3.2　單元構筑物及設備

3.2.1　預沉

原水泥砂顆粒較大或濃度較高時，采用一次混凝沉淀和加大投藥量仍難以滿足沉淀出水要求，此時應設置預沉池。可根據原水含砂量、粒經、沉降性能、砂峰持續時間、排泥要求和條件、處理水量水質要求，結合地形、現有條件選擇預沉方式。

預沉池常用的有沉砂、沉淀（自然沉淀、絮凝沉淀）、澄清等。原水中懸浮物多為砂性大顆粒時應采用沉砂池，原水含有較多黏土性顆粒時采用混凝沉淀、澄清等凝聚沉淀方式。

沉淀池有：沉砂池（旋流絮凝沉砂池、平流沉砂池、輻流式沉砂池、斜管沉砂池）；預處理沉淀池；預處理澄清池等。

3.2.1.1　旋流絮凝沉砂池

經過投加絮凝劑的原水，通過池上部進水管的噴嘴快速混合，并旋轉向下流動，穿過固定網板和導流板，由絮凝室下端流入分離室，進行泥水分離，分離出來的清水向上匯集于環行集水槽內流出池外；分離出來的泥渣依自身重力向下進入池下部濃縮室進行濃縮；濃縮后的泥渣由池上部刮泥傳動裝置帶動池底刮泥板，將泥渣刮入池中心集泥斗內；斗內泥渣借助與池內水的靜壓力，由池底所設的排泥管排出池外。

（1）設計要點　采用絮凝沉淀時，原水的最大含砂量不超過60kg/m3，混合絮凝時間為5～15min，進水管噴嘴流速為2～3m/s，噴嘴距水面的距離（或淹沒水深）為0.2～0.3m。絮凝室出口流速≤0.02m/s。泥渣濃縮時間一般取1.5～2.0h，泥渣濃縮室截錐體斜壁與水平面夾角一般為50°～60°。

（2）基本設計公式

1）絮凝室

① 絮凝室面積：

A0=Q/V

式中，Q為單池設計進水量，m3/min；V為絮凝室流速，m/min。

② 絮凝室直徑：

③ 絮凝室容積：

W=Qt

式中，W為絮凝室容積，m3；t為絮凝時間，min。

④ 絮凝室高度：

h3=W/A0

2）分離室

① 分離室面積：

A1=αQ1/v1

式中，A1為分離室面積，m2；Q1為單池設計進水量，m3/min；v1為絮凝室流速，m/min；α為系數，一般取1.3～1.5。

② 沉淀池總面積：

A=A0+A1

式中，A0為絮凝室面積，m2；A為沉淀池總面積，m2。

③ 沉淀池直徑：

3）濃縮室

濃縮室容積：

h1=vmT

式中，W1為濃縮室容積，m3；h1為泥渣濃縮室高度，m；vm為泥渣層增長速度，m/s；T為泥渣濃縮時間，s；F1為泥渣濃縮室上端錐體截面積，m2；F2為泥渣濃縮室下端錐體截面積，m2。

4）沉淀池高度

① 沉淀池中心高度：

H=h1+h2+h3+h4

式中，H為沉淀池中心高度，m；h1為泥渣濃縮室高度，m；h2為水流由濃縮室下沿流入分離室所需高度，m；h3為絮凝室有效高度，m；h4為絮凝室安全高度，m；Q為進水量，m3/s；d為絮凝室直徑，m；v為絮凝室出口流速，m/s。

② 沉淀池周邊高度：

H1=h1+h5+h6+h7

式中，H1為沉淀池高度，m；h1為泥渣濃縮室高度，m；h5為泥渣懸浮層高度，m；h6為泥渣分離區高度，m；h7為沉淀池安全高度，m。

5）排泥含砂量

式中，Cm為排泥含砂量，kg/m3；C為設計進水含砂量，kg/m3。

主要設備有排泥閥、攪拌器等。

3.2.1.2　平流沉砂池

平流沉砂池截留砂粒效果較好、構造簡單、排砂較方便，其主要缺點是沉砂中夾雜有約15%的有機物，使沉砂的后續處理較困難。平流除砂池沉淀效果除受絮凝效果的影響外，與池中水平流速、沉淀時間、原水凝聚顆粒的沉降速度、進出口布置形式及排泥效果等因素有關，其主要設計參數為水平流速、沉淀時間、池深、池寬、長寬比、長深比等。

