綜述：城市污水和污泥細微砂旋流去除技術

 來源： 給水排水； 慧聰水工業(yè)網   作者： 夏海琛等

導 讀：我國城市污水含砂量普遍較高，且相當部分為粒徑小于200 μm的細微砂，給污水處理系統(tǒng)帶來了設備磨損嚴重、活性污泥MLVSS/MLSS 比值降低、生化池泥沙淤積等問題。我國傳統(tǒng)的除砂工藝主要以去除粒徑大于 200 μm、比重約為 2.65 的砂為目標，對污水中細微砂的去除效果不理想。旋流除砂技術憑其能耗低、對細微砂去除效果好等優(yōu)勢逐漸發(fā)展。綜述了旋流除砂技術在市政污水和污泥中的最新研究進展，重點闡述了新興旋流除砂技術的原理、優(yōu)勢和實際應用情況，最后對旋流除砂技術的發(fā)展前景進行展望。

01、污水除砂技術

1.1 城市污水常用除砂技術概述

我國城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)中常用的除砂技術是基于重力或離心力分離的沉砂池，其結構形式主要有：平流式沉砂池、曝氣沉砂池、旋流式沉砂池（鐘氏及比氏）等。表1中歸納了不同除砂技術的原理、流態(tài)，并分析了各自特點。旋流沉砂池占地面積小、運行管理相對方便、能耗較低、對細微砂去除效果好，是一種具有應用前景的池型，目前已在國內外城市污水處理系統(tǒng)廣泛應用，實際運行效果較好。

1.2 污水旋流除砂技術

1.2.1 比氏旋流沉砂池

比氏旋流沉砂池采用渦流原理，通過滿流進水直接到沉砂池的底部，在射流、螺旋槳和擋板等的作用下，池內形成垂面環(huán)流和水平環(huán)流，使水流在沉砂

表1 城市污水常用除砂技術比較

池中以螺旋狀前進。砂粒在離心力作用下撞向池壁滑入池底，沉積在池底的砂粒在垂面環(huán)流的水平推動下向池中心匯集跌入砂斗，部分較輕的有機物則在中部上升水流的作用下重新進入水中，水流在分選區(qū)內回轉一周后，從出水渠道流出。

比氏旋流沉砂池起源于20世紀60年代。美國 S&L 公司于1976年發(fā)明了第一代比氏旋流沉砂池，經過多年的運行、測試及改進，它的池型結構經歷了兩次演變。第二代比氏旋流沉砂池的進水槽與分離區(qū)通過2°~26°的附壁效應坡連接，使砂礫沿著斜坡向下滑到分離區(qū)底部；擋板位于沉降室中部，使撞擊到擋板上的污水向下形成環(huán)流流態(tài)，將分離區(qū)底面的砂粒掃向中心開口至集砂槽。

圖1 三代比氏旋流沉砂池的對比

第三代比氏旋流沉砂池進、出水沿360°流線型設置（第二代為270°進出水設置），因此又被稱為Pista360°，分選區(qū)內水流呈360°回轉，旋流流程較第二代延長，進、出水的水力條件得到改善，提高了除砂效果；擋板位于沉降室的下部，將流入污水引向沉降室的周邊，防止污水在沉降室的底面擴散。近年來，計算流體力學（簡稱CFD）的發(fā)展為旋流分離技術的流場分析、結構優(yōu)化以及效能評估提供了重要途徑。王旭博等在比氏旋流沉砂池進水處貼壁設置一塊90°的弧形導流板，通過對不同流速下導流板沉砂池和傳統(tǒng)沉砂池進行測試，發(fā)現(xiàn)進水流速相同時導流板沉砂池的除砂率更高，進一步對兩種沉砂池內部流場進行CFD模擬，發(fā)現(xiàn)導流板出口處壁面壓力更大且壓力降變化更貼近中心，說明導流板能限制流體流態(tài)和砂粒運動軌跡，從而加速了砂礫在底部斜面的滑動，提高除砂率。

汪家權等仿照Pista360°建立了沉砂池模型，通過試驗確定了除砂效率的主要影響因素的主次順序：槳片數(shù)量、水力停留時間、螺旋槳轉速、槳片距池底距離。王雪原分析了Pista360°的工作流態(tài)和池型特點，認為沉砂池進水流速是影響沉砂效率的關鍵因素，理想的設計進水流速宜選用平均流量時的進水流速，即0.6~0.9 m/s。王曉玲等通過CFD模擬分析了比氏旋流沉砂池葉片的轉速、位置、數(shù)量和角度對砂石廢水處理效果的影響，得出該工藝的最佳槳葉結構為：葉片轉速為105 r/min，位于距池底592 mm處，數(shù)量為4片，角度為45°。

