李濤(化工部第三設計研究院,安徽合肥230024)

　　摘　要：作為城市污水處理廠預處理設施的沉砂池對保證后續處理構筑物的穩定運行起著重要作用。結合目前國內普遍應用的不同類型沉砂池的特點，對其在工程中的適用性及相關問題進行了討論。
　　關鍵詞：沉砂池；除砂；有機物分離
　　中圖分類號：X703.3文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)09-0037-06

　　沉砂池是城市污水處理廠必不可少的預處理設施，通常設置在細格柵后以去除進水中的砂粒，保證后續處理構筑物及設備的正常運行。
　　近年來，隨著國外先進水處理設備的引進，新型沉砂池工藝在國內也得到了越來越多的應用。對于不同型式的沉砂池，其實際運行效果究竟如何，目前尚未看到系統的比較。結合自身的設計經驗，從設計原理及工程實踐角度對沉砂池工藝做初步分析，以探討如何在工程中作進一步的合理運用。

1　沉砂池的作用

　　雖然沉砂池在污水處理廠的投資、占地等方面所占的比例很小，但其作用卻不可忽視。若取消沉砂池，大量砂粒將進入后續各處理單元，給污水廠的正常運行帶來諸多隱患：
　　①砂粒進入初沉池會加速污泥刮板的磨損，縮短使用壽命。
　　②排泥管道中砂粒的沉積易導致管道的堵塞，進入污泥泵后會加劇葉輪磨損。
　　③對于不設初沉池的處理工藝(如氧化溝、CASS等)或實際運行中由于進水負荷過低而超越初沉池運行的工藝，大量砂粒將直接進入生化池沉積，導致生化池有效容積的減少，同時還會對曝氣器產生不利影響。
　　④砂粒進入污泥消化池中，將減少有效容積，縮短清理周期。
　　⑤污泥中含砂量的增加會大大影響污泥脫水設備的運行。砂粒進入帶式脫水機會加劇濾布的磨損，縮短更換周期，同時會影響絮凝效果，降低污泥成餅率。近年來臥螺式離心機在城市污水處理廠中的應用日益廣泛，由于該設備采用高速離心分離的方式，砂粒會大大加劇轉筒、螺旋等處的磨損。

2　沉砂池的設計

　　對于一座理想的沉砂池，最好在去除所有的無機砂粒的同時，將砂粒表面附著的所有有機組分分離出來，以利于砂粒的最終處置。因此，在進行沉砂池設計時主要需考慮兩方面問題：
　　①如何通過合理的水力設計，使得盡可能多的砂粒得以沉降并以可靠、便捷的方式排出池外。
　　②采用何種有效的方式，盡可能多地分離附著在砂粒上的有機物，將其送回到污水中。
2.1　砂粒的粒徑
　　進水中砂粒粒徑d的大小差別很大，從d＜0.6 mm到d＞5 mm不等。對于不 同粒徑范圍的砂粒，不同沉砂池的去除率是不同的。如平流式沉砂池對于粗砂的去除率要高于曝氣沉砂池，但對于細砂的截留率則遠低于曝氣沉砂池。因此嚴格來說，在進行沉砂池設計時應考慮不同地區砂粒中的粒徑級配，但客觀上這一點卻不太可能實現。
　　實際工程中，通常以對d＞0.2 mm的砂粒去除效率來衡量沉砂池系統的效率。由于不同沉砂池對于這一類砂粒的去除效率并不相同，因此有必要對不同類型沉砂池的實際除砂效率進行測定，但國內目前卻幾乎看不到此類對比試驗，使得對于不同池型去除效率的了解僅能得自有關的推薦數據，這在一定程度上難以反映出真實情況。
2.2　沉砂池的表面積
　　對于采用非曝氣的普通沉砂池來說，不同粒徑的待去除砂粒的沉降速度會影響到沉砂池所需 的表面積。表1為國外某公司的推薦值。

