水力旋流分离井在调蓄池工程中的应用

陈斌

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200125）

1 工程概况

九星雨污水泵站及合建初期雨水调蓄池位于上海市闵行区七宝镇横新港南侧、虹莘路西侧。由于用地限制，该调蓄池与雨、污水泵站合建，规划总用地面积为4 503 m2。同时结合《上海市闵行区七宝九星地区海绵城市建设规划》，九星调蓄池仅考虑市政道路范围内的初期雨水收集，其余范围的初雨由各地块通过设置下沉式绿地、调蓄模块、雨水花园等海绵设施进行处理或调蓄后将初雨弃流至市政污水管道。因此，九星初期雨水调蓄池服务面积约为58.95 hm2，初期雨水截流标准为5 mm，海绵化后的综合径流系数ψ为0.5，经计算调蓄池规模为2 200 m3。

2 调蓄池设计方案

考虑到用地限制，九星初雨调蓄池与雨、污水泵房合建，调蓄池设置于雨污水泵房底部，总平面尺寸：37.6 m（B）×37.1 m（L），顶板标高 5.2 m，雨、污水泵房工艺深度12.1 m，调蓄池工艺深度17.8 m～18.8 m。调蓄池内设置7套门式自动冲洗装置，2台潜水排污泵，单泵流量Q=26.0 L/s，H=25.0 m，一用一备。泵站及调蓄池工艺图详见图1～图4所示。

图1 雨、污水泵站底层平面图

调蓄池工艺流程如下：进水总管→进水闸门井→格栅井→初雨截留管→调蓄池→调蓄池放空泵→下游污水管网。同时，当调蓄池内的初雨排空时，液位计会传输信号至冲洗门触发装置，瞬间将配水槽中的储水释放，形成强力的席卷式射流，将池底沉积物卷起并冲至末端收集池内，最后通过放空泵提升后直接排入下游污水管网。

3 常规冲洗方式存在问题

图2 底部调蓄池平面图

图3 雨水泵房及调蓄池剖面图

图4 污水泵房及调蓄池剖面图

如上所述，九星调蓄池底部沉泥清理采用的是水力自冲洗方式，冲洗水通过放空泵提升后直接排入下游污水管网，无需人员进入调蓄池进行清理工作。但该方式存在将沉积物转移至下游管道的问题，当下游污水管道内的沉积物达到一定量时，则造成管道的过流能力削减，给污水系统的运行带来风险，同时给污水管道的清通养护，以及管理带来不便。

4 问题分析

初期雨水进入调蓄池前，首先会经过雨水格栅井内栅条间隙为70 mm的进水格栅过滤，但无法避免细小固体颗粒物质进入调蓄池并形成沉积。由于城市地表上的固体颗粒来源较多，大气降尘、土壤粉尘、植物枝叶及种子、交通工具的磨损物等物质会被带入雨水径流，最终进入调蓄池中。在重力的作用下，粒径、密度较大的颗粒物极易沉降到池底形成淤积。因此，需要对调蓄池底沉积物进行分析。由于国内目前对于调蓄池底沉积物的调查研究较少，现通过对排水管网内沉积淤泥情况的分析。侧向判断调蓄池沉积物的情况。根据柏蔚对上海市虹口区多个分流制雨水系统内的管道沉积物进行取样分析，得出分流制雨水管道中的沉积物颗粒主要以无机质为主，粒径在汛期与非汛期时有所不同。汛期强降雨后短时间内的淤泥颗粒粒径在0.076 mm以下，而其余时期的淤泥颗粒粒径集中在0.28 mm～0.54 mm之间，粒径0.28 mm以上的颗粒占所有颗粒的50%以上[1]。因此，若将0.28 mm以上淤泥颗粒从池底分离出来，就可以大大减轻下游污水管网沉积情况。

5 解决方案

在设计过程中，也研究过在调蓄池中设置链条式清淤刮板和智能冲洗设备，但前者由于调蓄池设置于雨、污水泵站底部，无法完全保证调蓄池水位不淹没电机，且考虑到调蓄池深度深，淤泥集中后的清掏难度大，清淤刮板设备成本高等问题。而后者则是将池底淤泥与初雨进行充分搅拌后，通过水泵提升排入下游污水管网，也未解决调蓄池沉积转移的问题。两个方案均不理想。经过反复思考、摸索，根据雨水管网中沉积淤泥的特性，拟通过在调蓄池压力放空管上设置三通，分别接入下游污水管网及水力旋流分离装置，通过电控阀门与调蓄池自控联动来控制出水走向。当调蓄池处于放空工况时，通向水力旋流分离装置的阀门关闭，通向下游污水管网的阀门开启，实现调蓄池放空；当调蓄池处于冲洗工况时，通向下游污水管网的阀门关闭，通向旋流分离装置的阀门开启，调蓄池冲洗水通过水力旋流分离装置的颗粒分离后排入合建污水泵房。当调蓄池冲洗完毕后，养护单位对水力旋流分离装置的沉积物进行集中清理。具体详见图5所示。

5.1 调蓄池冲洗工艺流程

图5 优化后的泵站平面布置示意图

调蓄池淤泥分离过程为：配水槽→冲洗门→冲洗流道→收集池→潜水排污泵→旋流分离装置→合流污水泵房→下游污水管网。

5.2 旋流分离装置

水力旋流分离是利用涡流原理，利用水流的涡流和重力产生的离心力作用下实现污染物分离的技术（见图6、图7）。通过黄勇强等人使用旋流分离装置对初期雨水进行处理实验中的监测数据可以看出，对SS、COD、TP、TN的最大祛除率分别可以达到 72%、52%、50%、35%[2]。

图6 旋流分离装置结构剖面示意图

5.3 旋流分离装置的相关案例

图7 旋流分离装置结构平面示意图

盐城清华科技园海绵城市设计项目、大理洱海环湖截污项目示范工程、北京南护城河截污等项目中，在上游采用了类似结构的旋流分离井，尺寸为 ø1.2 m～ø3.6 m，处理能力35 L/s～350 L/s。根据实测数据，在标准处理流量条件下，200 μm以上SS去除率达80%，漂浮垃圾，以及油污全部拦截。可以看出该装置基该可满足该工程除汛期强降雨外，大多数时间段中的调蓄池淤泥颗粒的分离。

6 结 语

（1）初期雨水调蓄沉积物冲洗水直接排放至下游污水管网，会导致沉积物在下游污水管道积聚，当管道内的沉积物达到一定量时，则造成管道的过流能力削减，给污水系统的运行带来风险，同时给污水管道的清通养护，以及管理带来不便。

（2）通过在调蓄池出水管上设置旋流分离装置，可满足除汛期强降雨外，大多数时间段中的调蓄池淤泥颗粒的分离。可有效降低沉积物进入下游管网的情况。清理沉积污泥过程可在地面进行，无需进入调蓄池底，降低养护管理的风险和难度。无需外加动力，运行成本低。

（3）目前九星雨污水泵站及调蓄池工程正在设计阶段，待竣工后对其进一步验证。同时可进行相关数据的采集和分析，为同类项目起到一定的借鉴作用。