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摘要：北京市第十水厂采用密云水库和南水北调来水双水源模式，由于缺乏准确的原水水质资料，经分析推测，原水水质为冬季低温低浊、夏季高藻、局部时段高浊、高铁锰、有机微污染等。故需要采用有效的澄清工艺，来保证后续处理工艺的正常运行及稳定达标的出水。本次方案中主要对比泥渣接触式的澄清工艺：机械加速澄清池、固体接触澄清池、加砂高速沉淀池和高密度沉淀池。
经过比较，机械加速澄清池具有处理效果好、适应性强、设备少、电耗、药耗、投资低等优点，且在北京有丰富的运行经验，同时兼顾考虑为远期膜过滤工艺预留条件，因此十厂澄清工艺采用机械加速澄清池。
传统机加池由于自身结构特点，存在一些弊端，在工程设计中通过对传统的机械加速澄清池进行优化，进一步提高了澄清池处理效果。
关键词：南水北调，低温低浊，机械加速澄清池
中图分类号： S611 文献标识码： A
1、工程概况
北京市第十水厂是北京市政府主持的基础设施国际招标项目，采用BOT方式融资、建设、运行和移交。净水厂位于市区东南部的朝阳区定福庄，东临规划三间房东路，北临规划么家店路，南临规划长营北路，位于规划发展的定福庄边缘地区的西侧，凈水厂总占地面积180亩。工程建设规模为50万m3/d。水源为密云水库和南水北调来水双水源。
2、工程设计边界条件
（1）原水：密云水库和南水北调来水双水源，南水北调来水可能为丹江口来水或河北四水库来水。原水浊度按不大于20NTU、藻类按不大于1000万个/L考虑。
（2）原水水质：冬季低温低浊、夏季高藻、局部时段高浊、高铁锰、有机微污染以及原水水质的不确定性。
（3）出水指标中的浊度需≤0.3NTU。
3、澄清方案比选
南水北调中线来水水质基本符合国家地表水环境质量II类标准，但缺乏准确的原水水质资料，经1276km输送至北京水质变化有一定的不确定性。另外，经过明渠长距离输送到北京后，有可能遭到沿途的有机物污染、以及致病微生物如“两虫”的威胁等，并有突发水源污染的可能[1]。经分析，应以冬季低温低浊、夏季高藻为主。
自1935年首座机械加速澄清池建成至今[2]，国内依靠自身力量设计出了扩散、脉冲等形式的澄清池。在70～90年代机械加速澄清池风靡全国，在众多的澄清池型式中，目前国内水厂使用较多的是平流沉淀池、斜管沉淀池[3]，机械加速澄清池在我国的应用效果相对比较理想，是除前者以外在我国应用较多的澄清分离系统。
本次方案对比中主要对比泥渣接触式的澄清工艺：机械加速澄清池、固体接触澄清池、加砂高速沉淀池和高密度沉淀池。
（1）机械加速澄清池
机械加速澄清池的工作原理是利用原水中的颗粒和池中积聚的沉淀泥渣相互碰撞接触、吸附、聚合，然后形成絮粒与水分离，使原水得到澄清的过程。澄清池综合了混凝和分离作用，在一个池内完成混合、絮凝、悬浮物分离等过程的净水构筑物[4]。清水区设计上升流速一般采用1～2mm/s，总停留时间1.5hr。重力排泥：泥渣浓度20kg/m³,含水率98％；机械排泥：泥渣浓度50kg/m³,含水率95％。
机械加速澄清池在国内曾得到广泛利用，北京第九水厂、田村山水厂和门城水厂均采用此种池型，也取得了很好的处理效果。
（2）固体接触澄清池
美国西方技术公司的固体接触澄清池将混合、固体内部循环、微动絮凝和重力沉降分离集中在一个处理构筑物内完成。进水首先与导流筒中先前沉降的固体相接触，反应井内的微动搅拌作用则有效地促进化学沉降过程中絮凝体的成长，它们在澄清区中通过重力沉降作用得到分离，上清液通过径向出水槽流出。缓慢旋转的刮泥耙将沉降污泥向池底中心部位集中并排出池外。
固体接触澄清池在国外应用案例较多，国内应用案例较少。
由安菱公司、市自来水公司第九水厂和我院联合进行的验证实验中，其出水效果达到试验预期。
（3）ACTIFLO®加砂高速沉淀池
