刍议污水处理厂混合反应池设计

 　　摘要：随着我国可持续发展战略的深入，城市污水处理厂的排放要求愈加的严格。本文作者提出了污水处理厂中混合反应池的设计方法及其要点，仅供参考。 

　　关键词：污水处理；工艺设计；搅拌器；挡板设计 

　　 目前，我国常规污水处理厂中悬浮物的去除主要是通过各种滤布滤池、砂滤池等工艺来实现，通常还需要在滤池前端设置混合反应池，通过向混合反应池投加混凝剂和絮凝剂，提高后续滤池的处理效果。而污水在混合反应池中形成的絮体情况直接影响着后续滤池对悬浮物的去除效果，因此混合反应池设计的科学、合理对污水处理厂中悬浮物的达标处理非常重要。 

　　1 混合反应池的工作原理与常见形式 

　　1.1 工作原理 

　　 污水处理厂中的混合反应池包括混合和絮凝两个工艺过程。混合过程是将混凝剂充分、均匀地扩散于水体的工艺过程。为了避免单独使用混凝剂不能取得预期的效果，通常需要投加聚丙烯酰胺等絮凝剂来提高混凝效果，通过高分子絮凝剂的吸附架桥，促使混合阶段形成的细小、松散的絮粒变得粗大而密实，即是絮凝过程，完成絮凝过程的构筑物为絮凝池，习惯上也称作反应池。 

　　 污水中的悬浮物通过混合反应池后，形成粗大、密实的絮粒，在后续滤池等构筑物的作用下，悬浮物被截留，使污水中的悬浮物、色度等指标能够达到回用标准或达标排放。 

　　1.2 常见形式 

　　 混合工艺和絮凝工艺均有多种不同的形式，如混合工艺可以通过固定混合器、在线混合器或机械搅拌来实现；而絮凝工艺可以采用水力搅拌或机械搅拌等形式。污水处理厂中混合反应池是为了实现混合和絮凝两个工艺过程，通常是采用整体的结构将混合池与反应池有机地结合起来。 

　　 污水处理厂中的混合反应池一般位于二级处理出水后，污水经重力流入混合反应池。目前污水处理厂的混合反应池中混合段通常采用轴流式搅拌器的机械搅拌形式来实现；絮凝段则根据污水处理厂的实际情况采用水力搅拌或机械搅拌的形式。 

　　 其中水力搅拌是通过在反应池的上端或下端设置一系列的挡板，使污水在流行过程中不断的改变流向，从而实现搅拌的目的。随着污水的流向，挡板的间隔距离应逐渐增加，以便造成递减的能量梯度，避免破坏已形成的大絮体颗粒。 

　　 机械搅拌则是通过在反应池设置与混合段类似的轴流式搅拌器来实现，且需要串联分格，每格均安装搅拌器，利用电动机经减速装置驱动搅拌器对污水进行搅拌，为适应絮凝体形成规律，第一格搅拌强度最大，最后逐格减小。虽然这种反应池的可以通过改变搅拌强度来保证絮凝效果，但由于搅拌器数量的增加，该形式的反应池建设成本及运行费用较高，且增加了日常的维护工作量。 

　　2 混合反应池的工艺设计 

　　 由于混合工艺及絮凝工艺的多种不同形式，因此在污水处理厂设计中，混合反应池并没有统一的设计形式。 

　　 近年来，混合反应池在我国污水处理工程中的应用逐渐增多，但是目前国内尚缺乏具有可操作性的技术规范用以指导混合与絮凝的设计。在这种情况下，投入运行的部分混合反应池在工艺上仍存在一些问题，影响了污水处理设施充分发挥效能。本文结合国内外混合与絮凝的技术发展与应用经验，以青岛某污水处理厂扩建工程为例，介绍污水处理厂中混合反应池的工艺设计。 

　　 本工程中新建混合反应池１座，对称布置２组，进水为MSBR反应池出水，处理规模为11万ｍ３/d。 

　　2.1 混合段的设计 

　　 本工程中在混合段投加FeCl3溶液作为混凝剂，通过轴流式搅拌器的高速搅拌来实现混合过程。主要设计内容包括：混合池容积计算、输入功率的计算、体积循环次数的计算。 

　　2.1.1 混合池的容积计算 

　　 混合池的容积主要根据停留时间来计算，根据相关经验，当污水处理中混合装置采用轴流式搅拌器时，典型的快速混合停留时间为5～30ｓ。在本工程中混合反应池对称分为两组，混合段停留时间τ取30ｓ，根据Ｖ＝Ｑτ（Ｖ为池容，Ｑ为进水水量）计算可得，单组混合池池容Ｖ约为25m3，平面尺寸采用2.8m×2.8m，有效水深为3.2m。 

　　2.1.2 输入功率的计算 

　　 采用轴流式搅拌器的混合池的混合效果，主要取决于搅拌器的功率输入。根据Camp和Stein(1943)的相关研究，混合池中搅拌器的功率与速度梯度存在以下关系： 

　　 (1) 