（1）設計要點　平流沉砂池的進口端要采取緩慢的擴散漸變形式，其擴散角不宜超過20°，進口段的長度一般取15～30m，進水欄與池體底一般采用（1∶2.5）～（1∶1.3）的陡坡連接。采用定期水力沖砂的池寬不大于6m，池深一般采用4～6m。

（2）基本設計公式

① 沉淀池長度：

式中，v為池子首端流速，m/s；Hρ為沉淀池首端工作水深，m；ω為計算粒徑的泥沙的沉降速度，m/s。

Hρ=H-hy

式中，H為水力沖砂時的沉淀池深度，m；hy為沖砂的設計泥砂淤積高度，一般為首端總深度的25%～30%。

② 沉淀池的深度：

H+ilp≤Z+q/v

式中，i為池底縱坡；lp為沉淀池工作長度，m；Z為沉淀池池上游水位和沖洗排泥管、溝下游水位之間的落差，m；q為沉淀池單寬沖洗水量，m3/（s·m），取（1.1～1.25）vhR；v為沖砂流速，m/s，一般取2～2.5m/s；hR為沖砂時的平均水深，m。

主要設備：排泥閥、吸排砂機等。

3.2.1.3　斜管（板）沉砂池

在池內設置斜管（板），泥砂沿斜管（板）滑下。特點是沉淀效率高、池子容積小和占地面積少，但維護管理較復雜，斜管（板）需要定期清理和更換。

主要設備：快開排泥閥、潛水式刮砂機。

3.2.1.4　輻流式沉砂池

輻流式沉砂池多為池深較淺（周邊水深2.4～2.7m）的圓形構筑物。原水自池中心進入，沿徑向以逐漸變小的速度流向周邊，在池內完成沉淀過程后，通過周邊集水裝置流出。沉降在池底部的泥砂靠機械排除。

主要設備：周邊傳動刮泥機、排泥閥、進水閥等。

3.2.1.5　沉淀池和澄清池

沉淀池和澄清池描述及設計要點見2.2.5和2.2.6部分相關內容。需要注意的是在選擇投藥量、上升流速、水力負荷、進水方式和排泥方式等時要考慮原水水質高含砂量和高濁的特點。

3.2.2　生物預處理

生物預處理的主要作用是去除原水中氨氮、異臭、有機微污染物、藻類等，減少對后續工藝濾池的堵塞，達到生活飲用水水質標準。

生物預處理是利用依附在填料上的微生物自身生命代謝活動（氧化、還原、合成等過程），微生物的生物絮凝、吸附、氧化、生物降解和硝化等綜合作用使水中氨氮、有機物等逐漸有效去除。生物預處理主要包括生物濾池和生物接觸氧化兩種方式。

生物預處理的形式和參數應通過試驗或參照相似原水條件的凈水廠運行經驗確定。應注意水溫、氣溫對生物活性的影響，一般水溫應不低于5℃。

主要設備有閥門、蝶閥、止回閥、排氣閥、攪拌器、水泵、鼓風機、空壓機等。

3.2.2.1　曝氣生物濾池

曝氣生物濾池（biological aerated filter，BAF）工藝是近年來國際上較為流行的一種新型水處理技術，該技術對氨氮的去除率達到80%以上，對耗氧量、濁度、色度、鐵、錳等污染物均有較好的去除效果。

根據所使用的濾料不同，BAF的工藝形式主要有兩種：一種使用陶粒等密度大于水的物質作為濾料，類似于Degrement公司推出BIOFOR濾池，目前使用較多的是頁巖陶粒；另一種則使用密度小于水的懸浮型輕質濾料，類似于OTV公司推出的BIOSTYR濾池（濾料主要成分為聚苯乙烯）。由于所采用的濾料的不同，兩種濾池在運行方式上各有特點。

主要設計參數：填料粒徑 2～5mm；填料高度 1.5～2m；水力負荷 3～8m3/（m2·h）；氣水比（0.5∶1）～（1∶1.5）；反沖洗周期 7～10d；反沖洗方式為氣水聯合反沖；反沖強度 氣、水均為10～15L/（m2·s）；反沖時間 5～10min。

