平流式水力旋流沉砂池的水力特征

金兆丰 成丽华 余昆朋 徐竟成 余志荣
（同济大学环境科学与工程学院 上海 200092）

　　提　要：平流式水力旋流沉砂池是一种新型的沉砂池。特别适用于A/O、A²/O等前段需要厌氧或缺氧条件的污水处理工艺、介绍了这种旋流沉砂池的构造，分析了水力旋流流态的形成和特征，进行了喷嘴流速分布和池内水平流流速变化的水力计算，并对一些设计上的问题进行了探讨。
　　关键词：水平流 沉砂池 水力旋流 水力计算

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预处理构筑物^[1][2]，目前常用的沉砂池有平流沉砂池、曝气沉砂池、多尔沉砂池和涡流流砂池（钟式沉砂池）。平流沉砂池截留砂粒效果较好、构造简单、排砂较方便，其主要缺点是沉砂中夹杂有约15％的有机物，使沉砂的后续处理困难。
　　曝气沉砂池利用设在池底一侧的曝气装置，使池内水流作旋流运动，这一旋流运动与沿池长方向的水平流动合成整个沉砂池内呈螺旋状前进的流动形式，污水中的无机砂粒在螺旋流中增加了互相碰撞和摩擦的机会，把表面附着的有机物去除，沉砂的有机物含量可低于10％，达到清洁砂的标准。其设计中影响无机砂粒沉降和附着有机物去除的关键参数是旋流速度，国内外推荐值为0.25～0.30m/s^[3][4]。
　　多尔沉砂池和涡流沉砂地利用机械力的作用，使砂粒在下沉的同时去除附着于表面的有机物，沉砂也能达到清洁砂的标准。涡流沉砂池影响无机砂粒沉降和附着有机物去除的关键参数是螺旋状涡流速度^[5]。
　　平流式水力旋流沉砂池（以下简称旋流沉砂池）是八十年代发展的新技术，它利用射流作用形成垂直于池长方向的竖向旋流，并与沉砂池内的水平流叠加形成螺旋流，在螺旋流作用下，与曝气沉砂池一样，砂粒表面附着的有机物被剥落，清洁的砂粒沉入池底的集砂槽。通过控制射流所形成的旋流速度可达到沉砂与附着有机物分离的目的，其水平流速（0.1m/s）和旋流速度（0.25～0.30m/s）的设计值也与曝气沉砂池相同。由于它操作管理方便、沉砂效果好、不受水量负荷的限制，而且它既不象多尔沉砂池和涡流沉砂池那样需要复杂的机械和电气传动装置，又不象曝气沉砂池那样向水中充氧使污水的溶解氧增加，因此在大型污水处理厂有着广阔的应用前景，在采用A/O、A2/O等前段需要缺氧条件的污水处理工艺中更有其独特的优势。
　　山东济南污水处理厂（日处理量20万吨）引进的平流式水力旋流沉砂池己运行约二年，效果良好；上海正在筹建的石洞口污水处理厂（一期日处理量40万吨）也准备采用这项新技术^[6]。

2 平流式水力旋流沉砂池的构造

　　平流式水力旋流沉砂池的地型构造与曝气沉砂池相似，沿池长方向（x向）在池底一侧布置一根水力扩散管。扩散管上按一定间距安装若干个射流喷嘴，安装在沉砂池末端出水处的潜水泵按一定的回流量将己分离掉砂粒的污水压人扩散管，从各喷嘴以射流状态喷出，喷出的射流卷吸夹带周围的流体，在形状接近圆形的沉砂池横断面内形成旋流，并与x方向的水平流叠加形成螺旋流。如图1和图2所示；
　　从螺旋流中分离出来的沉砂落人池底的集砂槽中，由行车式吸砂系吸出后，流入设置在池外的水力旋流分离器，将多余的污水分离掉，就得到有机物含量低于10％的清洁砂。
　　分离掉无机砂粒的污水流出旋流沉砂池时，一部分（回流）被潜水泵压入扩散管通过喷嘴在池内形成射流。其余部分流到后续处理构筑物进一步处理。

