隨著《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）的實施，各地對水廠“提質達標”的工作越來越重視。在水廠中，固–液分離單元（如沉淀池、氣浮池、澄清池）擔負著80%~90%以上懸浮固體分離的作用，是主要的凈水構筑物之一。固–液分離單元的高效穩(wěn)定運行，可大大降低濾前水的濁度，減少濾池負荷，延長濾池反沖洗周期，保障出水濁度滿足飲用水的要求。

沉淀技術在污水處理、工業(yè)水處理、石油化工等行業(yè)固–液分離的場合用途非常廣泛，其基本原理相同，本文重點以凈水工程為例，介紹九通水務研發(fā)的“水平管沉淀分離技術”（以下簡稱“水平管”）懸浮物沉淀分離的作用機理，并結合工程實例進行分析，以便各位同行使用和參考。

一、“水平管”的優(yōu)勢

基于“水平管”的重力沉淀池稱為水平管沉淀池，通常的結構為矩形，在矩形池中組裝也不會形成三角形過水死區(qū)，提高了池容的利用率。組成如圖1所示。上部為安裝水平管沉淀裝置的沉淀區(qū)，下部為污泥區(qū)，前部為進水區(qū)，后部為出水區(qū)。經加藥、混凝反應的原水流入沉淀池后，沿進水區(qū)整個截面均勻分配，進入水平管沉淀分離裝置，澄清后的水緩慢地流向出水區(qū)。

 圖1 水平管沉淀池示意圖

水平管沉淀池具有平流式沉淀池的主要優(yōu)點，穩(wěn)定運行，抗沖擊負荷能力強，操作彈性大，出水濁度低，是目前最接近“淺池理論”的沉淀技術。水在水平管內水平流動，懸浮顆粒受重力作用豎直下沉，懸浮顆粒接觸水平管60°的管底后從排泥口滑入滑泥道，泥水即時分離，污泥很快從滑泥道掉入污泥區(qū)，有效地解決“淺池理論”排泥難題，水平管流態(tài)見圖2。

沉淀區(qū)的水平管沉淀分離裝置內水平管束組合規(guī)則排列，在極小的雷諾數和較佳的弗勞德數條件下，水在水平管束內流態(tài)為層流，沉淀效率高。 

圖2 水平管流態(tài)圖

水平管沉淀池水平流速采用7-14mm/s，一般采用10mm/s。有效沉淀時間采用3~5min，水平管沉淀分離裝置的長度：10×60×3/1000=1.8m。包括進水區(qū)、出水區(qū)的長度，水平管沉淀池的長度為6m。而平流式沉淀池水平流速可采用10-25mm/s，一般采用15mm/s。停留時間為2h，長度一般為108m。兩種沉淀池的有效水深一般都為3.0~3.5m，根據以上設計取值可以得出水平管沉淀池的寬度為平流式沉淀池的1.5倍。

由此可見，一般情況下水平管沉淀池池容為平流式沉淀池的 ，占地面積也為平流式沉淀池的9%。顯而易見，采用水平管沉淀技術，可大幅度減少水廠占地面積和工程投資。

二、“水平管” 對濁度適應范圍以及對含藻類、紅蟲原水的處理效果

水平管沉淀池良好的沉淀水力條件和很短的沉降距離，懸浮顆粒在較短的時間內能接觸到管底。水平管沉淀分離裝置內，水走水道，泥走泥道，泥水互不干擾，因此，相對于其他沉淀方式，“水平管”適應的濁度范圍廣，對密度接近水的物體（如藻類、紅蟲等）都有很高的去除率。這些有價值的結論，通過安裝在珠海市拱北水廠內我公司的“水平管”裝置所做的中試試驗得到了逐一證實。

濁度適應范圍試驗：在參考文獻［5］的論文中，我們已做了抗水力沖擊能力的試驗，證明“水平管”的抗水力沖擊能力是很強的。在保持流量不變情況下，我們再做“水平管”濁度沖擊試驗。為保證進水濁度適應貼近真實，我們取用水源地的污泥，通過調節(jié)不同的進水濁度，連續(xù)運行了180天后，每2小時取一次樣。得到了大量的實驗數據，結果如下：當進水濁度10~144NTU時，出水濁度在0.5NTU以下；當進水濁度在144 ~1100NTU時，出水濁度在3.0NTU以下�？梢娝焦艹恋沓乜惯M水濁度沖擊能力強。試驗期間的進出水濁度參見圖3。 