表1　國外某公司推薦的沉砂池表面積 粒徑 沉降速度(m/s)　 需要面積(m²/m³)　 目數 直徑(mm) 20 0.833 0.075 1.55×10^-4 28 0.595 0.053 2.14×10^-4 35 0.417 0.038　 3.07×10^-4 48 0.295 0.026　 4.35×10^-4 65 0.208 0.019 6.14×10^-4 100 0.147 0.014 8.72×10^-4 150 0.150 0.01 1.22×10^-4

2.3　流速
　　對于各種不同型式的沉砂池，流速的控制都是非常重要的。流速過快會導致小粒徑砂粒的帶出，而流速過慢又可能會導致水中有機物的沉降。
2.4　油脂類的去除
　　由于城市污水的成分復雜，其中不可避免會有一些油類或油脂類物質。若不經過恰當的預處理，可能會給后續生化裝置的運行帶來影響，如水中油脂的存在會加速橡膠膜片式曝氣器上的橡膠膜片老化，降低溶解氧的轉移效率；油脂附著在管道上會影響電磁流量計的測量精度等。目前各種類型的沉砂池并不是都具備去除該類物質的能力。
2.5　有機物的分離
　　由于砂粒表面通常會附著有機物，如果任其隨砂粒一道外排，易產生腐化，影響砂粒的最終處置，因此必須將砂粒與有機物分離。對于不同的沉砂池，有的自身即具備砂洗功能，而另一些則必須采用專門的砂洗裝置。脫離后的有機物一般仍回到系統，作為后續生化裝置的養分。
2.6 是否需要預曝氣
　　采用鼓風曝氣的沉砂池，在輔助提高砂粒去除率的同時，還具有預曝氣的功能，可降解去除一部分有機污染物。但對于目前國內的很多污水處理廠來說，往往面對的是進水水質指標偏低的情況，生化裝置的有機負荷達不到設計能力，甚至存在碳源不足的現象；而對于另外一些采用脫磷工藝的污水廠，除了需要保證足夠的碳源外，還要保持厭氧環境。
2.7 集水管網的情況
　　對于不同的城市污水處理廠，其配套集水管網的情況各不相同。如果存在雨水大量進入的可能，則在沉砂池選型、有關設計參數及除砂設備能力配置等方面均需注意。
2.8　除砂設備的可靠性
　　除砂設備的種類很多，從早期的抓斗式除砂機到后來的鏈條刮板式刮砂機再到目前普遍采用的泵吸式除砂機以及氣提裝置等。對于一個污水處理廠來說，設備運行的穩定性、可靠性，操作維護是否便捷，使用壽命等問題也都應當是設計人員所關注的。
　　綜合以上各點，可以看出，在進行沉砂池設計時并不能簡單地把它作為一個獨立的單體進行對待，而應當納入整個處理系統進行綜合考慮，以作出恰當的選擇。

3　幾種主要的沉砂池工藝

　　目前國內外普遍采用的沉砂池包括以下幾種：平流式沉砂池、曝氣沉砂池、旋流式沉砂池(鐘氏及比氏)、多爾沉砂池等，豎流式沉砂池則很少在污水廠中使用。傳統的平流式沉砂池進入20世紀80年代以后，越來越多地被曝氣沉砂池所代替；90年代以后，隨著國外設備的引進，旋流式沉砂池越來越多地在城市污水處理廠中得到應用。
3.1　平流沉砂池
　　平流式沉砂池采用分散性顆粒的沉淀理論設計，只有當污水在沉砂池中的運行時間等于或大于設計的砂粒沉降時間，才能夠實現砂粒的截留。因此，沉砂池的池長按照水平流速和污水中的停留時間來確定。由于實際運行中進水的水量及含砂量的情況是不斷變化的，甚至變化幅度很大。因此當進水波動較大時，平流式沉砂池的去除效果很難保證。
　　平流式沉砂池本身不具備分離砂粒上有機物的能力，對于排出的砂粒必須進行專門的砂洗。
　　根據國外所做的現場測定，平流式沉砂池所沉砂粒的粒徑沿沉砂池長度方向變化，且當d＜0.6 mm時，砂粒很容易被水流帶走。
　　平流式沉砂池的除砂效果見表2。
3.2 曝氣沉砂池
　　曝氣沉砂池的特點是通過曝氣形成水的旋流產生洗砂作用，以提高除砂效率及有機物分離效率。曝氣沉砂池的除砂效果見表3。

