沉淀之密度流续（六）

前言1：这篇发表于2008年的论文《Sixty-?ve-year old ?nal clari?er performance rivals that ofmodern designs》，由被誉为生物脱氮除磷之父的James L. Barnard 等人撰写。James Barnard现任美国Black & Veatch公司全球先进生物处理领域的实践和技术领导者（A Global Practice and Technology Leader For Advanced Biological Treatment），该公司曾参与全球最大的污水处理厂-芝加哥Stickney水厂磷回收项目。而这座具有悠久历史的污水厂，原来在文章《Design of final settling tanks for activated sludge》也曾出现过，作者Norval E. Anderson教授当时兼任芝加哥卫生区水处理厂设计工程师，参与了芝加哥西南片区污水处理厂的相关设计工作，也即现在的Stickney水厂（位于芝加哥西南片区），具体内容如前文《沉淀之密度流（四）》所述。

前言2：Anderson在其开创性文章中首次揭示了终沉池中的密度流现象，通过对这一现象的深入剖析，对传统沉淀池设计做出了优化与革新。这些沉淀池至今仍然稳定运行，不仅证明了其设计的卓越，更彰显了设计师们的天才和远见。随着计算机技术的飞速发展，我们得以借助先进的水力模型深入剖析沉淀池的卓越性能，这一过程不仅加深了我们对沉淀池运作原理的理解，更为我们提供了宝贵的洞见，指导我们在未来的设计和运营中不断追求卓越与创新。

 

六十五载沉淀，风采依旧

James L. Barnard, Thomas E. Kunetz and Joseph P. Sobanski

【摘要】

    Stickney水厂，作为大芝加哥都会区废水回收局（Metropolitan Wastewater Reclamation District of Greater Chicago，MWRDGC）的一员，在全球废水处理的舞台上占据着举足轻重的地位。作为世界上最大的废水处理厂之一，它在晴天的平均进流量达到22m³/s（190万吨/天），而在雨天则增至52m³/s（450万吨/天），其峰值流量更是高达63m³/s。芝加哥市区的合流制排水系统覆盖了大部分区域，为了有效减轻合流制溢流（Combined Sewer Overflows，CSO）对环境造成的污染，特别建造了长达175公里的隧道和水库系统（Tunnel and Reservoir Plan，TARP）。这些隧道直径高达9.1米，承担着接收和输送溢流雨污水至下游水库的重任，之后这些水再被抽送至Stickney水厂进行处理，而雨季的流量回收可能持续数周之久。水厂的成功运行在很大程度上依赖于96个圆形二沉池的高效运作，这些沉淀池能否产出符合严格质量标准的出水是衡量其性能的关键。Stickney水厂的活性污泥处理工艺具备硝化功能，采用的是推流式布局，四通道曝气池，因其需氧量的高需求，部分反硝化过程在第一通道中便已启动，其池体长宽比为18:1，混合液沉降指数（SVI）在60-80mL/g之间。二沉池由区设计办公室于1938年设计，至今持续运行超过65年，期间未进行过大规模改造，但它们依然能够稳定地产出高品质的出水（PS：这个真厉害，所以得琢磨下原因）。本文将深入探讨Stickney水厂二沉池的设计原理和运行机制，并通过与当下的设计实践对比分析，揭示这些历史悠久的沉淀池在现代废水处理技术中的持续适用性和卓越性能。通过这一深入分析，我们将评估这些沉淀池在当今快速发展的工程实践中的重要作用，以及它们对现代工程设计可能产生的深远影响。

【背景】

    Stickney水厂的圆形二沉池设计于1938年，那是一个对沉淀池水力行为知之甚少的年代。然而，正是在这样一片未知的领域中，设计师们却拥有超越时代的设计头脑。他们深入研究了密度流、密度略大的进水混合液所产生的瀑布效应、靠近边墙的上升流、对进水进行挡板处理的必要性，以及出水槽的布置策略……。我们今天所熟知的许多描述水力学参数的术语，多是在那个时期定义的，无论是对于圆形还是矩形的沉淀池。在计算机建模技术缺席的年代，设计师们在全尺寸的池中进行了大量实地研究，采用了染料测试和巧妙的浮子（漂流物）来探测水流，这些技术中的一些至今仍被沿用。尽管Stickney水厂二沉池的设计参数与当前普遍接受的进水设计标准相比显得有些过时，但令人惊讶的是，它们依然能够稳定地产出总悬浮固体浓度始终保持在个位数的高质量出水。在最近的一项研究中，研究者们运用了状态点分析（State Point Analyses，SAP）和计算流体动力学（Computerized Fluid Dynamics，CFD）这两种先进的技术手段，以更深入地理解Stickney水厂二沉池卓越性能的根本原因。

