北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院
龍 干 宋亞文

一　前言

　　1997年10月上海污水治理二期工程白龍港污水預(yù)處理廠工程進(jìn)行國(guó)際招標(biāo)。污水水量水質(zhì)見(jiàn)表1。

　　招標(biāo)文件中白龍港污水預(yù)處理廠工藝流程包括總配水井、機(jī)械粗格柵、細(xì)格柵和曝氣沉砂池系統(tǒng)。曝氣沉砂池分為8組、16個(gè)沉砂渠，采用8套平移泵吸式除砂機(jī)，每臺(tái)除砂機(jī)為雙跨，兩只抽砂泵安裝在可行走橋架上的吸砂管下端，可分別抽吸兩個(gè)沉砂渠中的沉砂，吸砂管另外一端對(duì)準(zhǔn)側(cè)邊的送砂渠排砂。曝氣池采用豎管曝氣，鼓風(fēng)機(jī)房安裝有6臺(tái)75KW的離心鼓風(fēng)機(jī)。
　　由于經(jīng)常參加國(guó)際性招投標(biāo)工作，所以我院了解到在世界上，包括中國(guó)在內(nèi)，近年來(lái)興建的污水處理廠，特別是在建的污水處理廠中，圓形旋流沉砂池由于其高效的砂粒截留效率、和砂粒中較低的有機(jī)物含量、低能耗、少占地、小容積、設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為污水處理廠中沉砂池的首選池型，傳統(tǒng)的曝氣沉砂地正在逐漸被它所取代。上海作為我國(guó)最大的現(xiàn)代化城市，其污水處理設(shè)施也應(yīng)該和國(guó)際水平接軌。因此在進(jìn)行主方案投標(biāo)的同時(shí)，我們又作了一個(gè)備選方案一旋流沉砂池工藝。由于旋流沉砂池有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在競(jìng)標(biāo)中，旋流沉砂工藝一舉中標(biāo)。
　　與傳統(tǒng)的平流沉砂池、曝氣沉砂池相比，旋流沉砂池以其占地面積小、能耗低、土建費(fèi)用低、運(yùn)行管理方便、對(duì)周圍環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)被人們認(rèn)同，在國(guó)外被廣泛的運(yùn)用在污水處理廠中。國(guó)內(nèi)目前處于剛剛引進(jìn)、有些在試運(yùn)行階段。
　　在國(guó)際上旋流除砂系統(tǒng)及設(shè)備基本上由以下四大公司發(fā)明、生產(chǎn)制造。這四種圓形旋流除砂系統(tǒng)除砂原理基本相同：
　　　　.美國(guó)Smith ＆ Loveless Inc.生產(chǎn)的Pista旋流除砂系統(tǒng)；
　　　　.英國(guó)Jones ＆ Attwood Inc.生產(chǎn)的Jeta旋流除砂系統(tǒng)；
　　　　.加拿大 John Meunier Inc.生產(chǎn)的Mectan旋流除砂系統(tǒng)；
　　　　.新西蘭Dormarg Equipment Limited生產(chǎn)的Dormarg除砂系統(tǒng)。
　　以美國(guó)Smith ＆ Loveless Inc.生產(chǎn)的Pista旋流除砂系統(tǒng)為例，就旋流除砂系統(tǒng)的構(gòu)造、原理、特點(diǎn)進(jìn)行論述。

