旋流沉砂池在上海市污水治理二期工程中的应用

北京市市政工程设计研究总院
龙 干 宋亚文

一　前言

　　1997年10月上海污水治理二期工程白龙港污水预处理厂工程进行国际招标。污水水量水质见表1。

　　招标文件中白龙港污水预处理厂工艺流程包括总配水井、机械粗格栅、细格栅和曝气沉砂池系统。曝气沉砂池分为8组、16个沉砂渠，采用8套平移泵吸式除砂机，每台除砂机为双跨，两只抽砂泵安装在可行走桥架上的吸砂管下端，可分别抽吸两个沉砂渠中的沉砂，吸砂管另外一端对准侧边的送砂渠排砂。曝气池采用竖管曝气，鼓风机房安装有6台75KW的离心鼓风机。
　　由于经常参加国际性招投标工作，所以我院了解到在世界上，包括中国在内，近年来兴建的污水处理厂，特别是在建的污水处理厂中，圆形旋流沉砂池由于其高效的砂粒截留效率、和砂粒中较低的有机物含量、低能耗、少占地、小容积、设备构造简单、运行可靠等突出优点，已成为污水处理厂中沉砂池的首选池型，传统的曝气沉砂地正在逐渐被它所取代。上海作为我国最大的现代化城市，其污水处理设施也应该和国际水平接轨。因此在进行主方案投标的同时，我们又作了一个备选方案一旋流沉砂池工艺。由于旋流沉砂池有其独特优势，在竞标中，旋流沉砂工艺一举中标。
　　与传统的平流沉砂池、曝气沉砂池相比，旋流沉砂池以其占地面积小、能耗低、土建费用低、运行管理方便、对周围环境影响小等诸多优点被人们认同，在国外被广泛的运用在污水处理厂中。国内目前处于刚刚引进、有些在试运行阶段。
　　在国际上旋流除砂系统及设备基本上由以下四大公司发明、生产制造。这四种圆形旋流除砂系统除砂原理基本相同：
　　　　.美国Smith ＆ Loveless Inc.生产的Pista旋流除砂系统；
　　　　.英国Jones ＆ Attwood Inc.生产的Jeta旋流除砂系统；
　　　　.加拿大 John Meunier Inc.生产的Mectan旋流除砂系统；
　　　　.新西兰Dormarg Equipment Limited生产的Dormarg除砂系统。
　　以美国Smith ＆ Loveless Inc.生产的Pista旋流除砂系统为例，就旋流除砂系统的构造、原理、特点进行论述。

二　构造

　　1.进水渠道—控制入口水流速度，将砂粒排至池底，以便将除砂速度提高到最大限度。
　　2.平底—使有机物附着现象减少到最低限度，并且通过水流携带砂粒进入储砂斗，且将上部分砂区变成一个强力的涡轮装置。
　　3.固定隐藏式活动盖板—起延伸池底的作用，并使流动方向不致受盖板边缘影响而中断。
　　4.储砂池斗—储存砂粒，便于涡轮泵定时排出，使除砂泵不必连续工作。
　　5.砂粒水流导线器—有助于防止砂粒在储砂池内堆积板结。
　　6.导板—使水流切线进入除砂区，延池周围流动。
　　7.轴流式螺旋桨—有助于砂粒进入储砂池斗前引导和清洗砂粒。旋转的涡轮可以改善流态。螺旋桨叶片前缘大而圆，能防止由于破布及纤维物质的缠绕而降低除砂效率及增加能量消耗。
　　8.大齿轮传动—能连续运作，无需进行故障维修。
　　9.隔板—可引导进水流绕除砂区池底周围流动，将砂粒从水流中分离出来，使砂粒进入砂斗。隔板还可以使出水平稳流动，防止砂粒从底部泛起。
　　10.出水渠道—可控制沉砂池和进水渠道的水位，为进水提高适当的流速。
　　11.涡轮泵—将砂斗内砂粒提升并排出。
　　12.排砂管—将砂水排入砂水分离器。