【进水入口构造】

    普遍认为，混合液在进入沉淀池时需经过加速，以便其流速足以与固体表面发生撞击或与另一股水流相互碰撞，这种冲击不仅能够消除水流的初始动量，还能激发湍流，为絮凝创造条件。以WesTech入口装置设计为例，如图1所示，混合液通过垂直进水管上方的孔洞，以高达0.75m/s的速度进入能量耗散进水结构（Energy Dissipating Inlet，EDI）或槽体内。随后，混合液经EDI表面分布的切向出口排出，直至其撞击到稳流井（Stilling Well）的外围挡板，引发水流在稳流井内产生旋转运动。这种由旋转引起的湍流有助于均匀分布流量，有效减少密度流，并促进混合液中污泥颗粒的碰撞和絮凝。然而，在高流量条件下，混合液的旋转动量可能会延伸至主沉淀池，进而扰乱沉淀池内的颗粒沉淀。为了解决这一问题，Shaw等人建议在稳流井的挡板内侧安装鳍片，以在高流量期间有效抵消旋转力，维持沉淀池内水流的稳定性。

 

    PS：密度流，密度差异导致的水流异常流动（重的向轻的地方流，扩散，也有点类似水从高处向低处流），如二沉池内进水混合液的污泥浓度略高于沉淀池中某些断面的污泥浓度，这种差异会造成混合液向下潜流，当然温度的差异也会导致密度的差异。进水入口周边加装挡板，使得进水水流产生撞击，扰动，造成混合液中的污泥颗粒物均匀分布于更加广阔的断面空间上，而非集中在某一束水柱断面直冲池底，进而降低密度流的程度。在此过程中，颗粒之间也会相互碰撞而凝聚。为什么不喜欢密度流呢？想想它是具有较高密度质量的水柱，进入二沉池后，立马沉入池底，射流触底产生冲力，折成水平流沿池底流向池壁，继续碰壁，向上折返，有可能颗粒物直接随出水流失。有点儿像直接使用一根管道将进水输送至出口端，明显降低了整个池子断面的利用空间，希望的是进流量均布在整个二沉池断面上，以很低的流速水平流向出口端，类水平流沉淀池，流速很低，而非集中在某一个水柱断面以较高的流速驶向出口。当然，二沉池池底的泥水混合液密度差异也会导致径向的流动，前面介绍的感觉更偏重于“溅”的形状！

    Narayanan等研究人员发现：加利福尼亚州圣罗莎Laguna区域水回收设施（ Laguna Sub-regional Water Reclamation Facility，LSWRF）的五个二沉池中，有一个始终表现出比其他四个更高的处理效率。经过仔细检查，研究人员揭示了这一卓越性能背后的原因—该池的EDI装置底板意外脱落。混合液通过垂直进水管上方的孔隙排出，水流撞击到EDI装置的内壁上，然后被偏转到两侧，继而与来自其他出口水流碰撞，或者被向下偏转。CFD研究证实了无底EDI比有底EDI更优越，结果表明“目前接受的EDI设计方法在峰值流量条件下可能无法提供最优的固体去除性能”（PS：单纯看文字看不出来啥，记住结论：对于峰值进水流量，通过模拟认为带絮凝功能的EDI装置可能无法发挥其优越的性能，小流量还好）。