二　構(gòu)造

　　1.進(jìn)水渠道—控制入口水流速度，將砂粒排至池底，以便將除砂速度提高到最大限度。
　　2.平底—使有機(jī)物附著現(xiàn)象減少到最低限度，并且通過(guò)水流攜帶砂粒進(jìn)入儲(chǔ)砂斗，且將上部分砂區(qū)變成一個(gè)強(qiáng)力的渦輪裝置。
　　3.固定隱藏式活動(dòng)蓋板—起延伸池底的作用，并使流動(dòng)方向不致受蓋板邊緣影響而中斷。
　　4.儲(chǔ)砂池斗—儲(chǔ)存砂粒，便于渦輪泵定時(shí)排出，使除砂泵不必連續(xù)工作。
　　5.砂粒水流導(dǎo)線器—有助于防止砂粒在儲(chǔ)砂池內(nèi)堆積板結(jié)。
　　6.導(dǎo)板—使水流切線進(jìn)入除砂區(qū)，延池周圍流動(dòng)。
　　7.軸流式螺旋槳—有助于砂粒進(jìn)入儲(chǔ)砂池斗前引導(dǎo)和清洗砂粒。旋轉(zhuǎn)的渦輪可以改善流態(tài)。螺旋槳葉片前緣大而圓，能防止由于破布及纖維物質(zhì)的纏繞而降低除砂效率及增加能量消耗。
　　8.大齒輪傳動(dòng)—能連續(xù)運(yùn)作，無(wú)需進(jìn)行故障維修。
　　9.隔板—可引導(dǎo)進(jìn)水流繞除砂區(qū)池底周圍流動(dòng)，將砂粒從水流中分離出來(lái)，使砂粒進(jìn)入砂斗。隔板還可以使出水平穩(wěn)流動(dòng)，防止砂粒從底部泛起。
　　10.出水渠道—可控制沉砂池和進(jìn)水渠道的水位，為進(jìn)水提高適當(dāng)?shù)牧魉佟?BR>　　11.渦輪泵—將砂斗內(nèi)砂粒提升并排出。
　　12.排砂管—將砂水排入砂水分離器。

三　原理

　　旋流除砂系統(tǒng)采用強(qiáng)制渦流原理達(dá)到砂粒沉降的目的。原水進(jìn)入平直的進(jìn)水渠后成直線流動(dòng)，將進(jìn)水的紊動(dòng)減至最低，進(jìn)水渠的末端為一個(gè)斜面，沿池底部周邊切線方向進(jìn)入池中，使之產(chǎn)生附壁效應(yīng)，從而使原已沉降在渠底的砂粒沿著斜坡流向平底而被捕集。另外，在進(jìn)水渠的末端有一個(gè)入水導(dǎo)流板，其位置可以使進(jìn)入沉砂池的水流和沉砂池內(nèi)的原有水流在該導(dǎo)流板的斜表面上交匯，并將水流下折，使之沿沉砂池周邊流動(dòng)。在沉砂池中心處裝有一軸向螺旋槳，用來(lái)保證池內(nèi)所有水流的適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋槳、入水導(dǎo)流板和進(jìn)水水流結(jié)合在一起，就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流流態(tài)。(水流沿沉砂池周邊流動(dòng)，與此同時(shí)，沿平底轉(zhuǎn)向中心，經(jīng)葉輪向上，到頂部，再折回到池壁，向下到池底。這是一種螺旋環(huán)流流態(tài))。在環(huán)流流態(tài)的作用下，離心力的作用使得砂粒最大限度地與平底碰撞，并被水流捕集，而砂粒一旦在平底上被捕集到，就會(huì)藉環(huán)流流態(tài)所產(chǎn)生的底部速度被推向中央，落入砂斗。平面池底是保證環(huán)流流態(tài)達(dá)到最大除砂效率的因素，因?yàn)槠滦蔚酌鎸?huì)減少環(huán)流流態(tài)的強(qiáng)度，降低砂粒的捕集效率，增加水流所捕集和儲(chǔ)存的砂粒中有機(jī)物的含量。當(dāng)砂粒沿平底被推向沉砂池中心時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉輪將加速水流流動(dòng)，使得較輕的有機(jī)物被提起并返回至沉砂池的出水中去。然后砂粒移向池心，通過(guò)螺旋槳驅(qū)動(dòng)軸和鋼蓋板之間的環(huán)形孔口落入底部集砂斗。砂粒從螺旋槳下面通過(guò)時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生的向上水流，將把夾在砂粒之間的有機(jī)物帶出，完成這一分離過(guò)程的砂粒才可以落入集砂斗中。當(dāng)集砂斗中所儲(chǔ)存有的砂粒足夠多時(shí)，砂粒被池項(xiàng)安裝的真空啟動(dòng)泵抽出，并送至脫水裝置。一般每隔四小時(shí)從集砂斗自動(dòng)排砂一次。
　　旋流除砂系統(tǒng)采用360度新型直線式設(shè)計(jì)，使得進(jìn)水渠和出水渠呈360度，形成自然流線。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，且能有效地提高除砂效率。
　　綜上所述，旋流除砂系統(tǒng)有這樣幾個(gè)特點(diǎn)：
　　①軸向螺旋槳可以將進(jìn)水和池內(nèi)水流帶向池心，然后向上，形成環(huán)流流態(tài)，并將砂粒慢慢水平地推向環(huán)形砂斗口，而附在砂粒上的有機(jī)物則在平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中脫離砂粒，重新回到廢水中，并隨水流上升，流向排水渠，這大大減少了沉砂中所含有機(jī)物質(zhì)及異味的出現(xiàn)。
　　②沉砂提升泵間歇地將砂斗中的沉砂提升至砂水分離器，該泵采用真空啟動(dòng)，其隱藏葉片式葉輪采用含鎳硬化處理的鑄鐵，可抵受砂粒在高速運(yùn)行下可能產(chǎn)生的撞擊和磨損，并容許較大的物體通過(guò)。該系統(tǒng)可提供比一般的壓縮空氣提升系統(tǒng)更高的揚(yáng)程，且節(jié)省了配套的壓縮空氣系統(tǒng)，其獨(dú)特的垂直式無(wú)堵塞設(shè)計(jì)令其平穩(wěn)無(wú)阻運(yùn)作，避免一般水平式安裝可能產(chǎn)生的管道阻塞。

