平流式沉砂池设计参数说课材料.docx
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平流式沉砂池设计参数说课材料
平流式沉砂池设计参数
平流式沉砂池设计参数
为了减少城市污水处理系统中水泵与其它机械设备的磨损，保证沉淀池、曝气池等处理构筑物功能的正常发挥，沉砂池是城市污水处理厂必不可少的预处理构筑物。
按污水在沉砂池中的流态，沉砂池分为4种：
竖流式沉砂池，涡流式沉砂池，平流式沉砂池和曝气式沉砂池。
竖流式沉砂池除砂效率差，运行管理不便，因而在国内外城市污水处理厂很少采用。
涡流式沉砂池尽管有占地小，除砂效率高等优点，在发达国家得到较广泛的应用，然而，与这种池型配套的除砂设备均为国外专利，因此，涡流式沉砂池在国内的普及为时尚早。
平流式沉砂池因构造简单，除砂效果好，加之除砂设备国产化率高，已成为我国城市污水处理厂沉砂池的主要池型。
曝气沉砂池具有除砂效率高，尤其是有机物与砂分离效果好等优点大有取代平流式沉砂池之势，但在南方城市污水厂水质浓度较低的条件下，曝气沉砂池并不能充分发挥其优势。
况且，曝气沉砂池的基本池型仍是平流式沉砂池。
毫无疑义，平流式沉砂池在今后城市污水厂的建设中，仍将有一席之地。
因此，应充分重视平流式沉砂池的设计。
【1】
1.影响平流式沉砂池效率的因素
1排水体制
合流制排水系统接纳的城市污水不同于分流制排水系统。
前者由于暴雨对屋面、街道的冲刷，使得进入城市污水厂平流式沉砂池的合流制污水夹带大量来自建筑工地、燃烧小煤炉的泥沙煤屑等杂质。
如果设计的平流式沉砂池内水平流速过快、停留时间不足，则许多杂质来不及沉淀，过快的水流将杂质带入后续处理构筑物，从而影响后续处理构筑物的运行，甚至危及整个污水厂的正常运行。
与此相反，分流制排水系统接纳的城市污水，水量稳定，所含杂质质量少，所以，采取较大的水平流速和较短的停留时间，往往能获得理想的除砂效果。
2初沉池
初沉池是城市污水厂一种预处理构筑物，通常设在沉砂池之后。
其作用是降低城市污水中的悬浮固体浓度。
按照城市污水二级处理工艺要求，有需要设置和不需要设置初沉池两种情况。
通常，采取普通活性污泥法二级生物处理的城市污水厂必须设置初沉池。
因为较长时间停留（（1.0~2.0）h）的初沉池弥补了现行规范设计的平流式沉砂池内水平流速过快、停留时间过短的不足，大量来不及在平流式沉砂池沉淀的小粒径杂质在初沉池得到有效地沉淀，从而保证曝气池、二沉池等处理构筑物的正常运行。
这也是为什么设置在平流式沉砂池之后的沉淀池拍你中有机物所占比例较大的原因。
在不需要设置初沉池的城市污水厂，如果按现行规范设计平流式沉砂池，运行中出现排沙管堵塞的问题。
平流式沉砂池（在设计水平流速0.3m∕s，停留时间30s的情况下）尽管对0.2mm以上的杂质去除率达到了90%，但对0.1mm粒径的杂质，去除率仅为35%左右。
【2】
3除砂设备
除砂设备用于沉砂池，取出池底截留下来的密度大于水的砂、石等无机颗粒。
随着处理工艺的发展，除砂设备的型式构造多种多样。
其集砂方式有两种：
即刮砂型和吸砂型。
刮砂型是将沉积在池底的砂粒刮集至池心（边）坑（沟）内，再清洗提升，砂水分离后输送至池外盛砂容器内，待外运处置。
吸砂型则用砂泵将池底层的砂水混合液抽至池外，经砂水分离后的砂粒输送至盛砂容器内待外运处置。
排砂设备按排砂方式又分为重力排砂和机械排砂两类。
重力排砂方式通过在砂斗上加排砂管和双向密封无凹槽刀闸阀进行排砂，配套使用贮砂池进行砂水分离。
【5】机械除砂设备一般有链条式刮砂机和行车式砂泵除沙机。
这两种除砂设备除砂效果如表2所示。
表2链条式刮砂机与行车式砂泵除砂机除砂效率
平流式沉砂池（链条式刮砂机）
设计参数：
池内水平流速0.3m∕s,停留时间30s.