    洛杉矶的研究成果则揭示了WesTech设计在低负荷运行时的高效性能，但在高负荷状态下，混合液中的旋转速度可能会传递至沉淀池主体，导致二沉池的水力负荷受限，大约仅为2m/h（PS：这不来了嘛，其实2m/h也不小了）。为解决此问题，研究者们采取了创新的方法，使两股出水水流在出口处相互冲击，如图2所展示的LA-EDI装置（PS：相较于普通的EDI装置，出水水流对冲了）。这种设计优化了水力特性，使得在水力负荷高达2.7m/h，甚至达到3m/h的条件下，沉淀池依然能够稳定运行，出水水质也未受影响。水流的对冲有效地消耗了动量，促进了絮凝过程，同时避免了产生不必要的旋转速度，从而提升了沉淀池的处理效率和性能（PS：设计有EDI或LA-EDI装置的稳流井，都是朝着絮凝效果最大化方向去的）。

 

    Stickney水厂的二沉池直径均为38.5m，侧水深度为4.11m，池底向中心倾斜至5.13m深，双侧出水槽/堰安置在边墙内侧的挑梁上。随着水厂的不断扩建，进水结构也随之变化。最初的设计包括位于沉淀池底部下方的1.07m方形管道，继而平滑过渡到一个以倒锥形向上延伸至1530mm直径的圆形管道（如图3所示）。在持续的雨天流量条件下，沉淀池的水力负荷保持在1.98m/h的稳定速率，污泥回流比在进水量的30-50%之间，污泥浓度维持在2000-2500mg/L之间，沉淀池承受的污泥负荷在5.0-6.0kg/（m²·h）之间。这些沉淀池采用了简约的设计理念，未设置絮凝井和复杂的挡板（PS：简单的锥形垂直进水管+外围挡板）。在后续的设计改进中，进水方形管道的尺寸进一步增加到1.22m，顶部锥形出口的直径扩展到1.83m，这样的调整进一步减缓了进水速度。

 

    设计师们致力于将锥形管内的上升流速控制在大约0.3m/s，以避免管道内发生沉积（PS：污水管道内的最小流速0.6m/s，防止淤积）。尽管Anderson在1945年的研究中并未深入探讨这一现象，但似乎已经认识到，在锥形垂直管道中，水流通道的渐扩会促使湍流的产生。虽未详细讨论絮凝过程，但这种设计无疑为絮凝提供了有利条件（PS：采用锥形管本身所具有的好处）。

    在1941年的研究中，Anderson强调了混合液应以尽可能低的速度温和地进入，避免依赖挡板，这一过程旨在最大限度地减少对絮体完整性的破坏，从而降低实现有效絮凝所需的能量消耗（PS：像和面一样，轻揉，温和絮凝）。该水厂的关键参数：包括进水流量、污泥回流量、水力负荷、锥形管内上升流速、入口孔洞流速，详见表1。

 

    旱季流量条件下，管内流速为0.25m/s，入口孔洞流速为0.06m/s，水力负荷为1.64m/h。值得注意的是，在峰值流量下，孔洞流速保持在0.1m/s以下，这与WesTech-EDI的高流速（0.6m/s）相比，显得尤为低。

    Anderson在其1941年和1945年的论文及笔记中，详细描述了维持低进水速度的目标，并试验了多种挡板配置，包括封闭稳流井底部并设置侧向出水口。经过一系列的试验得出结论：原设计的进水结构在性能上表现最为出色。

【计算流体动力学】

    采用CFD程序评估二沉池在52m³/s持续峰值流量条件下的运行性能，稳流井挡板深度为液面以下1.2m。采用原有进水结构设计尺寸，参数设定如下：进水流量在所有二沉池之间均匀分布，其中96个澄清池中有90个在运行；进水混合液浓度为2700mg/L；二沉池直径均为38.5m；管道底部进口直径为0.91m；单池最大持续进水流量为0.53m³/s；污泥回流量为0.21m³/s；管道出口处直径扩大至1.63m；出水槽中心距侧壁4.27m；SVI为50-60mL/g。

 