Actiflo®工艺与传统的水处理技术（混凝、絮凝和沉淀）原理很相似，都使用混凝剂脱稳，高分子絮凝剂聚集悬浮物，斜管沉淀去除悬浮物。Actiflo®工艺的改进是加入了Actisand®作为形成高密度絮体的“种子”和压载物, 絮体从而具有较大的密度而更容易被沉淀去除。
截止到2012年，Actiflo应用于全球735座水厂，其中饮用水厂为328座。总处理水量为4041万 m³/d ，其中饮用水产水量为1696万m³/d。在中国，已经有4座饮用水厂采用Actiflo工艺，其总产水量为138万m³/d，北京市第九水厂二期采用Actiflo工艺，产水规模为68万m³/d。
（4）DENSADEG®高密度沉淀池
高密度沉淀池由混合区、絮凝区、推流区、沉淀区、后絮凝区、浓缩区、泥渣回流系统、剩余泥渣排放系统组成。运行过程为：原水加注混凝剂后经快速混合进入絮凝池，并与沉淀池浓缩区的部分沉淀泥渣混合，在絮凝区加入PAM并利用螺旋桨搅拌器完成絮凝反应。经搅拌后的水以推流方式进入沉淀区。在沉淀区中泥渣下沉，澄清水通过斜管区分离后并通过后絮凝，最终由集水槽收集出水。沉降的泥渣在沉淀池底部浓缩，浓缩泥渣一部分通过螺杆泵回流与原水混合，多余部分由螺杆泵排出。
国内多项工程实例证明高密度沉淀池对低温低浊水处理效果好。北京市第三水厂扩建工程（15万m³/d）、青岛仙家寨水厂（30万m³/d）、上海杨树浦水厂（36万m³/d）、天津津滨水厂（50万m³/d）等均采用高密度沉淀池工艺。
表1-1工艺对比一览表
表1-2投资估算及运行费用
4、推荐方案
综上所述，机械加速澄清池处理效果好、适应性强、设备少、电耗、药耗、投资低，在北京有丰富的运行经验，兼顾考虑为远期膜过滤工艺预留条件，因此十厂澄清工艺采用机械加速澄清池。
5、第十水厂机械加速澄清池优化设计
（1）传统机加池存在弊端
尽管机加池处理效果好、适应性强，在国内应用普遍，但仍然存在着一定的问题，主要问题表现在：
①自身构造限制了污泥回流倍数，降低了絮凝效果。
②沉淀区上升流速偏低。
③系统无法实现连续自动排泥。
④水下设备运行维护困难。
⑤结构施工复杂，难度大。
（2）第十水厂机加池优化设计
1）搅拌、刮泥设备优化
传统机加池设备搅拌和刮泥设备的传动是各自独立的。在使用过程中设备的故障率较高，主要表现在：
① 搅拌装置调速不灵敏，电磁滑差调速，控制系统落后。搅拌传动效率低、能耗大。如原φ29m机加池所用搅拌电机功率为11kw。
原刮泥装置采用销齿传动，技术较落后，故障率高，备件更换频繁，停机检查复杂并且检修时间长。
优化设计后，对机加池设备进行改进，主要为以下几个方面：
①机加池采用传动装置一体化设备，即将原来分别安装在两处独立的搅拌和刮泥的传动装置组装在一起，采用组合同轴结构将刮泥和搅拌的传动装置分上下两部分组装在一起，使传动部简洁化。
②搅拌调速装置由原电磁滑差调速改为变频调速，使调速灵敏。
③由于搅拌传动结构的优化，提高了传动效率降低了能耗。原φ29m所用搅拌电机功率由11 kw降至7.5 kw。
④刮泥装置取消了原销齿传动，改为涡轮减速机主轴传动。这一改进使传动扭矩比原传动方式提高了2.5倍。基本上消除了由于过负载造成的设备停机现象。
2）机加池排泥系统优化
传统机加池一般采用单池排空系统，排空管管径为DN400，采用角型排泥阀。如果单池排空检修后，再次运行时，需要经过长时间调试，重新“攒泥”。优化设计后，将6个机加池排空管串联联通，单个池体检修完成后，可以通过阀门开启，由其它池体向该池输送泥渣，从而大幅减少再运行调试时间。
3）机加池斜管区除泥系统优化
传统机加池斜管区由于水质变化或运行管理不当，导致斜管内积泥，严重时会发生斜管坍塌事故，优化设计后，在机加池斜管清水区设置一套超声波除泥装置，该装置是北京市自来水集团公司专利产品，通过该装置，可以有效去除沉积在斜管内部的积泥。
4）机加池加药系统优化