曝气沉砂池（行车式砂泵除砂机）
设计参数：
池内水平流速0.1m∕s,停留时间150s.
砂粒粒径∕mm
除砂效率∕%
砂粒粒径∕mm
除砂效率∕%（停止曝气）
0.1
31
0.1
79
0.15
70
0.15
88
0.20
89
0.20
95
0.25
93
0.25
98
在表2中，设置的沉砂池型及其设计参数不一样，采用的除砂设备也不一样，根本无法比较两种不同除砂设备的优劣。
有一点是肯定的，即停止曝气状态下的曝气沉砂池由于停留时间比平流式沉砂池长，池内水平流速比平流式沉砂池慢，虽然对0.20mm以上的砂粒去除率相差不大，但对细小砂粒去除率比平流式沉砂池高得多。
在缺乏可比资料情况下，仍然可以从行车式砂泵除砂机和链条式刮砂机的结构和除砂原理两方面进行分析。
行车式砂泵除砂机采用砂泵吸砂，辅助砂水分离器的有效分离，使得该设备对细小砂粒的去除率具有独特的优势。
而链条式刮砂机的刮板刮砂动作与池内水流相反，由于刮板刮砂时的搅动与水流的裹携作用，沉淀在沉砂池末端的细小砂粒在被刮至砂斗前极易泛起，并被水流带入后续处理构筑物。
换言之，同一池型的沉砂池，采用链条式刮砂机除砂效率远不如采用行车式砂泵除砂机除砂效率高。
尽管上述因素会影响平流式沉砂池的除砂效率，但决定平流式沉砂池的尘沙效率的应该首推水力停留时间和池内水平流速。
2.沉砂池的改进
平流式沉砂池的功能是除去城市污水中的砂粒、煤渣、果核等．以提高后续沉淀池中污泥的利用和输送．减轻沉淀池负荷和改善污泥处理构筑物的处理条件。
平流式沉砂池在设计时要考虑的关键性问题就是如何通过合理的水力设计，使尽可能多的砂粒得以沉降并以可靠便捷的方式排出池外，以及如何使溢出的水含砂量尽可能的少。
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一涉及的砂粒沉降时间时，才能够实现砂粒的截留，因此池长按照水平流速和污水的停留时间来确定。
按污水的水平流速和停留时间设计平流式沉砂池池长见
（1）式
L=VT
（1）
式中：
L—沉砂池长度，m;
T—污水在沉砂池中的停留时间，s;
V—沉砂池内水流的平均水平流速，m∕s.
由式
（1）可知，沉砂池内水流的平均流速V越大，则沉砂池的长度L就越长；污水在沉砂池中的停留时间T越长，即所要沉降的泥砂颗粒粒径越小，沉砂池的长度就越长。
水平流速越小，流速分布越均匀，就越有利于泥砂的沉降，相应沉砂池的长度也就越小。
而平流式沉砂池污水的停留时间比较短（一般为30~60s）,在这么短的停留时间内大部分细颗粒泥砂都会越过溢流堰进入下级处理系统，所以细颗粒泥砂的沉淀效率一般都很低，若想要加大细颗粒泥砂的沉淀效率就势必要增大沉砂池的长度，而仅靠加大沉砂池的长度来增大细颗粒泥砂的沉淀效率是不经济的。
实际运行中，由于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，即使沉砂池各种尺寸都满足设计要求，平流式沉砂池的去除效果也还是很难保证。
为此，对传统的平流式沉砂池进行了改进，设计提出了一种新型的平流式沉砂池。
该沉砂池可以减少沉砂池内水流的波动，使得沉砂池内的流速分布比较均匀，使之在不加大沉砂池长度的前提下提高细颗粒泥砂的沉淀效率。
1增设调流墙沉砂池的进水装置要求水流均匀地分布在整个池子的横断面上，以免造成股流，减少紊流对沉淀产生的影响，减少死水区，提高沉砂池的容积利用系数。
沉砂池的进水装置较多采用的是在沉砂池进口处设一穿孔墙，靠增大阻力的办法使进水均匀。
但实际观测显示，穿孔墙虽然对水流的调节具有一定的作用，但效果并不是很明显，对较小粒径的泥沙颗粒还是不能使其沉降在沉砂池内，根据国外所做的现场测定，当砂粒D<0.6mm时，砂粒很容易被水流带走。
