污水处理厂高效除砂系统

如何有效去除城市污水中的“细微砂”（粒径介于0.05~0.2 mm的砂粒）是一直困扰污水处理厂提质增效、绿色低碳运行的难题之一。根据《室外排水设计标准》（GB50014—2021）的要求，污水处理厂应设计沉砂池，去除相对密度为2.65、粒径为0.2mm以上的砂粒。然而，许多研究结果表明传统除砂系统（如平流沉砂池、旋流沉砂池、曝气沉砂池等）不仅对0.2mm以上砂粒去除效果一般，对于设计范围外的细砂的去除效果更差。

在实际运行中，由于不同地区地质地势的差异，某些山地城市污水进水中≥0.2mm的砂粒仅占20-40%，细微砂的占比达到50%以上。这些细微砂砾如果无法在预处理工艺段得到有效拦截，进入到后续处理单元中，给污水厂运行和生产带来了严重的不利影响。一方面，细砂粒会加快厂内泵、推进器、搅拌器等设备的磨损，增加维护成本；另一方面，细砂粒容易被活性污泥裹挟进入污泥处理系统，降低污泥的有机物比例，增加污泥处置难度；同时，构筑物的砂粒淤积也会导致有效池容减少，提升运行能耗，增加清掏工作量。

一、除砂工艺的发展历程

 

 

二、常规除砂系统存在的问题

1.旋流沉砂池

 

单元组成：沉砂池+汽提+砂水分离器

设计精度：粒径>0.2mm，比重>2.65砂粒

去除效果：去除率<50%

除砂效果：出渣量<0.3m?/万吨水

停留时间：30s-1min

表面负荷：100-150m?/m2/h

旋流沉砂池为圆形，池中心设有可调速的旋转桨板。进水渠道在圆池的切线位置，出水渠道对应圆池中心，中心旋桨板下部设有集砂斗。在进水渠道与池体相接处设有挡板，污水切向进入沉砂池后，受挡板作用流向池底，继而在向心力和螺旋桨作用下，形成复杂的蜗螺流态。砂粒随重力沉向池底并向中心移动，随即被冲入集砂斗内。

相对于曝气沉砂池，机械旋流沉砂池停留时间短、节省占地、降低能耗。但是机械旋流除砂池上部进水、上部出水的形式，造成水流路径较短，容易形成短流，因此除砂效率较低且极不稳定，对于＞0.2mm的砂粒去除率仅有50%左右。细长狭窄的砂斗设计，易使池底的沉砂压实板结，从而引起排砂管堵塞无法顺利排砂，需经常排水清淤等问题。另外，由于进水流态限制，需要较长的配水廊道，增加了占地面积。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，导致设备无法正常运行。

2.曝气沉砂池

 

 

单元组成：沉砂池+曝气管+刮砂机/桁车+汽提/泵提+砂水分离器

设计精度：粒径>0.2mm，比重>2.65砂粒

去除效果：去除率<80%

除砂效果：出渣量<0.3m?/万吨水

停留时间：>5min

表面负荷：20-40m?/m2/h

 

曝气沉砂池为矩形，在鼓风机曝气作用下，污水在池内呈螺旋状前进，纵向水流为平流形式，横向水流为旋流形式，进水方向与旋流方向一致。在池子纵向水流方向的一侧设置曝气设施，通过曝气可在沉砂池横断面形成旋流，使旋流流速不随流量变化而变化，只受控于曝气量，使沉砂池不短流。

由于曝气以及水流的旋流作用，污水中的悬浮颗粒相互碰撞、摩擦，并受到气泡上升时的冲刷作用，使黏附在砂粒上的有机物得以去除，使沉于池底的砂粒较为纯净。曝气沉砂池对＞0.2mm的砂粒去除率较高，且对污水中的油类和浮渣也有一定的去除作用。

但是曝气沉砂池需要较长的停留时间，才能获得较高的去除率，因此占地面积较大。曝气沉砂池需要连续曝气，需要功率较大的鼓风机，导致电耗巨大。另外，由于曝气沉砂不能有效去除0.1-0.2mm大小的砂粒，致使这些砂粒进入后端处理系统，造成池体砂粒沉积、设备严重磨损等不良影响。

三、多层旋流高效沉砂池

多层旋流高效除砂技术是基于水力学原理，应用计算流体力学（CFD）技术开发的一套新型除砂技术，它构造了新的旋流结构形式，弥补了传统旋流除砂技术的缺点与不足。

目前国内除砂规范要求主要是针对0.2mm及以上的砂粒进行去除，导致大量细颗粒泥沙无法被去除，而对污水厂后续工艺和设备运行造成较大的干扰，为解决此问题，多层旋流高效除砂技术把除砂标准提高至0.075mm。

