沉砂池設(shè)計(jì)中常見問題分析

擺敏張博

（新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢設(shè)計(jì)院有限公司 新疆 烏魯木齊 830000）

引言

沉砂池的選型要和水循環(huán)處理量相符，不同的沉砂池，在運(yùn)行中所起到的效果也不同。結(jié)合沉砂池設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，并對沉砂池的種類進(jìn)行說明，提出良好的設(shè)計(jì)應(yīng)用，望廣大同行給予指導(dǎo)。

1 沉砂池的作用

沉砂池是水循環(huán)處理過程中的主要設(shè)備，農(nóng)業(yè)用水的處理方法多依靠于此，其排沙處理完的中水可直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。沉砂池對上游來水進(jìn)行水質(zhì)凈化，清除水中存在的泥沙等固體雜質(zhì)，使其達(dá)到可直接用于農(nóng)田灌溉的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。沉砂池造價(jià)低廉，對于水處理的實(shí)際作用卻十分明顯：

（1）沉砂池能很好處理水中砂礫，防止砂礫沉積磨損底層隔板。含有砂礫的水一旦進(jìn)入排沙管，容易造成管道淤積堵塞和管壁磨損。缺少此類設(shè)計(jì)則會(huì)使水處理的負(fù)荷過低，造成泥沙積淤，降低蓄水容器的體積。

（2）砂礫一旦進(jìn)入消化池中會(huì)使泥沙的清理周期降低。

（3）水中含砂量過大會(huì)直接影響透水運(yùn)行。砂子會(huì)進(jìn)入脫水機(jī)的過濾網(wǎng)，造成嚴(yán)重破壞，影響過濾效果。其次水處理中大量使用了臥螺式離心機(jī)，如果砂粒過大會(huì)加劇轉(zhuǎn)筒磨損。

2 常見沉砂池型式

在我國最為常見的沉砂池種類分為平流沉砂池、曝氣沉砂池、旋流沉砂池、多爾沉砂池等，這些沉砂池的應(yīng)用和水循環(huán)處理技術(shù)有著直接的關(guān)系。上個(gè)世紀(jì)80年代，平流式是沉砂池的主要應(yīng)用型式；90年代，隨著國外水循環(huán)處理技術(shù)的發(fā)展，旋流式沉砂池應(yīng)用逐漸廣泛。

2.1 平流沉砂池

平流式沉砂池是使用分散性顆粒來完成沉淀。設(shè)計(jì)時(shí)須經(jīng)過精密計(jì)算，確定水在沉砂池中的運(yùn)行時(shí)間和砂粒的沉降時(shí)間，實(shí)現(xiàn)砂粒截留。因此沉砂池的池長和水的停留時(shí)間是主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在實(shí)際運(yùn)行中，水量和含沙量的情況是不斷變化的，如果水流波動(dòng)巨大，平流式沉砂池仍具有除砂效果，卻不能有效處理砂粒的有機(jī)物。

2.2 曝氣沉砂池

曝氣沉砂池的特點(diǎn)是通過曝氣所產(chǎn)生的旋流進(jìn)行洗砂，并且根據(jù)砂率進(jìn)行有機(jī)物的分離。當(dāng)砂粒直徑小于0.6mm時(shí)，曝氣沉砂池的優(yōu)勢會(huì)更加明顯；當(dāng)砂粒直徑在0.2mm時(shí)，砂的通過率為33.5%；當(dāng)砂粒直徑大于0.6mm時(shí)，砂的通過率為65%。這種處理效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平流式沉砂池，同時(shí)曝氣沉砂池能夠很好去除油脂類物質(zhì)中的浮渣。

2.3 多爾沉砂池

多爾沉砂池上方下圓，沉砂原理類似于平流式沉砂池，以表面水力負(fù)荷率為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，池深一般小于0.9m。進(jìn)水經(jīng)過整流器均勻分配后進(jìn)入沉砂池，然后通過溢流堰溢出。砂粒在中心驅(qū)動(dòng)的刮砂機(jī)作用下進(jìn)入集砂坑，由螺旋洗砂機(jī)排出被分離的有機(jī)物。多爾沉砂池在國內(nèi)應(yīng)用不多，相關(guān)資料有限。