圖3 水平管進、出水濁度

對含藻類原水處理的定性試驗：含藻類的原水用常規(guī)重力沉淀的方法很難沉淀，我們根據水平管沉淀理論做了以下試驗。往水平管沉淀池進水端加入含藻類原水，進水濁度約16NTU，持續(xù)穩(wěn)定運行后，在水平管沉淀池的進出水口每隔1個小時取樣，各5個樣，將進出水樣分別混合均勻，接入2個500ml透明干凈樣瓶中。將原水樣瓶與出水樣瓶放置在陽光充足的地方照射。經過近2個月時間，發(fā)現原水樣瓶的瓶壁上有大量藻類出現，而出水樣瓶的瓶壁上完全沒有藻類痕跡。由于試驗條件限制，我們只做了定性試驗。今后計劃做除藻的定量試驗，以便了解水平管沉淀池的除藻效率。

對含紅蟲原水的試驗：由于紅蟲活體在水中上下游動，在斜管、斜板、平流式沉淀池中很難沉淀，令某水司煩惱不已，應水司要求，我們嘗試做了幾次紅蟲的去除定性試驗，意外發(fā)現效果很好，于是決定再做一次去除定量試驗。2008年10月14日，“水平管”裝置運行穩(wěn)定后，分別三次往進水端加入1000條紅蟲，每次間隔1.5小時，每次加入之后用100目的尼龍網在出水口持續(xù)承接1h，出水口承接紅蟲分別有60、40、10條，紅蟲去除率分別是94%、96%和99%，說明“水平管”對紅蟲的去除率很高。

以上沉淀機理分析和試驗結果證明了水平管沉淀分離技術比傳統(tǒng)沉淀技術有不可比擬的沉淀效果，穩(wěn)定性好、耐負荷變化強、應用范圍廣。

三、“水平管”在水廠的應用

水平管沉淀池，相當于若干層微分化的平流式沉淀池，具有平流式沉淀池的所有優(yōu)點，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，大部分懸浮物會在水平管沉淀分離裝置前端1m處沉淀，泥斗積泥量較大，因此，要加大水平管沉淀池前端的排泥頻率，最好配置自動排泥系統(tǒng)。

“水平管”可以運用于凈水處理，污水處理、中水回用、高濁度的水處理及其它工業(yè)的懸浮物沉淀分離。以下重點介紹“水平管”在凈水廠的應用。

新建水廠

新建的水廠采用水平管沉淀分離技術，可減少占地面積，降低建設成本和維護成本，運行穩(wěn)定，出水濁度低。這樣能減輕濾池負荷，延長濾池反沖洗周期，減少濾池反沖水量。

例如：建設一座水量1×104m3/d的自來水廠，采用斜管沉淀池，尺寸為L8.5×W8.5×H4.7m；而采用水平管沉淀池，尺寸為L5.5×W6.0×H3.0m。

如果沉淀池計算壁厚為300mm，水池占地面積沉淀池長度和寬度都以池外壁尺寸計算，斜管沉淀池占地面積為9.1×9.1=83m2，水平管沉淀池占地面積為6.6×6.1=40.3m2。水平管沉淀池占地面積為斜管沉淀池的49%，建設成本相對應的比斜管沉淀池低。

老水廠的改造

“水平管”可以應用于以下幾種情況的水廠改造：

（1）水源為地表水，濁度波動很大（受凌汛、洪汛、夏季暴雨期等影響），藻類季節(jié)性地爆發(fā)，或受紅蟲、搖蚊幼蟲等困擾。常規(guī)沉淀池不能滿足要求，致使濾池出水水質下降。

改造措施：在保留原有主體構筑物的前提下，保留原有的排泥系統(tǒng)，拆除原有沉淀池的內部設施（如沉淀池中的斜管、斜板填料），加裝水平管沉淀分離裝置，改造出水區(qū)。必要時，還需對前后構筑物（如絮凝反應池、過濾池）和設備進行配套改造。

這樣改造的土建工作量少，容易實施，投入產出比高，通常水平管沉淀池的出水濁度可降低到2NTU以下，大大減輕了濾池的負荷，提高了出水水質。

如圖4所示，一座水量1.0×104m3/d的水廠斜管沉淀池改造為水平管沉淀池的示意圖。  

圖4 斜管沉淀池改造為水平管沉淀池    

（2）水廠供水范圍的經濟快速發(fā)展，造成供水量嚴重不足。

改造措施：在保留原有主體構筑物的前提下，保留原有的排泥系統(tǒng)，拆除原有的沉淀池內部設施，增大進出水管道，加裝水平管沉淀分離裝置、改造出水區(qū)。

改造后，可大大提高沉淀率，以斜管沉淀池改造為例，處理水量比原來增大1倍。利用“水平管”對水廠改造挖潛不僅可提高產水量，還可提升沉淀池出水水質，降低沉淀池的維護成本。

