综述：城市污水和污泥细微砂旋流去除技术
来源： 给水排水； 慧聪水工业网 导 读：我国城市污水含砂量普遍较高，且相当部分为粒径小于200 μm的细微砂，给污水处理系统带来了设备磨损严重、活性污泥MLVSS/MLSS 比值降低、生化池泥沙淤积等问题。我国传统的除砂工艺主要以去除粒径大于 200 μm、比重约为 2.65 的砂为目标，对污水中细微砂的去除效果不理想。旋流除砂技术凭其能耗低、对细微砂去除效果好等优势逐渐发展。综述了旋流除砂技术在市政污水和污泥中的最新研究进展，重点阐述了新兴旋流除砂技术的原理、优势和实际应用情况，最后对旋流除砂技术的发展前景进行展望。
01、污水除砂技术
1.1 城市污水常用除砂技术概述
我国城镇污水处理系统中常用的除砂技术是基于重力或离心力分离的沉砂池，其结构形式主要有：平流式沉砂池、曝气沉砂池、旋流式沉砂池（钟氏及比氏）等。表1中归纳了不同除砂技术的原理、流态，并分析了各自特点。旋流沉砂池占地面积小、运行管理相对方便、能耗较低、对细微砂去除效果好，是一种具有应用前景的池型，目前已在国内外城市污水处理系统广泛应用，实际运行效果较好。
1.2 污水旋流除砂技术
1.2.1 比氏旋流沉砂池
比氏旋流沉砂池采用涡流原理，通过满流进水直接到沉砂池的底部，在射流、螺旋桨和挡板等的作用下，池内形成垂面环流和水平环流，使水流在沉砂
表1 城市污水常用除砂技术比较
池中以螺旋状前进。砂粒在离心力作用下撞向池壁滑入池底，沉积在池底的砂粒在垂面环流的水平推动下向池中心汇集跌入砂斗，部分较轻的有机物则在中部上升水流的作用下重新进入水中，水流在分选区内回转一周后，从出水渠道流出。
比氏旋流沉砂池起源于20世纪60年代。美国 S&L 公司于1976年发明了第一代比氏旋流沉砂池，经过多年的运行、测试及改进，它的池型结构经历了两次演变。第二代比氏旋流沉砂池的进水槽与分离区通过2°~26°的附壁效应坡连接，使砂砾沿着斜坡向下滑到分离区底部；挡板位于沉降室中部，使撞击到挡板上的污水向下形成环流流态，将分离区底面的砂粒扫向中心开口至集砂槽。
图1 三代比氏旋流沉砂池的对比
第三代比氏旋流沉砂池进、出水沿360°流线型设置（第二代为270°进出水设置），因此又被称为Pista360°，分选区内水流呈360°回转，旋流流程较第二代延长，进、出水的水力条件得到改善，提高了除砂效果；挡板位于沉降室的下部，将流入污水引向沉降室的周边，防止污水在沉降室的底面扩散。近年来，计算流体力学（简称CFD）的发展为旋流分离技术的流场分析、结构优化以及效能评估提供了重要途径。王旭博等在比氏旋流沉砂池进水处贴壁设置一块90°的弧形导流板，通过对不同流速下导流板沉砂池和传统沉砂池进行测试，发现进水流速相同时导流板沉砂池的除砂率更高，进一步对两种沉砂池内部流场进行CFD模拟，发现导流板出口处壁面压力更大且压力降变化更贴近中心，说明导流板能限制流体流态和砂粒运动轨迹，从而加速了砂砾在底部斜面的滑动，提高除砂率。
汪家权等仿照Pista360°建立了沉砂池模型，通过试验确定了除砂效率的主要影响因素的主次顺序：桨片数量、水力停留时间、螺旋桨转速、桨片距池底距离。王雪原分析了Pista360°的工作流态和池型特点，认为沉砂池进水流速是影响沉砂效率的关键因素，理想的设计进水流速宜选用平均流量时的进水流速，即0.6~0.9 m/s。王晓玲等通过CFD模拟分析了比氏旋流沉砂池叶片的转速、位置、数量和角度对砂石废水处理效果的影响，得出该工艺的最佳桨叶结构为：叶片转速为105 r/min，位于距池底592 mm处，数量为4片，角度为45°。
