翼片斜板沉淀半生產性實驗研究
劉燦生 沈志恒
摘 要：本實驗研究是考察新型沉淀裝置——民辦片斜板沉淀裝置的沉淀規律。這種裝置的沉淀機理不同于傳統的沉淀池，懸浮絮凝體在翼片斜板造成的環流作用下，加速沉淀。通過實驗發現，由翼片槽內流出的懸浮物質濃度隨翼片格數增加呈指數衰減，同時發現去除懸浮物質的極限程度與懸浮絮體的絮凝特征有關。
關鍵詞：翼片斜板、給水、沉淀
The Experiment and Research of Sedimentation
Tank with Wing Sheet Type Inclined Plates
Liu Cansheng Shen Zhiheng
Abstract The settling law of the new sedimentation facility——a sedimentation tank with inclined plates——is observed stndied in this test.
The settling principle of the new sedimentation facility is different from that of traditional sedimentation facility.The precipitation of suspended flocs is accelerated by means of the circle——flow——action formed by declined plates.
Having done the experiments,we found that the concentration of the suspended matter flowing out of the declined plates decreascs in a exponent form as the number of the declined plates increased.We also found that the removable limitation of the suspended matter closely related with flocculative characteristics of The flocs.
KeyWords incline plates with wing sheet,water supply,sedimentation.
橫向流翼片斜板沉淀模型試驗完成后，為探求對不同水質原水，不同絮凝情況下雜質的去除規律及同一斜板不同高度上雜質分布情況，如何確定沉淀裝置的合理格數及翼片斜板的最佳結構，以及全年（春、夏、秋、冬）運行的可行性，為設計和生產提供必要的性能參數，我們又進行了橫向流翼片斜板的半生產性（中間）實驗研究。
1.實驗裝置及實驗過程
橫向流翼片斜板半生產性實驗是在哈爾濱市供水四廠進行的。
實驗流程如下：
投藥
↓
松花江水→水泵混合→網格反應池→翼片斜板沉淀裝置→出水
實驗裝置安裝在供水四廠混合槽附近，利用水泵將進入混合槽未經投藥的原水抽吸來進行試驗，在實驗中自行投加混凝劑，水泵混合后進入網格反應池，然后再進翼片斜板沉淀裝置進行實驗。
1.1 實驗裝置簡介
主體試驗裝置由網格反應池和翼片斜板沉淀池組成，全部由鋼板焊制（圖1）。網格反應池和翼片斜板沉淀實驗裝置為一整體結構，中間由穿孔穩流板隔開，整體裝置長4.55m，寬1.60m，高2.00m。其中翼片沉淀裝置長2.95m，寬1.00m，有效深度0.9m。 網格反應池為上下回轉，共設分格22個，格網采用木條及篩網做成，格網空隙進口流速為0.4m/s，出口為0.05m/s。
翼片斜板實驗裝填裝置中翼片斜板三組，每一組有10塊斜板，每塊斜板上設置高6cm，間距6cm的翼片8塊，共構成7個區格，兩斜板之間垂直距離9cm，斜板水平傾斜角為60°，將10塊帶翼片的斜板按設計間距重迭固定在框架上，然后放置實驗裝置中。在每組翼片斜板下有一個排泥斗，實驗裝置的一個側面裝有兩個觀察窗，另一個側面設有72個取樣口（上、中、下三排）和一個有機玻璃靜沉筒（可以作進水的靜沉試驗）。
1-進水管；2-網格反應池；3-進水穿孔穩流板；4-翼片斜板；5-出水穿孔穩流板；6-溢流板；7-取樣口；8-出水管；9-排泥斗；10-反應池排空管；11-靜沉筒（觀測管）；12-實驗沉淀裝置；13-排泥管