3.2.2.2　生物接觸氧化池

生物接觸氧化也叫浸沒式生物膜法，是一種介于活性污泥法和生物濾池之間的生物膜法工藝，主要由池體、填料、布水裝置和曝氣系統4 部分組成。生物接觸氧化的優點是處理能力大，處理時間短，容積負荷高，水頭損失小，對沖擊負荷有較強的適應性，耐停運，出水水質較穩定，污泥產率低，投資和運行費較低，運行靈活，操作管理方便等。存在問題：生物膜增厚后不能僅靠自然脫落，要采取加大氣量等措施控制其厚度，當池面積大時布水布氣不易達到均勻，填料上較易生長水生動物。

生物接觸氧化工藝水質凈化效果取決于生物膜上的生物量及其活性，影響生物接觸氧化工藝水質凈化效果的主要環境因素有水源水質、水溫、pH值、有機物濃度、懸浮物、溶解氧、水力停留時間、氣水比等。此外，曝氣方式、填料類型、結構特點和填料比表面積等也對處理效果產生影響。

主要設計參數：水力停留時間宜為1～2h；有效水深在3.5～6.0m；曝氣氣水比宜為（0.8∶1）～（2∶1）；氨氮負荷0.05～0.08kg/（m3·d）；曝氣強度范圍4.0～5.5m3/（m2·h），一般不宜小于4.0 m3/（m2·h）。

3.2.3　化學預氧化

在混凝工序前投加氧化劑可以去除微量有機污染物、除藻、除嗅味、控制氯化消毒副產物、去除鐵錳等，并可起到助凝作用。在預氧化過程中，氧化劑與水中多種成分作用，能夠提高對有害成分的去除效率，但在一定條件下也會產生某些副產物。目前給水處理預氧化藥劑主要有臭氧、高錳酸鉀（及高錳酸鉀復合劑PPC）、氯、二氧化氯等。由于二氧化氯的副產物對人體有害，其投量不宜過高，因此二氧化氯一般主要作為后續的消毒劑使用；高鐵酸鹽制備難度大、成本高、易分解，實際工程中使用的較少。下面主要針對水廠中常用的3種化學預氧化技術進行介紹。

3.2.3.1　預氯氧化

用預氯氧化工藝能夠殺菌、殺藻，降低藻類和有機物對后續混凝沉淀的干擾，并防止藻類在沉淀池和濾池中滋生，保證構筑物的衛生環境和正常運行，效果明顯、投資和成本低，但會生成氯化消毒副產物，氯氨生成的消毒副產物比氯要低得多。

主要設備有加氯機、加氨機、二氧化氯發生器、次氯酸鈉發生、液氯蒸發器、液壓稱、氯吸收設備等。

3.2.3.2　預臭氧氧化

預臭氧氧化是在混凝沉淀前投加臭氧，作用是氧化鐵、錳，去除色度和臭味，改善絮凝和過濾效果，取代前加氯，減少氯消毒副產物、氧化無機物以及促進有機物的氧化降解。

臭氧是一種強氧化劑，能夠與水中易被氧化的還原性無機物質或小分子有機物例如亞硝酸鹽、氰化物、甲醛和酚等發生反應，也會與一些大分子有機物反應，使其得到不同程度的降解，變成簡單的有機物，隨后去除。

臭氧和水中溴離子反應生成溴酸鹽致癌物，臭氧投加濃度和接觸時間應合理，預臭氧氧化應設置在混凝沉淀前。

主要設備：氣源系統、臭氧發生器、增壓泵、輸送系統、臭氧投加設備、控制系統、尾氣處理裝置、臭氧破壞裝置等。

氣源系統：臭氧的制備系統需要較高純度的氧氣（92%以上）作為氣源。氧氣氣源提供方式有空氣現場制氧和現場液氧直接氣化制氧兩種。空氣現場制氧又包括真空變壓吸附現場制氧（VPSA）和變壓吸附現場制氧（PSA）兩種。