四　旋流沉砂池一般規(guī)定

　　六十年代，國(guó)外開(kāi)始研究旋流除砂工藝，七十年代初開(kāi)始運(yùn)用的實(shí)際工程中。目前，它被廣泛運(yùn)用在污水處理廠。國(guó)內(nèi)目前處于剛剛引進(jìn)、有些在試運(yùn)行階段。因此，在《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》中沒(méi)有規(guī)范內(nèi)容。根據(jù)正在進(jìn)行的上海白龍港污水預(yù)處理廠中的旋流沉砂池的設(shè)計(jì)以及在美國(guó)進(jìn)行的有關(guān)旋流除砂工藝的考察所得到的一些數(shù)據(jù)，淺顯的敘述一些其一般規(guī)定：
　　1.旋流沉砂池按去除比重2.65、粒徑0.1毫米以上的砂粒設(shè)計(jì)(曝氣沉砂池除砂粒徑按0.2毫米以上設(shè)計(jì))；
　　2.旋流沉砂池為圓形，切線方向進(jìn)水、切線方向出水；
　　3.進(jìn)水流速一般為1.0米/秒；
　　4.停留時(shí)間約1分鐘(因旋流沉砂池運(yùn)行效果不依賴于停留時(shí)間或沉淀時(shí)間的長(zhǎng)短，而確決于水的渦旋流動(dòng)。水流一般在池內(nèi)旋轉(zhuǎn)兩圈)；
　　5.旋流沉砂池上園為分砂區(qū)，直徑2-10米，水深約3米，下園為集砂區(qū)，直徑1-3米，深度約2米。
　　6.排砂泵每天開(kāi)啟4次，每次約10分鐘。
　　7.旋流沉砂池在高流量及流量變化大時(shí)處理效果良好。