为此，对穿孔墙进行了改进，即在沉砂池进水处，原来穿孔墙位置设置了调流墙。
调流墙的目的是在来水流后，在很短的时间内调整沉砂池内的水流结构，使水流流速分布均匀，在沉砂池总体长度不增加的情况下最大限度地增加有效沉砂长度，提高沉砂池的沉砂效率。
同时由于流速分布变得比较均匀，紊动影响较弱，这样污水的停留时间就会相应加长，从而细颗粒泥砂的沉淀效率就会加大。
从水力学角度看，调流墙的主要作用就是消能，把由入流渠流入的具有较大动能和紊动强度的污水调节成具有较小动能和紊动强度，同时使水流流速减小，并且要均匀分布。
因此调流墙的设计原则就是使沉砂池内的水流流速分布均匀，水流流速小。
在沉砂池进水处设置调流墙后，主要将直接顶冲在调流墙上，然后对称地向两侧扩散。
通过试验和水利分析，决定在调流墙上布设不同孔径的孔洞作为出水口，来调节水量沿横向和垂向的分配，是水流经过调流墙后在整个沉砂池内形成均匀的流态。
调流墙孔径沿垂向可布设成几排，并且每排的孔径大小应不同，一般流速大的位置孔径应当小，流速小的位置应当大；沿横向同一排孔的孔径也应当不同，中间流速大相应孔径应当小一些，两侧流速小相应孔径应当大一些，并且两侧要对成分布，最下一排孔应高于积泥区0.5m，以免冲起积泥。
此外设计调流墙孔洞是还要考虑过水能力的问题，即要满足来水流量的要求，不能使调流墙上下游的水位差过大，也就是要考虑强度问题这就要求调流墙孔洞的种类数量不宜过多。
2增设溢流槽含砂水经过沉砂池沉淀处理后，一般由溢流堰流出进入后续沉淀处理系统，由溢流堰流出的水虽然含砂量明显减少，但仍然还是含有一定数量的泥砂。
我们可以在溢流堰上沿水流方向增设几道溢流槽来解决这一问题，通过增设溢流槽可以有效地增加溢流长度，进而可以充分降低溢流堰的堰上水头，这样就可以只让表层含砂量很低的水溢出，从而大大提高沉砂池的沉淀质量，特别是对细颗粒泥砂的沉淀具有很好的效果。
由于沉砂池的进水处水流紊动较大，若在进水处也布设溢流堰，就会在溢流槽内形成回流，使进水处含沙量较大的水进入溢流槽，这对取得表层含沙量小的水反而不利；同时再考虑到施工和强度等方面的原因，可只在沉砂池末端一定距离内布设溢流槽，这样既有利于取得表层含沙量小的水，也容易满足施工和强度等方面的要求。
溢流槽的截面形状可根据需要和施工方便设计成矩形或半圆形。
3排砂装置改进以及设置辅助冲砂设施平流式沉砂池常用重力排砂与机械排砂两类。
重力排砂的有点事排砂的含水率低，排沙量容易计算，但沉砂池需要高架或挖小车通道，造价比较高；机械排砂的有点事机械化程度高，工作条件好，但同时也需要许多其他配套设施，造价较高。
为此，设计了一种简便经济的排砂方法，既可以进行重力排砂又可以进行机械排砂。
在沉砂池底部设置了排砂装置，由一层带冲砂孔的平板把上下两层隔开，上部为明流，流速很低；下部为压力流，水由上部水池通过冲砂孔口注入下部廊道，廊道内流速很高，能够冲走进入廊道内的泥砂。
当沉砂池不进行排沙时，泥砂就会沉降在冲砂孔的周围，并由冲砂孔流入排砂廊道，这样随着泥砂的不断沉降，排砂廊道就会被泥砂填满，当泥砂淤积到一定高度时就可以用机械装置进行排砂。
但这样会很容易造成排砂廊道的堵塞，从而使整个排砂装置不能正常工作，可以通过下面的方法来改进。
a.设置冲砂孔。
在沉砂池底部平板的一侧间隔设一些冲砂孔，这样沉降的泥砂就会由排砂装置一侧的冲砂孔进入，冲砂孔的最大间距可根据泥砂的水下休止角和泥砂淤积的形状通过试验确定。
b.设竖向挡板。
中间设一竖向挡板，挡板在底部留一开口，当不进行冲砂时泥砂就会沉降在沉砂池的底部，并把冲砂孔覆盖，一部分泥砂也会由冲砂孔进入排砂廊道，但是由于挡板的开口在下部，挡板一侧上方有一部分气体的压强作用，沉降的泥砂就不会把排砂廊道的整个截面填满，于是整个排砂装置也就不会被堵塞。