表2　平流式沉砂池的除砂效果 篩孔直徑(mm) 篩余量(g) 篩落量(%) 砂樣質量(g) 有機物含量(%) ＞5.0 0 100 　 　 5.0 37.7 93.72 15.1 40.1 3.0 16.6 90.96 6.0 36.2 2.0 19.6 87.70 4.2 21.4 1.0 87.7 73.07 10.2 11.65 0.6 230.0 34.72 15.1 6.56 0.4 148.4 9.97 9.7 6.54 0.2 52.6 1.20 3.3 6.28 0.12 3.6 0.60 0.6 16.70 0.09 1.0 0.43 0.4 40.0 0.06 1.7 0.15 0.6 35.3 ＜0.06 0.9 0 0.465.1 44.5 共計 599.8 　 65.1 11 注：此系德國漢斯、哈爾曼等人在海爾布隆污水處理廠的 測試數據。

表3　曝氣沉砂池的除砂效果 篩孔直徑(mm) 篩余量(g) 篩落量(%) 砂樣質量(g) 有機物含量(%) ＞5.0 0 100 　 　 5.0 32.6 95.97 1.6 5.0 3.0 9.3 94.82 1.6 17.2 2.0 9.7 93.62 1.3 13.4 1.0 40.3 88.64 6.6 16.4 0.6 103.8 75.84 12.8 12.3 0.4 177.1 53.96 18.3 10.3 0.2 356.0 9.96 13.3 3.7 0.12 69.3 1.40 5.0 7.2 0.09 7.0 0.54 0.8 11.4 0.06 2.6 0.28 0.4 15.4 ＜0.06 14.8 0 0.3 16.7 共計 809.5 　 62.0 7.67

注：此系德國漢斯、哈爾曼等人在海爾布隆污水處理廠 的測試數據。

　　 將表3與表2對比可以看出，當處理＜0.6 mm的砂粒時，曝氣沉砂池有著明顯的優越性。對0.2～0.4 mm的砂粒，平流式沉砂池僅能截留33.52%，而曝氣沉砂池則有65.88%的截留效率，兩者相差將近一倍。但對于＞0.6 mm的砂粒，情況恰恰相反，平流式沉砂池的除砂效率要遠大于曝氣沉砂池。這種差異恰恰說明進水砂粒中的不同粒徑級配對于不同沉砂池除砂效率的影響。
同時，污水中的油脂類物質在空氣的氣浮作用下能形成浮渣從而得以被去除，還可起到預曝氣的效果。
從水流特性來看，曝氣沉砂池的流態并非水平流，由于曝氣產生的上升流速作用，水流以螺旋狀的流態行進。德國海爾布隆污水處理廠曾在橢圓形曝氣沉砂池中對不同流量的各種流速進行測定，結果見表4。

表4　橢圓形曝氣沉砂池的流速測定 流量(L/s) 水平流速(m/s) 上升流速(m/s) 旋流速度(m/s) 1800(雨季最大) 0.25 0.25 0.35 600(晴天最高) 0.083 0.25 0.26 450(晴天平均) 0.062 0.25 0.25 300(晴天最低) 0.041 0.25 0.25

