沉砂池的设计及不同池型的选择
李涛(化工部第三设计研究院,安徽合肥230024)
摘 要：作为城市污水处理厂预处理设施的沉砂池对保证后续处理构筑物的稳定运行起着重要作用。结合目前国内普遍应用的不同类型沉砂池的特点，对其在工程中的适用性及相关问题进行了讨论。
关键词：沉砂池；除砂；有机物分离
中图分类号：X703.3文献标识码：C
文章编号：1000-4602(2001)09-0037-06
沉砂池是城市污水处理厂必不可少的预处理设施，通常设置在细格栅后以去除进水中的砂粒，保证后续处理构筑物及设备的正常运行。
近年来，随着国外先进水处理设备的引进，新型沉砂池工艺在国内也得到了越来越多的应用。对于不同型式的沉砂池，其实际运行效果究竟如何，目前尚未看到系统的比较。结合自身的设计经验，从设计原理及工程实践角度对沉砂池工艺做初步分析，以探讨如何在工程中作进一步的合理运用。
1 沉砂池的作用
虽然沉砂池在污水处理厂的投资、占地等方面所占的比例很小，但其作用却不可忽视。若取消沉砂池，大量砂粒将进入后续各处理单元，给污水厂的正常运行带来诸多隐患：
①砂粒进入初沉池会加速污泥刮板的磨损，缩短使用寿命。
②排泥管道中砂粒的沉积易导致管道的堵塞，进入污泥泵后会加剧叶轮磨损。
③对于不设初沉池的处理工艺(如氧化沟、CASS等)或实际运行中由于进水负荷过低而超越初沉池运行的工艺，大量砂粒将直接进入生化池沉积，导致生化池有效容积的减少，同时还会对曝气器产生不利影响。
④砂粒进入污泥消化池中，将减少有效容积，缩短清理周期。
⑤污泥中含砂量的增加会大大影响污泥脱水设备的运行。砂粒进入带式脱水机会加剧滤布的磨损，缩短更换周期，同时会影响絮凝效果，降低污泥成饼率。近年来卧螺式离心机在城市污水处理厂中的应用日益广泛，由于该设备采用高速离心分离的方式，砂粒会大大加剧转筒、螺旋等处的磨损。
2 沉砂池的设计
对于一座理想的沉砂池，最好在去除所有的无机砂粒的同时，将砂粒表面附着的所有有机组分分离出来，以利于砂粒的最终处置。因此，在进行沉砂池设计时主要需考虑两方面问题：
①如何通过合理的水力设计，使得尽可能多的砂粒得以沉降并以可靠、便捷的方式排出池外。
②采用何种有效的方式，尽可能多地分离附着在砂粒上的有机物，将其送回到污水中。
2.1 砂粒的粒径
进水中砂粒粒径d的大小差别很大，从d＜0.6 mm到d＞5 mm不等。对于不 同粒径范围的砂粒，不同沉砂池的去除率是不同的。如平流式沉砂池对于粗砂的去除率要高于曝气沉砂池，但对于细砂的截留率则远低于曝气沉砂池。因此严格来说，在进行沉砂池设计时应考虑不同地区砂粒中的粒径级配，但客观上这一点却不太可能实现。
实际工程中，通常以对d＞0.2 mm的砂粒去除效率来衡量沉砂池系统的效率。由于不同沉砂池对于这一类砂粒的去除效率并不相同，因此有必要对不同类型沉砂池的实际除砂效率进行测定，但国内目前却几乎看不到此类对比试验，使得对于不同池型去除效率的了解仅能得自有关的推荐数据，这在一定程度上难以反映出真实情况。
2.2 沉砂池的表面积
对于采用非曝气的普通沉砂池来说，不同粒径的待去除砂粒的沉降速度会影响到沉砂池所需 的表面积。表1为国外某公司的推荐值。
2.3 流速
对于各种不同型式的沉砂池，流速的控制都是非常重要的。流速过快会导致小粒径砂粒的带出，而流速过慢又可能会导致水中有机物的沉降。
2.4 油脂类的去除
由于城市污水的成分复杂，其中不可避免会有一些油类或油脂类物质。若不经过恰当的预处理，可能会给后续生化装置的运行带来影响，如水中油脂的存在会加速橡胶膜片式曝气器上的橡胶膜片老化，降低溶解氧的转移效率；油脂附着在管道上会影响电磁流量计的测量精度等。目前各种类型的沉砂池并不是都具备去除该类物质的能力。
