雨水调蓄池中射流冲洗装置的设计与应用

2019-12-09王月萍王秋景王逊

中国环保产业 2019年11期

王月萍，王秋景，王逊

（中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山 243005）

引言

目前，雨水径流调蓄工程已成为城市化建设必须的同步工程，工程目的是实现雨污分流，以期有效控制城市内河面源污染，改善内河水质，消除黑臭水体。雨水调蓄池的工艺流程为旱季污水及冲洗较脏路面的初期雨水被有效截流、蓄存，待污水处理厂负荷减小时，再经污水管网输送至污水处理厂集中处理；中、后期雨水杂物较少、相对干净，则直接排入水体。这就能有效避免旱季污水和初期雨水直接流入城市内河，最终导致城市水体变质发黑、发臭。

虽然雨水调蓄池的进水口大多设置了拦污装置，但只能对体积较大的污物进行有效清理和移除，实际进入雨水调蓄池的旱季污水和初期雨水中含有体积相对小的杂物和污泥等，积蓄时间稍长，必然会沉淀、淤积。在输送至污水处理厂时，必须对污水中的沉淀污物进行清洗、清除，否则周而复始，污物会越积越多，不仅会影响蓄水池的有效容积，且时间长污水会变黑、发臭，甚至散发出有毒、有害气体。

1 项目简介

根据安徽马鞍山地区的雨水特征，某水环境综合治理项目计划在一河边的草坪下方建设一座雨水调蓄池，可利用土地面积60m×30m，调蓄池有效容积3500m3，池长45m、池宽16m、有效水深5m。

当地土质具有一定的黏附性，雨水调蓄池的底部大量、长期沉降时，则不易清理，在工程设计初期，综合考虑了各种池底清洗的工艺及装备，进行了较详细的对比分析。

2 几种清洗工艺及装备的对比分析

2.1 人工清理

该项目的雨水调蓄池建于河边草坪下方，为封闭式，调蓄池中的污水输送至污水处理厂后，池底沉积的污泥、杂物既脏又臭，甚至散发出有毒、有害气体，如采用人工清理，不仅劳动强度大，工作环境条件差，而且存在危险性。据媒体报道，常有清理管道、水池造成人员伤亡的气体中毒事故。因此首先排除了人工清理的方法。

2.2 水力翻斗冲洗

水力翻斗冲洗是雨水调蓄工程中被广泛应用的一种工艺方法，主要通过蓄水势能转化为水力冲刷动能[1]。

水力翻斗冲洗工艺，需将调蓄池分隔成多个长廊，该工艺中的关键核心部件是在水池端部较高位置设置的偏心集水槽，集水槽的出水口指向调蓄池的端面墙壁，该墙壁的下方设置为弧形，弧形的尾端与池底相切连接。当雨水调蓄池底部积泥等需要冲刷时，往水池前上端的集水槽中注水，当集水槽满载时，偏心的集水槽瞬间倾覆，集水全部从出水口倾泻而出，具有较强大势能的水流沿着弧形墙壁切线方向奔流，水力势能转化为强大的水力动能，掀动并卷起池底的积泥等杂物流向池尾的集水坑。完成冲洗后，水力翻斗又自动恢复至原位，等待下一次集水冲洗。

水力翻斗冲洗方式的冲洗次数与蓄水时间长短以及底部沉积物的特性有关，当雨水调蓄池积水时间不长，杂物沉积不多时，可仅进行一次冲洗过程就达到清洗目的；但当泥土具有一定的黏附性，雨水蓄存时间较长或杂物、积泥较多时，可能需要进行两次甚至多次冲洗才能彻底将池底清理干净。

2.3 拍门式冲洗

拍门式冲洗也是一种常用的调蓄池冲洗方式。拍门式冲洗一般适用于面积较大的调蓄池，尤其是长度较长的池形。采用拍门式冲洗工艺，需要在调蓄池的前端设置储水池，尾端设置集水槽，前端储水池中存储的水用作调蓄池的冲洗水源。同样，采用拍门式冲洗方式，调蓄池也需分为几个便于冲洗的廊道，每个廊道对应一个冲洗拍门。当调蓄池中水排出后，打开冲洗拍门，储水池中的水瞬间冲涌而出，强大的势能转换为动能，从而将调蓄池底部沉积的杂物冲刷至调蓄池后端的集水槽中，再利用泵吸进污水管网送至污水处理厂，冲洗水源排空后冲洗拍门关闭复位，等待下次蓄水冲洗。图1为拍门式冲洗图例。