實驗翼片斜板采用浙江玉環凈水設備廠生產的玻璃鋼翼片斜板，其具體尺寸如圖2所示。除了圖2中所用的60×60×30mm的常規尺寸外，還進行了25×25×25mm規格（即翼片高2.5cm，翼片間距2.5cm）翼片斜板的實驗。
1.2 實驗過程
由于松花江原水濁度不斷變化，因此每天實驗之前，都要做混凝實驗，以確定最佳投藥量的多少，并以此為實驗時投藥量的依據，混凝劑采用四水廠配制好的生產用硫酸鋁溶液。
實驗時，首先開啟水泵，從四廠混合池內取水，用閘閥調節使水泵出水量（水表讀數）控制在實驗所需要的值，待池內水位穩定后，將藥液投于水泵的吸水管內，靠水泵混合后進入網格反應池形成礬花顆粒，再通過側向流翼片形斜板沉淀裝置進行泥水分離，通過穩流板溢流堰出水。待工作穩定后，分別從實驗裝置的進口處、各翼片區格內及出水處取水樣，測定水樣濁度，同時，在翼片斜板沉淀裝置進水處取水樣，作靜止沉淀實驗。對于一種實驗流量反復試驗測定幾次后，改為另一種流量重復上述操作。
對于不同水質原水，不同尺寸的翼片斜板，不同深度的出水情況也按上述操作程序進行試驗。
在實驗過程中，一天測一次原水水質。每半小時讀水表一次，校驗水泵的流量。水的濁度采用上海自來水公司生產的GDS-3型光電濁度儀測定。
2. 實驗數據及成果分析
本文實驗數據整理及成果分析部分，用到的名詞如下：
主流區流速——是指翼片與斜板間的流速，記為v；
主流區厚度——是指翼片與斜板間距，記為b；
水平流速——為空塔流速，記為v0；
進、出水濁度——表示進入、流出翼片斜板沉淀實驗裝置時水的濁度，分別記為c0和ct；
流出濁度ci——表示在該翼片格槽內取樣分析的濁度，第一格則記為c1，第二格記為c2……，第n格則記為cn。
對于同一水質，在其他條件相同的情況下，我們改變實驗水量，則改變了主流區流速v，主流區流速v是翼片斜板沉淀的重要性能參數。本實驗研究，對此作了大量實驗測定，對于不同水質、不同絮凝情況及翼片不同構造型式都要重復作此類實驗。
實驗主流區流速v分別采用5、10、13、15、20、40mm/s等，將實驗所得的數據整理在以翼片格數為橫軸，流出濁度為縱軸的座標系內可得圖3中的曲線，曲線1與曲線2分別是主流區流速為10和15mm/s時的。由圖3可見，經過翼片斜板沉淀的流出濁度隨著翼片格數的增加而減少，曲線由陡斜漸趨平緩，表示水中的絮狀物在最初的幾個翼片格內得到高效的沉淀分離，如曲線1在第八個格時的流出濁度便由92mg/l降到3mg/l。而達到某一濃度后，沉淀分離效果不再發生明顯變化。曲線1經第八個格，曲線2經過第15個格后流出濁度分別穩定在3和7mg/l左右。 
翼片斜板半生產性實驗所得到的這種結果與模型實驗得到的規律相同。
如果把實驗數據繪制在半對數座標系中，或者流出濁度用無因次量cn/c0表示整理后的結果可繪于圖4中的直線，這表示模型實驗所得到的
cn=coe-k.n
橫向流翼片斜板沉淀基本方程式也同樣符合半生產性實驗，證明在這種沉淀過程中，顆粒雜質濃度通過翼片格沉降呈指數衰減的規律。
應當指出的是，當流出濁度在某一翼片后穩定不再變化，則這以后的數據不再遵循指數衰減，在半對數座標圖上也不能與實驗所得的其他數據一起符合直線關系。
這種現象是由于絮凝生成的大顆粒絮凝體，在最初的翼片格內即得到去除，而余下的細小的絮體不易沉淀下來，這部分粒子就是靜沉中也不易沉淀下來的那部分。表1中列出了平衡濃度與靜沉殘余濁度比較。
由此看來，翼片斜板沉淀裝置去除雜質的能力要受到原水雜質顆粒特征的影響，絮凝體生成得好，利于沉淀分離，絮凝體生成得不好，則沉淀相對困難。實驗中可以看到，在翼片斜板去除水中雜質時，由于旋流作用能夠在顆粒（靜沉25min所殘余雜質的顆粒）在翼片斜板中沉淀不到1分鐘即可分離出去，說明這種沉淀對于微小顆粒也有相當好的沉淀效果，但是對于那些在靜沉中不易沉降下的顆粒，翼片斜板也不能將其沉淀下來。因此，在設計翼片斜板裝置時要重視反應效果。
表1 靜沉殘余濁度與平衡濃度對照表
靜止沉淀30min殘余濁度(mg/l)
5.0
6.0
0.4
7.0
11.1
0.5
6.0
6.0
翼片斜板平衡濃度（mg/l）
6.5
6.0
1.2
6.0
1.4
0.6
7.0
8.0
靜止沉淀30min殘余濁度（mg/l）
11.0
6.0
5.0
5.5
1.0
5.0
10.0
翼片斜板平衡濃度（mg/l）
6.5
5.0
5.0
4.4
1.0
4.0
6.0
通過對表1中所得數據的分析，翼片斜板的平衡濃度與靜止沉淀30min殘余濃度大致相等，也就是說當翼片斜板沉淀經10～20格即達到平衡濃度時，已將靜沉30min可沉淀下去的顆粒雜質全部去除，這是相當高的沉淀效率。