传统机加池加药点设在机加池三角堰进水区前端进水管处，由于混凝剂与进水接触时间短，不能形成有效的絮凝体，导致混凝效果差[5]。优化设计后将加药点移至机加池进水渠堰前，药液与原水混合后，经过堰的跌水作用，可以加速絮凝剂与原水的混合，提高混凝效果。
5）机加池结构设计优化
传统机加池，池体内附属设施如环形集水槽、出水窗导流板、辐射集水槽、伞形板、裙板等都是采用混凝土材质，不但增加池体重量，而且施工复杂，难度大。优化设计后，将上述附属设施改为不锈钢材质，既美观又减少自重，而且施工方便、快捷，缩短施工周期。
（3）今后机加池优化设计研究方向
（1）机械加速澄清池池体构造、回流方式及沉淀区表面负荷的优化设计。
（2）在保障较优沉淀出水水质条件下（浊度为2NTU以下）提高上升流速的可行性，确定斜管及集水槽的合理配置方式。
（3）在实现污泥回流的自动化控制的基础上，研究水质变化与控制系统的联动原则和方式。
6、结论
机械加速澄清池是北方地区水处理构筑物中常见池型，对冬季低温低浊、夏季高藻的原水处理效果好、适应性强，运行管理经验丰富。
通过第十水厂机加池设计，有如下体会：
1、同轴搅拌、刮泥机设备，在性能、材质、日常维护等方面较原设备都有很大的改善。但是，还是有需要改进的方面，如设备最大部件重量达3吨，如果更换、维修比较困难，应考虑将此设备拆装，便于日后维修、更换。
2、自身构造限制了污泥回流倍数，降低了絮凝效果，且该系统无法实现连续自动排泥，不方便日常管理。应建立水力模型，模拟分析池体内水流流态，进一步进行池体优化设计。
3、机加池大规模应用已经有几十年历史，从八十年代北京市政院编制标准图后，池型就一直没有改进，相关单位部门应该根据实际运行经验不断改进机加池以满足新的出水水質要求。
参考文献
[] 饶磊，浅谈郭公庄水厂的工艺选择，城镇供水，2012（4）：20-22
[2] 陈益滨，周巧仪，澄清工艺及其设计的研究进展，科技信息，2009（9）556-557 [3] 张东波，王敏艳，王纵，郑国兴，许嘉炯，彭广勇，中国给水排水，2012（6）:22-24
[4] 给水工程（第四版），中国建筑工业出版社
[5] 武哲，郭文志，补给水处理系统机械搅拌澄清池的特点及调试，东北电力技术，2000（7）30-32
经过比较，机械加速澄清池具有处理效果好、适应性强、设备少、电耗、药耗、投资低等优点，且在北京有丰富的运行经验，同时兼顾考虑为远期膜过滤工艺预留条件，因此十厂澄清工艺采用机械加速澄清池。
传统机加池由于自身结构特点，存在一些弊端，在工程设计中通过对传统的机械加速澄清池进行优化，进一步提高了澄清池处理效果。
关键词：南水北调，低温低浊，机械加速澄清池
中图分类号： S611 文献标识码： A
1、工程概况
北京市第十水厂是北京市政府主持的基础设施国际招标项目，采用BOT方式融资、建设、运行和移交。净水厂位于市区东南部的朝阳区定福庄，东临规划三间房东路，北临规划么家店路，南临规划长营北路，位于规划发展的定福庄边缘地区的西侧，凈水厂总占地面积180亩。工程建设规模为50万m3/d。水源为密云水库和南水北调来水双水源。
2、工程设计边界条件
（1）原水：密云水库和南水北调来水双水源，南水北调来水可能为丹江口来水或河北四水库来水。原水浊度按不大于20NTU、藻类按不大于1000万个/L考虑。
（2）原水水质：冬季低温低浊、夏季高藻、局部时段高浊、高铁锰、有机微污染以及原水水质的不确定性。
（3）出水指标中的浊度需≤0.3NTU。
3、澄清方案比选
南水北调中线来水水质基本符合国家地表水环境质量II类标准，但缺乏准确的原水水质资料，经1276km输送至北京水质变化有一定的不确定性。另外，经过明渠长距离输送到北京后，有可能遭到沿途的有机物污染、以及致病微生物如“两虫”的威胁等，并有突发水源污染的可能[1]。经分析，应以冬季低温低浊、夏季高藻为主。