    图4展示了沉淀池内的速度分布情况，垂直管段采用锥形管用以减缓流速进而降低入口动量。色谱从大约0.4m/s的红色到接近0的深蓝色，进水管内显示红色，过渡区（0.1-0.2m/s）为浅色，而二沉池主体内多为蓝色。实际上，图中的分布并不理想，因为进水动量倾向于向池的一侧排放，形成了不对称的模式。然而，这似乎对二沉池性能的影响甚微，正如二沉池主体中非常安静的深蓝色区域所示。进水动量将混合液带到池顶，随后被挡板反射向下流动，再被回流的清水裹挟流向中心，这有助于打破密度流，这片空间实际上形成了一个絮凝区域，很少有能量可以传递到池的下部。本例中的SVI较低且流量较高，但呈现出的数据却非常好，毕竟低SVI更有助于密度流的形成（PS：SVI越低，更加容易形成密度流，那么该池绝佳的沉淀效果是如何实现的呢？有点反常理！只能说稳流井进水入口结构的构造方式弱化了密度流的影响，同时还具有一定的絮凝效果！）。

    此类进水入口结构将不可避免地产生密度流，任何当下设计的带有絮凝井室的进水方式也同样如此（PS：无法避免，毕竟密度差在那里放着呢，只能说程度降低点儿）。Anderson通过使用浮标测速进而确定了密度流的存在，而当水力负荷超过2m/h时，模型显示在池内的大部分区域，尤其是出水槽附近，速度梯度非常低（PS：这么优秀！）。

 

    为了比较，图5中展示了配置WesTech入口的二沉池CFD效果。两幅图中的颜色标尺有所不同，图4中红色标尺的最高点代表0.4m/s，而图5中则为1.12m/s（PS：原文章图图5上的数据有点看不懂，可能写错了）。图5中0.4m/s的速度落在蓝色和绿色之间的过渡区域。考虑到这一点，Stickney水厂的入口结构似乎比图1中显示的入口结构表现更好（PS：Anderson设计的进水入口结构优于WesTech，不过这里针对的是高流量）。

【出水槽布置】

    Gould和Anderson的研究揭示了需要面对圆形二沉池边墙或矩形池端墙附近由密度流引起的上涌问题。Anderson的结论指出：最优的出水槽位置应尽可能地靠近进水口，以便利用池面上的回流效应。然而，由于结构设计上的挑战和较短的堰长限制（PS：确实不太容易操作），最终采取了一个折中方案，出水槽中心距离边墙为4.27米（见图6）。这种设计布局在全尺寸测试中表现出色，现有池体已根据这一方案进行了改造，而且所有新池均采用了这种设计。2007年5月的出水总悬浮固体（TSS）浓度数据在图7中进行了展示，它描绘了A、B、C和D四组二沉池的出水表现，优良的出水水质是对早期设计师才华的致敬。同时，表2列出的一些数据进一步说明了二沉池在高流量进水条件下的稳定性。

 

    Crosby在其研究中提出了一项创新方案：在边墙上加装挡板，以偏转密度流，从而有效避免其直接冲击周边的出水槽，实践证明该方案在性能上超越了将出水槽设置得过于靠近边墙的传统做法。尽管如此，图6所示的出水槽布置方案仍被广泛应用。Parker等人指出，目前尚缺乏充分的研究来评估Crosby提出的挡板方案是否在实质上优于Anderson的方案。Stickney水厂2004年5月的出水总悬浮固体（TSS）浓度数据为Anderson出水槽布置方式的有效性提供了有力证明（见图7）。为了更全面地展示系统在极端条件下的表现，图7和下表中特别选取了代表高降雨量和高进水流量条件下的TSS数据，这些数据不仅增强了论证的说服力，也进一步验证了Anderson方案在实际应用中的稳健性和可靠性。

 

 

【絮凝不足】

    Stickney水厂是一个典型的推流式污水处理厂，其污泥沉降指数（SVI）表现出色，数值在50-85mL/g之间。沉淀池中心采用了锥形垂直进水管道，在52m³/s的高进水流量条件下，管内流速从0.9m/s逐渐降低至0.43m/s。锥形管道内由于流速的变化而产生湍流（PS：局部水损，类似渐扩管），它可以转化为速度梯度G，大约为13s^-1，而通常认为该速度梯度大小不足以促进颗粒絮凝过程。混合液在管道末端垂直排出，在出口处的垂直面上形成圆周运动。由于管道末端出水洞口（PS：缝隙/洞口）面积大，水流受到的阻力极小，几乎不会对絮体造成破坏，与美国常见的能量耗散装置（EDI）相比，后者由于出流流速较大而可能会对絮体造成一定的破坏。Stickney水厂的这一设计理念与Barnard等人提出的在稳流井中进行低速混合并通过侧向出口（见图8）进行扩散的概念不谋而合。