　　 由以上數據可看出，只要旋流速度保持在0.25～0.35 m/s范圍內，即可獲得良好的除砂效果。盡管水平流速因進水流量的波動差別很大，但只要上升流速保持不變，其旋流速度可維持在合適的范圍之內。曝氣沉砂池的這一特點，使得其具有良好的耐沖擊性，對于流量波動較大的污水廠較為適用。
在具備上述優點的同時，曝氣沉砂池在運行中也存在著一定的問題。由于旋流速度在實際操作中難以測定，只能通過調節曝氣量來控制，但氣量調節卻難以掌握。氣量過大雖能將砂粒沖洗干凈，卻會降低細小砂粒的去除率；過小又無法保證足夠的旋流速度，起不到曝氣沉砂的作用。考慮到水量是不斷變化的，氣量卻不可能隨機調節，實際運行中很難將曝氣量始終控制在合適的數值上，往往會存在過度曝氣的問題，浪費能量。
從操作環境看，由于曝氣沉砂池的操作環境較差，特別是夏季對空氣的污染較大。另外，如果不設消泡設施，會有相當多的懸浮物隨泡沫帶出池體而污染環境。
3.3　旋流沉砂池
　　近年來新建的污水廠中，旋流式沉砂池得到了越來越多的應用。從運行情況看，用戶反映普遍良好，認為這類沉砂池具有占地省、除砂效率高、操作環境好、設備運行可靠等優點。
　　目前國際上廣泛應用的旋流沉砂池主要為鐘氏(Jones-Attwood Jeta)和比氏(Pista)兩大類。從國內應用情況看，源自歐洲的鐘氏池及其各變型占絕大多數，估計這種現象跟國內污水 廠外資部分多來自歐洲的政府貸款有關，此類政府貸款通常會對設備的采購國別提出限制，而產自美國的比氏沉砂池在國內也有一些用戶。
　　這兩種沉砂池在池型、除砂機理以及提砂方式上均有著很大的區別，實際情況究竟孰優孰劣，目前國內仍無第一手的對比測試資料。
3.3.1　鐘氏沉砂池

　

　　采用270°的進出水方式，池體主要由分選區和集砂區兩部分構成，其構造特點是在兩個分區之間采用斜坡連接。雖然不同的國外公司在此典型結構的基礎上開發出了多種多樣的變型，但其變化主要集中在斜坡的傾斜度及攪拌槳的型式上，就砂粒的沉降機理來說應當并無多大差別。
　　由于鐘氏池的斜坡式設計，使得砂粒的沉降主要依靠重力，砂粒通過斜坡自然滑入集砂坑。在滑入集砂坑之前，在旋轉槳片產生的斜向水流作用下將附在砂粒上的有機物分離開。根據有關制造商提供的曲線，其驅動裝置的轉速和有機物的分離效率之間存在如下關系：

　　但如果看一下驅動裝置通常的運行轉速范圍，就會發現這一曲線并無多大實用價值。小型鐘氏池的轉速范圍為10～15 r/min，而中型以上則只有10～12 r/min。
　　對于砂粒的去除效率，在最初的介紹中提到的是“50目(0.297 mm)以上的去除率＞95%”，但近年來越來越多的此類沉砂池供貨商在介紹資料或報價中往往會提到“對d＞0.2 mm砂粒的去除率為95%”。這一變化很有可能是針對我國市場的要求，但往往并未提出有說服力的現場測試報告。
　　有時，人們會被告知鐘氏池的去除效率與水位有著很大的關系，運行中存在調整出水的問題，但卻看不到相關的數據關系以及如何實施等問題。雖然鐘氏往往會聲稱可通過調節轉速以調整對于不同粒徑砂粒的除砂效率，但具體如何調整也沒有明確的說法。
　　筆者曾與國外一供貨商就某污水廠引進設備合同附件進行談判，在沉砂池部分出現了問題。當要求將＞95%的除砂效率寫入合同附件時，供貨商表示無法給出此保證，并解釋說其沉砂池分供貨商(鐘氏池生產商)并沒有給予其這樣高的去除率擔保。如果我方堅持這一保證值，他們只能改用其他型式的沉砂池。最終該公司采用了另一種圓形沉砂池替代了原先的池型，該池直徑大了將近一倍，設有曝氣頭、浮渣刮板等。
　　需要說明的是，在該公司的投標文件上明確寫出了d＞0.2 mm砂粒的去除率＞95%。這樣看來，對于國外公司的宣傳資料、甚至投標文件都需要謹慎對待。
　　典型鐘氏沉砂池的特點是其通常推薦采用氣提的排砂方式，其優點是在氣提之前可先進行氣洗，將砂粒上的有機物分離出來。但考慮到集砂區上部的蓋板，洗下來的有機物中的大部分估計仍會停留在集砂區，洗砂的效果究竟如何不得而知。
　　氣提的一個不可避免的問題是提砂高度的問題，由于氣提依靠的是氣水混合液與水之間的密度差，其提砂高度較低，給工程中管道布置帶來問題(通常推薦的提砂高度：淹沒水深≤40 ∶60)。考慮到實際運行中的水位波動，按最不利情況考慮，設計會受到很大限制，而且對于提砂高度的交代通常也很含糊，有的廠家甚至在介紹中提到“提升高度為沉砂池水深的1倍以上”——這似乎是難以想象的。
　　氣提方式的一個優點是相對其他提砂方式磨損問題并不嚴重。
　　撇開一些表述不太清楚的方面，相對于傳統的沉砂池來說，鐘氏沉砂池在節省占地及土建費用、降低能耗、改善運行條件等方面均表現出其特點。
3.3.2　比氏沉砂池
　　典型的比氏沉砂池也是由分選區和集砂區兩部分構成，其特點是分區之間沒有斜坡過度。傳統的比氏池也采用與鐘氏池類似的270°進出水方式，新一代的比氏池則采用360°直進直出的方式，其水力條件更為改善。