2.5 有机物的分离
由于砂粒表面通常会附着有机物，如果任其随砂粒一道外排，易产生腐化，影响砂粒的最终处置，因此必须将砂粒与有机物分离。对于不同的沉砂池，有的自身即具备砂洗功能，而另一些则必须采用专门的砂洗装置。脱离后的有机物一般仍回到系统，作为后续生化装置的养分。
2.6 是否需要预曝气
采用鼓风曝气的沉砂池，在辅助提高砂粒去除率的同时，还具有预曝气的功能，可降解去除一部分有机污染物。但对于目前国内的很多污水处理厂来说，往往面对的是进水水质指标偏低的情况，生化装置的有机负荷达不到设计能力，甚至存在碳源不足的现象；而对于另外一些采用脱磷工艺的污水厂，除了需要保证足够的碳源外，还要保持厌氧环境。
2.7 集水管网的情况
对于不同的城市污水处理厂，其配套集水管网的情况各不相同。如果存在雨水大量进入的可能，则在沉砂池选型、有关设计参数及除砂设备能力配置等方面均需注意。
2.8 除砂设备的可靠性
除砂设备的种类很多，从早期的抓斗式除砂机到后来的链条刮板式刮砂机再到目前普遍采用的泵吸式除砂机以及气提装置等。对于一个污水处理厂来说，设备运行的稳定性、可靠性，操作维护是否便捷，使用寿命等问题也都应当是设计人员所关注的。
综合以上各点，可以看出，在进行沉砂池设计时并不能简单地把它作为一个独立的单体进行对待，而应当纳入整个处理系统进行综合考虑，以作出恰当的选择。
3 几种主要的沉砂池工艺
目前国内外普遍采用的沉砂池包括以下几种：平流式沉砂池、曝气沉砂池、旋流式沉砂池(钟氏及比氏)、多尔沉砂池等，竖流式沉砂池则很少在污水厂中使用。传统的平流式沉砂池进入20世纪80年代以后，越来越多地被曝气沉砂池所代替；90年代以后，随着国外设备的引进，旋流式沉砂池越来越多地在城市污水处理厂中得到应用。
3.1 平流沉砂池
平流式沉砂池采用分散性颗粒的沉淀理论设计，只有当污水在沉砂池中的运行时间等于或大于设计的砂粒沉降时间，才能够实现砂粒的截留。因此，沉砂池的池长按照水平流速和污水中的停留时间来确定。由于实际运行中进水的水量及含砂量的情况是不断变化的，甚至变化幅度很大。因此当进水波动较大时，平流式沉砂池的去除效果很难保证。
平流式沉砂池本身不具备分离砂粒上有机物的能力，对于排出的砂粒必须进行专门的砂洗。
根据国外所做的现场测定，平流式沉砂池所沉砂粒的粒径沿沉砂池长度方向变化，且当d＜0.6 mm时，砂粒很容易被水流带走。
平流式沉砂池的除砂效果见表2。
3.2 曝气沉砂池
曝气沉砂池的特点是通过曝气形成水的旋流产生洗砂作用，以提高除砂效率及有机物分离效率。曝气沉砂池的除砂效果见表3。
注：此系德国汉斯、哈尔曼等人在海尔布隆污水处理厂 的测试数据。
将表3与表2对比可以看出，当处理＜0.6 mm的砂粒时，曝气沉砂池有着明显的优越性。对0.2～0.4 mm的砂粒，平流式沉砂池仅能截留33.52%，而曝气沉砂池则有65.88%的截留效率，两者相差将近一倍。但对于＞0.6 mm的砂粒，情况恰恰相反，平流式沉砂池的除砂效率要远大于曝气沉砂池。这种差异恰恰说明进水砂粒中的不同粒径级配对于不同沉砂池除砂效率的影响。
同时，污水中的油脂类物质在空气的气浮作用下能形成浮渣从而得以被去除，还可起到预曝气的效果。
从水流特性来看，曝气沉砂池的流态并非水平流，由于曝气产生的上升流速作用，水流以螺旋状的流态行进。德国海尔布隆污水处理厂曾在椭圆形曝气沉砂池中对不同流量的各种流速进行测定，结果见表4。