三　原理

　　旋流除砂系统采用强制涡流原理达到砂粒沉降的目的。原水进入平直的进水渠后成直线流动，将进水的紊动减至最低，进水渠的末端为一个斜面，沿池底部周边切线方向进入池中，使之产生附壁效应，从而使原已沉降在渠底的砂粒沿着斜坡流向平底而被捕集。另外，在进水渠的末端有一个入水导流板，其位置可以使进入沉砂池的水流和沉砂池内的原有水流在该导流板的斜表面上交汇，并将水流下折，使之沿沉砂池周边流动。在沉砂池中心处装有一轴向螺旋桨，用来保证池内所有水流的适当转动。螺旋桨、入水导流板和进水水流结合在一起，就会产生环流流态。(水流沿沉砂池周边流动，与此同时，沿平底转向中心，经叶轮向上，到顶部，再折回到池壁，向下到池底。这是一种螺旋环流流态)。在环流流态的作用下，离心力的作用使得砂粒最大限度地与平底碰撞，并被水流捕集，而砂粒一旦在平底上被捕集到，就会藉环流流态所产生的底部速度被推向中央，落入砂斗。平面池底是保证环流流态达到最大除砂效率的因素，因为坡形底面将会减少环流流态的强度，降低砂粒的捕集效率，增加水流所捕集和储存的砂粒中有机物的含量。当砂粒沿平底被推向沉砂池中心时，旋转叶轮将加速水流流动，使得较轻的有机物被提起并返回至沉砂池的出水中去。然后砂粒移向池心，通过螺旋桨驱动轴和钢盖板之间的环形孔口落入底部集砂斗。砂粒从螺旋桨下面通过时，螺旋桨产生的向上水流，将把夹在砂粒之间的有机物带出，完成这一分离过程的砂粒才可以落入集砂斗中。当集砂斗中所储存有的砂粒足够多时，砂粒被池项安装的真空启动泵抽出，并送至脱水装置。一般每隔四小时从集砂斗自动排砂一次。
　　旋流除砂系统采用360度新型直线式设计，使得进水渠和出水渠呈360度，形成自然流线。该系统结构简单，易于安装，且能有效地提高除砂效率。
　　综上所述，旋流除砂系统有这样几个特点：
　　①轴向螺旋桨可以将进水和池内水流带向池心，然后向上，形成环流流态，并将砂粒慢慢水平地推向环形砂斗口，而附在砂粒上的有机物则在平运动过程中脱离砂粒，重新回到废水中，并随水流上升，流向排水渠，这大大减少了沉砂中所含有机物质及异味的出现。
　　②沉砂提升泵间歇地将砂斗中的沉砂提升至砂水分离器，该泵采用真空启动，其隐藏叶片式叶轮采用含镍硬化处理的铸铁，可抵受砂粒在高速运行下可能产生的撞击和磨损，并容许较大的物体通过。该系统可提供比一般的压缩空气提升系统更高的扬程，且节省了配套的压缩空气系统，其独特的垂直式无堵塞设计令其平稳无阻运作，避免一般水平式安装可能产生的管道阻塞。

四　旋流沉砂池一般规定

　　六十年代，国外开始研究旋流除砂工艺，七十年代初开始运用的实际工程中。目前，它被广泛运用在污水处理厂。国内目前处于刚刚引进、有些在试运行阶段。因此，在《给排水设计手册》中没有规范内容。根据正在进行的上海白龙港污水预处理厂中的旋流沉砂池的设计以及在美国进行的有关旋流除砂工艺的考察所得到的一些数据，浅显的叙述一些其一般规定：
　　1.旋流沉砂池按去除比重2.65、粒径0.1毫米以上的砂粒设计(曝气沉砂池除砂粒径按0.2毫米以上设计)；
　　2.旋流沉砂池为圆形，切线方向进水、切线方向出水；
　　3.进水流速一般为1.0米/秒；
　　4.停留时间约1分钟(因旋流沉砂池运行效果不依赖于停留时间或沉淀时间的长短，而确决于水的涡旋流动。水流一般在池内旋转两圈)；
　　5.旋流沉砂池上园为分砂区，直径2-10米，水深约3米，下园为集砂区，直径1-3米，深度约2米。
　　6.排砂泵每天开启4次，每次约10分钟。
　　7.旋流沉砂池在高流量及流量变化大时处理效果良好。

五　旋流除砂工艺与曝气除砂工艺比较

　　通过对上海白龙港污水预处理厂的投标、设计以及在美国与Pista旋流工艺发明人的交流，对曝气沉砂池及旋流沉砂池有以下比较：
1、除砂效率
　　根据美国清水及污水协会测试结果，不同粒径砂粒的除砂效率比较见下表：