例如：將一座水量2.5×104m3/d的斜管沉淀池改造為水平管沉淀池，如果前后工藝配套合理，水量可增大到5×104m3/d。

四、“水平管”的發(fā)展歷程及工程實例

水平管沉淀分離技術從自主立項到實際的工程運行，歷時近五年時間。通過綜合分析平流式沉淀池、斜管（板）沉淀池、澄清池等的優(yōu)缺點，經過多次試驗，終于研發(fā)成功。主要經歷了以下幾個發(fā)展階段。
2007年8月，“水平管沉淀分離裝置”在深圳水務集團的國家863安全飲用水保障技術研究基地做試驗；
2007年12月，“水平管沉淀分離裝置”在珠海市拱北水廠中試成功；

2008年7月26日 “水平管沉淀分離裝置” 通過了廣東省科技廳組織的科技成果鑒定；沈大年、宋仁元等專家組成的鑒定委員會一致認為該項技術是沉淀工藝的一次重大創(chuàng)新突破，在技術上達到了國際先進水平。

2008 年9月18日 “水平管沉淀分離裝置”獲得國家創(chuàng)新基金；

2009年10月，“水平管沉淀分離裝置” 獲得國家發(fā)明專利；

2010年8月中旬，“水平管沉淀分離裝置”在內蒙內蒙古巴彥淖爾市河套水務公司通水投入使用。8月21日，“水平管沉淀分離技術”工程項目應用現場會的成功召開，標志著此項技術成果實用化已具備實際工程范例。

以下為“水平管”沉淀分離技術在該項目的實際應用情況。

河套水務集團有限公司恒源供水公司（地址：內蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市）原水取自黃河灌溉水，基本上達到《地面水環(huán)境質量標準》（GB 3838-2002)中的Ⅱ類水質標準，但原水含砂量大、濁度高，年平均濁度5000NTU，最大可達到7000NTU。以前供水主要采用滲渠取水，無其他凈水措施，滲渠取水管易淤塞。

針對如此高濁度的原水，河套水務集團經過多方面調研，實地考察我公司的“水平管”中試裝置，確信水平管沉淀分離技術對黃河流域的水處理的技術可行性，采用“水平管”建設一座新的水廠，處理水量1×104m3/d，處理工藝為“管道混合器+絮凝反應池+水平管沉淀池”。工藝流程圖見圖5。主要構筑物和設備如下：

絮凝反應池：

尺寸：L4.5×W7.0×H4.0m，數量：1座，絮凝時間：18min。

水平管沉淀池：

設計參數：水平流速采用10mm/s，有效沉淀時間為3.3min，

尺寸：L5.5×W7.0×H4.5m，

數量：1座，

進水區(qū)采用穿孔墻配水，通過穿孔墻將水流均勻分布于水平管沉淀池整個斷面上。

出水區(qū)由孔板集水箱和集水槽兩部分組成。出水經過孔板集水箱流進集水槽，孔板集水箱上開有若干個圓孔，使整個過水斷面流速一致�？装寮浜附釉诩壑醒�，集水槽與集水箱連接面開有進水口，使出水流速平緩，便于集水。

污泥區(qū)：水平管沉淀池設置4個排泥斗，污泥順著傾斜的斗壁快速下滑并在泥斗底部聚沉，壓縮污泥間隙水，減少污泥容積。每個排泥斗安裝一根排泥管。設置污泥界面儀，可根據污泥的高度自動排泥，也可以手動排泥。 

圖5 工藝流程圖

行車式沖洗系統(tǒng)：“水平管”巧妙的結構設計，在運行中沒有污泥積聚。由于該工程黃河原水的濁度高、黏性大，“水平管”也可能會像斜管沉淀池的斜管那樣，管壁有少許結垢。為了減少勞動強度，進行不停水清洗，特意配套了行車式沖洗系統(tǒng)，沖洗過程出水濁度稍有提高，但不會影響正常供水。清洗工作時，通過電動減速機驅動，帶動沖洗小車沿著鋪設的2條鋼軌往復運動。同時潛水泵抽取澄清水通過沖洗水管沖洗水平管沉淀分離裝置。沖洗水管為2根成90°的不銹鋼管，上面焊接噴頭，在豎直和水平方向同步沖洗，以達到全方位清洗目的。該系統(tǒng)自動運行，方便管理。