图1 拍门式冲洗图例

拍门式冲洗的能耗是向储水池中供水时的水泵用电，冲洗水源可以采用平时积蓄的雨水，或外部水源如中水、地下水或井水。

在该项目中，拍门式冲洗与水力翻斗冲洗两冲洗方式存在同样两种不宜克服的缺陷：1）在蓄水的过程中，水体静止，没有流动性，此过程中水体所含的杂物、泥土极易沉降、淤积，且蓄水时间越长、淤积泥土的黏附性越强，冲洗的难度也随之加大，冲洗一次往往达不到冲洗的目的，需多次冲洗。2）蓄水过程水体易变质、发黑、发臭。故放弃该两种冲洗工艺。

2.4 双曲面搅拌机搅拌混合

双曲面搅拌机是一种立轴式的搅拌、混合设备，其水力构件——叶轮工作表面设有多组双曲线型叶片，叶轮在动力驱动下旋转，双曲线型叶片搅动水体，使水体形成水平旋流、上下环流的立体式流态流场，水体中的固（污泥、杂物等）、液（水）、气得以充分搅拌、混合，水体、杂物、污泥均处于流动状态，不致快速沉降、淤积。

双曲面搅拌机在污水处理厂应用较多，主要是保持水体的流动性。目前在雨水调蓄池中的应用也越来越多，特别是当调蓄池中有支撑立柱时，其他冲洗工艺方法不能尽致发挥功能作用，其优点突显。

图2是雨水调蓄池中间设有支撑立柱时应用双曲面搅拌机的三维流线图。

图2 调蓄池应用双曲面搅拌机的三维流线图

从模拟结果可知，搅拌机叶轮附近混合水体流动速度最高，其次为调蓄池底部的水体流速，水体在搅拌机叶轮的搅动下，顺叶片旋转切线方向呈辐射状发散，直至流动至水池墙壁受阻或与相邻搅拌机叶轮搅动的水体相遇碰撞后改变速度方向，转而向上方流动，到达水面后又回流到搅拌机叶轮处，即双曲面搅拌机所形成的流态为立体复合型，即水平截面为旋流，竖直截面为环流，实现了较好的搅拌、混合效果。调蓄池底部的水体流速较高且均匀，可有效阻止池底的固体杂质和污泥沉降、淤积。

双曲面搅拌机在蓄水期间间隔起动工作的方式有效克服了杂物、污泥易沉降的缺点，但仍不能彻底解决水体变质的问题，故在该项目中，双曲面搅拌工艺也不算是最优方案。

2.5 射流冲洗

射流冲洗技术在雨水调蓄池等工程的应用并不少见，射流冲洗是一种利用高速水流对池底进行冲洗的方法。水流高速的实现是在同样流量的前提下，将出水口的口径缩小，从而将高压低速水流转化为低压高速水流喷射而出，喷射出的高速水流对于被冲洗物具有很强的冲击力和剥离力，故能使污泥、污垢等杂物从被附着的地面、墙体等物体上有效去除，达到冲洗、冲刷干净的目的。

射流冲洗技术在雨水调蓄池蓄水期间，通过间歇性启动，高速水流不仅能搅拌水体，实现并保持水体的流动性，使污泥、杂物不致快速沉降，更重要的是，射流冲洗的高速水流在喷射过程中，会形成较大的负压，通过吸气管吸入大量空气输送至调蓄池中，空气中的氧快速传质、转移至污水中，使污水中的高分子有机物得到氧化分解，同时保持污泥的活性，水体不致变质、发黑、发臭。

射流冲洗工艺方式可以有效解决污泥快速沉降和水体变质两大难题，为该项目优选冲洗工艺方法。

3 射流冲洗搅拌曝气装置关键部件设计

射流冲洗搅拌曝气装置不同于高压水流冲洗装置，高压水流冲洗的压力较大，一般不小于10MPa，具有一定的危险性。而射流冲洗搅拌曝气装置属于低压型，尤其是应用于雨水调蓄池，因间隙启动，池底的沉泥极易被冲刷，故其冲刷水流压力不超过4MPa。