由以上数据可看出，只要旋流速度保持在0.25～0.35 m/s范围内，即可获得良好的除砂效果。尽管水平流速因进水流量的波动差别很大，但只要上升流速保持不变，其旋流速度可维持在合适的范围之内。曝气沉砂池的这一特点，使得其具有良好的耐冲击性，对于流量波动较大的污水厂较为适用。
在具备上述优点的同时，曝气沉砂池在运行中也存在着一定的问题。由于旋流速度在实际操作中难以测定，只能通过调节曝气量来控制，但气量调节却难以掌握。气量过大虽能将砂粒冲洗干净，却会降低细小砂粒的去除率；过小又无法保证足够的旋流速度，起不到曝气沉砂的作用。考虑到水量是不断变化的，气量却不可能随机调节，实际运行中很难将曝气量始终控制在合适的数值上，往往会存在过度曝气的问题，浪费能量。
从操作环境看，由于曝气沉砂池的操作环境较差，特别是夏季对空气的污染较大。另外，如果不设消泡设施，会有相当多的悬浮物随泡沫带出池体而污染环境。
3.3 旋流沉砂池
近年来新建的污水厂中，旋流式沉砂池得到了越来越多的应用。从运行情况看，用户反映普遍良好，认为这类沉砂池具有占地省、除砂效率高、操作环境好、设备运行可靠等优点。
目前国际上广泛应用的旋流沉砂池主要为钟氏(Jones-Attwood Jeta)和比氏(Pista)两大类。从国内应用情况看，源自欧洲的钟氏池及其各变型占绝大多数，估计这种现象跟国内污水 厂外资部分多来自欧洲的政府贷款有关，此类政府贷款通常会对设备的采购国别提出限制，而产自美国的比氏沉砂池在国内也有一些用户。
这两种沉砂池在池型、除砂机理以及提砂方式上均有着很大的区别，实际情况究竟孰优孰劣，目前国内仍无第一手的对比测试资料。
3.3.1 钟氏沉砂池
采用270°的进出水方式，池体主要由分选区和集砂区两部分构成，其构造特点是在两个分区之间采用斜坡连接。虽然不同的国外公司在此典型结构的基础上开发出了多种多样的变型，但其变化主要集中在斜坡的倾斜度及搅拌桨的型式上，就砂粒的沉降机理来说应当并无多大差别。
由于钟氏池的斜坡式设计，使得砂粒的沉降主要依靠重力，砂粒通过斜坡自然滑入集砂坑。在滑入集砂坑之前，在旋转桨片产生的斜向水流作用下将附在砂粒上的有机物分离开。根据有关制造商提供的曲线，其驱动装置的转速和有机物的分离效率之间存在如下关系：
但如果看一下驱动装置通常的运行转速范围，就会发现这一曲线并无多大实用价值。小型钟氏池的转速范围为10～15 r/min，而中型以上则只有10～12 r/min。
对于砂粒的去除效率，在最初的介绍中提到的是“50目(0.297 mm)以上的去除率＞95%”，但近年来越来越多的此类沉砂池供货商在介绍资料或报价中往往会提到“对d＞0.2 mm砂粒的去除率为95%”。这一变化很有可能是针对我国市场的要求，但往往并未提出有说服力的现场测试报告。
有时，人们会被告知钟氏池的去除效率与水位有着很大的关系，运行中存在调整出水的问题，但却看不到相关的数据关系以及如何实施等问题。虽然钟氏往往会声称可通过调节转速以调整对于不同粒径砂粒的除砂效率，但具体如何调整也没有明确的说法。
笔者曾与国外一供货商就某污水厂引进设备合同附件进行谈判，在沉砂池部分出现了问题。当要求将＞95%的除砂效率写入合同附件时，供货商表示无法给出此保证，并解释说其沉砂池分供货商(钟氏池生产商)并没有给予其这样高的去除率担保。如果我方坚持这一保证值，他们只能改用其他型式的沉砂池。最终该公司采用了另一种圆形沉砂池替代了原先的池型，该池直径大了将近一倍，设有曝气头、浮渣刮板等。