1.2.2 钟氏旋流沉砂池
钟氏旋流沉砂池采用重力原理，水流在分选区中分为由叶轮驱动产生自下而上的内环和基本静止的外环，水流中砂粒受到内环水流轴向运动产生的剪切力作用与有机物分离，轻质的有机物返回水流，砂粒则随水流进入外环后在重力作用下沉降到分选区底部斜坡上，并沿斜坡滑入中央集砂区中。
钟氏旋流沉砂池最早是由英国J-A于1988年发明的旋流除砂技术，它在结构上与比氏旋流沉砂池最大的区别就是分选区底部为斜坡，螺旋桨转速可调。杨卫国通过分析钟氏旋流沉砂池的池型结构和运行方式，推断搅拌桨叶轮的旋转作用能有效调控进水量变化时沉砂池内的流态，保证沉砂池的稳定运行，说明通过搅拌桨速度和倾角可以使沉砂池保持最佳运行状态。翟计红等拆除了中央搅拌桨，完全依靠水力作用调控池内流速，同时设置圆柱型导流筒和进口螺旋导流板以消除短流，结果表明通过合理设计进水流速、导流装置、分离区与集砂区之间过渡斜坡倾角能调控沉砂池内部流态，形成能有效分离砂粒的水力条件。王旭博通过CFD模拟对影响钟氏旋流沉砂池除砂效能和有机物去除效能的5个因素进行了正交实验，得出影响因素的主次顺序为：进水流速、桨片转速、桨片位置、进水角度、叶片数量。
图2 钟式沉砂池示意
1.2.3 多托盘旋流沉砂池
多托盘旋流沉砂池是近10年来出现的新兴水力旋流除砂池。图3所示是多托盘旋流沉砂池的结构，其特点是分离区由多级浅层斜板托盘堆叠而成，相较于其他沉砂池增大了接触面积，缩短了沉降距离，污水在疏水的倾斜表面上流动，极大地减少了油脂堆积并保持托盘清洁，因此能有效分离污水中的砂粒和大颗粒有机质，提高了细微砂的去除效率。
图3 多托盘旋流沉砂池示意
多托盘旋流沉砂池采用水力旋流及浅层沉淀原理。污水经进水管道均匀地分配到多托盘系统中，切向进水使系统内的水流呈涡流，砂移动到每个托盘的边界层，在重力的作用下沿着各个托盘的倾斜表面自然滑落到中心开口处，最终沉降至集砂槽中。据测试，该技术在设计流量下对粒径＞75 μm的砂去除率可达95%。
1.2.4 水力旋流沉砂池
水力旋流沉砂池起源于20世纪 60 年代，Smisson于1967年将第一套圆柱形水力旋流沉砂池应用于英国布里斯托尔的雨污水除砂，除砂效率可达35%~75%。水力旋流沉砂池的结构如图4所示，其基本结构由柱形壳体、导流椎板、进水口、出水口、排砂口、溢流口、进口偏转板、通风箱和浮渣挡板构成，其复杂的内部组件能将捕获颗粒限制在储存区域，从而降低了跑砂的可能性。
图4 水力旋流沉砂池示意
水力旋流沉砂池以切向进水与进口偏转板在容器内产生旋流，颗粒由于绕轴旋转产生的离心力与液体分离，被甩向器壁并在重力作用下沉降至分离器底部，弯曲的流线在一定程度上延长了颗粒的停留时间，增加了固液分离的可能性。
据测试，该技术在设计流量下对粒径＞106 μm的细微砂去除率可达95%。王峰等在西安某污水处理系统进行了水力旋流沉砂池和曝气沉砂池的除砂性能对比的中试，对于粒径＞100 μm的砂，水力旋流沉砂池的去除率为82%，而曝气沉砂池仅为42%，表明水力旋流沉砂池对细微砂的去除效果更好。尹雷等测试了该技术在西安某污水处理系统的实际运行效果，结果表明该技术能够有效去除进水中的细微砂，并且具有一定的抗水力冲击能力。OKAMOTO等采用CFD方法模拟水力旋流沉砂池中的流态分布、不同粒径砂粒的体积分布以及除砂率，并比对物理模型得出的结果，验证了CFD模拟能有效评估、预测该工艺的性能。
