侧向流翼片斜板沉淀池除浊规律的研究

李继震

　　摘 要：迄今为止人们只研究了侧向流翼片斜板沉淀池沿水平方向的除浊规律，而忽视了沿深度方向出水浊度的变化。文中重点探讨了沿深度方向出水浊度的变化规律，从而提出了能全面概括水平方向和深度方向的浊度变化的除浊数学模式，探讨了侧向流翼片斜板沉淀池的设计计算方法，斜板区长度和高度的选择，以及进水、出水、层间衔接等设计问题。

　　侧向流翼片斜板沉淀池具有独特的除浊机理和除浊规律。在生产实验和模型试验中发现，这种沉淀池的出水浊度，不仅沿着水平方向且在深度方向上也有很大变化。但是，迄今为止人们只对前者研究较多，而后者研究则未见报导。由于缺少对深度方向上浊度变化规律的研究，所以对其浊度规律的认识是不全面的，对出水浊度的推算与实际也有很大差别。文中对深度方向出水浊度的变化规律进行了探讨，从而提出了侧向流翼片斜板沉淀池的完全除浊规律。

1． 除浊规律与数学模式

　　对哈尔滨市三水厂30万m³/d的侧向流翼片斜板沉淀池（共6座，每池5m³/d）的除浊效果，进行了观察和测试。侧向流翼片斜板区长度7m，深度3.6m，分4层，斜板的底板距离9cm，翼片间距6cm，设计断面流速8mm/s，主流区流速24mm/s。
1.1 水平方向的除浊规律
　　生产实验中，在斜板区沿水流方向的不同长度点测定水的浊度，见图1。从图1中，出水浊度在水平方向上按负指数规律减少，均呈直线，该直线方程

　　　　　　　　　　　logC′-logC₀＝Ｋ′₁Ｌ　　　（1）
　　　　 式中 L－斜板区长度
C′ －长度为 时的浊度
C₀ －原水浊度
Ｋ′ －直线斜率，负值，其绝对值可由试验求得
　　由公式（1）得,

　　　　　　　　　　　log(C′/Co)=K′₁L
ln(C′/Co)=[K′₁/0.4343]L
　　　　　　　　　　　C′=Co.e^k1L (2)

　　式中　　　K₁=K′₁/0.4343

1.21． 除浊规律与数学模式
　　对哈尔滨市三水厂30万m³/d的侧向流翼片斜板沉淀池（共6座，每池5m³/d）的除浊效果，进行了观察和测试。侧向流翼片斜板区长度7m，深度3.6m，分4层，斜板的底板距离9cm，翼片间距6cm，设计断面流速8mm/s，主流区流速24mm/s。
1.1.21.1 水平方向的除浊规律
　　生产实验中，在斜板区沿水流方向的不同长度点测定水的浊度，见图1。从图1中，出水浊度在水平方向上按负指数规律减少，均呈直线，该直线方程

　　1．高浊期，浊度115度，水温15℃，断面流速8mm/s，主流区速24mm/s。
　　2．低温低浊期，浊度13度，水温0℃，断面流速8mm/s，主流区速24mm/s。

　　有的通过模型实验的出如图1的规律[1]，也有通过理论推导得出水平方向的除浊数学模式。[2]
1.1.21.2 深度方向的除浊规律
　　在侧向流翼片斜板沉淀区出水端的不同深度处测定水的浊度，其波动范围[3]水深<1.5、2m、2.5~3m和3.5m时，浊度分别为<10、10~20、15~35、30~60。从上述范围看出，水深越大出水浊度越高，而且浊度增加的幅度也越大，见图2。

　　从图2中，出水浊度在深度方向上按指数规律增加，均呈直线，该直线方程

　　　　　logC-logC′₌K′₂H (3)
　　式中 H－斜板区的深度
　　　　 Ｃ′－斜板区表面出水浊度
K′₂－直线斜率，正值，其绝对值可由试验求得
　　由式(3)得，

　　　　log(C/C′)₌K′₂H
C/C′=ln[C/C′0.4343].h
C=C′.e^k₂^H (4)
　　式中　　K₂=K′₂/0.4343
　　式（4）反应出翼片斜板区表层出水浊度最好，为C′ ，随着深度 的增加出水浊度呈指数关系增加。由于上层翼片斜板沉淀物滑落到下层的途中，部分被主流去高速水流带走，对下层翼片斜板处理的水造成二次污染、需进行二次沉淀，故越是下层接受上层翼片斜板滑下的沉淀物越多、造成的二次污染也越严重，因而水位越深的地方出水浊度越大。所以，为了保证水质应适当控制池的深度。
　　水在侧向流翼片斜板沉淀池中是水平流动，絮状物的不断沉淀使水逐渐变清。浑水进入沉淀池后，隐蔽重大而潜入池的下部形成异重流，其过水断面小于沉淀池横截断面，造成上部出水浊度低，下部浊度高的现象。所以，异重流也是造成水深愈大，出水浊度愈大的原因之一，并且原水浊度愈高，异重流的影响也愈严重。
　　我国在模型试验的基础上，设计了一座大型和几座小型侧向流翼片斜板沉淀池，生产结果表明都未达到设计要求，与模型试验结果有很大差距。原因是未掌握侧向流翼片斜板沉淀池在深度方向上的浊度变化规律，采用错误的模拟方式，以浅层单层的试验数据作为深池多层翼片斜板沉淀池的设计依据而造成。
1.1.21.3 完全的除浊数学模式
　　在水平方向和垂直方向除浊数学模式的基础上，渴求的侧向流翼片斜板沉淀池的完全的除浊数学模式。
　　将式（2）代入（4）得，

