旋流沉砂池设计

旋流沉砂池在市政污水处理工程中的应用DesignofVortex-typegritchamber中国市政工程东北设计研究院王志红中国市政工程东北设计研究院李健大连市城市设计研究院赵建东摘要：旋流沉砂池作为污水预处理设施，在污水处理工艺中起到非常重要的作用，因为其设计技术比较成熟，池型构造比较固定，污水杂质处理率相对较高，成为市政污水处理工程中主要的选择工艺。本文以污水处理为应用实例，论述了旋流沉砂池的沉砂机理及在其设计方法。关键词：污水处理旋流沉砂池设计参数Keywords:sewagetreatment;Vortex-typegritchamber;Parameterfunctionofdesign;1、旋流沉砂池原理及特点旋流沉砂池是利用机械力控制水流流态与流速，使砂颗粒在离心力与重力的作用下，沿池壁呈螺旋线加速沉降加速砂粒的沉淀以达到砂粒沉降的目的，原水进入平直的进水渠道后成直线流动，将进水的紊动减至最低，在池内形成沿池壁的平面旋流，该旋流流态产生的离心力产生附壁效应，使砂粒贴向池壁，并借重力落向池底。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，再折向池壁，又再向下到池底一种螺旋环流流态)。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和与有机物分离效率的关键因素，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，完成这一分离过程中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，砂粒被池顶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将自动排砂一次。旋流除砂水力系统采用旋转360°新型直线式设计，使得进水渠和出水渠呈360°，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。图1旋流沉砂池2、旋流沉砂池在市政污水处理中的应用旋流沉砂池是利用水力涡流除砂的旋流沉砂池(其旋流与水流方向基本一致),其具有池型简单、占地省、运行费用低、除砂效果好等优点，所以已越来越受到业内人士的重视，越来越多的应用于市政污水处理处理中。目前已运行或者在建的污水厂的预处理工艺很多都采用旋流沉砂池，如广东江门市丰乐污水处理厂（已经投产运行）、广东新会市东郊污水处理厂（已经投产运行）、长春市西园污水处理厂（正在建设中）、大连开发区董家沟污水处理厂（施工准备阶段）、大连开发区海青岛污水处理厂（正在建设中）等。现以大连市春柳河污水处理厂二期工程为例，对旋流沉砂池的计算进行论述。大连市春柳河污水处理厂二期工程设计规模Q=120000m3/d。设计进水水质COD≤400mg/L,BOD5≤180mg/L,SS≤220mg/L，设计出水水质COD≤60mg/L，BOD5≤20mg/L，SS≤20mg/L。污水处理工艺流程为：生活污水→粗格栅→污水提升泵房→细格栅→旋流沉砂池→水解沉淀池→生物滤池→排放。本次设计中，为了保证水解沉淀池沉淀及除P效果，需为其投加絮凝药剂PAM及除P药剂Fecl3。投药点位于旋流沉砂池出水渠内，停留时间按30min设计，同时加设框式搅拌器以使药剂与水流充分混合。如何控制好旋流沉砂池的流态和流速，加速砂粒的沉淀，成为小型旋流沉砂池设计参数选择的关键。旋流沉砂池设计的一般规定：1）q——沉砂池的表面负荷，取值范围宜为130～200m3/(m2·h)，本工程取q=130m3/(m2·h)。2）H——池深，一般采用1~2m。3）v——沉砂池进渠水流流速，一般在0.4~1.0m/s；4）t——水力停留时间，本工程取t=35s。旋流沉砂池的计算公式：1）沉砂池体积HrV2式中V为沉砂池体积，m3;r为沉砂池的半径，m，径深比一般取2.0~2.5;H为池深，m，一般采用1~2m。根据已知的设计流量和计算的结果校核沉砂池的水力表面负荷，确定体积是否满足设计要求。)/(nAQq式中q为沉砂池的表面负荷，宜为130~200m3/(m2·h)；Q为最大设计流量，m3/d；n为沉砂池个数；A为沉砂池的表面积，m2，4/2rA。计算沉砂池的停留时间，将已知的设计流量与所得的体积代入式中确定所取结果是否满足设计要求。QVt/2）沉砂池进水渠AQv/maxBhA式中v为沉砂池进渠水流流速，m/s，一般在0.4~1.0m/s；A为进水渠过流断面面积，m2；maxQ为最大设计流量，m3/s;B为进水渠宽度，m;h为进水渠深度，m。根据进水渠的宽深校核流速是否满足设计要求，出水渠的计算与进水渠相同。3）沉砂池的沉砂量zKTXQV6max010/86400式中X为城市污水沉砂量，一般采用30m3/106m3污水；T为清除沉砂的间隔时间（d）；zK为生活污水流量总变化系数。4）计算结果经过计算，结果如下：旋流沉砂池半径r=2.74m旋流沉砂池水深H=1.31m旋流沉砂池表面负荷q=131m3/(m2·h)进水渠道BxH=1.1mx0.8m出水渠道BxH=2.2mx0.65m图2旋流沉砂池平面图3、旋流沉砂池的排砂的运行控制沉砂池的系统控制可以分成手动和自动，自动控制由现场的控制箱和PLC进行。沉砂池搅拌系统基本上为24h连续自动操作，若需要保养或手动操作时,系统可以切换。沉砂池的空气鼓风机、空气冲洗装置及砂水分离器的操作由电控柜自动执行,必要时自动控制可以由操作人员解除而完全以人工控制方式运作。空气提升前操作前必须确认鼓风机操作正常、气压达到预设值。气洗过程：空气管上的电磁阀开启，排砂管上的电动刀阀处于关闭状态，压缩空气自空气喷头喷出打松沉于池底的沉砂以利于下一步提升泵将沉砂抽出，并使上清液返回水处理流程作下一步处理。电磁阀的开启时间可以调节。排砂过程：启动砂水分离器，开启排砂管上电动刀阀,空气提升泵把沉砂抽送至砂水分离器，经过一预设时间后系统自动关闭。预设时间可以根据系统运行后的经验而设定，也可随着污水中的含砂量的变化作适当调节。经过以上两个过程后，电动刀阀、电磁阀、空压机自行关闭，即完成一个工作周期。参考文献：[1]北京市市政工程设计研究总院．给水排水设计手册（5城镇排水）［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004．[2]张自杰．排水工程．［M］．北京：中国建筑工业出版社，2000．[3]王洪臣．城市污水处理厂运行控制与维护管理［M］．北京：科学出版社，1999．[4]徐文刚、胡春萍．旋流沉砂池的排砂系统设计［J］．中国给水排水，2002，18：74-75．