德国的螺杆式沉砂池在中国的应用如何？

在欧洲许多小型市政污水处理厂内(进水流量10～300L/s )，一般可以根据项目要求，快速安装配置各种不同类型设备化的机械性预处理装置。市场上提供这些机械设备的厂商很多，例如德国的FSM，Kuhn，ENVOTECH和比利时的WAM公司。这些高效率的一体化装置由不锈 钢材料制成，不仅明显加快和简化设计和安装工作，还可以额外节省建造费用。

一般情况下，一体化装置主要包括格栅和沉砂装置两部分。以曝气型一体化处理装置为例，主要由以下组件构成：

•   配置进料管接口的进水箱体，用于安装格栅机械，应急溢流堰和应急溢流管道接口。

•   鼓型格栅/筛 ，用于分离取出粗/细固体物质，并通过内置式栅渣冲洗，脱水和压榨之后排入后续安装的垃圾集装箱。

•   沉砂分离装置由不锈钢箱体构成，配置 曝气 装置、水平运砂螺杆和倾斜排砂螺杆，可将沉砂物质直接分离并排入后续安装的垃圾集装箱。

•   倾斜排砂螺杆在排砂过程同时对矿砂物质进行静力脱水处理。

•   油脂分离装置可将分离取出的油脂漂浮物质排出。

图1 地上安装的一体化处理装置

装置配置全自动控制系统，整套污水预处理过程，例如栅渣过滤、沉砂排砂和油脂去除等多个处理工艺步骤在此装置内自动完成：污水进入沉砂箱之后，矿砂和有机物质获得分离。分离后的沉砂沉淀在箱底，通过箱底一根水平安装的运输螺杆沿水流相反方向输入沉砂井。然后通过一根倾斜安装的排砂螺杆对沉砂进行提升、脱水处理，并排出投入垃圾集装箱。清理之后的污水通过排水管进入后续生化处理阶段。

作为选购设备，沉砂箱可以配置沉砂曝气设备和油脂去除装置。

一体化装置不仅具有许多规格，种类型式也十分繁多，可以根据项目要求，配置成各种不同类型的一体化装置，例如曝气或非曝气装置，配置或不配置油脂去除功能和洗砂功能，配置各种不同类型的格栅 /筛机械和各种选购部件等 。此外，根据用户特殊要求，还可以对装置进行室外防冻保温配置和 /或防爆配置。

一体化装置的安装方式也灵活多样：地上型、地下型或半地下型装置；室内安装或室外安装等，为用户提供了很大方便。

自1990年开始，德国FSM公司将此技术成功地应用在水泥沉砂池内，目前在德国、俄罗斯和中东地区的许多大型市政污水处理厂内也都已开始广泛采用此沉砂处理技术。

德国DEW公司在2016年首次将此技术引入中国，在武汉三金谭市政污水处理厂的4个水泥沉砂池内安装了这一新型沉砂装置并成功投入运转。目前在中国已有大约17个市政污水处理厂内正在安装使用这一创新技术。

一般情况下，整套螺杆式沉砂装置主要由三部分组成：沉砂螺杆、排砂装置和油脂/轻浮物质刮除系统。

图2 螺杆沉砂池的工作原理图(配置砂泵排砂系统)

2.1 沉砂清理螺杆

此排砂螺杆通过一台减速电机进行驱动，安装在沉砂池的外侧。排砂螺杆和驱动部件之间的驱动轴穿过沉砂池水泥墙。在穿墙部位安装了密封 机构 ，确保转动轴和水泥墙之间密封不漏水。所有驱动部件和密封部件都安装在池外，因此保养工作十分容易。

根据不同的污水性质 和规模 ，沉砂产量也各不相同。通过对沉砂螺杆的转速或者时间控制，可以精确控制沉砂清理的效率。

沉砂运输一般采用以下 2种方式来实现：

采用气提水泵的优点是气体管道内不含转动部件和密封部件，所以磨损很小，但此时必须额外配置空压机。有时一台空压机向多个沉砂池的气提装置提供气源时，则必须在相应的压缩空气管道上安装电磁阀，进行时差调控和按需运行。

图3 螺杆式沉砂装置的截面示意图 (配置气体排砂系统)