2.4 旋流沉砂池

旋流沉砂池是新型的水循環(huán)處理沉砂池，設(shè)計(jì)上多采用鐘氏（Jones-Attwood Jeta）和比氏（Pista）兩大類。這種沉砂池在歐洲應(yīng)用很廣，但由于建設(shè)成本較高，國內(nèi)尚不常見。

a鐘氏沉砂池

鐘氏沉砂池首次應(yīng)用于1984年，隨后，該裝置在世界各地開始推廣運(yùn)行，就目前來看，效果較為顯著。池體由分選區(qū)和集砂區(qū)兩部分組成，分區(qū)之間采用傾斜坡連接。鐘氏沉砂池利用機(jī)械力控制水流流態(tài)與流速，加速砂粒沉淀，保留水中有機(jī)物成分。

b比氏沉降池

比氏沉降池是圓形渦流式沉降池的原型，世界各國類似的產(chǎn)品很多。經(jīng)過多年的運(yùn)行、測試及改進(jìn)，已經(jīng)形成比較成熟的應(yīng)用管理技術(shù)。比氏沉降池在設(shè)計(jì)中加入了氣泵攪拌功能，改善了集砂斗的板結(jié)問題；將驅(qū)動(dòng)管道深入到池底作為砂粒流化器，保證砂斗處于硫化狀態(tài)，沉砂效果更為顯著；水流在比氏沉降池中呈現(xiàn)渦流狀態(tài)，更有利于有機(jī)物分離。

3 沉砂池設(shè)計(jì)中存在的問題

水中的砂粒不僅會(huì)磨損過濾設(shè)備，本身具備的化學(xué)性質(zhì)更加明顯，所以從砂粒表面的附著性上來看，沉砂池在設(shè)計(jì)要考慮如下幾個(gè)問題：

（1）通過合理的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使泥沙能夠更加快捷、方便的排出，并且根據(jù)不同方式進(jìn)行分離。

（2）砂粒的粒徑大小差別較大，所以根據(jù)不同的粒徑要采取不同的控制范圍。沉砂池在設(shè)計(jì)中要考慮不同的去除率，例如，平流式沉砂池對于粗砂的去除率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于曝氣沉砂池。如果采用平流式沉砂池其中的曝氣率較低，但是要想控制好沉砂池的濾砂等級并不現(xiàn)實(shí)。不同的沉砂池沉砂效率差別較大，在沉砂池設(shè)計(jì)中要進(jìn)行除砂效率的確定。目前我國進(jìn)行的此類試驗(yàn)，尚不能根據(jù)砂率的去除效率來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，使得這種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)浮動(dòng)較大。

（3）在設(shè)計(jì)中沉砂池的面積和沉降率有著直接的關(guān)系，例如非曝氣普通沉砂池中不同的粒徑沉降速度不同，但是這種速率與沉砂池的表面積有關(guān)，也就是說沉降速率越大的沉砂池，表面積一般也相應(yīng)的較大。

（4）不管使用何種沉砂池，水的流速都是重要的控制數(shù)據(jù)，流速過快會(huì)使砂粒被帶出，水流過慢則會(huì)使水中的有機(jī)物發(fā)生沉降。

（5）中水的成份十分復(fù)雜，油脂類物質(zhì)不可能被避免，一旦處理不恰當(dāng)油脂類會(huì)成為二次污染，尤其是生化發(fā)生裝置的運(yùn)行效率會(huì)降低。例如水中的油脂會(huì)使曝氣器上的橡膠片老化，降低解氧率。另外管道上的油脂會(huì)直接影響電磁的流量準(zhǔn)確性，所以在中水處理中沉砂池對其處理能力較弱，深受其影響。

（6）砂礫的表面會(huì)存在一種能夠進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)物，這種有機(jī)物，會(huì)在砂礫排出前發(fā)生反應(yīng)，最終影響砂礫的處理。另外砂礫的處理是有機(jī)物分離的過程，所以在砂礫的處理上根據(jù)沉砂池型式設(shè)計(jì)出相符的洗砂功能，并且配置專屬的洗砂裝置，在有機(jī)物的脫離上使其能夠回歸系統(tǒng)化，作為后期生化處理的主要材料。

（7）沉砂池都是采用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行預(yù)曝氣的，這種方法雖然在去除砂礫方面效果顯著，還可以降解水中有機(jī)污染物，但是在我國對于中水水質(zhì)處理設(shè)計(jì)能力較低，效果較差，所使用的碳源除污能力較弱，有的甚至需要使用脫磷工藝，在保證碳源的同時(shí)還需要確保厭氧環(huán)境。

（8）城市中雖然配備了水循環(huán)系統(tǒng)，但是根據(jù)配套設(shè)施的不同，一旦發(fā)生大量降水，沉砂池可能出現(xiàn)逆灌現(xiàn)象，這些問題在沉砂池的選型和設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