多层旋流高效沉砂池可使用混凝土池体，亦可使用FRP或不锈钢池体。廊道布水，全水力设计，内部无活动部件。其主要依靠浅层沉淀+旋流扫捕的原理来强化污水中无机砂粒的浓缩和去除，其除砂过程如下所述：

1.沉砂过程

待处理的污水（格栅间出水）由进水管切向引入高效除砂池体内，通过布水器，均匀地分布到每个碟盘中，并形成旋流。由于流体粘滞力的作用，在碟盘表面与旋流流体交界面产生边界层效应。砂粒在重力的作用下，沉降到碟盘表面进入边界层，在其中的压力梯度与速度梯度作用下，快速向碟盘中心偏转，实现扫捕作用，沉降至碟盘表面的砂粒会迅速滑落至碟盘的中心开口处，并最终聚集在设备底部的储砂区内。

 

系统构成和运行原理图

2、反冲洗过程

砂斗中的砂粒挤压紧实，流动性差。为顺利吸砂提砂，避免砂粒在泵和管道内堵塞。高效旋流沉砂系统配备了特殊设计的反冲洗流化装置，采用冲洗水进行冲洗、使砂粒充分流化，提高其流动性。

3、排砂过程

采用干式砂泵排砂的方式。砂泵由PLC控制，可根据来水砂量的多少，灵活设置合适的排砂频率，排出的砂粒进入砂水分离器中，进而进行砂水分离。

四、多层旋流高效沉砂池的优点

与传统沉砂池相比，多层旋流高效沉砂池具有如下优点：

1、精度提升，减少淤积

系统除砂精度与效率同步显著提升，最高可去除进水中85%以上的相对密度2.65、粒径>0.075 mm的砂粒，减少50%以上进入沉砂池后续构筑物的泥砂，将清淤周期延长2-3倍。

2、用地集约，安装简洁

系统用地集约，万吨水规模建设用地可低至5㎡,较曝气沉砂池降低80%以上。设备组件模块化设计，一体化吊装，安装、改造简便，无需预埋部件。

3、节能降碳，维护方便

系统采用全水力设计，无曝气、搅拌设施，池内水下无活动部件，最大程度上使设备简化，降低运维工作量。系统运行能耗低至12元/万吨水，较同规模曝气沉砂池降低90%以上。

4、除臭简便，回收碳源

系统采用全封闭结构设计，运行过程无曝气，搅拌措施，显著降低除臭风量。系统含有砂砾自清洗装置，可将排放渣砂的有机物含量降低至15%以下，显著提升其清洁性状，洗脱有机物作为碳源回补生物处理，实现持久经济效益。

五、案例

1、加拿大卡尔加里污水处理厂

（1）项目概况

加拿大卡尔加里的Bonnybrook污水处理厂设计规模48万吨/天，变化系数2.89。厂内原有曝气沉砂池沉砂效率较低，针对0.2mm以上砂砾的去除效率不足30%。造成污泥硝化池中20％的空间被砂砾淤积，水厂每年需花费6000个工时去清掏积砂。

（2）解决方案

新建6毫米的细格栅，并在其后安装10组多层沉砂池，配备10套洗砂装置和5台砂水分离装置。除砂平均含固率大于60％，且挥发性固体不超过20%。脱水后的砂粒被送往垃圾填埋场。

升级改造后的Bonnybrook污水处理厂，在峰值进水流量139万吨/天的情况下，对粒径大于150微米且比重为2.65的砂砾去除率达到95%。在正常设计流量情况下（48万吨/天），这些设备可以将除砂精度进一步提高至75微米。

（3）现场

 

 

2、山东省济宁市污水处理厂

（1）项目概况

山东省济宁市某污水处理厂设计规模4万m?/d，变化系数1.5。现状除砂系统无法实现国标要求的去除进水中比重2.65、粒径>0.2mm砂砾的设计要求，导致后续构筑物产生淤积。原有沉砂池排砂不畅，电气及机械设施老旧，系统已无法正常运转，池体频繁淤积。

（2）解决方案

沉砂单元：拆除池顶横梁及减速机、搅拌桨；在原直径3.65m池体内安装两组多层旋流沉砂设施。

排砂单元：拆除原有汽提设施，在沉砂池底部砂斗安装潜污排砂泵，采用叶轮后置+开式流道的涡流离心泵。反洗单元：单池排砂斗内安装1套反冲洗流化系统，使用厂内中水作为冲洗水源，间歇运行，提升排砂斗内部流化效率，有效降低板结淤堵风险。

洗砂单元：原排砂管路中共增加2台立体旋流洗砂机，单个砂水分离器处理流量40m?/h，对砂水混合液进行有机物与无机物的精细分离。

改造完成后，新系统针对比重2.65，粒径>150 μm砂砾去除效果>85%；原池体改建，无结构性改动，水力高程变化<30 cm；出砂有机物含量≈10%，含水率<50%，出砂量较改造前正常运行工况下提升>100%。

（3）现场照片