 

    PS：颗粒之间相互碰撞的动力源于两个方面：水分子无规则运动撞击导致的颗粒碰撞，布朗运动，称异向絮凝；水力或机械搅拌下造成的水流扰动而导致的颗粒碰撞，称同向絮凝。前者与温度、颗粒数量浓度有关，与颗粒尺寸大小无关，只有微小颗粒才具有布朗运动的可能性，且速度极为缓慢，当颗粒粒径大于1μm时，布朗运动几乎消失，水分子撞不动啊。后者需要有外在的能量输入，水力扰动所需的能量源于损失的能量水头（水头损失），而机械扰动所需的能量源于电机功率。水是有粘度的，层与层之间发生相对位移会有能量的损失，而速度梯度反应了能量的消耗概念，它可以表征水流扰动的强度，进而间接反应出絮凝的效果。通常絮凝过程所需的平均速度梯度为20-70s^-1，当然也需要停留时间，需要注意的是，并非絮凝时间越长，颗粒粒径越大，絮凝颗粒会随时间的增加不断均匀化、球形化，最终会稳定下来。

    Anderson尝试了该进口类型条件下的多种挡板配置方案，但令人惊讶的是，这些尝试均未能超越最初的设计。通常，低至50mL/g的污泥沉降指数（SVI）可能会导致强烈的密度流现象，一些研究者已经观察到低SVI值与高出水悬浮固体浓度之间存在显著的相关性，这种相关性意味着在污水处理过程中需要有效的能量耗散和良好的絮凝机制，以确保出水水质的达标。将低污泥沉降指数（SVI）与极低的出水悬浮固体浓度相结合，表明Stickney水厂的沉淀池进水入口结构不仅实现了出色的絮凝效果，还最小化了密度流的影响。

    Ekama和Marais通过计算流体动力学（CFD）研究、状态点分析（SPA）以及全尺寸测试，对两种不同设计类型的沉淀池进行了深入研究。他们发现，当引入0.85的安全系数以弥补即使是设计精良的沉淀池也可能遇到的不完美条件时，状态点分析所预测的性能与沉淀池在具备良好能量耗散和絮凝设计时的实际性能之间存在显著的相关性（PS：状态点分析法不考虑沉淀池的水力特性，结合CFD的研究结论，最好引入一个安全因子，比如0.85来修正污泥的沉降特性，类似于将重量通量曲线向下压一压，使得图解所得的参数更加贴近实际）。一旦为Stickney沉淀池设定了所有必要的沉淀参数，就可以应用85%的安全系数，通过状态点分析法来预测在临界状态下，随着污泥体积指数（SVI）的变化，临界进水流量、水力负荷和固体负荷的变化。这项分析是在混合液悬浮固体（MLSS）浓度分别为2700、3000和3300 mg/L的条件下进行的。在特定条件下，即峰值流量达到52 m³/s、污泥回流量为27 m³/s，且污泥浓度为3000 mg/L时，通过沉降通量曲线的分析，可以判断Stickney沉淀池处于临界状态，在这一临界状态下，SVI的值为120 mL/g。

【结论】

    有几种沉淀池的入口结构设计能够使得稳流井内的流速保持在较低水平，并利用混合液的垂直排放来实现温和的混合和絮凝过程。Stickney水厂虽然在一些文献中被描述为进水结构设计的反面教材，但其卓越的性能表现却值得重新审视并深入研究设计者的创新思路。通过垂直排放混合液，有效避免加速流动对絮体可能造成的破坏，同时，利用独特的锥形垂直管道减缓了进水速度，这种设计在垂直方向上产生了适度的湍流，不仅促进了絮凝效果，也为沉淀池主体中的静沉环境创造了有利条件，即使在2m/h的水力负荷条件下，也能实现非常低的出水悬浮固体浓度。未来水厂的进水量可能长期保持在52m³/s，这是由于下水道溢流雨污水的收集、储存、回收所导致的。本研究考虑了改进现有二沉池进水入口结构的可能性，但得出的结论是性能提升的空间有限。

