北京市市政工程設計研究總院
龍 干 宋亞文

一　前言

　　1997年10月上海污水治理二期工程白龍港污水預處理廠工程進行國際招標。污水水量水質見表1。

　　招標文件中白龍港污水預處理廠工藝流程包括總配水井、機械粗格柵、細格柵和曝氣沉砂池系統。曝氣沉砂池分為8組、16個沉砂渠，采用8套平移泵吸式除砂機，每臺除砂機為雙跨，兩只抽砂泵安裝在可行走橋架上的吸砂管下端，可分別抽吸兩個沉砂渠中的沉砂，吸砂管另外一端對準側邊的送砂渠排砂。曝氣池采用豎管曝氣，鼓風機房安裝有6臺75KW的離心鼓風機。
　　由于經常參加國際性招投標工作，所以我院了解到在世界上，包括中國在內，近年來興建的污水處理廠，特別是在建的污水處理廠中，圓形旋流沉砂池由于其高效的砂粒截留效率、和砂粒中較低的有機物含量、低能耗、少占地、小容積、設備構造簡單、運行可靠等突出優點，已成為污水處理廠中沉砂池的首選池型，傳統的曝氣沉砂地正在逐漸被它所取代。上海作為我國最大的現代化城市，其污水處理設施也應該和國際水平接軌。因此在進行主方案投標的同時，我們又作了一個備選方案一旋流沉砂池工藝。由于旋流沉砂池有其獨特優勢，在競標中，旋流沉砂工藝一舉中標。
　　與傳統的平流沉砂池、曝氣沉砂池相比，旋流沉砂池以其占地面積小、能耗低、土建費用低、運行管理方便、對周圍環境影響小等諸多優點被人們認同，在國外被廣泛的運用在污水處理廠中。國內目前處于剛剛引進、有些在試運行階段。
　　在國際上旋流除砂系統及設備基本上由以下四大公司發明、生產制造。這四種圓形旋流除砂系統除砂原理基本相同：
　　　　.美國Smith ＆ Loveless Inc.生產的Pista旋流除砂系統；
　　　　.英國Jones ＆ Attwood Inc.生產的Jeta旋流除砂系統；
　　　　.加拿大 John Meunier Inc.生產的Mectan旋流除砂系統；
　　　　.新西蘭Dormarg Equipment Limited生產的Dormarg除砂系統。
　　以美國Smith ＆ Loveless Inc.生產的Pista旋流除砂系統為例，就旋流除砂系統的構造、原理、特點進行論述。

二　構造

　　1.進水渠道—控制入口水流速度，將砂粒排至池底，以便將除砂速度提高到最大限度。
　　2.平底—使有機物附著現象減少到最低限度，并且通過水流攜帶砂粒進入儲砂斗，且將上部分砂區變成一個強力的渦輪裝置。
　　3.固定隱藏式活動蓋板—起延伸池底的作用，并使流動方向不致受蓋板邊緣影響而中斷。
　　4.儲砂池斗—儲存砂粒，便于渦輪泵定時排出，使除砂泵不必連續工作。
　　5.砂粒水流導線器—有助于防止砂粒在儲砂池內堆積板結。
　　6.導板—使水流切線進入除砂區，延池周圍流動。
　　7.軸流式螺旋槳—有助于砂粒進入儲砂池斗前引導和清洗砂粒。旋轉的渦輪可以改善流態。螺旋槳葉片前緣大而圓，能防止由于破布及纖維物質的纏繞而降低除砂效率及增加能量消耗。
　　8.大齒輪傳動—能連續運作，無需進行故障維修。
　　9.隔板—可引導進水流繞除砂區池底周圍流動，將砂粒從水流中分離出來，使砂粒進入砂斗。隔板還可以使出水平穩流動，防止砂粒從底部泛起。
　　10.出水渠道—可控制沉砂池和進水渠道的水位，為進水提高適當的流速。
　　11.渦輪泵—將砂斗內砂粒提升并排出。
　　12.排砂管—將砂水排入砂水分離器。