　　相對于市場上形形色色的鐘氏池，國內目前采用的比氏池則均為美國Smith&Loveless公司的產品。廣州大坦沙污水處理廠、中山污水處理廠采用的是早期的池型；河南平頂山污水處理廠、上海浦東白龍港污水預處理廠采用的則是比氏的最新池型。
　　從水力條件看，水流在比氏池中呈渦流狀態，這一流態大大強化了有機物分離效果。由于沒有斜坡，砂粒要落入集砂區必須依靠攪拌槳的作用，在帶向池心的過程中顆粒的速度逐漸變大，水流形成螺旋流態，在上升力的作用下密度較小的有機物被剝離并帶入水流中，砂粒則 由環形槽落入集砂區。整個過程中，砂粒在較長時間內處于槳片的作用下，對有機物分離更為有利。可以看出，與鐘氏池相比，比氏池的水力條件更好，而從比氏提供的眾多現場測試數據看，50目(0.297mm)以上砂粒的去除率均＞95%，其中絕大多數＞97%，140目(0.105 mm)以上的去除率甚至都能達到70%。
　　比氏池特別強調的一個特點是當水量處于小于最大設計水量的任何狀態下，其除砂效率都不會降低，但其在流速方面又有最大、最小流速的范圍控制要求，這兩者似乎存在矛盾。
　　與鐘氏池通常采用的氣提方式不同，比氏池采用真空啟動的頂置砂泵排砂，這樣提升高度可不受限制。考慮到砂粒磨損，比氏強調其砂泵葉輪所用鎳硬合金的超強耐磨性能。但其壽命究竟如何，仍有待運行檢驗。
　　這種提砂方式也同樣存在一定的問題，由于砂泵采用真空啟動的方式，系統真空度的保證就成了關鍵因素。早期的比氏池在砂泵出口采用蝶閥，由于磨損嚴重，易造成蝶閥密封不嚴，影響真空形成。目前改用一種囊閥替代早期的蝶閥，這種囊閥由橡膠制成，通過空壓機的加壓進行閉合。但從實際運行情況來看，抽真空方面有時仍存在問題。
　　對于早期的比氏沉砂池，由于其無類似鐘氏空氣攪拌的功能，集砂斗存在板結的問題。改進后將驅動管延伸至池底，在其上設置了稱為砂粒流化器的葉片式攪拌裝置，隨驅動管的連續轉動持續攪拌，可保證集砂斗內的砂粒始終處于流化狀態，其效果應當比間斷的空氣攪拌為好。
　　相對于鐘氏池來說，由于不存在斜坡，比氏池的總高度得到了降低，但其土建施工的難度卻比鐘氏大。供貨商通常會強調其分選區底部必須做成90°直角，而新一代比氏沉砂池采用的360°進出水方式雖然改善了水力條件，但其構造卻更為復雜。對于分選區底部90°直角的做法，有負面介紹說國外的一些沉砂池會在該處產生砂粒的堆積甚至腐化，需要定期放空沖洗，但卻無從考證。
　　對于池體的有機物去除效率，并未看到有明確的承諾值，提升出的砂水混合液在進入砂水分離器前先進入一個砂粒濃縮器，用以強化有機物的分離，分離原理也是通過水力旋流產生的二次渦流，使密度小的有機物隨水排出。經過砂粒濃縮器后，有機物的分離效率據稱可達到95%～96%。
　　對于所有的旋流式沉砂池來說，雖然其池體占地面積很小，但由于其對進出水渠道的長度都有較嚴格的要求，因此在布置上仍會占用一定的面積。另外其共有的一個特點是對進水流速有一個范圍要求，由此可以反映出這類沉砂池對于水量的變化實際上有較嚴格的適用范圍。比氏特別提出如污水廠初期水量達不到設計規模時，其進水流速必須大于0.61 m/s，以保證砂粒不沉積。
　　采用此類沉砂池時，對細格柵的運行效果要求較其他沉砂池為高。如果格柵運行不正常，帶入的布條、樹枝等易導致攪拌槳的損壞；同時由于提砂方式為砂泵或氣提，以上物體極易造成這類排砂設備及管路的堵塞，導致設備無法正常運行。
在造價方面，由于目前國內采用的旋流沉砂池多為國外產品，往往價格過高，其在土建造價上的節省通常會被抵消。
3.4　多爾沉砂池
多爾沉砂池上部為方形，底部為圓形，其沉砂機理與平流式沉砂池類似。通常以表面水力負荷為設計參數，采用的池深很淺，通常池深＜0.9 m。進水經過整流器均勻分配進入沉砂池，然后通過溢流堰出水。砂粒在中心驅動的刮砂機作用下刮入集砂坑，由螺旋洗砂機排出同時被分離的有機物。
多爾沉砂池在國內尚未了解到有用戶，有關的資料介紹也并不多。