c.设置辅助冲砂设施。
当不进行冲砂时，淤积在排砂廊道内的泥砂可能会比较密实，冲洗时仅靠由冲砂孔流入的水就不能将廊道内的泥砂冲走，于是在排砂廊道侧面设置了辅助冲砂设施，其进口放置在沉砂池的上游水表面，这样冲砂时就可由辅助冲砂设施流进的水对排砂装置内淤积的泥砂进行冲洗，这样就不会淤积在廊道内；当沉砂池连续冲砂或不进行冲砂时，可以由设置的闸门将辅助冲砂设施关闭，以节约冲砂用水。
【4】
3.平流式沉砂池设计
（1）沉砂部分的长度L
L=vt
式中：
L—沉砂池沉砂部分长度，m;
v—最大设计流量时的速度，m/s;
t—最大设计流量时的停留时间，s;
（2）水流断面面积A
A=Qmax／v
式中：
A—水流断面面积，m;
Qmax—最大设计流量，m³／s。
（3）池总宽度B
B=A／h2
式中：
B—池总宽度,m;
h2—设计有效水深，m。
（4）贮砂斗所需容积V
V=86400Qmax·T·X／（1000·Kz）
式中：
V—沉砂斗容积，m³；
X—城镇污水的沉砂量，一般采用0.03L／m³；
T—排砂时间的间隔，t;
Kz—污水流量总变化系数。
（5）贮砂斗各部分尺寸计算
设贮砂斗底部宽b1=0.5m;斗壁与水平面的倾角为60°；则贮砂斗的上口宽b2为：
b2=2h3＇／tg60°+b1
贮砂斗的容积V1：
V1=h3＇[S1+S2+（S1·S2）½]／3
式中：
V1—贮砂斗容积，m³;
h3＇—贮砂斗高度，m;
S1,S2—分别为贮砂斗下口和上口的面积，㎡。
按这种设计方法可能导致计算得到的贮砂斗上宽大于或小于沉砂池宽的情况，这与工程实际不符。
实际工程中，贮砂斗上口宽与沉砂池的吃款是相同的，故设计计算时应先确定贮砂斗的上口宽就是沉砂池的池宽，再去设计计算贮砂斗的高度、上口长度，同时根据所需容积进行校核，而不是事先将贮砂斗的上口定为正方形。
【4】
（6）贮砂室的高度h3
h3=h3＇+0.06l2=h3＇+0.06（L-2b2-b＇）／2
（7）池总高度H
H=h1+h2+h3
式中：
H—池总高度，m;
h1—超高，m。
（8）核算最小流速
Vmin=Qmin／（n1·Amin）
式中：
Qmin—设计最小流量，m³／s;
n1—最小流量时工作的沉砂池数；
Amin—最小流量时沉砂池中的过水断面面积，㎡。
4.排砂设备的选型
砂水分离器的选型应根据每日沉砂量确定，而沉砂量取决于排水系统的特性、排水区域的性质、污水的情况、工业废水的类型、地区的沙土性质等因素。
因此，城市污水每日沉砂量可根据实际调查资料计算，如无资料时可按每m³污水沉砂0.03L计算，含水率为60%，容积为1500kg／m³；合流制污水的沉砂量应根据实际情况确定。
【5】
5.平流式沉砂池的设计参数
（1）一般按去除相对密度2.65，粒径大于0.2mm的沙粒确定。
（2）沉砂池得座数或分格数不得少于两个，宜按并联系列设计。
污水量较小时，一备一用;较大时，同时工作。
（3）设计流量的确定一般按最大设计流量计算。
（4）最大设计流量时，污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15m/s。
（5）最大设计流量时，污水在池内停留时间不少于30s，一般为30~60s。
（6）设计有效水深应不大于1.2m，一般采用0.25~1.0m，每格池宽不宜小于0.6m，超高不宜小于0.3m。
（7）沉砂量的确定生活污水得沉砂量一般按每人每天0.01~0.02L。
（8）池底坡度一般为0.01~0.02，并可根据除砂设备要求，考虑池底得外形。
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