1 概述

　　由于经济的发展，很多城市附近水环境的有机污染不仅没有得到控制，还有恶化趋势。解决城市污水处理问题的根本途径是普及二级处理设施。我国的城市污水处理厂以二级生物处理为主，特别是近年建成的城市污水处理厂多是二级生物处理。全国117座城市污水处理厂中仅有24座为一级处理，约占总数的20.5%、总处理能力的17%；二级处理厂有93座，约占总数的79.5%、总处理能力的83%。二级生物处理污水厂由于能耗大，运行费用高，相当数量的污水处理厂没能正常运行，实际处理能力低于设计能力。

　　污水强化一级处理工艺的研究，在基建与运行费用增加不多的条件下，较大地提高污染物的去除率，以达到大幅度削减有机污染物总量的目的。本研究的目的：结合上海某预处理厂出水的具体水质特点，综合考虑前人的研究成果，主要对高效沉淀池应用于城市污水化学强化一级处理进行较为系统的试验研究，确定各种工艺的处理效果、最优运行条件及参数；

　　2 高效沉淀池原理

　　2.1 化学加强一级处理基本原理

　　化学加强一级处理的基本原理是在污水中投加混凝剂，通过絮凝沉淀的方法去除污水中悬浮物质及胶体物质，从而达到对污水中有机物及磷的去除目的。

　　污水首先与混凝剂快速混合，使混凝剂迅速均匀分散到污水中，利于混凝剂水解，充分发挥混凝剂高电荷对水中胶体电中和脱稳作用；然后进行慢速搅拌作用，通过脱稳颗粒的有效碰撞，同时在水中投加高分子助凝剂，发挥助凝剂的吸附架桥作用，使细小颗粒逐渐结成较大絮体，便于固液分离，使水中的悬浮物质及胶体得到有效去除；同时通过混凝剂与污水中磷酸盐的化学作用，达到对磷的去除。常规化学一级加强处理流程如图1：

图1化学一级强化流程框图

　　2.2 高效沉淀池的特点

　　高效沉淀池根据化学强化一级处理的原理，混合采用机械搅拌快速混合，絮凝阶段采用机械絮凝与水力絮凝相结合。絮凝池在前段设置提升搅拌机，部分沉淀的污泥回流至前段，助凝剂也投加在前段，脱稳的原水与絮凝池的絮体形成有效碰撞，结成粗大颗粒，进入后续的折板反应段，通过水力作用进一步形成粗大、密实的矾花。沉淀池部分根据浅层沉淀的原理，采用斜管沉淀池的形式，使沉淀池的表面水力负荷明显提高，高效沉淀池流程框图如图2。

图2高效沉淀池流程图

　　相对于平流沉淀池，高效沉淀池具有以下特点：

　　① 在装置中回流一部分沉淀污泥至絮凝段，利用回流污泥与进水混合，使进水中的脱稳微粒与活性泥渣充分接触，再加上高分子助凝剂的吸附架桥作用，有利于使水中的脱稳微粒形成大颗粒絮体，提高絮凝沉淀效果。

　　② 回流污泥中的混凝剂、助凝剂在絮凝池中得到充分利用，节约混凝剂及助凝剂的投加量。

　　③ 沉淀池采用斜管沉淀，可达到泥水快速分离的目的，水力停留时间明显减少，使沉淀池的占地面积明显减少，节药工程费用，经初步工程方案比较，相对于平流沉淀池，高效沉淀池可降低工程造价约20%。

表1常规沉淀池及高效沉淀池参数比较表

　　④ 高效沉淀池在沉淀池下部具有较大的浓缩空间，同时在浓缩池内设有浓缩机，利用慢速搅拌的方法，使污泥能够在沉淀池下部进行有效浓缩，从而提高污泥的浓度。

　　3 试验装置

　　试验装置设计流量为25 m³/h，整个试验装置有快速混合单元、絮凝沉淀单元、加药单元及控制单元组成，其中絮凝沉淀单元是整个处理装置的核心。

　　快速混合单元分为两格，每格尺寸为1.0 m×0.9 m×1.85 m（有效水深为1.30 m，单格体积为1.2 m³），内设两台搅拌机，转速为150 r/min，两格可单独使用，也可合并使用（试验中采用其中一格），原水进入混合池，混凝剂加入点在进入混合池的管道中，在混合池中与原水充分混合，由管道从底部进入絮凝池。

　　絮凝沉淀池是整个装置的核心，整个池高为4.95 m（包括干弦0.2 m），絮凝沉淀池功能上具有絮凝、沉淀及污泥浓缩功能；絮凝部分总体积约为6.6 m³，分为二段，前段的体积为2.6 m³，为机械搅拌絮凝，絮凝池中增设直径为Φ450 mm的导流筒，在导流筒内设提升搅拌机，通过提升搅拌机使水在絮凝池中循环，同时浓缩池内的污泥回流至前段，与原水充分混合，助凝剂加注点也设在导流筒内，经混合后进入后段，后段体积为4 m³，采用隔板絮凝的形式，污水经隔板絮凝后进入后续沉淀池。沉淀池采用斜管沉淀池，沉淀池的有效面积为1 m²，斜管斜长为1.5 m，在斜管上方设置隔板，使出水均匀，出水采用溢流堰的形式，在沉淀下方是污泥沉淀及浓缩空间，在底部设置污泥刮泥机，试验装置还设有回流污泥泵及剩余污泥排出泵。