4　建議

　　 由于沉砂池處理效果好壞帶來的影響通常是較為隱性和需要長期積累才會顯現出來的，所以人們在沉砂池的設計上往往缺乏足夠的重視。有時為了省事，往往做簡單的套用。考慮到我國各地區的差異很大，這種簡單的做法顯然存在問題，特提出如下建議：
　　①在進行沉砂池池型及工藝參數的選擇時，應結合管網及生化系統的情況進行綜合考慮。
　　②曝氣沉砂池雖然存在一定問題，但其對水量波動的適應性最好，仍然有廣泛的應用空間，且工藝上有去除油類、油脂的要求時，該池型是僅有的選擇之一。設計時應特別注意曝氣 強度的控制。
　　③考慮到流量波動對平流式沉砂池除砂效果的影響很大，建議盡量少采用。
　　④旋流式沉砂池具有較多的優點，但采用時應注意：
細格柵的柵條間距應盡可能的小，以防止布條等物體的帶入對葉輪及提砂裝置造成影響。由于水力停留時間短，對流速又有較嚴格的要求，對于后續無初沉池的處理工藝及水量波動大的場合需慎重應用；設計時水力布置尤為重要，并應注意流速的控制。
　　⑤從池型來看，比氏沉砂池的處理效果優于鐘氏池，且造價上兩者差別不大，而對于小型的旋流式沉砂池建議采用鋼制池體，可以節省造價。
　　從目前國內已投運的旋流式沉砂池來看，引進設備占大多數，這導致了造價的偏高。近年來已有一些國內廠家仿造出了鐘氏池，雖然其造價大幅降低，但由于通常僅為簡單仿造，并未開發自己的水力模型，實際效果如何還不確定。建議國內有實力的生產廠家對此類沉砂池作 系統的研究和系列化的開發，產品應該會有廣泛的應用前景。
　　⑥建議運行中的污水處理廠能夠對沉砂池的有關運行參數、處理效率進行現場測試，積累第一手資料，以促進國內沉砂池技術的發展，也可為污水廠將來的改、擴建積累經驗。

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　　收稿日期：2001-07-09