（9）除砂設(shè)備種類繁多，經(jīng)過多年設(shè)計(jì)優(yōu)化，不斷在更新。尤其是新型的泵吸式除砂機(jī)更能體現(xiàn)出設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，這種特點(diǎn)對于水循環(huán)處理來說十分重要，水循環(huán)處理設(shè)計(jì)時(shí)要考慮整體的使用壽命。因此在設(shè)計(jì)過程中，對于沉砂池不能僅僅以一個(gè)單體形式來限定思考范圍，要綜合其各個(gè)方面優(yōu)勢來考量，結(jié)合實(shí)地情況，最終選擇最優(yōu)型式。

4 實(shí)例分析

4.1 項(xiàng)目簡介

《福?？h小洼槽草料基地項(xiàng)目》投入8300萬，建成5.6萬畝飼草料地。主體工程包括引水、沉砂池、輸水、配水、田間滴灌系統(tǒng)，路網(wǎng)、導(dǎo)洪泄洪及配套建筑物等。

沉砂池位于引額濟(jì)烏總干渠蘇魯溝退水閘出流段末端（經(jīng)水庫沉降，水質(zhì)較優(yōu)），是該項(xiàng)目的引水部分的骨干工程，利用地形落差可實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)自壓滴灌，滿足田間灌溉用水要求，包括進(jìn)水閘、進(jìn)水池、清淤坡道、退水渠四部分。

4.2 設(shè)計(jì)要求

（1）沉砂池所選位置高程須滿足自壓滴灌系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)計(jì)壓力；

（2）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)盡量提取沉砂池表層水，灌溉季節(jié)結(jié)束后，及時(shí)清淤；

（3）沉砂池設(shè)計(jì)流量須滿足灌溉系統(tǒng)所需流量并保證充足的泥沙沉降時(shí)間；

（4）水質(zhì)沉淀標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足滴灌運(yùn)行要求。

4.3 設(shè)計(jì)要素

沉砂池設(shè)計(jì)型式為平流式，由于水質(zhì)較優(yōu)，水在池內(nèi)的停留時(shí)間可取2h，表面負(fù)荷率為1.7m/h，C0=2.7kg/m3，沉砂池水流的水平流速v0=56m/h，沉砂池設(shè)計(jì)流量8092.44m3/h，泥沙容重1780kg/m3。

沉砂池表面積：AC=Q/V=4760.26m2；

沉砂池長度：Lc=vTt=56×2m=112；沉砂池長度取140m；

沉砂池寬度：BC=AC/LC=42.5m；

有效水深：Hy=QTt/AC=3.4m;

存泥深度：Hn=QCT/γAC=0.4m；

沉砂池深度：Hc=Hy+Hn+Δ=0.5+3.4+0.4m=4.3m。

4.4 沉砂池參數(shù)

沉砂池為梯形開敞結(jié)構(gòu)，有效容積4.78萬m3。池堤為碾壓式土壩，斷面為梯形，堤頂寬4m,池頂高程518.4m，池底高程514.1m，池深 4.3m；內(nèi)坡系數(shù)1∶2，外坡系數(shù) 1∶1.5；池頂開口長148.6m，寬97.2m。沉砂池地形東北高，西南低，坡降1‰。底板15cm C25砼板襯砌厚，其下依次為2布1膜、厚5cm細(xì)砂、厚40cm砂礫石墊層。清淤坡道長25.8m，寬4m，坡面為鋸齒狀，以增加對車輪的摩擦力。

4.5 應(yīng)用評價(jià)

該項(xiàng)目采用的沉砂池型式為國內(nèi)應(yīng)用較多的平流式，技術(shù)成熟、成本較低，沉砂效果明顯，符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，能夠有效達(dá)到滴灌系統(tǒng)的水質(zhì)要求標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

文章通過對沉砂池作用、種類的介紹，并結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)中存在的問題分析，得出結(jié)論：考慮到成本支出，現(xiàn)階段平流式沉砂池在我國的應(yīng)用范圍較廣，有很大的提升空間。通過合理的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，優(yōu)化運(yùn)行管理，平流式沉砂池的沉砂效果完全能夠滿足噴滴灌等主流節(jié)水工程運(yùn)行的水質(zhì)要求，沉砂效果較為顯著。新型的旋流沉砂池和多爾沉砂池現(xiàn)階段應(yīng)用較少，將來可能作為沉砂池設(shè)計(jì)的優(yōu)選方向。我們必須加強(qiáng)對沉砂池的型式、沉砂效果、有機(jī)物分離技術(shù)等多方面的系統(tǒng)研究提高水循環(huán)的處理效率，使該項(xiàng)技術(shù)更加合理、實(shí)用。陜西水利

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