【环保新课堂】沉砂池的工作原理及池型设计解析

    不同的污水处理工艺要设计不同的沉砂池，根据不同沉砂池的工作原理要设计不同的池型。沉砂池是城市污水处理厂必不可少的预处理设施，通常设置在细格栅后以去除进水中的砂粒，保证后续处理构筑物及设备的正常运行。所以这期【环保新课堂】栏目对沉砂池的工作原理及池型设计将有一个详细的解析，使得沉砂池在工程中得到合理的运用。

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虽然沉砂池在污水处理厂的投资、占地等方面所占的比例很小，但其作用却不可忽视。若取消沉砂池，大量砂粒将进入后续各处理单元，给污水厂的正常运行带来诸多隐患：





①砂粒进入初沉池会加速污泥刮板的磨损，缩短使用寿命。




②排泥管道中砂粒的沉积易导致管道的堵塞，进入污泥泵后会加剧叶轮磨损。




③对于不设初沉池的处理工艺(如氧化沟、CASS等)或实际运行中由于进水负荷过低而超越初沉池运行的工艺，大量砂粒将直接进入生化池沉积，导致生化池有效容积的减少，同时还会对曝气器产生不利影响。




④砂粒进入污泥消化池中，将减少有效容积，缩短清理周期。




⑤污泥中含砂量的增加会大大影响污泥脱水设备的运行。砂粒进入带式脱水机会加剧滤布的磨损，缩短更换周期，同时会影响絮凝效果，降低污泥成饼率。近年来卧螺式离心机在城市污水处理厂中的应用日益广泛，由于该设备采用高速离心分离的方式，砂粒会大大加剧转筒、螺旋等处的磨损。

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对于一座理想的沉砂池，最好在去除所有的无机砂粒的同时，将砂粒表面附着的所有有机组分分离出来，以利于砂粒的最终处置。因此，在进行沉砂池设计时主要需考虑两方面问题：




①如何通过合理的水力设计，使得尽可能多的砂粒得以沉降并以可靠、便捷的方式排出池外。




②采用何种有效的方式，尽可能多地分离附着在砂粒上的有机物，将其送回到污水中。








1、砂粒的粒径






进水中砂粒粒径d的大小差别很大，从d＜0.6 mm到d＞5 mm不等。对于不同粒径范围的砂粒，不同沉砂池的去除率是不同的。如平流式沉砂池对于粗砂的去除率要高于曝气沉砂池，但对于细砂的截留率则远低于曝气沉砂池。因此严格来说，

在进行沉砂池设计时应考虑不同地区砂粒中的粒径级配

，但客观上这一点却不太可能实现。




实际工程中，通常以对d＞0.2 mm的砂粒去除效率来衡量沉砂池系统的效率。由于不同沉砂池对于这一类砂粒的去除效率并不相同，因此

有必要对不同类型沉砂池的实际除砂效率进行测定

，但国内目前却几乎看不到此类对比试验，使得对于不同池型去除效率的了解仅能得自有关的推荐数据，这在一定程度上难以反映出真实情况。








2、沉砂池的表面积






对于采用非曝气的普通沉砂池来说，不同粒径的待去除砂粒的沉降速度会影响到沉砂池所需的表面积。











表1　国外某公司推荐的沉砂池表面积


















3、流速






对于各种不同型式的沉砂池，流速的控制都是非常重要的。流速过快会导致小粒径砂粒的带出，而流速过慢又可能会导致水中有机物的沉降。








4、油脂类的去除






由于城市污水的成分复杂，其中不可避免会有一些油类或油脂类物质。若不经过恰当的预处理，可能会给后续生化装置的运行带来影响，如水中油脂的存在会加速橡胶膜片式曝气器上的橡胶膜片老化，降低溶解氧的转移效率；油脂附着在管道上会影响电磁流量计的测量精度等。目前各种类型的沉砂池并不是都具备去除该类物质的能力。








5、有机物的分离






由于砂粒表面通常会附着有机物，如果任其随砂粒一道外排，易产生腐化，影响砂粒的最终处置，因此必须将砂粒与有机物分离。对于不同的沉砂池，有的自身即具备砂洗功能，而另一些则必须采用专门的砂洗装置。脱离后的有机物一般仍回到系统，作为后续生化装置的养分。








6、是否需要预曝气






采用鼓风曝气的沉砂池，在辅助提高砂粒去除率的同时，还具有预曝气的功能，可降解去除一部分有机污染物。但对于目前国内的很多污水处理厂来说，往往面对的是进水水质指标偏低的情况，生化装置的有机负荷达不到设计能力，甚至存在碳源不足的现象；而对于另外一些采用脱磷工艺的污水厂，除了需要保证足够的碳源外，还要保持厌氧环境。