三　原理

　　旋流除砂系統采用強制渦流原理達到砂粒沉降的目的。原水進入平直的進水渠后成直線流動，將進水的紊動減至最低，進水渠的末端為一個斜面，沿池底部周邊切線方向進入池中，使之產生附壁效應，從而使原已沉降在渠底的砂粒沿著斜坡流向平底而被捕集。另外，在進水渠的末端有一個入水導流板，其位置可以使進入沉砂池的水流和沉砂池內的原有水流在該導流板的斜表面上交匯，并將水流下折，使之沿沉砂池周邊流動。在沉砂池中心處裝有一軸向螺旋槳，用來保證池內所有水流的適當轉動。螺旋槳、入水導流板和進水水流結合在一起，就會產生環流流態。(水流沿沉砂池周邊流動，與此同時，沿平底轉向中心，經葉輪向上，到頂部，再折回到池壁，向下到池底。這是一種螺旋環流流態)。在環流流態的作用下，離心力的作用使得砂粒最大限度地與平底碰撞，并被水流捕集，而砂粒一旦在平底上被捕集到，就會藉環流流態所產生的底部速度被推向中央，落入砂斗。平面池底是保證環流流態達到最大除砂效率的因素，因為坡形底面將會減少環流流態的強度，降低砂粒的捕集效率，增加水流所捕集和儲存的砂粒中有機物的含量。當砂粒沿平底被推向沉砂池中心時，旋轉葉輪將加速水流流動，使得較輕的有機物被提起并返回至沉砂池的出水中去。然后砂粒移向池心，通過螺旋槳驅動軸和鋼蓋板之間的環形孔口落入底部集砂斗。砂粒從螺旋槳下面通過時，螺旋槳產生的向上水流，將把夾在砂粒之間的有機物帶出，完成這一分離過程的砂粒才可以落入集砂斗中。當集砂斗中所儲存有的砂粒足夠多時，砂粒被池項安裝的真空啟動泵抽出，并送至脫水裝置。一般每隔四小時從集砂斗自動排砂一次。
　　旋流除砂系統采用360度新型直線式設計，使得進水渠和出水渠呈360度，形成自然流線。該系統結構簡單，易于安裝，且能有效地提高除砂效率。
　　綜上所述，旋流除砂系統有這樣幾個特點：
　　①軸向螺旋槳可以將進水和池內水流帶向池心，然后向上，形成環流流態，并將砂粒慢慢水平地推向環形砂斗口，而附在砂粒上的有機物則在平運動過程中脫離砂粒，重新回到廢水中，并隨水流上升，流向排水渠，這大大減少了沉砂中所含有機物質及異味的出現。
　　②沉砂提升泵間歇地將砂斗中的沉砂提升至砂水分離器，該泵采用真空啟動，其隱藏葉片式葉輪采用含鎳硬化處理的鑄鐵，可抵受砂粒在高速運行下可能產生的撞擊和磨損，并容許較大的物體通過。該系統可提供比一般的壓縮空氣提升系統更高的揚程，且節省了配套的壓縮空氣系統，其獨特的垂直式無堵塞設計令其平穩無阻運作，避免一般水平式安裝可能產生的管道阻塞。

四　旋流沉砂池一般規定

　　六十年代，國外開始研究旋流除砂工藝，七十年代初開始運用的實際工程中。目前，它被廣泛運用在污水處理廠。國內目前處于剛剛引進、有些在試運行階段。因此，在《給排水設計手冊》中沒有規范內容。根據正在進行的上海白龍港污水預處理廠中的旋流沉砂池的設計以及在美國進行的有關旋流除砂工藝的考察所得到的一些數據，淺顯的敘述一些其一般規定：
　　1.旋流沉砂池按去除比重2.65、粒徑0.1毫米以上的砂粒設計(曝氣沉砂池除砂粒徑按0.2毫米以上設計)；
　　2.旋流沉砂池為圓形，切線方向進水、切線方向出水；
　　3.進水流速一般為1.0米/秒；
　　4.停留時間約1分鐘(因旋流沉砂池運行效果不依賴于停留時間或沉淀時間的長短，而確決于水的渦旋流動。水流一般在池內旋轉兩圈)；
　　5.旋流沉砂池上園為分砂區，直徑2-10米，水深約3米，下園為集砂區，直徑1-3米，深度約2米。
　　6.排砂泵每天開啟4次，每次約10分鐘。
　　7.旋流沉砂池在高流量及流量變化大時處理效果良好。

五　旋流除砂工藝與曝氣除砂工藝比較

　　通過對上海白龍港污水預處理廠的投標、設計以及在美國與Pista旋流工藝發明人的交流，對曝氣沉砂池及旋流沉砂池有以下比較：
1、除砂效率
　　根據美國清水及污水協會測試結果，不同粒徑砂粒的除砂效率比較見下表：

