污水处理厂沉砂池除砂系统改造

林俊杰

[摘    要]通过对某污水处理厂沉淀池处理效果和运行管理的调查，探讨了污水处理厂沉淀池除砂效果差、设备故障率高等问题。对沉砂池除砂系统进行分析、改造、研究，明确其除砂效率及其对后续结构的影响，探索除砂机理，积累经验，用于沉砂池的稳定高效运行。

[关键词]污水处理厂;沉淀池;除砂效率;技术改造

[中图分类号]X703 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）12–00–02

Transformation of Sand Removal System in Grit Chamber of Sewage Treatment Plant

Lin Jun-jie

[Abstract]Through the investigation of the treatment effect and operation management of the sedimentation tank of a sewage treatment plant， the problems of poor sand removal effect and high equipment failure rate of the sedimentation tank of the sewage treatment plant are discussed. Analyze， transform and study the sand removal system of the grit chamber， clarify its sand removal efficiency and its impact on the subsequent structure， explore the sand removal mechanism and accumulate experience for the stable and efficient operation of the grit chamber.

[Keywords]sewage treatment plant; sedimentation tank; sand removal efficiency; technical transformation

1 泥沙沉积成因及影响

沉淀池是城市污水处理厂的主要预处理结构。它的作用是利用物理原理，去除污水中相对密度大于2.65的无机颗粒（如泥沙、煤渣、砾石等），保障后续处理设备的正常运行。不同粒径的颗粒的分选去除能力不同。沉砂机是依靠沙子的重力和叶片旋转产生的循环水流的共同作用，将沙子和有机物沉淀出来。随着城市污水处理要求不断提高，污泥处理系统中的含砂量上升。同时除砂特性随流速发生变化，但叶轮只能保持相对稳定的速度，导致沉淀池无法始终保持高效运行，这些问题亟待解决。

2 沉砂设计原理和存在问题

根据室外排水设计规范，沉砂池设计用于去除相对密度为2.65，粒径大于0.2 mm的圆砂。去除的砂子含水量约60 %，密度约1500 kg/m3。即假定固体颗粒以自由方式沉淀，在沉淀过程中颗粒大小、质量和沉降速率保持不变。

在实际运行过程中，颗粒密度小于0.2 mm的污水的粒径是不同的。据统计，粒径小于0.15 mm的沙子占50 %～80 %，沙子的相对密度也与理想的2.65不同。同时，在砂的实际沉降过程中，由于砂面的几何形状，砂油、有机物等角状或扁平大颗粒的沉降速度远低于圆形颗粒和悬浮颗粒。或者它们在沉降和凝结过程中相互碰撞，使粒径、质量和速度发生变化，形成絮凝并呈现沉降特性。因此，沉淀池最佳的设计方法，是通过现场试验分析污水中含砂量的粒度分布和相应的沉淀速率，然后根据所需的除砂效率确定相应的设计参数。

此外，不同的排水系统也会影响沉淀池的除砂效果。室外排水设计规范规定，沉淀池按合流设计流量计算。但对于合流排水系统管道，在降雨开始时，沉积在管道底部的泥沙会以悬浮物的形式被冲刷到污水厂，排入污水系统中，污水含砂量将达到平时的20～40倍。因此，设计规范只考虑了污水的增加，并没有明确考虑原有沉砂量。这使得沉砂池无法对此进行应对，导致大量沉砂进入后续的污水处理结构。

当地土壤特性、工商业废水排放特点、管道特性和使用寿命不同，也会导致废水中颗粒有机物含量不同。在沉淀过程中，如果水分离装置和螺旋输送设备的效率低，有机物和沙子可能会在污水处理系统中被排除或沉淀。沉淀池排出的沙子粘附产生的有机颗粒会导致沙臭、蚊虫滋生等环境问题，对后续的运输和填埋处理产生负面影响。

3 某污水处理厂除砂系统改造

3.1 项目背景

某污水厂除砂系统运行多年，其排砂方式采用砂泵排砂，部分设备已出现老化，拟进行改造。其主要情况见表1，其现场照片见图1。

3.2 改造方案

3.2.1 排砂方式

旋流沉砂池的常見的排砂方式有两种：①用砂泵直接从砂斗底部经排砂管道排除;②用空气提升器，在桨叶分离机的传动轴中插入空气管道，通过气压将砂斗底部的砂排除。两种排砂方式的对比见表2。

因气提排砂有效解决目前排砂管容易堵塞和减少砂泵叶轮磨损造成的维修成本，故本次改造拟采用气提式排砂。

3.2.2 风机选型核算

处理砂水气混合液中，按含砂量3 %计算，则砂水气混合液每天流量为：Qd=Qh/0.03=3.9/0.03=130 m3/d。气提工作按24次/d，20 min/次计（每天工作24次，每次工作时间20 min），则砂水气混合液每小时流量Qs=Qd/t=130/（24×20/60）=16.25 m3/h。即提砂量约为4.5 L/S;取沉砂池最小淹没水深h1=4.2 m。