1.2.5 动力水射流驱动型水力旋流沉砂池
为了解决传统比氏旋流沉砂池的中央轴流搅拌装置产生的涡流动力条件不足，无法有效除砂的问题，庞子山等拆除了中央螺旋桨，并制作了中水射流系统，利用中水射流压力代替中央螺旋桨形成旋流驱动力，同时在分离区均匀设置了具有稳定旋流流态和强化重力沉降作用的斜板，发明了动力水射流驱动型水力旋流沉砂池。
图5 动力水射流驱动型水力旋流沉砂池
庞子山等在重庆市某污水处理厂将原旋流沉砂池改造为动力水射流驱动型水力旋流沉砂池，除砂量显著提高，改善了除砂效能的提高、提高进入后续生化系统有机组分。张琨等对动力水射流驱动型水力旋流沉砂池进、出水悬浮固体进行粒径分析，沉砂池的进、出水悬浮固体体积平均径大致相当，约在50~70 μm，表明对大粒径固体和小粒径固体去除效率相当，且去除效果较好。
02、污泥旋流除砂技术
2.1 污泥除砂概述
污水中粒径≥200 μm砂粒大部分在预处理阶段得到去除，然而粒径<200 μm砂粒的去除率较低（＜10%），相当部分的细微砂进入后续生化处理系统，导致活性污泥MLVSS/MLSS降低，从而抑制甚至破坏生化处理过程、降低污泥的减量化效果，不利于剩余污泥的妥善处理。针对上述问题，国内外学者基于压力水力旋流技术在污水处理厂的初沉污泥、回流污泥、脱水污泥以及人工配伍的除砂研究。
图6所示为压力水力旋流技术的基本结构和内部流场，该技术在结构上由圆柱体、锥体、进料口、溢流口和底流口组成，内部流场中存在外旋流、内旋流、短路流、空气柱和零速包络面。
图6 水力旋流器结构及流场
表2 旋流除砂技术去除效果
2.2 基于初沉污泥的压力旋流除砂技术
为降低初沉污泥中细微泥砂对后续消化池的不利影响，重庆大学研究了基于初沉污泥的压力旋流除砂技术。路莹莹等测试了筒体直径为100 mm和50 mm的两种水力旋流器对初沉污泥进行细微砂强化去除的最优运行工况和去除效率，结果如表3中所示：筒体直径为100 mm对粒径30~75 μm 的细微砂去除率较低（30%左右），而筒体直径为100 mm去除率相对较高（50%左右），又将两种水力旋流器串联，将经100 mm直径处理的溢流污泥作为二级进料进入50 mm直径水力旋流器，串联除砂效果仅略高于100 mm直径单独处理，未达到预期效果。
2.3 基于回流污泥的压力旋流除砂技术
研究表明易悬浮在活性污泥中的砂砾粒径一般小于73 μm，是导致我国污水处理系统活性污泥MLVSS/MLSS普遍较低的主要原因。为了去除活性污泥中的细微砂，吉芳英等基于压力旋流除砂技术自主研发了一种污泥淤沙分离器，通过研究细微泥沙悬浮态势对污泥淤沙分离器性能的影响，对淤沙分离器进行结构优化并且形成与不同粒径细微砂悬浮特性相匹配的污泥淤沙分离集成化技术。
YAN等将上述淤沙分离器集成装备应用于重庆某污水处理系统二沉回流污泥进行强化除砂，结果表明：在最优工况下（进料压力：0.175 MPa，锥角：20°，溢流口直径:22 mm, 底流口直径：13 mm，分流率：0.17），从底流中分离了回流污泥中48％的细微砂，实现了底流污泥的浓缩，改善回流污泥的可生化性能，有利于资源回收和分别处理。范剑平通过CFD模拟对淤沙分离器的结构参数进行优化，优化后的设备对粒径为15 μm 细微砂的去除率提升至 83%。王建伟比对了传统水力旋流器和在轴心线位置加装中心固棒、焊接内肋钢丝线的抛物线型锥旋流器对污水处理系统二沉回流污泥的除砂效果，抛物线型锥旋流器水力旋流器分离效率较传统提高了63.73%，对粒径在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 基于人工配伍的压力旋流除砂应用