    早期设计师们所采取的出水槽布局形式至今仍然有效。Crosby所述的挡板成本较低，其性能至少与Stickney水厂的沉淀池相当，但是否能有效提高出水质量，仍需进一步探讨。考虑到Crosby挡板具有更低的成本，对这两种布置方式进行更深入的并行研究是有必要的。

【个人读后感】

    这家拥有65年历史的污水处理厂的二沉池，至今仍然能够保证卓越的出水质量，即使在持续的峰值流量条件下也能稳定运行，这确实让人不得不赞叹设计师的卓越才华。探究其背后的原因，可以发现两个关键的设计要素：

    1）进水立管的创新设计：中心筒位置的进水立管采用了渐扩的锥形管结构，这种设计使得流速自下而上逐渐减小，末端的平均流速维持在0.2-0.5m/s（平均-峰值），而出水洞口的流速则更低，介于0.06- 0.1m/s（平均-峰值）。流速的控制是成功的关键，因为它为絮凝过程创造了一个低流速、相对安静的环境，有利于絮体的形成和稳定，同时也弱化了对二沉池主体内水层的扰动。

    2）出水槽的巧妙布局：出水槽中心距离边墙大约4.2米，这样的布局巧妙地避开了边墙部位的密度流上升区，减少了可能的出水扰动，确保了出水的均匀性和稳定性。

    实际上，二沉池中心进水口位置的构造样式很多，而最常见的就是外围一个大圆桶（稳流筒），它的作用紊流、消能，至于筒内的区域是否会发生有效的絮凝，这个不好判断，毕竟絮凝需要速度梯度，需要时间（也是空间），否则也不会有专门的进口装置来强化絮凝效果，比如EDI和LA-EDI等装置。通过对装置的简单了解，可以清楚的是通过引导水流流动而创造出不同的水流状态，进而构建一个独立的絮凝空间来实现污泥颗粒的生物絮凝，而不同类型的装置在应对水量大小方面所呈现的效果有所差异。如果深入思考，可能会有点凌乱，到底生物絮凝的发生需要的是较高的流速，还是低流速。毕竟EDI孔洞的流速高度0.6m/s，而本案例中的孔洞流速不到0.1m/s。速度梯度个人通俗理解其实就是一种能量的转化，水流自身携带的能量部分耗散在紊流状态下颗粒之间的碰撞过程中，以热能形式释放出去。如果流动都是层流，井井有序，何来碰撞结合之说呢？低流速是温柔的碰撞，高流速则是剧烈的碰撞，前者可能碰撞机率小一些，但不至于破碎，后者碰撞机率大一些，但易破碎，各有利弊。试想一下，如果出水洞口的流速0.6m/s，周围没有挡板的情况会如何，似“穿云箭”般留下长长的痕迹，必然会扰乱二沉池内的静水环境。

    如果非要区分孔洞流速大了好，还是小了好，说实话，我也不清楚。毕竟Anderson设计的沉淀池出水槽远离边墙，也算是一种保护，如果设置在边墙部位，那么中心筒位置加装絮凝装置，无论是EDI或是改进的LA-EDI会不会更有利于出水SS的下降呢？此外，在阅读文献的过程中，意外发现出水悬浮物固体组成部分中其实有两块儿，一块是离散型悬浮固体（Dispersed Suspended Solids，DSS），可能这部分不好去除，另一块是絮凝型悬浮固体（Flocculated Suspended Solids，FSS），这部分可能需要上点儿有利于促进生物絮凝的手段，也能降下去。如果曝气池出水的悬浮固体中后者比重大（这又涉及另一个问题，曝气的水力混合剪切过程是打散了污泥絮体还是形成了污泥絮体），那么采取有效的絮凝方式无疑可以降低二沉池出水的SS浓度。

资料来源：微信公众号：水知识爱好者！