金兆豐 成麗華 余昆朋 徐竟成 余志榮
（同濟大學環境科學與工程學院 上海 200092）

　　提　要：平流式水力旋流沉砂池是一種新型的沉砂池。特別適用于A/O、A²/O等前段需要厭氧或缺氧條件的污水處理工藝、介紹了這種旋流沉砂池的構造，分析了水力旋流流態的形成和特征，進行了噴嘴流速分布和池內水平流流速變化的水力計算，并對一些設計上的問題進行了探討。
　　關鍵詞：水平流 沉砂池 水力旋流 水力計算

Hydraulic Characteristics of Horizontal Flow Hydro-vortex Grit Chamber
Jin Zhaofeng et al
(School of Environmental Science & Technology Engineering of Tongji University SHANGHAI 200092)

　　Abstract: Horizontal flow hydro-vortex grit chamber is a new technology. It is especially used as a pretreatment of A/O and A2/O Processes which are operated under the anoxic and anaerobic conditions. This paper introduces its structures and analyses its hydraulic characteristics. Finally the hydraulic calculations of the velocity distribution of nozzles and horizontal velocity of grit chamber, as well as some engineering design problems are discussed.
　　Key words: horizontal flow　　grit chamber　　hydro-vortex hydraulic calcuation

1 概述

　　沉砂池是去除污水中砂粒的預處理構筑物^[1][2]，目前常用的沉砂池有平流沉砂池、曝氣沉砂池、多爾沉砂池和渦流流砂池（鐘式沉砂池）。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，使沉砂的后續處理困難。
　　曝氣沉砂池利用設在池底一側的曝氣裝置，使池內水流作旋流運動，這一旋流運動與沿池長方向的水平流動合成整個沉砂池內呈螺旋狀前進的流動形式，污水中的無機砂粒在螺旋流中增加了互相碰撞和摩擦的機會，把表面附著的有機物去除，沉砂的有機物含量可低于10％，達到清潔砂的標準。其設計中影響無機砂粒沉降和附著有機物去除的關鍵參數是旋流速度，國內外推薦值為0.25～0.30m/s^[3][4]。
　　多爾沉砂池和渦流沉砂地利用機械力的作用，使砂粒在下沉的同時去除附著于表面的有機物，沉砂也能達到清潔砂的標準。渦流沉砂池影響無機砂粒沉降和附著有機物去除的關鍵參數是螺旋狀渦流速度^[5]。
　　平流式水力旋流沉砂池（以下簡稱旋流沉砂池）是八十年代發展的新技術，它利用射流作用形成垂直于池長方向的豎向旋流，并與沉砂池內的水平流疊加形成螺旋流，在螺旋流作用下，與曝氣沉砂池一樣，砂粒表面附著的有機物被剝落，清潔的砂粒沉入池底的集砂槽。通過控制射流所形成的旋流速度可達到沉砂與附著有機物分離的目的，其水平流速（0.1m/s）和旋流速度（0.25～0.30m/s）的設計值也與曝氣沉砂池相同。由于它操作管理方便、沉砂效果好、不受水量負荷的限制，而且它既不象多爾沉砂池和渦流沉砂池那樣需要復雜的機械和電氣傳動裝置，又不象曝氣沉砂池那樣向水中充氧使污水的溶解氧增加，因此在大型污水處理廠有著廣闊的應用前景，在采用A/O、A2/O等前段需要缺氧條件的污水處理工藝中更有其獨特的優勢。
　　山東濟南污水處理廠（日處理量20萬噸）引進的平流式水力旋流沉砂池己運行約二年，效果良好；上海正在籌建的石洞口污水處理廠（一期日處理量40萬噸）也準備采用這項新技術^[6]。

2 平流式水力旋流沉砂池的構造

　　平流式水力旋流沉砂池的地型構造與曝氣沉砂池相似，沿池長方向（x向）在池底一側布置一根水力擴散管。擴散管上按一定間距安裝若干個射流噴嘴，安裝在沉砂池末端出水處的潛水泵按一定的回流量將己分離掉砂粒的污水壓人擴散管，從各噴嘴以射流狀態噴出，噴出的射流卷吸夾帶周圍的流體，在形狀接近圓形的沉砂池橫斷面內形成旋流，并與x方向的水平流疊加形成螺旋流。如圖1和圖2所示；
　　從螺旋流中分離出來的沉砂落人池底的集砂槽中，由行車式吸砂系吸出后，流入設置在池外的水力旋流分離器，將多余的污水分離掉，就得到有機物含量低于10％的清潔砂。
　　分離掉無機砂粒的污水流出旋流沉砂池時，一部分（回流）被潛水泵壓入擴散管通過噴嘴在池內形成射流。其余部分流到后續處理構筑物進一步處理。