該水廠于2010年8月17日投入運行，至收稿日期止，水平管沉淀分離裝置排泥順暢，無積泥現象，運行的水量、水質均達到設計要求，運行數據如下：

原水濁度：通常50~600NTU左右，峰值可達7000 NTU；

出水濁度：1NTU左右；

投加PAC的劑量在5~10mg/L，高濁度時需投加PAM。 

圖6 

新增運行中的日產1萬噸“水平管”凈水廠

五、“水平管”裝置選型說明

盡管“水平管”是基于100多年前的“淺池理論”設計的，使用上也非常方便，但在設計理念上有獨特到的創(chuàng)新之處，與傳統(tǒng)的斜管（板）有所不同。

“水平管”裝置矩形結構，工廠模塊化生產，可組成任意的產水量，可因地制宜靈活安裝，施工非常方便。根據進水水質濁度由低到高劃分，“水平管”可分為A、B、C和D等4種不同規(guī)格。以濁度為500NTU以下的湖泊江河水為例，“水平管”應選A型， 下面以凈水廠為例，作為“水平管”的選型參考。其他行業(yè)的水處理選型可與筆者進行交流。

“水平管”的主要設計參數：水平流速采用7-14mm/s，有效沉淀時間為3~5min。

已知條件

設計水量：Q=20000m3/d=0.231m3/s；為留有余量，水平流速通常取值ν=10mm/s=0.01m/s，有效沉淀時間為t=3min=180s。

設計計算

水平管沉淀池分n=2格獨立運行。

每格水平管沉淀池的“水平管”裝置橫截面積：

A= m2

“水平管”裝置的高度規(guī)格為1.0m、2.0m等整數倍，考慮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”裝置寬度W= m。

“水平管”裝置的長度L=υ×t=0.01×180=1.8m，取整數2.0m。

根據以上計算，處理水量Q=20000m3/d的水廠選用2套“水平管”裝置，每套“水平管”裝置尺寸為L×W×h=2×5.8×2m。

水平管沉淀池其他部分設計（如進水區(qū)、出水區(qū)、排泥），請參考給水排水設計手冊與現行設計規(guī)范，在此不再贅述。

六、結束語

“水平管”是目前最接近“淺池理論”的沉淀技術，經過近5年的技術研發(fā)、中試和工程應用，日趨成熟和完善，1×104m3/d的工程成功應用，標志著此項技術成果已轉化為工程范例，為該技術的進一步推廣應用奠定了良好的基礎�，F已研發(fā)出配套的“水平管”自動化生產線，不久將投入工業(yè)化生產。 “水平管”有望逐步替代平流沉淀池、斜管（板）沉淀池，成為水處理的主流沉淀技術。

盡管“水平管”工程應用效果令人滿意，還需做好相關運行數據的積累，不斷創(chuàng)新，研究“水平管”對不同源水的適用性，盡快應用于更多的水處理項目。我們相信“水平管沉淀分離技術” 將會在全國乃至全世界得到廣泛的應用！

特別鳴謝：中國科技部科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金管理中心、中國水協(xié)、廣東省科技廳、珠海市科技局、深圳市水務（集團）有限公司、珠海市水務集團、河套水務集團等大力支持，還有“水平管沉淀分離裝置”鑒定會宋仁元、沈大年等專家組成員一直以來的關心和支持。在此表示衷心的感謝。

參考文獻：

［1］許保玖，給水處理理論，北京，中國建筑工業(yè)出版社， 2000.

［2］聶梅生等，水工業(yè)工程設計手冊—水資源及給水處理，中國建筑工業(yè)出版社， 2

［3］中國市政院，給水排水設計手冊，北京，中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］嚴煦世主編 給水工程，第四版，北京，中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［5］張建國、張良純．水平管沉淀分離裝置的研究．中國給水排水，2008,24（9）：47-51.

［6］張建國、張良純．水平管沉淀分離新技術的研究與應用．第八屆深港珠澳供水界學術交流會暨第五屆海峽兩岸水質安全技術與管理研討會論文集，2009,10.28-29.

［7］“水平管沉淀分離技術” 工程項目應用現場會順利召開，中國水星http://www.waterchina.com/main/Web/Article/2010/08/25/1705288593C99953.aspx

［8］“水平管沉淀分離技術”進入實用階段，中國水網 http://news.h2o-china.com/html/2010/08/241282552242_1.shtml

作者單位：

陳球 張良純 張建國：珠海九通水務有限公司（廣東 珠海）

楊有祿：河套水務集團（內蒙古  巴彥淖爾）

（作者通訊地址：廣東省珠海市梅華東路302號  電話：0756-2269599   公司網址：www.9tone.com）  收稿日期：2010-9-1）