7、集水管网的情况






对于不同的城市污水处理厂，其配套集水管网的情况各不相同。如果存在雨水大量进入的可能，则在沉砂池选型、有关设计参数及除砂设备能力配置等方面均需注意。








8、除砂设备的可靠性






除砂设备的种类很多，从早期的抓斗式除砂机到后来的链条刮板式刮砂机再到目前普遍采用的泵吸式除砂机以及气提装置等。对于一个污水处理厂来说，设备运行的稳定性、可靠性，操作维护是否便捷，使用寿命等问题也都应当是设计人员所关注的。




综合以上各点，可以看出，在进行沉砂池设计时并不能简单地把它作为一个独立的单体进行对待，而应当纳入整个处理系统进行综合考虑，以作出恰当的选择。

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目前国内外普遍采用的沉砂池包括以下几种：平流式沉砂池、曝气沉砂池、旋流式沉砂池(钟氏及比氏)、多尔沉砂池等，竖流式沉砂池则很少在污水厂中使用。传统的平流式沉砂池进入20世纪80年代以后，越来越多地被曝气沉砂池所代替；90年代以后，随着国外设备的引进，旋流式沉砂池越来越多地在城市污水处理厂中得到应用。








1、平流沉砂池






平流式沉砂池采用分散性颗粒的沉淀理论设计，

只有当污水在沉砂池中的运行时间等于或大于设计的砂粒沉降时间，才能够实现砂粒的截留

。因此，沉砂池的池长按照水平流速和污水中的停留时间来确定。由于实际运行中进水的水量及含砂量的情况是不断变化的，甚至变化幅度很大。因此当进水波动较大时，平流式沉砂池的去除效果很难保证。




平流式沉砂池本身不具备分离砂粒上有机物的能力，对于排出的砂粒必须进行专门的砂洗。




根据国外所做的现场测定，平流式沉砂池所沉砂粒的粒径沿沉砂池长度方向变化，且当d＜0.6 mm时，砂粒很容易被水流带走。




平流式沉砂池的除砂效果见表2。








2、曝气沉砂池






曝气沉砂池的特点是通过曝气形成水的旋流产生洗砂作用，以提高除砂效率及有机物分离效率。曝气沉砂池的除砂效果见表3。










表2　平流式沉砂池的除砂效果   







表3　曝气沉砂池的除砂效果









将表3与表2对比可以看出，

当处理＜0.6 mm的砂粒时，曝气沉砂池有着明显的优越性。对0.2～0.4 mm的砂粒，平流式沉砂池仅能截留33.52%，而曝气沉砂池则有65.88%的截留效率，两者相差将近一倍。但对于＞0.6 mm的砂粒，情况恰恰相反，平流式沉砂池的除砂效率要远大于曝气沉砂池

。这种差异恰恰说明进水砂粒中的不同粒径级配对于不同沉砂池除砂效率的影响。


同时，污水中的油脂类物质在空气的气浮作用下能形成浮渣从而得以被去除，还可起到预曝气的效果。






       从水流特性来看，曝气沉砂池的流态并非水平流，由于曝气产生的上升流速作用，水流以螺旋状的流态行进。德国海尔布隆污水处理厂曾在椭圆形曝气沉砂池中对不同流量的各种流速进行测定，结果见表4。







   由以上数据可看出，只要旋流速度保持在0.25～0.35 m/s范围内，即可获得良好的除砂效果。尽管水平流速因进水流量的波动差别很大，但只要上升流速保持不变，其旋流速度可维持在合适的范围之内。曝气沉砂池的这一特点，使得其具有良好的耐冲击性，对于流量波动较大的污水厂较为适用。




      

在具备上述优点的同时，曝气沉砂池在运行中也存在着一定的问题。由于旋流速度在实际操作中难以测定，只能通过调节曝气量来控制，但气量调节却难以掌握。气量过大虽能将砂粒冲洗干净，却会降低细小砂粒的去除率；过小又无法保证足够的旋流速度，起不到曝气沉砂的作用。考虑到水量是不断变化的，气量却不可能随机调节，实际运行中很难将曝气量始终控制在合适的数值上，往往会存在过度曝气的问题，浪费能量。





       从操作环境看，由于曝气沉砂池的操作环境较差，特别是夏季对空气的污染较大。另外，如果不设消泡设施，会有相当多的悬浮物随泡沫带出池体而污染环境。