　　按照砂粒粒徑大小比較旋流除砂系統和曝氣沉砂池的除砂效率。旋流除砂系統在各種粒徑下的除砂效率均遠大于曝氣沉砂池，不僅僅是對粒徑相對較易去除的大顆粒作用顯著，而且對于細小砂粒的去除效率也遠高于曝氣沉砂池。Smith ＆ Loveless技術規范S-112詳細介紹了一種全尺寸Pista除砂系統測試裝置，該裝置曾經被運到佛羅里達去測試除砂設備在當地所遇到的非常細小“糖砂”顆粒去除的有效性，結果表明旋流除砂系統對于細小砂粒的去除是極為有效的，就象對大顆粒的去除一樣好。測試中其對O.lmm的砂粒去除效率可達75%。測試還表明旋流除砂系統基本上不受較大水流波動的影響。
2、能耗
　　在能源費用較高的今天，效率就是至關重要的。采用旋流除砂系統時，螺旋槳驅動只需要很小馬力的電機。池頂安裝的Turbo泵和脫水裝置，只是在排砂過程才運行，每天只需要近1小時。與此相對照，曝氣沉砂池則需要風機每天24小時連續運行。表3為這兩種除砂系統能耗比較。為了便于比較，假定每隔四小時排砂一次，每次排砂和砂水分離操作歷時10分鐘。
　　由于備選方案中省去了曝氣沉砂池的鼓風曝氣系統，電耗大大降低。如果電費單價按每度電0.60元計，備選方案年運行費用比主方案節約約140萬元左右。

3、占地
　　旋流沉砂池的運行效果不依賴于停留時間或沉淀時間的長短，而是取決于水的渦旋流動，因止旋流沉砂池系統的占地面積要比曝氣沉砂池小得多。由于取消了鼓風機房等設施，將廠區平面布置重新調整后，備選方案較原方案可節約占地近萬平米。
4、維護管理
　　曝氣沉砂池中利用吸砂泵、平移橋、螺旋輸送機等來完成排砂的，這些裝置中包括水下的鏈、軸承、鏈輪等，都是需要經常調整和更換的維護率極高的項目，更換零件所需要的費用和人工均以萬元計，還要加上更換期間沉砂設施不得使用的損失。
　　與此相反，旋流除砂系統僅使用了萬向軸管葉輪，沒有水下軸承，沒有易受磨損或堵塞的部件在水下運行，旋流除砂機的驅動裝置、潤滑點和軸承均在池頂水面以上以便維護。累積的砂粒由頂部安裝無水下運動部件的泵。唯一的維護是進行不太頻繁的電機潤滑。由于消除了全部水下緊密公差和運動部件，與曝氣沉砂池相比，旋流除砂系統的維護工作量將極大地降低。
　　總之，旋流除砂系統不僅需要維護的設備少，而且基本上沒有受磨損部件，從長遠遠行角度來看，旋流除砂系統的維護費用是最低的。
5、系統運轉的可靠性
　　旋流沉砂系統是選用八套完全獨立的、一一對應的、除砂機、輸砂泵和砂水分離器，而原方案中16個曝氣沉砂池只用兩個砂水分離器。
　　旋流除砂系統的除砂機等全部設備均采用國外有經驗專業廠家制造的專用成套設備。
　　旋流沉砂系統設備組成的環節少(砂泵、螺旋槳)，曝氣沉砂池的設備組成環節較多(行車、吸砂泵、排砂泵、閘閥、曝氣管)；
　　由以上三點可以得出該方案系統運行的可靠性、設備的安全性和使用壽命均將大為提高，設備的無故障運行期大大提高。具有高可靠度、高備用系數的特點。
6、運行經驗
　　盡管曝氣沉砂池設備制造商會申明自己有著許多應用實例，但旋流除砂系統也絕非新產品了，僅在美國就有1300套Pista型旋流除砂系統在運行，另外還有500套安裝在世界各地。
7、環境影響
　　由于旋流除砂系統主要采用水力環流來達到水中有機物和砂粒分離、并去除砂粒的目的，因此省卻了曝氣沉砂池中的鼓風曝氣系統，一是沒有風機房所產生的噪音污染，二是由于有機物與砂粒分離比較好，沉砂上裹帶的有機物量較少，因此砂粒脫水處理時臭味將大大減輕。另外，沉砂池處理系統是污水處理廠臭味的最主要來源之一，由于旋流沉砂池水面面積從原來的1400平米減少為335平米，而且運行過程中池內無曝氣需要，因此，水中臭味逸出對周圍環境的影響也會成數量級地降低。
　　為了最大限度的降低臭味，在旋流沉砂池上加蓋非常容易，但是在曝氣沉砂池上加蓋絕非易事。
　　由于該方案總占地面積減少，可以在有限的處理廠可用地范圍內增加綠化用地面積，美化環境。
8、有機物分離效果
　　按照旋流沉砂工作原理，旋流沉砂池不僅沉砂效率高，而且可以有效地降低砂粒中的有機物含量，從而大大減輕砂粒脫水處理時散發的臭味，提高砂粒的清潔度，以利于最終處置。

六　結論

　　綜上所述，旋流沉砂池以其除砂效率高、能耗低、占地小、運行管理簡單方便、對周圍環境影響小等諸多優點，已被國內外公認。因此在國家大力關注環保事業的今天，選擇先進、可靠的工藝設備是我們的職責。