五　旋流除砂工藝與曝氣除砂工藝比較

　　通過(guò)對(duì)上海白龍港污水預(yù)處理廠的投標(biāo)、設(shè)計(jì)以及在美國(guó)與Pista旋流工藝發(fā)明人的交流，對(duì)曝氣沉砂池及旋流沉砂池有以下比較：
1、除砂效率
　　根據(jù)美國(guó)清水及污水協(xié)會(huì)測(cè)試結(jié)果，不同粒徑砂粒的除砂效率比較見(jiàn)下表：

　　按照砂粒粒徑大小比較旋流除砂系統(tǒng)和曝氣沉砂池的除砂效率。旋流除砂系統(tǒng)在各種粒徑下的除砂效率均遠(yuǎn)大于曝氣沉砂池，不僅僅是對(duì)粒徑相對(duì)較易去除的大顆粒作用顯著，而且對(duì)于細(xì)小砂粒的去除效率也遠(yuǎn)高于曝氣沉砂池。Smith ＆ Loveless技術(shù)規(guī)范S-112詳細(xì)介紹了一種全尺寸Pista除砂系統(tǒng)測(cè)試裝置，該裝置曾經(jīng)被運(yùn)到佛羅里達(dá)去測(cè)試除砂設(shè)備在當(dāng)?shù)厮龅降姆浅＜?xì)小“糖砂”顆粒去除的有效性，結(jié)果表明旋流除砂系統(tǒng)對(duì)于細(xì)小砂粒的去除是極為有效的，就象對(duì)大顆粒的去除一樣好。測(cè)試中其對(duì)O.lmm的砂粒去除效率可達(dá)75%。測(cè)試還表明旋流除砂系統(tǒng)基本上不受較大水流波動(dòng)的影響。
2、能耗
　　在能源費(fèi)用較高的今天，效率就是至關(guān)重要的。采用旋流除砂系統(tǒng)時(shí)，螺旋槳驅(qū)動(dòng)只需要很小馬力的電機(jī)。池頂安裝的Turbo泵和脫水裝置，只是在排砂過(guò)程才運(yùn)行，每天只需要近1小時(shí)。與此相對(duì)照，曝氣沉砂池則需要風(fēng)機(jī)每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。表3為這兩種除砂系統(tǒng)能耗比較。為了便于比較，假定每隔四小時(shí)排砂一次，每次排砂和砂水分離操作歷時(shí)10分鐘。
　　由于備選方案中省去了曝氣沉砂池的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，電耗大大降低。如果電費(fèi)單價(jià)按每度電0.60元計(jì)，備選方案年運(yùn)行費(fèi)用比主方案節(jié)約約140萬(wàn)元左右。