　　　　　　　　　(5)

　　式（5）为侧向流翼片斜板沉淀池长度 、深度 处的除浊数学模式，可求出纵断面上任何位置的出水浊度，也可以用来深入理解该沉淀池的除浊规律。进行计算时，要考虑沉淀池中基本上不可去除沉性物质因素的影响。

2． 沉淀池出水浊度的计算

　　侧向流翼片斜板沉淀池不同深度处出水浊度不同，而且差异很大呈单指数规律变化，所以在计算沉淀池的出水浊度时，宜采用平均出水浊度。
　　假定水的流速沿深度方向是不变的，则侧向流翼片斜板区的长度为 、深度为 的沉淀池出水平均浊度 为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)

　　在模型试验中求得系数 和 后，可按如下方式计算：选定L和H，可求出C，核算是否符合设计要求；也可以先选用L和设计要求的C，求出C；或者先选用H和设计要求的C，求出L。
　　在设计侧向流翼片斜板尺寸时，可用试算法进行计算，并考虑原水水质和絮凝效果等因素影响，留出一定余地。

3． 絮凝作用

　　在长期生产实践中观察，侧向流翼片斜板沉淀池具有良好的絮凝作用。
　　侧向流翼片斜板沉淀池在使絮状物沉淀的同时，还可以是在反应池未能生成良好絮状物的物质继续絮凝，生成可沉性絮状物。当出水浊度4~8度时，出水中仍然存在大力的数量可观的絮状物，说明沉淀池具有进一步的絮凝作用，如果斜板区有足够的长度，出水浊度还可以下降，这种现象在其他形式沉淀池中是观察不到的。日本东岗水厂侧向流翼片斜板沉淀池，具有足够长的翼片斜板区9.25m，出水浊度为2度，说明该沉淀池具有沉淀、絮凝，进而深度沉淀处理的能力。
　　水在翼片斜板区中流动时，在主流区呈层流状态，进入翼片区时呈涡流状态，流速之间具有足够的速度梯度，颗粒之间具有充分的碰撞机会，因而具有良好的絮凝作用。
　　在设计侧性流翼片斜板沉淀池时，宜减小斜板区的深度而加长其长度，从而可以减小深度对出水水质的不利影响，又可充分发挥其长度絮凝的沉淀作用。但是，翼片斜板的絮凝作用绝不可以取代补偿反应池的作用。有人作了试验^[4]，不经反应池反应或减少反应时间，沉淀池的出水浊度都会增大。

4. 注意的几个问题

4.1 布水方式
　　水在侧向流翼片斜板沉淀池中是水平流动的，为使反应池配水均匀，应采用花墙和缝隙布水墙等方式布水。在翼片斜板区前端，设立前过渡端。
4.2 集水方式
　　如前所述，沉淀池上层出水浊度低，下层出水浊度高；由于异重流的影响，上层水平流速低，下层水平流速高。所以沉淀池进水，应采用上层集水或中上层集水方式。在翼片斜板区的后端，设立后过渡段。
4.3层间的衔接方式
　　各层翼片斜板之间的衔接，应达到使上层翼片斜板的沉淀物滑落在下层翼片环流区内的斜板上，以防止落在流速高的主流区，造成二次污染。
4.4 阻水板
　　在翼片斜板区与沉淀池侧面墙壁之间应设立阻水板，防止原水形成股流穿透，影响出水水质；斜板区底部与沉泥区之间应设立阻水板，防止原水形成股流穿透，将沉淀物冲走影响出水水质。
4.5 翼片斜板的深度与层数
　　水深愈大，翼片斜板区的出水浊度越大，而且呈指数规律增加。所以，选用翼片斜板区的高度不宜超过3m，翼片斜板的层数不大于3层。

参考文献

　　[1] 刘灿生（翼片斜板试验研究）哈尔滨建筑工程学院学报1985年6期
　　[2] 丹保宪仁 桥本克纮 ほヵ，アニドチセニネル，セベレダ（111），水道协会杂志，Vol：51，V12，P29~38(1982)
　　[3] 李继震（在设计侧向流翼片斜板沉淀池时应注意的几个问题） 建筑技术通讯。给水排水1993年
　　[4] 罗辉荣（迷宫式斜板沉淀机理的探讨）建筑技术通讯。给水排水1990年5期

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　　李继震简介
　　李继震，1939年生，哈尔滨市人，研究员级高级工程师。1958年考入哈尔滨工业大学，1963年毕业于哈尔滨建筑工程学院。曾工作于国营铁力木材干馏厂、哈尔滨自来水集团有限责任公司，任总工程师、副总经理，现任哈尔滨怡和水技术工程有限公司董事长、总经理。本人拥有三项专利权。获建设部科技进步一等奖两项、二等奖一项，黑龙江省建委科技进步一等奖一项，伊春市科技进步二等奖两项。参与编写地下水除铁除锰论文集，主编《城镇供水技术》一书，在《中国给水排水》、《给水排水》等杂志和学会上发表论文30余篇。