置混凝反应室，采用 竖向相间波纹板，通过相间波纹板截面宽窄变化流道， 使水产生紊流，达到既产生絮凝反应效果，水流又相对 平稳，有利于进入澄清池后的快速泥水分离澄清，可较 好解决混凝反应与澄清同池设置时相互影响的矛盾。
根据该思路，采用中置圆或正方形（多角形）混凝 反应室截面，混凝反应室与混凝反应槽的水连通，相 间“人”字或倒“W”形涡流絮凝反应装置，经二级混 凝反应水，通过相间分开的“人”字或倒“W”狭缝上 升，由于流道截面由窄变宽的变化产生涡流，起到进一步絮凝反应，使已经微絮凝或还未絮凝颗粒进一步增 絮，从而强化了对微小颗粒物的分离效果，并且此涡流 絮凝反应相对更为平稳，不会影响澄清分离，不仅提高 了澄清分离效果，而且还提高了出水水质。此外，混凝 反应室下部设置导流扩散喇叭口，以增加进入澄清池布 水均匀度，并可使一部分已经形成的大泥渣絮体先行 沉淀。
（2）技术方案
上下全截面正方形（多角形）澄清池底不设置旋转 刮泥装置，依靠处理工艺运动过程及水自身压力，经加 药的处理水通过紊流装置产生紊流，长的流程及波动性 紊流使药剂与水充分絮凝反应，有利于减小水流阻力， 降低混凝反应槽及整个澄清池深度，降低工程造价；可 以产生“波动性紊流”，提高混合絮凝效果。水通过网 格紊流装置能够形成紊流产生絮凝，单一相间设置于混 凝反应槽，并采用相间网格，水通过各种形状网格肋形 成绕流产生涡流，既能产生混凝所需紊流，且水力半径 小，更有利于水中微颗粒旋涡运动，使微小杂质相互接 触增大聚凝颗粒；同时其阻力损失又小，通过自流进入 后续处理。环绕的混凝反应槽在池的外圈，长的混凝反 应流程更有利于混凝反应充分，将混凝反应槽纵向分 隔，可以有更长的混凝反应时间。混凝反应槽设置在澄 清池上部，主要是从节省占地考虑，使之既有长的优良 的混凝反应效果，又不增加占地面积。
相间“人”字或倒“W”形涡流絮凝反应装置。经 二级混凝反应水，通过相间分开的“人”字或倒“W” 狭缝上升，由于流道截面由窄变宽的变化产生涡流，起 到进一步絮凝反应，使已经微絮凝或还未絮凝颗粒进一 步增絮，从而强化了对微小颗粒物的分离效果，并且此 涡流絮凝反应相对更为平稳，又为澄清池能够产生三次 泥水分离创造了条件，提高出水水质。经絮凝反应后水 进入涡流絮凝反应装置下方，首先较大絮体沉淀分离， 而后进入反应装置形成涡流絮凝反应，上升流一方面与 来自上部斜板（管）分离区下滑污泥形成接触沉淀，另 一方面在此区域还进行澄清分离，从而显著提高了泥水 分离效果。
混凝反应室下部设置导流扩散喇叭口，以增加进入 澄清池的布水均匀度，使一部分大泥渣絮体先行沉淀。 由于组合了多种泥水分离技术于一体，在不增加占地面 积的情况下，可以实现二级混凝、一级助凝和一级絮凝 的多次混凝和絮凝反应，显著提高了絮凝效果和后续泥 水分离效率，不仅缩短了水力停留时间，增大了处理能 力，实现了快速泥水分离，而且多次絮凝出水水质好。 因此可以做到不需添加助凝药剂，也省略了投加设备， 节省了机械混凝运行费用。不增加占地面积的多级混 凝、絮凝反应，显著提高了泥水分离效果，处理能力适 应性强，表面负荷高，可以适应各种进水水质、水量变 化，耐水质水量冲击性好，出水水质优异，特别是无动 力、无疲劳运行节能特点，适用于中水处理及原水处理 和污水处理等工艺。
2.3 正方形（多角形）快速澄清池技术成果及技术特点 正方形（多角形）快速澄清池技术目前已获国家发 明专利（授权号：ZL200810242781.X）。其通过在正方 形（多角形）快速澄清池上部设环绕网格混凝装置，中 部设竖向波纹凝絮装置及中下部设倒W结构助凝与池下 部四角（多角）涡流碰撞实现多次水力学无动力反应分 离，利用池深进行底部水压排泥，体现节地低能耗高功 效水平。达到占地池容利用最大化和处理效果最优化， 提高处理水量25%，出水增效30%，节省运行费30%。 该设备的立面、平面示意图如下。