3 水力旋流沉砂池流态分析

　　平流式水力旋流沉砂池中，管状喷嘴的射流在由竖向池壁、上端斜壁、弧形池底及自由液面等边界条件下，在接近圆形形状的横断面形成环流（见图1），并与池长方向的水平流叠加形成螺旋流。
　　1）沉砂池内水流由于多个管状喷嘴的射流而处于强烈的紊流状态。在横断面上，由于喷嘴射流具有卷吸和混合作用，而周围水平流不具有y（沉砂池横断面水平方向）、z（沉砂池横断面垂直方向）向的流速，这样就与射流之间存在速度不连续的问断面，间断面上一般产生涡旋，涡旋卷吸周围的流体进入射流。由于射流的动量传递给卷吸进入的流体使其获得动量而随同原来射出的流体向前运动，原来的射流失去部分动量而降低速度。在这种卷吸与混合作用下，射流的流速不断降低，流量不断增加。
　　2）在竖向池壁、上端斜壁、弧形池底及自由液面组成的近乎圆形的横断面条件下，射流带动周围流体作环型旋流运动。
　　3）横断面旋流与沉砂池X向水平流叠加形成螺旋流。这种流态与曝气沉砂池中非常相似。由于剪切效应和与边壁的磨擦撞击，产生能量损失，要保证设计的螺旋流速，必须补给能量。因此，需在池长方向（x方向）上布置多个喷嘴，不断向池内旋流补充能量，以形成符合设计条件（线速度约0.25～0.30m/s）的连续的螺旋流。
　　4）由于沿沉砂池x方向布置多个喷嘴，前驱喷嘴射流与后继管嘴射流所带动的水体不相同，所以螺旋形流动并不是简单的单头螺旋流，而是由多股射流形成的复杂的多头螺旋流（如图3）。当然，由于污水具有流体连续性的特征，它不可能形成如图3所示这样清晰、规则的多头螺旋形状，而是池内水流最终形成一个整体的螺旋状前进的流态。

4 平流式水力旋流沉砂池水力计算

4.1 水力扩散管喷嘴流量流速计算
　　如图2所示（以济南污水厂为例），沉砂池回流水从潜水泵出口流出后，通过一个渐扩管与DN400的水力扩散管连接。水力扩散管管径为DN400，DN300和DN150，三段水力扩散管间分别用渐缩管连接，不同管径扩散管上的喷嘴口径相同，管口的高程相同。DN400扩散管管段共五个喷嘴，间距3米；DN300扩散管管段共10个喷嘴，间距2米；DN150扩散管管段共6个喷嘴，间距1米。21个喷嘴的编号见图2。
　　4.1.1 沉砂池各喷嘴流量流速计算公式理论
　　根据能量守恒原理，扩散管中各断面实际液体元流的伯诺里方程为：

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

　　其中：H—单位质量液体的重力势能
　　　　　P/γ—单位质量的液体压能（压强势能）
　　　　　V2/2g—单位重量液体的动能
　　　　　h＇_w—单位质量液体的总水头损失（包括沿程水头损失和局部水头损失）
　　由于各喷嘴管口的安装高程相同，因此在计算中P/γ为常数。故实际液体元流的伯诺里方程为：

　　H_i+v_i²/2g＝H_i+1+V_i+1²/2g+h_wi＇

　　在实际运行中由于各喷嘴的射流出水，扩散管中的流量逐渐减少，流速降低。故扩散管中各断面的流速为（下标i为喷嘴和扩散管断面编号）：

　　V_i+1＝(Q_i-q_i+1)/A

　　其中：V—扩散管中的流速
　　　　　Q—扩散管中的流量
　　　　　q—喷嘴的射流流量
　　　　　A—扩散管的截面面积
　　对于喷嘴的射流可以利用圆柱形外管嘴恒定出流计算，其流量、流速为：

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

　　总水头损夫为沿程水头损失十局部水头损失。沿程水头损失为：

　　

　　其中：C—谢才系数
　　　　　n—管道摩阻
　　　　　R—管道水力半径
　　局部水头损失为：

　　h＝ζ(v_i²/2g)

　　通过以上公式可知，扩散管中的能量方程可以表示为：

　　