与桥架式除砂系统相比较，螺杆式沉砂装置可以始终连续均匀地排砂，从而降低后续安装的砂泵和洗砂装置的运转负荷，降低设备磨损程度。

德国 FSM公司在中东地区和德国已有30多个项目业绩。在这些螺杆沉砂池项目中，驱动螺杆的长度最大可达50m。

2.2油脂/轻浮物质刮除系统

通常情况下，油脂清理通过内置安装油脂刮板进行间隙式清理，可以对油脂刮除区域的整个表面均匀地进行清理。小车上安装一块刮板，起点休息位置是在曝气沉砂池的靠近进水端，工作时沿水流方向进行油脂刮除清理。 在行程尾端通过排液阀门与小车联动，进而自动将油脂物质推送进入沉砂 池的尾端油脂收集井内，最后通过自由落差排出。刮渣结束之后，小车通过钢缆被拉回至原始启动位置。在此过程中，油脂刮板在导轨的引导之下被放下或收拉起来。

图4 油脂/轻浮物质刮除系统

整个油脂清理通过 PLC进行全自动控制操作。根据沉砂池内的油脂/轻浮物质的产量，可以设置每天油脂清理的频率。根据项目要求， 有时可以后续安装泵送油脂 /轻浮物质的潜水泵 ，这些驱动部件的控制运行以及运行次数都可以每天定时设置。

2.3油脂/轻浮物质的排出系统

熟悉曝气沉砂池的人员都知道，在采用排液阀门进行油脂漂泥排放的过程中，往往会同时流失大量清水液体， 导致后续浮渣处理工段的 负荷加大。在此介绍的浮筒漂泥清理排放设备是一种先进有效的漂泥刮除装置， 可以安全可靠地清除各种类型和浓度的漂浮 油脂、浮渣和污泥 ，同时将排出的清水液体量降低至最低程度。

图5 浮筒漂泥清理排出系统

此设备是由一个不锈钢浮筒和吊挂安装在浮筒之下的排泥料斗共同组成，后续配置带有伸缩波纹管的不锈钢连接管道和排泥水泵 。因为排泥料斗是浮筒之下耦合安装 , 即使在池内液位波动情况下，料斗内的跌水高度始终保持恒定不变。同时磨损程度极小，从而保养工作很低。

此外通过一个调节扳手，可以准确地调节设置排泥料斗和液面之间的跌水高度。一方面可以设置排泥处理能力，同时也可以设置漂浮污泥 /水/空气之间的混合比例关系。通过采取这一漂泥清理措施和后续安装的潜水泵，可快速可靠地将各种黏度 和浓度的污泥层排出装置。

此漂浮 装置 可对波动液位自动精确地调节位置，可以完全保证此漂泥清理装置全自动运转。即使在不断变化的环境条件下，例如有时因为处理量变化，可以通过平衡重量的摇摆臂轴承进行平衡处理，保证漂浮污泥清理装置稳定运转，池内液位上下波动最大可达至 ±250mm (总和500mm)时也能自动有效地清理排出 漂浮 物质 ，毋需对排泥料斗的位置进行手动干涉。

油脂漂泥的清理收集一般采用机械性刮泥装置，也可以通过 气力或机械推流 产生的液流来实现。

不管是平流式沉砂池还是曝气沉砂池，螺杆式沉砂池的设计和普通沉砂池的设计完全一样，按照规范设计水平流速和停留时间即可。另外，不管是新设计的沉砂池还是对原来已建成的沉砂池来说，都可以将普通沉砂池快速改建或变更设计成螺杆沉砂池。

平流式沉砂池的设计应符合下列要求：

1.  最大流速应为0.3m/s，最小流速应为0.15m/s；

2.  最高时流量的停留时间不应小于30s；

3.  有效水深不应大于1.2m，每格宽度不宜小于0.6m。

曝气沉砂池的设计应负荷下列要求：

1.  水平流速宜为0.1m/s；

2.  最高时流量的停留时间推荐为6min；

3.  有效水深宜为2～3m，宽度比宜为1～1.5；

4. 处理每m ³ 污水的曝气量宜为0.1～0.2m ³ 空气；

5.  进水方向应与池中旋流方向一致，出水方向应与进水方向垂直，并设置挡板。

截至 2020年7月，目前在已经正式投入运转的螺杆式沉砂池项目有12个，正在安装并即将投入运转的项目有7个，总共已经安装 54 套螺杆式沉砂装置。

表1 已经在中国安装螺杆式沉砂装置技术的项目

4.1 非曝气沉砂池–武汉三金潭项目

武汉三金潭项目是在原来已经建成的2座曝气沉砂池基础上进行的技术改造，每座池有2格，每格长度21.6m，宽度5m，有效水深3m。每座池子的处理水量为15万m ³ /d。