需要说明的是，在该公司的投标文件上明确写出了d＞0.2 mm砂粒的去除率＞95%。这样看来，对于国外公司的宣传资料、甚至投标文件都需要谨慎对待。
典型钟氏沉砂池的特点是其通常推荐采用气提的排砂方式，其优点是在气提之前可先进行气洗，将砂粒上的有机物分离出来。但考虑到集砂区上部的盖板，洗下来的有机物中的大部分估计仍会停留在集砂区，洗砂的效果究竟如何不得而知。
气提的一个不可避免的问题是提砂高度的问题，由于气提依靠的是气水混合液与水之间的密度差，其提砂高度较低，给工程中管道布置带来问题(通常推荐的提砂高度：淹没水深≤40 ∶60)。考虑到实际运行中的水位波动，按最不利情况考虑，设计会受到很大限制，而且对于提砂高度的交代通常也很含糊，有的厂家甚至在介绍中提到“提升高度为沉砂池水深的1倍以上”——这似乎是难以想象的。
气提方式的一个优点是相对其他提砂方式磨损问题并不严重。
撇开一些表述不太清楚的方面，相对于传统的沉砂池来说，钟氏沉砂池在节省占地及土建费用、降低能耗、改善运行条件等方面均表现出其特点。
3.3.2 比氏沉砂池
典型的比氏沉砂池也是由分选区和集砂区两部分构成，其特点是分区之间没有斜坡过度。传统的比氏池也采用与钟氏池类似的270°进出水方式，新一代的比氏池则采用360°直进直出的方式，其水力条件更为改善。
相对于市场上形形色色的钟氏池，国内目前采用的比氏池则均为美国Smith&Loveless公司的产品。广州大坦沙污水处理厂、中山污水处理厂采用的是早期的池型；河南平顶山污水处理厂、上海浦东白龙港污水预处理厂采用的则是比氏的最新池型。
从水力条件看，水流在比氏池中呈涡流状态，这一流态大大强化了有机物分离效果。由于没有斜坡，砂粒要落入集砂区必须依靠搅拌桨的作用，在带向池心的过程中颗粒的速度逐渐变大，水流形成螺旋流态，在上升力的作用下密度较小的有机物被剥离并带入水流中，砂粒则 由环形槽落入集砂区。整个过程中，砂粒在较长时间内处于桨片的作用下，对有机物分离更为有利。可以看出，与钟氏池相比，比氏池的水力条件更好，而从比氏提供的众多现场测试数据看，50目(0.297mm)以上砂粒的去除率均＞95%，其中绝大多数＞97%，140目(0.105 mm)以上的去除率甚至都能达到70%。
比氏池特别强调的一个特点是当水量处于小于最大设计水量的任何状态下，其除砂效率都不会降低，但其在流速方面又有最大、最小流速的范围控制要求，这两者似乎存在矛盾。
与钟氏池通常采用的气提方式不同，比氏池采用真空启动的顶置砂泵排砂，这样提升高度可不受限制。考虑到砂粒磨损，比氏强调其砂泵叶轮所用镍硬合金的超强耐磨性能。但其寿命究竟如何，仍有待运行检验。
这种提砂方式也同样存在一定的问题，由于砂泵采用真空启动的方式，系统真空度的保证就成了关键因素。早期的比氏池在砂泵出口采用蝶阀，由于磨损严重，易造成蝶阀密封不严，影响真空形成。目前改用一种囊阀替代早期的蝶阀，这种囊阀由橡胶制成，通过空压机的加压进行闭合。但从实际运行情况来看，抽真空方面有时仍存在问题。
对于早期的比氏沉砂池，由于其无类似钟氏空气搅拌的功能，集砂斗存在板结的问题。改进后将驱动管延伸至池底，在其上设置了称为砂粒流化器的叶片式搅拌装置，随驱动管的连续转动持续搅拌，可保证集砂斗内的砂粒始终处于流化状态，其效果应当比间断的空气搅拌为好。
相对于钟氏池来说，由于不存在斜坡，比氏池的总高度得到了降低，但其土建施工的难度却比钟氏大。供货商通常会强调其分选区底部必须做成90°直角，而新一代比氏沉砂池采用的360°进出水方式虽然改善了水力条件，但其构造却更为复杂。对于分选区底部90°直角的做法，有负面介绍说国外的一些沉砂池会在该处产生砂粒的堆积甚至腐化，需要定期放空冲洗，但却无从考证。