為了分析翼片斜板沉淀效率變化，模型實驗研究報告曾給出一種累積去除率η′來分析。
將濁度去除率η′定義為
η′=（cn-1-cn）/cn-1
式中cn-1，cn為相鄰兩翼片格流出濁度，濁度去除率η′的物理意義是各翼片格去除雜質的效率。由試驗結果計算出的η′如圖5所示。
由圖5可見，在第十格以前，各翼片格的雜質去除率都大致相等，在50%左右，而到達一定格數后，其濁度去除率陡然下降。這表明把100mg/l的雜質降到10mg/l所需用的格數與10mg/l降到1mg/l的格數基本相同。所以當原水中濁度較低時，其翼片格數并不見得明顯減少。
為了便于與斜管、斜板的沉淀效率比較，我們提出比體積的概念，比體積是指沉淀裝置處理單位流量水所需要的容積體積，若E為比體積；V為容積體積；Q為處理流量，則
E=V/Q
比體積呈時間因次。
下面若將出水濁度同為10mg/l的各種沉淀裝置的比體積E列于表2，可見，翼片斜板沉淀裝置的沉淀效率約比斜管沉淀池高出一倍，比斜板沉淀池高出四倍，比平流沉淀池高出四十倍。
表2 沉淀效率E對比表 翼片斜板沉淀池 平流沉淀池 斜板沉淀池 斜管沉淀池 主流區流速v（mm/s)
10
15
20
E
90
110
110
4000-5000
500
230
注：平流沉淀池、斜板沉淀池、斜管沉淀池E的計算依據見《給水排水設計手冊》第四冊。
3. 主流區流速、翼片格數翼片構造等參數的選定
3.1 最佳主流區流速及翼片格數的選定
實驗中發現主流區流速愈大達到平衡濃度所需要的翼片格數愈多；主流區流速小則需要的翼片格數也少的規律。那么，采用多大的主流區流速及翼片格數為合理，我們對此進行了專門的考察實驗。
實驗中，主流區流速分別取8、10、11、12、13、14、15、17、20、25、28、30mm/s等12個檔次，實驗結果見圖6。由圖6可見，采用過大的主流區流速其流出濁度上偏，達到穩定出水的平衡濃度需要較多的翼片格數。如果主流區流速過低，雖然在較少的格數時流出濁度即降得很低，但當流量發生輕微變化時，出水濁度不能得到保證，根據實驗情況看，主流區流速采用20mm/s，翼片格數采用15格是適宜的。
3.2 翼片斜板尺寸的選定實驗
為了選定翼片斜板的合理尺寸，我們進行了兩種不同尺寸翼片斜板的對比實驗：一種規格是60×60×30mm；另一種規格是25×25×25mm，將其分別安裝于翼片沉淀分離裝置中進行實驗。
表3 出流水濁度對比表（單位：mg/l）
原水濁度（mg/l）
主流區流速（mm/s）
格數
1
2
3
4
5
6
7
87
11
大格
48
29
15
8
5
3
2
小格
67
46
30
23
16
14
9
83
15
大格
66
44
26
21
13
10
7
小格
74
63
48
39
28
25
20
87
17
大格
65
43
28
19
13
8
7
小格
74
59
40
35
29
23
21
95
23
大格
81
65
43
35
31
23
14
小格
85
78
65
54
49
42
35
85
20
大格
70
44
28
20
14
11
8
小格
76
60
49
36
31
24
17
82
25
大格
74
56
35
35
29
24
16
小格
74
63
59
54
49
44
30
81
28
大格
76
66
61
53
45
39
23
小格
76
69
63
57
47
45
34
（1）相同翼片格數的實驗
實驗中采用相同數量的翼片格，二種規格的翼片格數均為7格，分別測出各格的出流水濁度，數據整理于表3中。
由表3可見，不同尺寸規格的翼片斜板的沉淀效果不同，在同一水質、同一主流區流速情況下，60×60×30mm規格的翼片板的流出濁度較25×25×25mm規格的低得多。但是由于翼片斜板的尺寸不同，僅僅以表3的資料尚不能作出比較，還應進行沉淀時間相同，經過的翼片格數不同的對比實驗。
（2）在翼片格間停留時間相同的對比實驗
為了考察水在翼片格間停留相同時間的不同規格翼片斜板的沉淀效果，本實驗采用60×60×30mm規格的翼片板的流出濁度較25×25×25mm規格的則采用14格，在相同水質和相同工況條件下分別測定其沉淀效果。表4中列出了實驗數據，這部分實驗結果是在混凝極端不好的情況下得到的。
通過上述兩種比較實驗可見，60×60×30mm規格翼片斜板的雜質去除率高，而且大尺寸規格的翼片加工制作方便。因此，建議彩和60×60×30mm規格的翼片斜板。