1.2.2 鐘氏旋流沉砂池

鐘氏旋流沉砂池采用重力原理，水流在分選區(qū)中分為由葉輪驅動產生自下而上的內環(huán)和基本靜止的外環(huán)，水流中砂粒受到內環(huán)水流軸向運動產生的剪切力作用與有機物分離，輕質的有機物返回水流，砂粒則隨水流進入外環(huán)后在重力作用下沉降到分選區(qū)底部斜坡上，并沿斜坡滑入中央集砂區(qū)中。

鐘氏旋流沉砂池最早是由英國J-A于1988年發(fā)明的旋流除砂技術，它在結構上與比氏旋流沉砂池最大的區(qū)別就是分選區(qū)底部為斜坡，螺旋槳轉速可調。楊衛(wèi)國通過分析鐘氏旋流沉砂池的池型結構和運行方式，推斷攪拌槳葉輪的旋轉作用能有效調控進水量變化時沉砂池內的流態(tài)，保證沉砂池的穩(wěn)定運行，說明通過攪拌槳速度和傾角可以使沉砂池保持最佳運行狀態(tài)。翟計紅等拆除了中央攪拌槳，完全依靠水力作用調控池內流速，同時設置圓柱型導流筒和進口螺旋導流板以消除短流，結果表明通過合理設計進水流速、導流裝置、分離區(qū)與集砂區(qū)之間過渡斜坡傾角能調控沉砂池內部流態(tài)，形成能有效分離砂粒的水力條件。王旭博通過CFD模擬對影響鐘氏旋流沉砂池除砂效能和有機物去除效能的5個因素進行了正交實驗，得出影響因素的主次順序為：進水流速、槳片轉速、槳片位置、進水角度、葉片數(shù)量。

圖2 鐘式沉砂池示意

1.2.3 多托盤旋流沉砂池

多托盤旋流沉砂池是近10年來出現(xiàn)的新興水力旋流除砂池。圖3所示是多托盤旋流沉砂池的結構，其特點是分離區(qū)由多級淺層斜板托盤堆疊而成，相較于其他沉砂池增大了接觸面積，縮短了沉降距離，污水在疏水的傾斜表面上流動，極大地減少了油脂堆積并保持托盤清潔，因此能有效分離污水中的砂粒和大顆粒有機質，提高了細微砂的去除效率。

圖3 多托盤旋流沉砂池示意

多托盤旋流沉砂池采用水力旋流及淺層沉淀原理。污水經進水管道均勻地分配到多托盤系統(tǒng)中，切向進水使系統(tǒng)內的水流呈渦流，砂移動到每個托盤的邊界層，在重力的作用下沿著各個托盤的傾斜表面自然滑落到中心開口處，最終沉降至集砂槽中。據測試，該技術在設計流量下對粒徑＞75 μm的砂去除率可達95%。

1.2.4 水力旋流沉砂池

水力旋流沉砂池起源于20世紀 60 年代，Smisson于1967年將第一套圓柱形水力旋流沉砂池應用于英國布里斯托爾的雨污水除砂，除砂效率可達35%~75%。水力旋流沉砂池的結構如圖4所示，其基本結構由柱形殼體、導流椎板、進水口、出水口、排砂口、溢流口、進口偏轉板、通風箱和浮渣擋板構成，其復雜的內部組件能將捕獲顆粒限制在儲存區(qū)域，從而降低了跑砂的可能性。

圖4 水力旋流沉砂池示意

水力旋流沉砂池以切向進水與進口偏轉板在容器內產生旋流，顆粒由于繞軸旋轉產生的離心力與液體分離，被甩向器壁并在重力作用下沉降至分離器底部，彎曲的流線在一定程度上延長了顆粒的停留時間，增加了固液分離的可能性。

據測試，該技術在設計流量下對粒徑＞106 μm的細微砂去除率可達95%。王峰等在西安某污水處理系統(tǒng)進行了水力旋流沉砂池和曝氣沉砂池的除砂性能對比的中試，對于粒徑＞100 μm的砂，水力旋流沉砂池的去除率為82%，而曝氣沉砂池僅為42%，表明水力旋流沉砂池對細微砂的去除效果更好。尹雷等測試了該技術在西安某污水處理系統(tǒng)的實際運行效果，結果表明該技術能夠有效去除進水中的細微砂，并且具有一定的抗水力沖擊能力。OKAMOTO等采用CFD方法模擬水力旋流沉砂池中的流態(tài)分布、不同粒徑砂粒的體積分布以及除砂率，并比對物理模型得出的結果，驗證了CFD模擬能有效評估、預測該工藝的性能。