空气量计算：根据《排水工程》下册第四版，气提所需气量计算公式如下：

注：安全系数Ku，取1.2;气提效率系数η，一般为0.35～0.45，本计算取η=0.4;空气用量Qu（m3/h）;每台提升器设计流量Qs（m3/h）

=16.25 m3/h;计算得：Qu=58.46 m3/h。

风压计算：参照风压需大于淹没深度h1+3（kPa）以上。则所需风压为：4.2×10+3=45 kPa。故风机所需风压为不小于45 kPa，风机选型参数见表3。

3.2.3 旋流除砂器选型

旋流除砂器转速：按照《城市污水厂处理设施设计计算》手册中关于旋流沉砂池进水水渠的进水渠道流速的规范，进水水渠流速宜为0.4～0.9 m/s，而出水渠道宽度为进水渠道的2倍，即出水渠道流速为进水渠道流速的一半，宜为0.2～0.45 m/s，为保持池体内水流具有0.3～0.4 m/s的平均流速，宜采用15 rpm转速的旋流除砂器。

流量：旋流除砂器处理水量为二期最大日处理量130 000 m3/d，

5 417 m3/h，按每1 m3污水含砂量0.03 L计算。（《室外给排水设计规范GB50014-2006》）。每天处理砂量Qh=130000×0.03/1000=3.9 m3，故旋流除砂器选型参数见表4。

3.2.4 砂水分离器选型

因现改造砂水分离器处理量需满足两期工程的砂量，故所需处理砂量为：Qd=130 000×2×0.03/1 000=7.8 m3/d=0.325 m3/h。工作按24次/d，20 min/次计（每天工作24次，每次工作时间20 min）。

则其处理砂量为：0.325/（20/60）=0.975 m3/h。砂水分离器选型参数为处理量：0.975 m3/h。

考虑到二期除砂系统沉砂池沉砂效果的不确定性，本次改造项目拟分两个阶段进行，先对提砂方式进行改造，改造后试验除砂效果;若砂量没有明显增多，则再对沉砂池的旋流除砂器进行改造，以优化沉砂效果。

4 常见沉砂池设计改进建议

4.1 设计参数的改进

由以上分析可知，污水处理厂实际运行中砂的比重和沉降砂中的粒度分布与标准设计值有较大差异。为保证沉砂池的除砂效果，建议增加沉砂池系统的水力停留时间或表面载荷。水平流沉淀池、曝气沉淀池的停留时间和表面负荷增加50 %～100 %。具体数值可根据实际现场情况调整。虽然时间接近两倍，但与后续的污水沉淀（2～4 h）和生物处理系统（8～16 h）的时间相比可以忽略不计，效果却相当可观。此外，在沉砂系统前可采用细格栅，去除大砂粒，减少对后续污水生物处理系统和污泥处理处置系统的影响。

4.2 砂水分离系统的改进

现有标准规定横流式沉淀池有最小流量，这是在避免沉淀池内有机颗粒沉淀后，考虑减少后续污水处理的碳源。因此，集砂、收集、洗砂和脱水系统应设计为一个整体系统。沉砂池应配备洗砂设备，去除有机颗粒，增加后续有机碳源。生物处理后的砂面附着物回流去除砂水分离器采用高效输送设备，避免細砂回流污水处理系统。同时沉淀池经过沉淀脱水后有机成分和含水量降低，有利于后续沉淀或直接填埋。

4.3 污泥处理前的沉砂系统

对于不能改造沉砂池系统的污水处理厂，建议在污泥处理系统前增加沉砂池设施。由于砂子的沉积逐渐形成，一旦堆积影响污泥结构的正常运行，不管通过停产人工清砂，还是使用备用的污泥处理设施，都对污泥处理系统的投资影响很大。对此，污泥处理系统的前沉系统可采用专用的离心分离、沉淀、脱水设备。目前国外已在工程实践中应用了相应的设备，可截留粒径大于0.075 mm的细砂，保证砂中有机物含量小于15 %（重量比）。

5 总结

通过改进沉淀池除砂系统，延长了沉淀池的使用周期，避免了频繁停机，降低了人工维护成本。改造后的沉淀池处理效果有了很大提高，提高了除砂效率，对不同粒径的砂和有机物有明显的分离效果，增加了生化池活性污泥中有机组分的比例，为微生物提供了更适宜的生存环境，有利于提高处理效果生物系统的能力。

参考文献

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[2] 吴胜举，王洪涛.某城市污水处理厂沉砂池设计[J].工业用水与废水，2013，44（1）：42-45.

[3] 朱甲华，张辉，叶勇.旋流除砂系统排砂管路改造与优化运行[J].环境工程学报，2015，9（3）：1281-1284.