　　按照砂粒粒径大小比较旋流除砂系统和曝气沉砂池的除砂效率。旋流除砂系统在各种粒径下的除砂效率均远大于曝气沉砂池，不仅仅是对粒径相对较易去除的大颗粒作用显著，而且对于细小砂粒的去除效率也远高于曝气沉砂池。Smith ＆ Loveless技术规范S-112详细介绍了一种全尺寸Pista除砂系统测试装置，该装置曾经被运到佛罗里达去测试除砂设备在当地所遇到的非常细小“糖砂”颗粒去除的有效性，结果表明旋流除砂系统对于细小砂粒的去除是极为有效的，就象对大颗粒的去除一样好。测试中其对O.lmm的砂粒去除效率可达75%。测试还表明旋流除砂系统基本上不受较大水流波动的影响。
2、能耗
　　在能源费用较高的今天，效率就是至关重要的。采用旋流除砂系统时，螺旋桨驱动只需要很小马力的电机。池顶安装的Turbo泵和脱水装置，只是在排砂过程才运行，每天只需要近1小时。与此相对照，曝气沉砂池则需要风机每天24小时连续运行。表3为这两种除砂系统能耗比较。为了便于比较，假定每隔四小时排砂一次，每次排砂和砂水分离操作历时10分钟。
　　由于备选方案中省去了曝气沉砂池的鼓风曝气系统，电耗大大降低。如果电费单价按每度电0.60元计，备选方案年运行费用比主方案节约约140万元左右。

3、占地
　　旋流沉砂池的运行效果不依赖于停留时间或沉淀时间的长短，而是取决于水的涡旋流动，因止旋流沉砂池系统的占地面积要比曝气沉砂池小得多。由于取消了鼓风机房等设施，将厂区平面布置重新调整后，备选方案较原方案可节约占地近万平米。
4、维护管理
　　曝气沉砂池中利用吸砂泵、平移桥、螺旋输送机等来完成排砂的，这些装置中包括水下的链、轴承、链轮等，都是需要经常调整和更换的维护率极高的项目，更换零件所需要的费用和人工均以万元计，还要加上更换期间沉砂设施不得使用的损失。
　　与此相反，旋流除砂系统仅使用了万向轴管叶轮，没有水下轴承，没有易受磨损或堵塞的部件在水下运行，旋流除砂机的驱动装置、润滑点和轴承均在池顶水面以上以便维护。累积的砂粒由顶部安装无水下运动部件的泵。唯一的维护是进行不太频繁的电机润滑。由于消除了全部水下紧密公差和运动部件，与曝气沉砂池相比，旋流除砂系统的维护工作量将极大地降低。
　　总之，旋流除砂系统不仅需要维护的设备少，而且基本上没有受磨损部件，从长远远行角度来看，旋流除砂系统的维护费用是最低的。
5、系统运转的可靠性
　　旋流沉砂系统是选用八套完全独立的、一一对应的、除砂机、输砂泵和砂水分离器，而原方案中16个曝气沉砂池只用两个砂水分离器。
　　旋流除砂系统的除砂机等全部设备均采用国外有经验专业厂家制造的专用成套设备。
　　旋流沉砂系统设备组成的环节少(砂泵、螺旋桨)，曝气沉砂池的设备组成环节较多(行车、吸砂泵、排砂泵、闸阀、曝气管)；
　　由以上三点可以得出该方案系统运行的可靠性、设备的安全性和使用寿命均将大为提高，设备的无故障运行期大大提高。具有高可靠度、高备用系数的特点。
6、运行经验
　　尽管曝气沉砂池设备制造商会申明自己有着许多应用实例，但旋流除砂系统也绝非新产品了，仅在美国就有1300套Pista型旋流除砂系统在运行，另外还有500套安装在世界各地。
7、环境影响
　　由于旋流除砂系统主要采用水力环流来达到水中有机物和砂粒分离、并去除砂粒的目的，因此省却了曝气沉砂池中的鼓风曝气系统，一是没有风机房所产生的噪音污染，二是由于有机物与砂粒分离比较好，沉砂上裹带的有机物量较少，因此砂粒脱水处理时臭味将大大减轻。另外，沉砂池处理系统是污水处理厂臭味的最主要来源之一，由于旋流沉砂池水面面积从原来的1400平米减少为335平米，而且运行过程中池内无曝气需要，因此，水中臭味逸出对周围环境的影响也会成数量级地降低。
　　为了最大限度的降低臭味，在旋流沉砂池上加盖非常容易，但是在曝气沉砂池上加盖绝非易事。
　　由于该方案总占地面积减少，可以在有限的处理厂可用地范围内增加绿化用地面积，美化环境。
8、有机物分离效果
　　按照旋流沉砂工作原理，旋流沉砂池不仅沉砂效率高，而且可以有效地降低砂粒中的有机物含量，从而大大减轻砂粒脱水处理时散发的臭味，提高砂粒的清洁度，以利于最终处置。

六　结论

　　综上所述，旋流沉砂池以其除砂效率高、能耗低、占地小、运行管理简单方便、对周围环境影响小等诸多优点，已被国内外公认。因此在国家大力关注环保事业的今天，选择先进、可靠的工艺设备是我们的职责。