1.2.5 動力水射流驅動型水力旋流沉砂池

為了解決傳統(tǒng)比氏旋流沉砂池的中央軸流攪拌裝置產生的渦流動力條件不足，無法有效除砂的問題，龐子山等拆除了中央螺旋槳，并制作了中水射流系統(tǒng)，利用中水射流壓力代替中央螺旋槳形成旋流驅動力，同時在分離區(qū)均勻設置了具有穩(wěn)定旋流流態(tài)和強化重力沉降作用的斜板，發(fā)明了動力水射流驅動型水力旋流沉砂池。

圖5 動力水射流驅動型水力旋流沉砂池

龐子山等在重慶市某污水處理廠將原旋流沉砂池改造為動力水射流驅動型水力旋流沉砂池，除砂量顯著提高，改善了除砂效能的提高、提高進入后續(xù)生化系統(tǒng)有機組分。張琨等對動力水射流驅動型水力旋流沉砂池進、出水懸浮固體進行粒徑分析，沉砂池的進、出水懸浮固體體積平均徑大致相當，約在50~70 μm，表明對大粒徑固體和小粒徑固體去除效率相當，且去除效果較好。

02、污泥旋流除砂技術

2.1 污泥除砂概述

污水中粒徑≥200 μm砂粒大部分在預處理階段得到去除，然而粒徑<200 μm砂粒的去除率較低（＜10%），相當部分的細微砂進入后續(xù)生化處理系統(tǒng)，導致活性污泥MLVSS/MLSS降低，從而抑制甚至破壞生化處理過程、降低污泥的減量化效果，不利于剩余污泥的妥善處理。針對上述問題，國內外學者基于壓力水力旋流技術在污水處理廠的初沉污泥、回流污泥、脫水污泥以及人工配伍的除砂研究。

圖6所示為壓力水力旋流技術的基本結構和內部流場，該技術在結構上由圓柱體、錐體、進料口、溢流口和底流口組成，內部流場中存在外旋流、內旋流、短路流、空氣柱和零速包絡面。

圖6 水力旋流器結構及流場

表2 旋流除砂技術去除效果

2.2 基于初沉污泥的壓力旋流除砂技術

為降低初沉污泥中細微泥砂對后續(xù)消化池的不利影響，重慶大學研究了基于初沉污泥的壓力旋流除砂技術。路瑩瑩等測試了筒體直徑為100 mm和50 mm的兩種水力旋流器對初沉污泥進行細微砂強化去除的最優(yōu)運行工況和去除效率，結果如表3中所示：筒體直徑為100 mm對粒徑30~75 μm 的細微砂去除率較低（30%左右），而筒體直徑為100 mm去除率相對較高（50%左右），又將兩種水力旋流器串聯(lián)，將經100 mm直徑處理的溢流污泥作為二級進料進入50 mm直徑水力旋流器，串聯(lián)除砂效果僅略高于100 mm直徑單獨處理，未達到預期效果。

2.3 基于回流污泥的壓力旋流除砂技術

研究表明易懸浮在活性污泥中的砂礫粒徑一般小于73 μm，是導致我國污水處理系統(tǒng)活性污泥MLVSS/MLSS普遍較低的主要原因。為了去除活性污泥中的細微砂，吉芳英等基于壓力旋流除砂技術自主研發(fā)了一種污泥淤沙分離器，通過研究細微泥沙懸浮態(tài)勢對污泥淤沙分離器性能的影響，對淤沙分離器進行結構優(yōu)化并且形成與不同粒徑細微砂懸浮特性相匹配的污泥淤沙分離集成化技術。

YAN等將上述淤沙分離器集成裝備應用于重慶某污水處理系統(tǒng)二沉回流污泥進行強化除砂，結果表明：在最優(yōu)工況下（進料壓力：0.175 MPa，錐角：20°，溢流口直徑:22 mm, 底流口直徑：13 mm，分流率：0.17），從底流中分離了回流污泥中48％的細微砂，實現(xiàn)了底流污泥的濃縮，改善回流污泥的可生化性能，有利于資源回收和分別處理。范劍平通過CFD模擬對淤沙分離器的結構參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的設備對粒徑為15 μm 細微砂的去除率提升至 83%。王建偉比對了傳統(tǒng)水力旋流器和在軸心線位置加裝中心固棒、焊接內肋鋼絲線的拋物線型錐旋流器對污水處理系統(tǒng)二沉回流污泥的除砂效果，拋物線型錐旋流器水力旋流器分離效率較傳統(tǒng)提高了63.73%，對粒徑在50~200 μm的砂去除效果更好。