沉砂池原来设计为刮砂桥 +砂泵+砂水分离机。虽然刮砂桥是连续运转，但是刮板将池底沉砂收集坑的砂量是不均匀的，或多或少，导致后续安装的砂泵和砂水分离机无法在恒定工况条件下正常运转，导致排砂和分砂效率降低。此外所配置的砂水分离机不具有洗砂功能，排出的黑色沉砂含有大量有机物质，沉砂产量为1m ³ /h, 相对密度为1.5，且砂粒主要为0.2mm以上。

因此，用户要求在改造为螺杆式沉砂池之后提高污水中砂的去除量，同时对分离取出的沉砂进行洗涤处理。

改造之后的沉砂池配置设备是排砂螺杆 +砂泵+洗砂装置。螺杆驱动电机的转速很低，大约在3～6r/min。 在沉砂池连续进水的正常情况下， 螺杆式 沉砂池的运转 状态可以根据现场情况按照以下 2种控制方式进行设置：

• 根据污水中的含砂量，采用变频器控制螺杆转速，使得沉砂缓慢均匀进入沉砂收集坑，后续砂泵始终能以恒定工况将砂水混合液泵送后续安装的洗砂装置。

• 根据污水中的含砂量，采用时间续电器设置螺杆的运转 /休息时间，使得螺杆沉砂池以间隙方式连续运转，例如在三金潭项目中所设置的时间参数：休息10min/运行5min。

项目改造之后每座池子的处理水量仍然为 15万m ³ /d，但沉砂产量明显提高至2.2m ³ /h。通过洗砂装置处理之后排出是白黄色干净细砂，相对密度为2，且砂粒粒径主要为0.15mm以上。

  图6 武汉三金潭项目的设备安装情况

4.2曝气沉砂池-天津北仓项目

天津北仓项目中的螺杆式沉砂池是新建项目，设计流量65000m ³ /d， 构筑物是双腔型曝气沉砂池。 曝气沉砂池1座2格，单格池子长24m，宽3m，深2m，停留时间6min。

沉砂池直接位于内进流细格筛的出水渠之后，配置气提水泵和油脂分离装置，净容积为 220 m ³ 。

在此沉砂池内，以砂石为主的矿化颗粒物质被沉淀截留。通过对液体进行吹气处理，纵向流动的污水会在沉砂池形成螺旋状的水流。细砂沉淀至池底，而比重较轻的有机物质跟随污水流入后续安装的初沉池。通过铺设池底的水平排砂螺杆，可将沉淀下的砂石物质推入沉砂池进水端的砂坑之内。然后采用气提水泵将砂水混合液泵送后续安装的洗砂装置，沉砂物质在洗涤脱水处理之后排入垃圾集装箱内。

在曝气沉砂池内通过连续曝气处理来进行油脂和水相分离。 与沉砂池平行排列的水池是油脂分离腔室， 气浮产生的油脂物质，从沉砂池的曝气湍流区域环流排挤进入非曝气油脂收集区域，被气浮处理之后的油脂会漂浮在液体表面，可在浮渣刮板的作用下推入油脂收集井排出装置。

在污水处理厂的前段区域内，除了必须安装格栅机械将粗大垃圾物质取出之外，为了降低矿砂物质对曝气设备、管道、后续安装的水泵、脱水设备等机械部件产生磨损，防止细砂沉积对生化曝气和消化池的运转造成故障，必须将沉砂物质分离取出。

为了市政污水处理厂内整体技术处理工艺的稳定性和无故障运转，必须生化处理之前进行沉砂和排砂 处理。

特别是在以下情况下，可以采用螺杆式沉砂池技术：

• 在气候恶劣的地方，例如在夏季易高温 太阳爆晒 地区或者中国东北易寒冷下雪冰冻地区，许多驱动部件和电机及仪表电气件无法稳定正常运转。

• 市政污水处理厂位于人口密集的城市区域内或者地下市政污水处理厂内。

与传统沉砂池相比较，螺杆式沉砂装置的主要优点：

• 节省地方，池顶可以加盖除臭处理， 没有臭味外逸；

• 不受环境因素，例如冰冻和太阳曝晒等影响；

• 电机和密封部件的安装位置在池外室内，容易保养，使用寿命长；

• 驱动部件数量少，投资费用低；

• 电机转间隙运转，并且转速低，运转费用低；

• 所有和污水相接触的部件都由 不锈钢制成，绝对防腐蚀；

• 与传统刮砂桥的间隙排砂方式不同，螺杆排砂装置是连续清理排砂，出料含砂量和流量恒定，可以使得后续安装的排砂泵和洗砂装置的处理效率明显提高；

• 出 料液体内砂含量高。

制作：文   凯

审核：李德强