对于池体的有机物去除效率，并未看到有明确的承诺值，提升出的砂水混合液在进入砂水分离器前先进入一个砂粒浓缩器，用以强化有机物的分离，分离原理也是通过水力旋流产生的二次涡流，使密度小的有机物随水排出。经过砂粒浓缩器后，有机物的分离效率据称可达到95%～96%。
对于所有的旋流式沉砂池来说，虽然其池体占地面积很小，但由于其对进出水渠道的长度都有较严格的要求，因此在布置上仍会占用一定的面积。另外其共有的一个特点是对进水流速有一个范围要求，由此可以反映出这类沉砂池对于水量的变化实际上有较严格的适用范围。比氏特别提出如污水厂初期水量达不到设计规模时，其进水流速必须大于0.61 m/s，以保证砂粒不沉积。
采用此类沉砂池时，对细格栅的运行效果要求较其他沉砂池为高。如果格栅运行不正常，带入的布条、树枝等易导致搅拌桨的损坏；同时由于提砂方式为砂泵或气提，以上物体极易造成这类排砂设备及管路的堵塞，导致设备无法正常运行。
在造价方面，由于目前国内采用的旋流沉砂池多为国外产品，往往价格过高，其在土建造价上的节省通常会被抵消。
3.4 多尔沉砂池
多尔沉砂池上部为方形，底部为圆形，其沉砂机理与平流式沉砂池类似。通常以表面水力负荷为设计参数，采用的池深很浅，通常池深＜0.9 m。进水经过整流器均匀分配进入沉砂池，然后通过溢流堰出水。砂粒在中心驱动的刮砂机作用下刮入集砂坑，由螺旋洗砂机排出同时被分离的有机物。
多尔沉砂池在国内尚未了解到有用户，有关的资料介绍也并不多。
4 建议
由于沉砂池处理效果好坏带来的影响通常是较为隐性和需要长期积累才会显现出来的，所以人们在沉砂池的设计上往往缺乏足够的重视。有时为了省事，往往做简单的套用。考虑到我国各地区的差异很大，这种简单的做法显然存在问题，特提出如下建议：
①在进行沉砂池池型及工艺参数的选择时，应结合管网及生化系统的情况进行综合考虑。
②曝气沉砂池虽然存在一定问题，但其对水量波动的适应性最好，仍然有广泛的应用空间，且工艺上有去除油类、油脂的要求时，该池型是仅有的选择之一。设计时应特别注意曝气 强度的控制。
③考虑到流量波动对平流式沉砂池除砂效果的影响很大，建议尽量少采用。
④旋流式沉砂池具有较多的优点，但采用时应注意：
细格栅的栅条间距应尽可能的小，以防止布条等物体的带入对叶轮及提砂装置造成影响。由于水力停留时间短，对流速又有较严格的要求，对于后续无初沉池的处理工艺及水量波动大的场合需慎重应用；设计时水力布置尤为重要，并应注意流速的控制。
⑤从池型来看，比氏沉砂池的处理效果优于钟氏池，且造价上两者差别不大，而对于小型的旋流式沉砂池建议采用钢制池体，可以节省造价。
从目前国内已投运的旋流式沉砂池来看，引进设备占大多数，这导致了造价的偏高。近年来已有一些国内厂家仿造出了钟氏池，虽然其造价大幅降低，但由于通常仅为简单仿造，并未开发自己的水力模型，实际效果如何还不确定。建议国内有实力的生产厂家对此类沉砂池作 系统的研究和系列化的开发，产品应该会有广泛的应用前景。
⑥建议运行中的污水处理厂能够对沉砂池的有关运行参数、处理效率进行现场测试，积累第一手资料，以促进国内沉砂池技术的发展，也可为污水厂将来的改、扩建积累经验。
电 话：(0551)36264463626448
E-mail:[email protected]
收稿日期：2001-07-09
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