自1935年首座机械加速澄清池建成至今[2]，国内依靠自身力量设计出了扩散、脉冲等形式的澄清池。在70～90年代机械加速澄清池风靡全国，在众多的澄清池型式中，目前国内水厂使用较多的是平流沉淀池、斜管沉淀池[3]，机械加速澄清池在我国的应用效果相对比较理想，是除前者以外在我国应用较多的澄清分离系统。
本次方案对比中主要对比泥渣接触式的澄清工艺：机械加速澄清池、固体接触澄清池、加砂高速沉淀池和高密度沉淀池。
（1）机械加速澄清池
机械加速澄清池的工作原理是利用原水中的颗粒和池中积聚的沉淀泥渣相互碰撞接触、吸附、聚合，然后形成絮粒与水分离，使原水得到澄清的过程。澄清池综合了混凝和分离作用，在一个池内完成混合、絮凝、悬浮物分离等过程的净水构筑物[4]。清水区设计上升流速一般采用1～2mm/s，总停留时间1.5hr。重力排泥：泥渣浓度20kg/m³,含水率98％；机械排泥：泥渣浓度50kg/m³,含水率95％。
机械加速澄清池在国内曾得到广泛利用，北京第九水厂、田村山水厂和门城水厂均采用此种池型，也取得了很好的处理效果。
（2）固体接触澄清池
美国西方技术公司的固体接触澄清池将混合、固体内部循环、微动絮凝和重力沉降分离集中在一个处理构筑物内完成。进水首先与导流筒中先前沉降的固体相接触，反应井内的微动搅拌作用则有效地促进化学沉降过程中絮凝体的成长，它们在澄清区中通过重力沉降作用得到分离，上清液通过径向出水槽流出。缓慢旋转的刮泥耙将沉降污泥向池底中心部位集中并排出池外。
固体接触澄清池在国外应用案例较多，国内应用案例较少。
由安菱公司、市自来水公司第九水厂和我院联合进行的验证实验中，其出水效果达到试验预期。
（3）ACTIFLO®加砂高速沉淀池
Actiflo®工艺与传统的水处理技术（混凝、絮凝和沉淀）原理很相似，都使用混凝剂脱稳，高分子絮凝剂聚集悬浮物，斜管沉淀去除悬浮物。Actiflo®工艺的改进是加入了Actisand®作为形成高密度絮体的“种子”和压载物, 絮体从而具有较大的密度而更容易被沉淀去除。
截止到2012年，Actiflo应用于全球735座水厂，其中饮用水厂为328座。总处理水量为4041万 m³/d ，其中饮用水产水量为1696万m³/d。在中国，已经有4座饮用水厂采用Actiflo工艺，其总产水量为138万m³/d，北京市第九水厂二期采用Actiflo工艺，产水规模为68万m³/d。
（4）DENSADEG®高密度沉淀池
高密度沉淀池由混合区、絮凝区、推流区、沉淀区、后絮凝区、浓缩区、泥渣回流系统、剩余泥渣排放系统组成。运行过程为：原水加注混凝剂后经快速混合进入絮凝池，并与沉淀池浓缩区的部分沉淀泥渣混合，在絮凝区加入PAM并利用螺旋桨搅拌器完成絮凝反应。经搅拌后的水以推流方式进入沉淀区。在沉淀区中泥渣下沉，澄清水通过斜管区分离后并通过后絮凝，最终由集水槽收集出水。沉降的泥渣在沉淀池底部浓缩，浓缩泥渣一部分通过螺杆泵回流与原水混合，多余部分由螺杆泵排出。
国内多项工程实例证明高密度沉淀池对低温低浊水处理效果好。北京市第三水厂扩建工程（15万m³/d）、青岛仙家寨水厂（30万m³/d）、上海杨树浦水厂（36万m³/d）、天津津滨水厂（50万m³/d）等均采用高密度沉淀池工艺。
表1-1工艺对比一览表
表1-2投资估算及运行费用
4、推荐方案
综上所述，机械加速澄清池处理效果好、适应性强、设备少、电耗、药耗、投资低，在北京有丰富的运行经验，兼顾考虑为远期膜过滤工艺预留条件，因此十厂澄清工艺采用机械加速澄清池。
5、第十水厂机械加速澄清池优化设计
（1）传统机加池存在弊端
尽管机加池处理效果好、适应性强，在国内应用普遍，但仍然存在着一定的问题，主要问题表现在：
①自身构造限制了污泥回流倍数，降低了絮凝效果。
②沉淀区上升流速偏低。
③系统无法实现连续自动排泥。
④水下设备运行维护困难。
⑤结构施工复杂，难度大。
（2）第十水厂机加池优化设计
1）搅拌、刮泥设备优化