　　式中 Ｇ平均速度梯度，ｓ-1； 

　　 Ｐ需要功率，Ｗ； 

　　 μ水的动力学粘度，Pa・s，20℃时为0.001 Pa・s； 

　　 Ｖ混合池容积，ｍ3。 

　　 在污水处理中，鉴于较好的混合效果及能耗等原因，典型的速度梯度Ｇ值取500～1500ｓ-1。本工程中速度梯度Ｇ取500ｓ-1，代入式（1），可计算得搅拌器的功率Ｐ=6.25kW，考虑到电动机的机械传动总效率（以0.6计），本工程中选择的电机功率为11kW，同时采用变频电机以方便调整搅拌器的输出功率。 

　　2.1.3 搅拌器的确定 

　　 在确定搅拌器的功率后，可以通过计算搅拌器的浆叶直径和体积循环次数来校核搅拌器的选型。 

　　 根据混合操作的典型设计参数，搅拌器的浆叶直径与当量尺径之比的范围为0.25～0.40。其中当量池径（）的计算公式为，Ｗ和Ｌ分别为水池的宽和长。 

　　 本工程中桨叶直径为1.219ｍ，则可算得D/＝0.385，符合要求。 

　　 根据相关研究，混合池的体积循环次数不小于1.5次，体积循环次数的计算见式（２）： （２） 

　　 式中搅拌器的排液量，m3/s。 

　　当采用轴流式搅拌器时，可以用式（3）算得： 

　　 （３） 

　　式中桨叶流量准数； 

　　Ｎ桨叶转速，r/s； 

　　Ｄ桨叶直径，m； 

　　Ｉ桨叶层数。 

　　对于选定的桨叶，其桨叶流量准数为常数。 

　　 本工程采用的搅拌器的桨叶的流量准数为0.64；桨叶转速为105r/min，亦即1.75r/s；桨叶层数为１层。代入式（3）可得＝2.02（m3/s）。则采用该搅拌器时，体积循环次数＝2.42次＞1.5次，符合要求。 

　　2.2 絮凝段的设计 

　　 本工程中絮凝段投加聚丙烯酰胺作为絮凝剂，在工艺上采用水力搅拌的形式，通过间隔设置上、下挡板使污水进行一系列的改变流向的流动，实现絮凝效果。主要设计内容包括：反应池容积计算、挡板的设计计算。 

　　2.2.1 反应池容积计算 

　　 本工程中反应池与混合池作为一个整体构筑物来设计，分为两组，与混合池对应。反应池有效容积的计算公式为Ｖ＝Ｑτ。根据相关研究，后续工艺采用直接过滤时，絮凝过程的停留时间为2～10min。本工程中停留时间τ取2min，则单组反应池的有效容积约为100m3。 

　　2.2.2 挡板的设计计算 

　　 在设计反应池挡板时，应既保证絮粒有充分接触碰撞的概率，又不致使已形成的较大絮粒破碎，因此上、下挡板的间隔距离随着污水流向应逐渐由小到大，即是速度梯度Ｇ或流速应逐渐由大到小，根据国外相关研究，典型的絮凝过程的速度梯度Ｇ值为25～150s-1。本工程中反应池分为三段，用折板分隔，折板间净距应大于0.5ｍ。本工程中每段间距分别为0.6ｍ、0.8ｍ、1.0ｍ，单组反应池的宽度取６ｍ，有效水深为3.2ｍ。每段平均速度梯度Ｇ值可根据式（4）计算： 

　　 （４） 

　　式中γ水的密度，取1000kg/m3； 

　　ｈ水头损失，m； 

　　τ反应时间，min。 

　　通过计算每段的水头损失，可计算出每段平均速度梯度Ｇ值为135s-1、90 s-1、65 s-1，符合典型污水处理絮凝过程的速度梯度。 

　　3 混合反应池设计中的注意事项 

　　 为了保证混合絮凝效果，在混合反应池的设计过程中，还应注意以下几点： 

　　 （１）在混合反应池的进水段建议设置可调节堰门，在实际运行时方便控制混合反应池的水位。 

　　 （２）混合反应池采用机械搅拌时，建议采用无级变速的传动装置，以便适应水量、水质和药剂品种的变化，保证混合或絮凝效果。 

　　 （３）当混合池采用轴流式搅拌器时，为避免搅拌时液体的涡旋，降低混合效率。应在混合池的池壁上设置垂直挡板，伸出池壁约1/10～1/12的直径（矩形池采用1/10～1/12）。 

　　 （４）在污水处理厂总图的布局时，应避免混合反应池与后续处理构筑物的距离太远，尽可能采用直接连接方式，减少污水流动过程中絮体的沉积和破坏。 

　　结束语 

　　 目前我国污水处理中的混合絮凝设计并没有统一的规范要求，仅参考室外给水设计的相关规范进行设计。然而由于污水的成分、浓度等均不同于给水处理，混合反应池的设计偏差大，水平参差不齐为了使混合絮凝的设计达到预期效果，在设计时应结合污水的性质、水力条件及目标要求来确定相关参数，以便能使混合反应池在我国的污水处理中充分的发挥作用。 

　　参考文献 

　　[１]．Metcalf＆Eddy Inc．废水工程：处理及回用．秦裕珩等译．第４版．北京：化学工业出版社，2004． 

　　[２]．给水排水设计手册（第3册：城镇给水）．北京：中国建筑工业出版社．