表4 出水濁度對比表
主流區流速（mm/s）
9
11
15
17
20
23 <
25
28
進水濁度（mg/l）
86
87
83
87
85
95 <
82
81
大格出水濁度（mg/s）
71
65
52
57
60
70 <
64
61
小格出水濁度（mg/l）
73
73
62
62
67
77 <
69
67
4. 同一翼片槽縱向濁度分布
半生產性翼片斜板沉淀實驗還研究了同一翼片槽內不同深度處的濁度變化。實驗時，從翼片斜板實驗裝置的上、中、下部位的取樣口取水樣。其濁度變化情況如圖7所示。由圖可見，同一翼片槽內中部取樣濁度高于上排取樣的濁度。從理論上講，整個翼片槽內雜質濃度應該是不變的，因為假定進水濁度沿池深方向分布是均勻的，那么進入到同一翼片槽內的雜質數量沿翼片深度也將分布均勻。槽內上部沉降轉移來的那部分雜質對于上、下部都是一樣的。所差異的是上、下部的積泥數量不同，下部要多，但這并不能影響槽內水的濁度。分析本實驗出現這種結果的原因是：
（1）絮體生成較好，因此濁度沿縱向分布不均勻，上部濁度小，下部濁度較大。造成翼片斜板槽內上、下濁度的差異。
（2）由于本實驗翼片斜板整體擱置在排泥斗的壁臺上，翼片斜板滑下的泥能在此積蓄，所以從下排取樣則出現相當高的濃度，甚至超過原水濁度。
（3）取樣管插入翼片槽內，引起滑泥流動的紊亂，使得取出水樣濁度偏高，愈往下
層其滑泥量愈大，影響愈歷害。
因此，在設計該裝置時要考慮保證進水分布均勻，減小支撐翼片斜板的部位，避免在該處積泥。
5. 在原水低溫、低濁時的使用情況
松花江水系常處于低溫、低濁狀態，此期間濁度減小幾十倍。表5為松花江自1985年7月至1986年7月全年的濁度變化資料。翼片斜板沉淀裝置處理低溫、低濁水情況如何呢？
表5 松花江水濁度變化表
月份濁度（mg/l）
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
最高
600
540
140
110
170
32
49
62
25
440
500
330
800
最 低
150
130
50
45
50
13
18
15
11
10
160
100
80
平 均
283
305
80
65
88
23
27
29
15
176
252
160
410
先應用模型實驗考察了低溫低濁時的沉淀效果。實驗結果表明：這種新型的沉淀池對處理低溫低濁水有相當好的作用，處理效果令人滿意。
在實驗中，對這種裝置和斜板進行了比較實驗，數據列于表6。
表6 低溫低濁下模型試驗結果表
原水濁度（mg/l）
出水濁度（mg/l）
20
18
25
30
27
11
15
13
19
27
翼片裝置出水濁度
10
9
10
7
8
8
7
9
6
7
斜板出水濁度
17
15
17
20
19
11
14
13
14
18
備注
1984年4月初實驗
可見，在同一條件下其出水水質不相同，翼片斜板要比斜板沉淀效果明顯，說明對于低溫低濁水的沉淀是有效果的。
1986年低溫低濁時期，我們采用翼片斜板沉淀的半生產性實驗裝置對低溫低濁水的處理效果進行了考察。實驗結果見表7，實驗水溫為1～3℃。
翼片斜板所以能處理低溫低濁水的原因，可能是由于翼片斜板的動態分離。絮凝頻粒粒被渦流強制輸送入翼片格內，盡管因低溫低濁絮凝不完善，但這些顆粒仍然能被挾帶進槽內，而槽內環流區的流速很低，即使微小的顆粒也易沉淀下來，同時在渦流和環流的作用下也能促進顆粒雜質進一步絮凝，以及在翼片槽內環流的離心作用能迫使顆粒與翼片壁接觸而加速其沉淀。
表7 低溫低濁下半生產性實驗結果表
原水濁度（mg/l）
25
22
20
18
17
15
14
12
11
出水濁度（mg/l）
8
10
10
9
7
8
8
7
8
原水濁度（mg/l）
10
16
20
24
30
34
38
41
59
出水濁度（mg/l）
6
8
9
7
10
11
8
7
6
可見，翼片斜板對低溫低濁沉淀仍然具有良好的效能。
參考文獻
[1] “迷宮斜板分離裝置”，[日本]《水道協會雜志》，昭和57年10月第577號。
[2] 劉燦生、沉志恒、王紹文：“翼片斜板沉淀實驗研究“，《哈爾濱建筑工程學院學報》1985年第2期。
[3] (美國)《水的凈化新概念》，張亞杰等譯，建工出版社，1982年10月。
[4] 《水力學》，西南交通大學、哈爾濱建工學院編，人民教育出版社，1979年。
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