传统机加池设备搅拌和刮泥设备的传动是各自独立的。在使用过程中设备的故障率较高，主要表现在：
① 搅拌装置调速不灵敏，电磁滑差调速，控制系统落后。搅拌传动效率低、能耗大。如原φ29m机加池所用搅拌电机功率为11kw。
原刮泥装置采用销齿传动，技术较落后，故障率高，备件更换频繁，停机检查复杂并且检修时间长。
优化设计后，对机加池设备进行改进，主要为以下几个方面：
①机加池采用传动装置一体化设备，即将原来分别安装在两处独立的搅拌和刮泥的传动装置组装在一起，采用组合同轴结构将刮泥和搅拌的传动装置分上下两部分组装在一起，使传动部简洁化。
②搅拌调速装置由原电磁滑差调速改为变频调速，使调速灵敏。
③由于搅拌传动结构的优化，提高了传动效率降低了能耗。原φ29m所用搅拌电机功率由11 kw降至7.5 kw。
④刮泥装置取消了原销齿传动，改为涡轮减速机主轴传动。这一改进使传动扭矩比原传动方式提高了2.5倍。基本上消除了由于过负载造成的设备停机现象。
2）机加池排泥系统优化
传统机加池一般采用单池排空系统，排空管管径为DN400，采用角型排泥阀。如果单池排空检修后，再次运行时，需要经过长时间调试，重新“攒泥”。优化设计后，将6个机加池排空管串联联通，单个池体检修完成后，可以通过阀门开启，由其它池体向该池输送泥渣，从而大幅减少再运行调试时间。
3）机加池斜管区除泥系统优化
传统机加池斜管区由于水质变化或运行管理不当，导致斜管内积泥，严重时会发生斜管坍塌事故，优化设计后，在机加池斜管清水区设置一套超声波除泥装置，该装置是北京市自来水集团公司专利产品，通过该装置，可以有效去除沉积在斜管内部的积泥。
4）机加池加药系统优化
传统机加池加药点设在机加池三角堰进水区前端进水管处，由于混凝剂与进水接触时间短，不能形成有效的絮凝体，导致混凝效果差[5]。优化设计后将加药点移至机加池进水渠堰前，药液与原水混合后，经过堰的跌水作用，可以加速絮凝剂与原水的混合，提高混凝效果。
5）机加池结构设计优化
传统机加池，池体内附属设施如环形集水槽、出水窗导流板、辐射集水槽、伞形板、裙板等都是采用混凝土材质，不但增加池体重量，而且施工复杂，难度大。优化设计后，将上述附属设施改为不锈钢材质，既美观又减少自重，而且施工方便、快捷，缩短施工周期。
（3）今后机加池优化设计研究方向
（1）机械加速澄清池池体构造、回流方式及沉淀区表面负荷的优化设计。
（2）在保障较优沉淀出水水质条件下（浊度为2NTU以下）提高上升流速的可行性，确定斜管及集水槽的合理配置方式。
（3）在实现污泥回流的自动化控制的基础上，研究水质变化与控制系统的联动原则和方式。
6、结论
机械加速澄清池是北方地区水处理构筑物中常见池型，对冬季低温低浊、夏季高藻的原水处理效果好、适应性强，运行管理经验丰富。
通过第十水厂机加池设计，有如下体会：
1、同轴搅拌、刮泥机设备，在性能、材质、日常维护等方面较原设备都有很大的改善。但是，还是有需要改进的方面，如设备最大部件重量达3吨，如果更换、维修比较困难，应考虑将此设备拆装，便于日后维修、更换。
2、自身构造限制了污泥回流倍数，降低了絮凝效果，且该系统无法实现连续自动排泥，不方便日常管理。应建立水力模型，模拟分析池体内水流流态，进一步进行池体优化设计。
3、机加池大规模应用已经有几十年历史，从八十年代北京市政院编制标准图后，池型就一直没有改进，相关单位部门应该根据实际运行经验不断改进机加池以满足新的出水水質要求。
参考文献
[] 饶磊，浅谈郭公庄水厂的工艺选择，城镇供水，2012（4）：20-22
[2] 陈益滨，周巧仪，澄清工艺及其设计的研究进展，科技信息，2009（9）556-557 [3] 张东波，王敏艳，王纵，郑国兴，许嘉炯，彭广勇，中国给水排水，2012（6）:22-24
[4] 给水工程（第四版），中国建筑工业出版社
[5] 武哲，郭文志，补给水处理系统机械搅拌澄清池的特点及调试，东北电力技术，2000（7）30-32