　　4.1.2沉砂池各喷嘴流量流速计算结果
　　根据以上公式进行计算机编程，分别计算各喷嘴的流量、流速以及扩散管各断面的流量、流速和静压。
　　通过计算可得，在扩散管初始流量投潜水泵流量）Q＝800m³/h，潜水泵扬程7m，管道摩阻为0.011各渐扩渐，缩管的局部水头损失系数依次为 0.3、0.19和0.2，从喷嘴喷
口到水面有效水深为2.75m的条件下，各喷嘴的流量流速计算结果如表1所示：

4.2水力旋流沉砂池水平流速计算
　　水力旋流沉砂池的流量为200,000m³/d，每池分三格，每格沉砂地配水均匀，沉砂池进水水量不均匀系数为1.3。因此，水力旋流沉砂池的单格流量为1.3×200,000/3 m³/d=1.0031m³/s。沉砂池中的回流水通过水力扩散管上喷嘴的射流，依次加入沉砂地中，使沉砂池的总流量以及水平流速逐渐增加。

表1 喷嘴流量、流速表 喷嘴编号 喷嘴流量(m³/s) 喷嘴流速(m/s) 喷嘴编号 喷嘴流量(m³/s) 喷嘴流速(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 水力旋流沉砂池各断面水平流量、流速 断面编号 断面流量 断面流速 断面编号 断面流量 断面流速 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（如图1所示），经计算，沉砂池的实际过水面积为9.9m²。水力计算结果如表2所示：（断面编号与喷嘴编号相同，0号断面位于1号喷嘴卜游、潜水泵出口处。流速单位m/s，流量单位m³/s。）

5 讨论

　　由表1可以看出，在1至15号喷嘴中（即管径为DN400和DN300的扩散管上），喷嘴出口流速始终在6.65～6.47m/s的很小范围内变化。但第16号喷嘴（管径为DN150的扩散管上）的流速发生突变，由6.47m/s突然降低至5.11m/s，降幅达26.7％。沉砂池前段（DN150扩散管处）和中段（DN300扩散管处）应保持较高的旋流速度，以使附着在无机砂粒表面的有机物通过砂粒的碰撞和摩擦而脱落下来，后段（DN400扩散管处）的旋流速度可以略小些，有利于砂粒沉降下来，所以在设计上喷嘴的间距由前往后逐渐加大。就图2喷嘴射流速度的分布情况来看，沉砂池前段的喷嘴流速偏小，这种情况不利于沉砂池前段形成良好的旋流。
　　造成这种情况的原因是由于扩散管管径分布不当。根据压力回升理论，在压能相同的条件下，单位质量的液体流速越小，其重力势能（管道内液体的静压）H越大。根据管嘴的流量、流速计算公式

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决于△H的大小。因为△H＝H-h，由于各喷嘴的管口到水面的高度h相同，扩散管内液体静压的大小是决定管嘴流量流速的主要因素。
　　如将DN150的管径改变为DN200，从而减小流体经过DN300与DN200之间的渐缩管后流速的增量。通过计算可以发现，第16号喷嘴后的扩散管内流速、静压的变化量减小，喷嘴的流速变化同时减小，喷嘴的射流速度基本在6.65～6.13m/s的范围内变化。计算结果如表3所示：

表3 DN150扩散管改为DN200后部分喷嘴流量、流速表 喷嘴编号 喷嘴流量(m³/s) 喷嘴流速(m/s) 喷嘴编号 喷嘴流量(m³/s) 喷嘴流速(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：扩散管管径分别为DN400、DN00、DN200，其它条件不变。
　　可见，1－15号喷嘴的流量流速保持不变，16-21对号喷嘴的流量流速明显升高，各喷嘴射流流速的变化幅度从原来的26.7％减少到8.4％。
　　所以，设计时应考虑扩散管管径的合理配置，尽量使沉砂池前段输入的能量增加，才能在沉砂池前段形成较高的旋流速度，满足整个沉砂池运行的需要。

参考文献
　　[1]GBJ14-87室外排水设计规范（1997年版）
　　[2]Karl Imhoff城市排水工程手册（德文中译本），建工出版社，1993
　　[3]吕乃熙，曝气沉砂池的适用条件，给水排水，1993.3
　　[4]给水排水工程快速设计手册，建工出版社
　　[5]邵林广，圆形涡流式沉砂池的除砂效率的探讨，给水排水，1998.12
　　[6]张辰，俞建中，污水处理新技术在石洞口污水处理厂的应用，华东给水排水，1999.2