3、占地
　　旋流沉砂池的運(yùn)行效果不依賴于停留時(shí)間或沉淀時(shí)間的長(zhǎng)短，而是取決于水的渦旋流動(dòng)，因止旋流沉砂池系統(tǒng)的占地面積要比曝氣沉砂池小得多。由于取消了鼓風(fēng)機(jī)房等設(shè)施，將廠區(qū)平面布置重新調(diào)整后，備選方案較原方案可節(jié)約占地近萬(wàn)平米。
4、維護(hù)管理
　　曝氣沉砂池中利用吸砂泵、平移橋、螺旋輸送機(jī)等來(lái)完成排砂的，這些裝置中包括水下的鏈、軸承、鏈輪等，都是需要經(jīng)常調(diào)整和更換的維護(hù)率極高的項(xiàng)目，更換零件所需要的費(fèi)用和人工均以萬(wàn)元計(jì)，還要加上更換期間沉砂設(shè)施不得使用的損失。
　　與此相反，旋流除砂系統(tǒng)僅使用了萬(wàn)向軸管葉輪，沒(méi)有水下軸承，沒(méi)有易受磨損或堵塞的部件在水下運(yùn)行，旋流除砂機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置、潤(rùn)滑點(diǎn)和軸承均在池頂水面以上以便維護(hù)。累積的砂粒由頂部安裝無(wú)水下運(yùn)動(dòng)部件的泵。唯一的維護(hù)是進(jìn)行不太頻繁的電機(jī)潤(rùn)滑。由于消除了全部水下緊密公差和運(yùn)動(dòng)部件，與曝氣沉砂池相比，旋流除砂系統(tǒng)的維護(hù)工作量將極大地降低。
　　總之，旋流除砂系統(tǒng)不僅需要維護(hù)的設(shè)備少，而且基本上沒(méi)有受磨損部件，從長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)行角度來(lái)看，旋流除砂系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用是最低的。
5、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性
　　旋流沉砂系統(tǒng)是選用八套完全獨(dú)立的、一一對(duì)應(yīng)的、除砂機(jī)、輸砂泵和砂水分離器，而原方案中16個(gè)曝氣沉砂池只用兩個(gè)砂水分離器。
　　旋流除砂系統(tǒng)的除砂機(jī)等全部設(shè)備均采用國(guó)外有經(jīng)驗(yàn)專業(yè)廠家制造的專用成套設(shè)備。
　　旋流沉砂系統(tǒng)設(shè)備組成的環(huán)節(jié)少(砂泵、螺旋槳)，曝氣沉砂池的設(shè)備組成環(huán)節(jié)較多(行車、吸砂泵、排砂泵、閘閥、曝氣管)；
　　由以上三點(diǎn)可以得出該方案系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、設(shè)備的安全性和使用壽命均將大為提高，設(shè)備的無(wú)故障運(yùn)行期大大提高。具有高可靠度、高備用系數(shù)的特點(diǎn)。
6、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)
　　盡管曝氣沉砂池設(shè)備制造商會(huì)申明自己有著許多應(yīng)用實(shí)例，但旋流除砂系統(tǒng)也絕非新產(chǎn)品了，僅在美國(guó)就有1300套Pista型旋流除砂系統(tǒng)在運(yùn)行，另外還有500套安裝在世界各地。
7、環(huán)境影響
　　由于旋流除砂系統(tǒng)主要采用水力環(huán)流來(lái)達(dá)到水中有機(jī)物和砂粒分離、并去除砂粒的目的，因此省卻了曝氣沉砂池中的鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，一是沒(méi)有風(fēng)機(jī)房所產(chǎn)生的噪音污染，二是由于有機(jī)物與砂粒分離比較好，沉砂上裹帶的有機(jī)物量較少，因此砂粒脫水處理時(shí)臭味將大大減輕。另外，沉砂池處理系統(tǒng)是污水處理廠臭味的最主要來(lái)源之一，由于旋流沉砂池水面面積從原來(lái)的1400平米減少為335平米，而且運(yùn)行過(guò)程中池內(nèi)無(wú)曝氣需要，因此，水中臭味逸出對(duì)周圍環(huán)境的影響也會(huì)成數(shù)量級(jí)地降低。
　　為了最大限度的降低臭味，在旋流沉砂池上加蓋非常容易，但是在曝氣沉砂池上加蓋絕非易事。
　　由于該方案總占地面積減少，可以在有限的處理廠可用地范圍內(nèi)增加綠化用地面積，美化環(huán)境。
8、有機(jī)物分離效果
　　按照旋流沉砂工作原理，旋流沉砂池不僅沉砂效率高，而且可以有效地降低砂粒中的有機(jī)物含量，從而大大減輕砂粒脫水處理時(shí)散發(fā)的臭味，提高砂粒的清潔度，以利于最終處置。

六　結(jié)論

　　綜上所述，旋流沉砂池以其除砂效率高、能耗低、占地小、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單方便、對(duì)周圍環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)。因此在國(guó)家大力關(guān)注環(huán)保事業(yè)的今天，選擇先進(jìn)、可靠的工藝設(shè)備是我們的職責(zé)。