表3 基于初沉污泥旋流除砂去除效果

2.4 基于人工配伍的壓力旋流除砂應用

高分子絮凝工藝中投加的細微砂可以促進絮體顆粒的形成和壓載絮體，從而形成更加緊密、穩(wěn)定的絮體。起源于法國的ACTIFLO工藝在澄清池投加細微砂與高分子絮凝劑，沉淀池排出的剩余污泥通過水力旋流器的分離使得污泥與細微砂分離，實現(xiàn)了細微砂的回收與循環(huán)利用。柴曉利等通過向生化池中投加復合粉末載體，提高了生化池混合液濃度，強化了生物脫氮除磷的效果，同時通過壓力旋流除砂技術將剩余污泥中的復合粉末載體和附著微生物與懸浮微生物及雜質分離，實現(xiàn)了復合粉末載體回收、循環(huán)利用。

2.5 基于脫水污泥的壓力旋流除砂應用

由于污泥的高含砂量嚴重制約污泥資源化利用，一些以實現(xiàn)脫水污泥（含水率80%）的資源化為目的壓力旋流除砂技術逐漸應用于實踐。某公司基于脫水污泥的壓力旋流除砂技術，首先對市政原泥進行稀釋調劑，再通過壓力旋流技術將調劑污泥經重力沉降的重質污泥進行分離。輕質部分脫水后有機質含量為75%，重質部分脫水后有機質含量小于5%，有效實現(xiàn)了污泥的有機-無機分離，促進了污泥的穩(wěn)定化、無害化、減量化、資源化。

03、結語

目前，城市污水含砂量高、處理過程中除砂效率低下等問題在我國城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)中廣泛存在。近年來，隨著國家對環(huán)保的重視程度逐漸增強，污水處理系統(tǒng)對除砂的要求也越來越高，提高細微砂的去除率成為環(huán)保領域的新目標、新熱點。旋流除砂技術具有占地面積小、能耗低、對細微砂的去除效果好等優(yōu)勢，因此，一些基于旋流去除技術應用于污水處理系統(tǒng)的新興除砂工藝成為研究熱點�；�于上述技術分析，可以得出以下主要結論。

（1）根據對CNKI學術趨勢檢索內容分析，2010至2020年，關于除砂技術和沉砂池的國際論文篇數(shù)由130篇增長到271篇，且相關文獻中出現(xiàn)“細微泥砂”、細微顆粒物等術語，可以看出：污水處理系統(tǒng)除砂及細微砂去除技術在近年來受到了更多關注。

（2）目前許多污水處理系統(tǒng)取消了初沉池，使得粒徑＜200 μm的細微砂進入后續(xù)生化系統(tǒng)，導致處理設備磨損及污泥處置困難等諸多問題。隨著近年來污水處理系統(tǒng)中細微砂問題的日益突出，污水處理系統(tǒng)對細微砂去除的要求也日益增長。

（3）隨著計算機技術的發(fā)展，CFD模擬技術逐漸成為旋流除砂技術的性能預測、結構優(yōu)化的工具。CFD建模不需要搭建試驗設施，可以快速更改模型的幾何尺寸，成本遠遠低于試驗測試，并且能夠獲取分離器內部流場變化、顆粒分布等大量信息，響應靈敏，在未來旋流除砂技術領域，可與物理試驗相結合，發(fā)展成為研究分離器內部規(guī)律的主要工具。

（4）旋流除砂系統(tǒng)中的已沉細微砂需排出系統(tǒng)進一步處理、處置，旋流沉砂池主要使用提砂效率較低的氣提排砂，導致部分已沉細微砂再次懸浮后隨溢流出水排出。另外，砂水分離器中砂水混合物中含砂量較低等問題將導致細微砂無法排出。因此，提高砂-水二次分離效率和強化排砂能力是旋流除砂技術研究的熱點問題。

（5）多工段全流程除砂的綜合除砂體系初見成形。旋流除砂技術可用于污水處理系統(tǒng)的預處理階段、生化處理階段、污泥處理階段，預處理階段主要針對粒徑＞100 μm的細微砂，在后續(xù)生化處理與污泥處理階段可以進一步去除粒徑＜100 μm的細微砂，實現(xiàn)全流程除砂，使除砂效能最大化。

（6）近年來，城市污水處理系統(tǒng)細微砂的去除逐漸成為研究熱點，新技術不斷涌現(xiàn)，但效果參差不齊。為規(guī)范細微砂分離技術應用，保障系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行，我國亟需出臺針對細微砂分離的系統(tǒng)性設計標準。