高分子絮凝工艺中投加的细微砂可以促进絮体颗粒的形成和压载絮体，从而形成更加紧密、稳定的絮体。起源于法国的ACTIFLO工艺在澄清池投加细微砂与高分子絮凝剂，沉淀池排出的剩余污泥通过水力旋流器的分离使得污泥与细微砂分离，实现了细微砂的回收与循环利用。柴晓利等通过向生化池中投加复合粉末载体，提高了生化池混合液浓度，强化了生物脱氮除磷的效果，同时通过压力旋流除砂技术将剩余污泥中的复合粉末载体和附着微生物与悬浮微生物及杂质分离，实现了复合粉末载体回收、循环利用。
2.5 基于脱水污泥的压力旋流除砂应用
由于污泥的高含砂量严重制约污泥资源化利用，一些以实现脱水污泥（含水率80%）的资源化为目的压力旋流除砂技术逐渐应用于实践。某公司基于脱水污泥的压力旋流除砂技术，首先对市政原泥进行稀释调剂，再通过压力旋流技术将调剂污泥经重力沉降的重质污泥进行分离。轻质部分脱水后有机质含量为75%，重质部分脱水后有机质含量小于5%，有效实现了污泥的有机-无机分离，促进了污泥的稳定化、无害化、减量化、资源化。
03、结语
目前，城市污水含砂量高、处理过程中除砂效率低下等问题在我国城镇污水处理系统中广泛存在。近年来，随着国家对环保的重视程度逐渐增强，污水处理系统对除砂的要求也越来越高，提高细微砂的去除率成为环保领域的新目标、新热点。旋流除砂技术具有占地面积小、能耗低、对细微砂的去除效果好等优势，因此，一些基于旋流去除技术应用于污水处理系统的新兴除砂工艺成为研究热点。基于上述技术分析，可以得出以下主要结论。
（1）根据对CNKI学术趋势检索内容分析，2010至2020年，关于除砂技术和沉砂池的国际论文篇数由130篇增长到271篇，且相关文献中出现“细微泥砂”、细微颗粒物等术语，可以看出：污水处理系统除砂及细微砂去除技术在近年来受到了更多关注。
（2）目前许多污水处理系统取消了初沉池，使得粒径＜200 μm的细微砂进入后续生化系统，导致处理设备磨损及污泥处置困难等诸多问题。随着近年来污水处理系统中细微砂问题的日益突出，污水处理系统对细微砂去除的要求也日益增长。
（3）随着计算机技术的发展，CFD模拟技术逐渐成为旋流除砂技术的性能预测、结构优化的工具。CFD建模不需要搭建试验设施，可以快速更改模型的几何尺寸，成本远远低于试验测试，并且能够获取分离器内部流场变化、颗粒分布等大量信息，响应灵敏，在未来旋流除砂技术领域，可与物理试验相结合，发展成为研究分离器内部规律的主要工具。
（4）旋流除砂系统中的已沉细微砂需排出系统进一步处理、处置，旋流沉砂池主要使用提砂效率较低的气提排砂，导致部分已沉细微砂再次悬浮后随溢流出水排出。另外，砂水分离器中砂水混合物中含砂量较低等问题将导致细微砂无法排出。因此，提高砂-水二次分离效率和强化排砂能力是旋流除砂技术研究的热点问题。
（5）多工段全流程除砂的综合除砂体系初见成形。旋流除砂技术可用于污水处理系统的预处理阶段、生化处理阶段、污泥处理阶段，预处理阶段主要针对粒径＞100 μm的细微砂，在后续生化处理与污泥处理阶段可以进一步去除粒径＜100 μm的细微砂，实现全流程除砂，使除砂效能最大化。
（6）近年来，城市污水处理系统细微砂的去除逐渐成为研究热点，新技术不断涌现，但效果参差不齐。为规范细微砂分离技术应用，保障系统稳定、高效运行，我国亟需出台针对细微砂分离的系统性设计标准。