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正方形（多角形）快速澄清池的特点：1）在澄清池上部 外和/或内周，增设有混凝反应槽，使之有长的混凝反应时 间和高的混凝反应效率，又不增加占地面积；2）在澄清池 中部再增加一个絮凝反应装置，进一步使微小颗粒和/或 絮体增大，为多次泥水分离创造条件；3）原内置混凝反 应室机械搅拌剧烈混凝反应改为相对平稳的紊流混凝反 应，为快速澄清提供了条件。 上下全截面正方形（多角 形）结构池，不仅单池可增加面积27%，相邻合建至少可以 节约占地35%以上，所有单体构筑物为一体化组合，距 离相对变小，连接管渠变短，甚至单体构筑物之间只用 套管，水力损失减少，水泵功率扬程变小，节省总投资 25%；在池来水充分利用四角（多角）碰撞产生紊流，强化了混凝反应，水力特性更佳，池面至池底全截面均 为正方形（多角形）结构池型。
3 正方形（多角形）快速澄清池应用效果
目前，该技术已在安宁永昌钢铁有限公司污水处理 及回用水处理项目及太原市三兴集团焦化厂焦化污水处 理循环利用水两个项目中实施，处理达到的指标：节约 土地资源35%、增加处理水量28%、增加沉淀池水力特 性20%、降低投资总额25%、降低运行成本29%、提高 泥水分离效果20%、自动化程度提高20%、减少运行操 作人员40%、节省运行药剂36%、增加回收水资源20%、 节约运行电力能耗35%，每节约1度电，就相应节约了 0.4kg标准煤，减少污染排放0.272kg粉尘、0.997kg二氧 化碳、0.03kg二氧化硫、0.015kg氮氧化物。实现了占地 池容最大化、建设投资最小化、运行效果最佳化及污染 最小化。以上两个项目的单位运行时间都已在1年以上， 均达到预期的运行效果，得到了用户的好评。
4 快速澄清池产业化研发内容及方案
传统的澄清池为混合、絮凝反应及澄清分离沉淀工 艺分别在2个池内，搅拌提耙为半提耙或全开启状态， 易造成进水未经第一混凝室充分反应就直流上升至第二 混凝室反应不充分；混合、絮凝需动力搅拌。澄清过程 只有一次泥水分离，出水效果差，占地面积大。
（1）建立不同处理工艺澄清池最佳配置的模型， 研究产业化工程应用推广，实现节地最大化。通过对正 方形（多角形）澄清池用于不同处理工艺研究（供水/废 水/再生回用水处理），建立最佳配置的模型，连接管渠 管径、长度、高度、角度、流速变化、水力损失，以及 共用壁强度结构力学计算，为工程应用提供设计支撑， 从而实现节地最大化。进一步优化完善示范性应用与产 业化工程推广的研究。
（2）建立集成环绕混凝反应紊流和竖向相间波纹板 凝絮反应，及倒W结构涡流助凝反应与多种泥水分离结 合于一体的高效澄清池，减少水处理混凝反应池面积， 提高耐冲击负荷能力，降低运行费用。
通过创新设计组合多种泥水分离技术于一体的正方 形（多角形）澄清池，通过池壁上部内置有带紊流装置 的环绕混凝反应槽及内置竖向相间波纹板混凝反应室， 利用水力学实现无动力混凝；澄清池中下部相间“人” 字或倒“W”结构涡流絮凝反应装置，利用水力学接触 反应，实现多次泥水分离，提高澄清效果，澄清池内部 无需运行电耗，耐冲击负荷能力强，多池相邻组合设置 节省占地。
（3）通过建造快速澄清池成套装备综合实验及测试 平台，满足快速澄清池在各类水处理（供水/废水/再生回 用水处理）工艺应用提供技术支持保障。
5 结语
节约土地资源及节能是我国可持续发展的基本国 策，但现有的中水处理混凝沉淀工艺将混合、反应、澄 清等工艺单元分别设置在不同池体，占地面积大、工艺 流程长、机械搅拌能耗高。巨大的水处理项目建设将需 占用大量土地资源，水处理设施用地已经成为一个不可 忽视的新用地源。
随着水处理单元的负荷与标准不断提升，国内外水处 理建设市场巨大，每年约需1万套的澄清池装备，年产值约 50亿元人民币。因而开发节能（无动力运行）、节地、高效 快速澄清池装备将成为发展趋势。
无动力正方形（多角形）快速澄清池将环绕混凝反应 紊流、竖向相间波纹板絮凝反应“波动性紊流”、“人” 字或倒“W”结构涡流助凝及全截面正方形（多角形） 澄清池等技术巧妙结合，实现了无动力混凝和絮凝反应 及各工艺单元的一体化集成，具有抗冲击负荷能力强、 混凝效果好、出水水质优、低能耗、停留时间短、占地 面积小、建设投资少等特点。因此，快速澄清池项目具 有巨大的市场推广潜力。
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