臭氧發生器國外廠家有奧宗尼亞（Ozonia）、威德高（Wedeco）、三菱（Mitsubishi）、富士（Fuji）等。

臭氧的輸送應采用不銹鋼材質。

臭氧的投加方式有水射器投加和曝氣擴散器。預臭氧的投加多采用水射器擴散裝置。

臭氧投加的控制有流量配比和余臭氧控制兩種方式，預臭氧的投加多采用流量配比控制方式。

臭氧尾氣消除方式有電加熱分解、催化劑接觸分解和活性炭吸附分解消除等。

3.2.3.3　高錳酸鉀氧化

高錳酸鉀屬于過渡金屬化合物，是水處理中常用的強氧化劑。

高錳酸鉀尚未發現能生成對人體有毒害的氧化副產物，是較為安全的預氧化劑。高錳酸鉀殺藻，藻內容物不外泄，也是較安全的。如在預處理中同時使用活性炭，比加氯更有優勢。高錳酸鉀作為有效的預氧化劑主要有以下幾方面的作用：a.去除二價鐵、錳離子；b.去除水中有機物；c.降低三鹵甲烷和其他氯化有機物的生成量；d.控制飲用水中的嗅味；e.氧化除藻。

高錳酸鉀預氧化可以投加在取水口，如在凈水廠內投加，需先于其他藥劑的投加時間不少于3min。后處理必須有過濾單元，以減少不溶性二氧化錳造成的水體顏色。高錳酸鉀投加量應根據燒杯試驗確定。

主要設備：高錳酸鉀的投加設備可采取干粉或溶液兩種方式。

3.2.3.4　預氧化藥劑的選擇

可以根據原水水質特點、設計要求和后續處理工藝，選擇合適的氧化劑進行化學預氧化處理（見表1-3-1）。

3.2.4　粉末活性炭吸附（應急）

粉末活性炭吸附是完善常規處理工藝，去除水中有機污染物的有效方法之一。

當原水短時間內含較高濃度溶解性有機物、色嗅味異常時，采用投加粉末炭，主要作用是吸附溶解性物質和改善色、臭、味等感官性指標。由于連續大量投加粉末活性炭成本較高，因此只在應對突發水源事件時使用。

粉末炭一般投加在原水中，經過充分混合接觸后（10～15min），再投加其他藥劑。

粉末活性炭的投加方法有干式投加和濕式投加兩種。目前常用于給水處理工藝中的是濕式投加法，即將粉末活性炭配置成懸浮液定量投加。懸浮液的質量百分比濃度采用5%為宜。

主要設備：粉末活性炭壓縮空氣進料系統、貯料倉、除塵過濾器、輸送料斗、投加罐、進料器、螺旋投加器、計量泵等。

（1）設計要點　炭漿的輸送可采用塑料水泵或普通離心泵，管道采用聚丙烯管道或ABS管道，管道內漿液流速一般在1.5～2.0m/s為宜，攪拌設備的功率按1～1.5kW/m3設計，所有炭漿制備和投加池均要求密封且通氣系統要設置空氣過濾器，以防止粉末活性炭污染環境和空氣中灰塵進入炭漿池，降低炭漿的吸附效率。

（2）計算公式

① 粉末活性炭干粉量及調配水量計算：

日常粉末活性炭干粉量=已知處理數量×日常粉末活性炭的投加量

最大粉末活性炭干粉量=已知處理數量×最大粉末活性炭的投加量

② 調配池容積和投加池容積：

投加池容積=日常粉末活性炭的投加量×4h

調配池容積=投加池容積/2

3.2.5　磁分離預處理技術MIEX?

磁分離預處理技術MIEX?是由澳大利亞（ORICA）研究人員及企業合作研發的一種專利技術，在澳大利亞、新西蘭、歐洲和美國被用于有效降低原水中的DOC；有效去除原水中的硝酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、砷化物，控制溴酸鹽的產生；能減少后續混凝劑的用量從而減少飲用水中鐵和鋁的含量；能降低嗅味，并達到對消毒副產物的控制作用。

MIEX顆粒充滿Cl-，是可重復使用的聚合物，粒徑約180μm，在MIEX-DOC離子交換工藝中，MIEX顆粒被置于攪拌的電流接觸池中，在磁場的作用下顆粒快速吸附水中溶解性DOC，從而降低水中DOC，處理水中Cl-略有增高。MIEX顆粒具有可再生性，再生過程中帶有DOC的MIEX顆粒與水中Cl-進行反方向置換，以提供最大的表面積，便于再次吸附水中DOC。

在MIEX-DOC離子交換工藝中，MIEX顆粒選擇性地去除水中溶解性DOC，且具有可再生性，通過再生可以使MIEX顆粒反復使用，環保、經濟。

MIEX工藝主要去除指標包括：濁度（NTU）35%，TOC（mg/L）22%，UV25433%，色度（度）36%。

主要設備：攪拌器、砂循環泵、再生設備等。