3 水力旋流沉砂池流態分析

　　平流式水力旋流沉砂池中，管狀噴嘴的射流在由豎向池壁、上端斜壁、弧形池底及自由液面等邊界條件下，在接近圓形形狀的橫斷面形成環流（見圖1），并與池長方向的水平流疊加形成螺旋流。
　　1）沉砂池內水流由于多個管狀噴嘴的射流而處于強烈的紊流狀態。在橫斷面上，由于噴嘴射流具有卷吸和混合作用，而周圍水平流不具有y（沉砂池橫斷面水平方向）、z（沉砂池橫斷面垂直方向）向的流速，這樣就與射流之間存在速度不連續的問斷面，間斷面上一般產生渦旋，渦旋卷吸周圍的流體進入射流。由于射流的動量傳遞給卷吸進入的流體使其獲得動量而隨同原來射出的流體向前運動，原來的射流失去部分動量而降低速度。在這種卷吸與混合作用下，射流的流速不斷降低，流量不斷增加。
　　2）在豎向池壁、上端斜壁、弧形池底及自由液面組成的近乎圓形的橫斷面條件下，射流帶動周圍流體作環型旋流運動。
　　3）橫斷面旋流與沉砂池X向水平流疊加形成螺旋流。這種流態與曝氣沉砂池中非常相似。由于剪切效應和與邊壁的磨擦撞擊，產生能量損失，要保證設計的螺旋流速，必須補給能量。因此，需在池長方向（x方向）上布置多個噴嘴，不斷向池內旋流補充能量，以形成符合設計條件（線速度約0.25～0.30m/s）的連續的螺旋流。
　　4）由于沿沉砂池x方向布置多個噴嘴，前驅噴嘴射流與后繼管嘴射流所帶動的水體不相同，所以螺旋形流動并不是簡單的單頭螺旋流，而是由多股射流形成的復雜的多頭螺旋流（如圖3）。當然，由于污水具有流體連續性的特征，它不可能形成如圖3所示這樣清晰、規則的多頭螺旋形狀，而是池內水流最終形成一個整體的螺旋狀前進的流態。

4 平流式水力旋流沉砂池水力計算

4.1 水力擴散管噴嘴流量流速計算
　　如圖2所示（以濟南污水廠為例），沉砂池回流水從潛水泵出口流出后，通過一個漸擴管與DN400的水力擴散管連接。水力擴散管管徑為DN400，DN300和DN150，三段水力擴散管間分別用漸縮管連接，不同管徑擴散管上的噴嘴口徑相同，管口的高程相同。DN400擴散管管段共五個噴嘴，間距3米；DN300擴散管管段共10個噴嘴，間距2米；DN150擴散管管段共6個噴嘴，間距1米。21個噴嘴的編號見圖2。
　　4.1.1 沉砂池各噴嘴流量流速計算公式理論
　　根據能量守恒原理，擴散管中各斷面實際液體元流的伯諾里方程為：

　　H_i+P_i/γ+v_i²/2g＝H_i+1+P_i+1/γ+V_i+1²/2g+h_wi＇

　　其中：H—單位質量液體的重力勢能
　　　　　P/γ—單位質量的液體壓能（壓強勢能）
　　　　　V2/2g—單位重量液體的動能
　　　　　h＇_w—單位質量液體的總水頭損失（包括沿程水頭損失和局部水頭損失）
　　由于各噴嘴管口的安裝高程相同，因此在計算中P/γ為常數。故實際液體元流的伯諾里方程為：

　　H_i+v_i²/2g＝H_i+1+V_i+1²/2g+h_wi＇

　　在實際運行中由于各噴嘴的射流出水，擴散管中的流量逐漸減少，流速降低。故擴散管中各斷面的流速為（下標i為噴嘴和擴散管斷面編號）：

　　V_i+1＝(Q_i-q_i+1)/A

　　其中：V—擴散管中的流速
　　　　　Q—擴散管中的流量
　　　　　q—噴嘴的射流流量
　　　　　A—擴散管的截面面積
　　對于噴嘴的射流可以利用圓柱形外管嘴恒定出流計算，其流量、流速為：

q_i=μω(2gΔH_i)^0.5　　　　　vi＇＝μ(2gΔH_i)^0.5

　　總水頭損夫為沿程水頭損失十局部水頭損失。沿程水頭損失為：

　　

　　其中：C—謝才系數
　　　　　n—管道摩阻
　　　　　R—管道水力半徑
　　局部水頭損失為：

　　h＝ζ(v_i²/2g)

　　通過以上公式可知，擴散管中的能量方程可以表示為：

　　

　　4.1.2沉砂池各噴嘴流量流速計算結果
　　根據以上公式進行計算機編程，分別計算各噴嘴的流量、流速以及擴散管各斷面的流量、流速和靜壓。
　　通過計算可得，在擴散管初始流量投潛水泵流量）Q＝800m³/h，潛水泵揚程7m，管道摩阻為0.011各漸擴漸，縮管的局部水頭損失系數依次為 0.3、0.19和0.2，從噴嘴噴
口到水面有效水深為2.75m的條件下，各噴嘴的流量流速計算結果如表1所示：