　　加药单元主要加注混凝剂及加注助凝剂，采用计量泵投加。

　　4 试验结果及情况分析

　　4.1 试验安排

　　试验装置于2000年12月25日运至现场进行设备安装、调试，于2001年1月7日正式开始试验，根据小试的药剂筛选，半生产性试验主要针对FeCl₃、Al₂(SO₄)₃·18H₂O两种混凝剂进行试验，助凝剂主要Nalco公司提供的8173、9901及AS32，试验对不同混凝剂及助凝剂投加量的具体安排如表2和表3：

表2投加混凝剂FeCl₃试验情况表

　　表3投加混凝剂Al₂(SO₄)₃·18H₂O试验情况表

　　4.2 试验结果

　　试验期间结果见表4。

表4　试验结果数据表

　　注：FeCl₃不含结晶水，硫酸铝含有18个结晶水

　　* 代表斜管上方有矾花飘出

　　4.3 试验结果及分析

　　通过以上试验，可以得出以下结论：

　　(1)物化处理的效果

　　由上表可见，投加硫酸铝及三氯化铁对水中的有机物均有较好的去除效果，在三氯化铁（不含结晶水）投加量40～80 mg/L，硫酸铝（含结晶水）投加量60～80 mg/L的情况下，试验期间进水COD_Cr在100～700 mg/L（平均为300 mg/L）的情况下，出水COD_Cr一般在50～150 mg/L之间，出水平均COD_Cr为99 mg/L，COD的去除率一般在40%～80%，平均COD_Cr去除率为67%；试验期间进水PO₄^3--P在2～9 mg/L（平均为4.1 mg/L）的情况下，出水PO₄^3--P在0.2～1.1 mg/L，出水平均PO₄^3--P为0.7mg/L，PO₄^3--P的去除率为60%～95%，平均PO₄^3--P去除率为83%；试验期间进水SS在50～50 mg/L（平均为148 mg/L）的情况下，出水SS在9～46 mg/L之间，出水平均SS为23 mg/L，SS平均去除率为85%；

　　(2)装置的处理能力

　　本试验装置的设计处理能力为25 m³/h，运行过程中，温度一般在12～15℃之间，流量基本稳定在24～26 m³/h之间。采用FeCl₃作为混凝剂、同时投加0.5 ppm的9901助凝剂，由于FeCl₃比重较重，因此沉淀出水中有微小矾花出现，出水效果较为理想。

　　当采用Al₂(SO₄)₃·18H₂O作为混凝剂，水温在12～15℃之间时，由于温度较低，同时由于Al₂(SO₄)₃矾花较轻，因此处理流量达到25 m³/h时，沉淀时上方有轻质矾花飘出，影响到感观效果，助凝剂投加量增加至1.0 ppm，出水效果略有好转，但没有明显改善。将处理流量降至15 m³/h，出水矾花明显好转，处理效果好，感观效果好。另外将处理流量提高至35 m³/h，助凝剂投加量为1.5 mg/L，出水中有矾花飘出，影响到感观效果。在投加助凝剂AS32时，助凝剂的助凝效果有明显提高，投加量比9901少，当助凝剂AS32投加量0.3 mg/L，处理流量达到25 m³/h时，在沉淀时上方有微小矾花飘出，效果较为理想。

　　由此可见，装置的处理能力与混凝剂和助凝剂的种类以及投加量有关。

　　(3)不同加药量的处理效果

　　为使试验结果有可比性和实用性，本次试验采用最常用的铁盐和铝盐作为混凝剂，半生产性试验中，FeCl₃（以不包含结晶水计算）的投加量分别为80、60、50、40 mg/L进行投加，从试验结果来看，在现有进水浓度条件下可以看出，FeCl₃（以不包含结晶水计算）投加量40 mg/L，出水PO₄^3--P在0.5 mg/L左右，稳定在1 mg/L以下。

　　当采用Al₂(SO₄)₃·18H₂O（以包含结晶水计算）时，投加量分别为80、60 mg/L，由于出水中矾花较FeCl₃多，影响水中PO₄^3--P的去除效果，在现有水质情况下，Al₂(SO₄)₃·18H₂O投加量在60 ～ 80 mg/L能够满足出水水质要求。

　　试验分别对助凝剂8173/9901及AS32进行实验（助凝剂投加时伴有水稀释），试验表明：AS32的助凝效果比9901好，9901比8173好，当采用铁盐作混凝剂时，AS32投加量为0.3 ppm效果较好，而用9901时，需投加0.5 ppm，AS32形成的矾花相对大且密实，由此可见，助凝的品种及投加量对高效澄清的处理效果有较大的影响。