射流冲洗搅拌曝气装置也不同于射流曝气装置，射流曝气装置主要以曝气充氧量为主要考核指标，高速射流的目的是为了产生负压，更好地将空气转移至水体中实现曝气充氧。而射流冲洗搅拌曝气装置以冲洗为主要性能，搅拌混合为次，曝气则为辅助功能，但这三大功能又是相辅相成的，缺一不可。

3.1 射流冲洗搅拌曝气装置型号确定

该项目计划使用2台7.5kW的射流搅拌曝气装置，配套水泵选用潜污泵50QW-25-35-7.5，额定功率7.5kW、流量25m3、扬程35m。

3.2 射流冲洗搅拌混合装置射流部件结构计算

射流冲洗搅拌混合装置射流部件主要由喷嘴、扩散管和吸气室三大部分组成，各部分的关键结构及尺寸见图3。

图3 射流冲洗搅拌混合装置射流部件结构示意图

3.2.1 关键部件射流器的计算

根据射流器的特性曲线（见图4），为使射流器在高效率区工作，取R=0.25；M=1.14；N=0.30。

图4 射流器特性曲线

（1）喷嘴关键尺寸计算

喷嘴工作流量Q：

喷嘴的工作水头Hc:

喷嘴的截面积A1：

式中：C—喷口流量系数，C=0.9～0.95。

喷嘴的直径为d1：

喷嘴进水端即接水泵供水端，一般设水流流速1m/s。

喷嘴进水端截面积A：

喷嘴进水端直径D1：

喷嘴进水端直径D1为100mm。

喷嘴收缩段夹角θ取30°。

喷嘴收缩段长度l11:

喷嘴直线段长度l12:

（2）扩散管关键尺寸计算

扩散管进口A2：

扩散管进口d2：

喷嘴出口到扩散管进口间距 l2：

扩散管进口直段长度l31：

扩散管角度β取8°

扩散管出口直径D2：

扩散管扩散长度l32：

扩散管进气端的夹角α取120°。

以上，借鉴《给水排水设计手册》第二版第9册的专用机械之水射器计算公式，同时融入了设计射流冲洗搅拌曝气装置的经验[2]。

3.2.2 射流冲洗搅拌曝气装置布置方式

该项目中的射流冲洗搅拌装置为可旋转扫射冲洗结构，非固定冲洗方式。水池的中间位置设置宽5m的集水槽，集水槽两侧池底均设有底坡，两台射流冲洗装置布置在集水槽中间的位置，分别向两端坡项冲刷，布置型式见图5。射流冲洗搅拌曝气装置在工作过程中抽吸水池中的污水，不需其他水源。

3.2.3 两台射流冲洗搅拌曝气装置工作过程

雨水调蓄池在蓄水和污水排往污水处理厂的过程中，两台射流冲洗搅拌曝气装置通过程序控制间歇性开启，冲洗装置具有的搅拌功能使水体充分混合，保持一定的流动性，水体中的悬浮杂物、污泥等不会快速沉降，即便污泥沉降，也不至板结；在污水全部排空前，保持冲洗装置连续工作，从扩散管出口处喷射出的水流具有较高的流速，对坡底积泥的冲击力很强，极易将底部的污泥冲刷至中间的集水槽中。射流冲洗搅拌曝气装置与红外探头配合使用，可实现针对性的点对点冲洗，冲洗更具目的性、更彻底。

图5 工程中两台射流冲洗搅拌曝气装置布置型式

3.2.4 曝气充氧功能

射流冲洗搅拌曝气装置在工作过程中，喷嘴出口处产生的高速水流会产生较大的负压，主动从吸气口吸入大量的空气，空气中的氧气便迅速传质、转移至水体中，该项目中的两台射流冲洗搅拌曝气装置，每小时可向水体提供4.6kg氧。充入的氧气，一方面氧化分解水体中的有机物，另一方面也为好氧菌提供生命氧源，保持污泥的活性，使水体不致变质、发黑、发臭。