4.2水力旋流沉砂池水平流速計算
　　水力旋流沉砂池的流量為200,000m³/d，每池分三格，每格沉砂地配水均勻，沉砂池進水水量不均勻系數為1.3。因此，水力旋流沉砂池的單格流量為1.3×200,000/3 m³/d=1.0031m³/s。沉砂池中的回流水通過水力擴散管上噴嘴的射流，依次加入沉砂地中，使沉砂池的總流量以及水平流速逐漸增加。

表1 噴嘴流量、流速表 噴嘴編號 噴嘴流量(m³/s) 噴嘴流速(m/s) 噴嘴編號 噴嘴流量(m³/s) 噴嘴流速(m/s) 1 0.00939 6.65238 12 0.00910 6.44246 2 0.00939 6.65232 13 0.00911 6.45110 3 0.00939 6.65277 14 0.00912 6.45950 4 0.00939 6.65353 15 0.00913 6.46772 5 0.00940 6.65460 16 0.00722 5.11347 6 0.00903 6.39492 17 0.00737 5.22197 7 0.00904 6.40192 18 0.00752 5.32742 8 0.00905 6.40931 19 0.00766 5.42763 9 0.00906 6.41715 20 0.00779 5.52032 10 0.00907 6.42538 21 0.00835 5.91212 11 0.00908 6.43379

表2 水力旋流沉砂池各斷面水平流量、流速 斷面編號 斷面流量 斷面流速 斷面編號 斷面流量 斷面流速 21 1.00309 0.10132 10 1.10439 0.11155 20 1.01248 0.10227 9 1.11349 0.11247 19 1.02187 0.10322 8 1.12260 0.11339 18 1.03127 0.10417 7 1.13172 0.11431 17 1.04066 0.10512 6 1.14085 0.11524 16 1.05006 0.10607 5 1.14807 0.11597 15 1.06812 0.10698 4 1.15544 0.11671 14 1.07717 0.10789 3 1.16296 0.11747 13 1.08624 0.10881 2 1.17063 0.11825 12 1.09531 0.10972 1 1.17842 0.11903 11 1.10439 0.11064 0 1.18677 0.11988

　　由于池底存在弧面斜坡和斜面斜坡（如圖1所示），經計算，沉砂池的實際過水面積為9.9m²。水力計算結果如表2所示：（斷面編號與噴嘴編號相同，0號斷面位于1號噴嘴卜游、潛水泵出口處。流速單位m/s，流量單位m³/s。）

5 討論

　　由表1可以看出，在1至15號噴嘴中（即管徑為DN400和DN300的擴散管上），噴嘴出口流速始終在6.65～6.47m/s的很小范圍內變化。但第16號噴嘴（管徑為DN150的擴散管上）的流速發生突變，由6.47m/s突然降低至5.11m/s，降幅達26.7％。沉砂池前段（DN150擴散管處）和中段（DN300擴散管處）應保持較高的旋流速度，以使附著在無機砂粒表面的有機物通過砂粒的碰撞和摩擦而脫落下來，后段（DN400擴散管處）的旋流速度可以略小些，有利于砂粒沉降下來，所以在設計上噴嘴的間距由前往后逐漸加大。就圖2噴嘴射流速度的分布情況來看，沉砂池前段的噴嘴流速偏小，這種情況不利于沉砂池前段形成良好的旋流。
　　造成這種情況的原因是由于擴散管管徑分布不當。根據壓力回升理論，在壓能相同的條件下，單位質量的液體流速越小，其重力勢能（管道內液體的靜壓）H越大。根據管嘴的流量、流速計算公式

q_i=μω(2gΔH_i)^0.5　　　　　vi＇＝μ(2gΔH_i)^0.5

　　管嘴的流量流速的大小主要取決于△H的大小。因為△H＝H-h，由于各噴嘴的管口到水面的高度h相同，擴散管內液體靜壓的大小是決定管嘴流量流速的主要因素。
　　如將DN150的管徑改變為DN200，從而減小流體經過DN300與DN200之間的漸縮管后流速的增量。通過計算可以發現，第16號噴嘴后的擴散管內流速、靜壓的變化量減小，噴嘴的流速變化同時減小，噴嘴的射流速度基本在6.65～6.13m/s的范圍內變化。計算結果如表3所示：

表3 DN150擴散管改為DN200后部分噴嘴流量、流速表 噴嘴編號 噴嘴流量(m³/s) 噴嘴流速(m/s) 噴嘴編號 噴嘴流量(m³/s) 噴嘴流速(m/s) 14 0.00912 6.45950 18 0.00877 6.21305 15 0.00913 6.46772 19 0.00882 6.24773 16 0.00866 6.13221 20 0.00886 6.27790 17 0.00872 6.17443 21 0.00898 6.36348

　　注：擴散管管徑分別為DN400、DN00、DN200，其它條件不變。
　　可見，1－15號噴嘴的流量流速保持不變，16-21對號噴嘴的流量流速明顯升高，各噴嘴射流流速的變化幅度從原來的26.7％減少到8.4％。
　　所以，設計時應考慮擴散管管徑的合理配置，盡量使沉砂池前段輸入的能量增加，才能在沉砂池前段形成較高的旋流速度，滿足整個沉砂池運行的需要。

參考文獻
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