水力旋流分離井在調蓄池工程中的應用

陳斌

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125）

1 工程概況

九星雨污水泵站及合建初期雨水調蓄池位于上海市閔行區七寶鎮橫新港南側、虹莘路西側。由于用地限制，該調蓄池與雨、污水泵站合建，規劃總用地面積為4 503 m2。同時結合《上海市閔行區七寶九星地區海綿城市建設規劃》，九星調蓄池僅考慮市政道路范圍內的初期雨水收集，其余范圍的初雨由各地塊通過設置下沉式綠地、調蓄模塊、雨水花園等海綿設施進行處理或調蓄后將初雨棄流至市政污水管道。因此，九星初期雨水調蓄池服務面積約為58.95 hm2，初期雨水截流標準為5 mm，海綿化后的綜合徑流系數ψ為0.5，經計算調蓄池規模為2 200 m3。

2 調蓄池設計方案

考慮到用地限制，九星初雨調蓄池與雨、污水泵房合建，調蓄池設置于雨污水泵房底部，總平面尺寸：37.6 m（B）×37.1 m（L），頂板標高 5.2 m，雨、污水泵房工藝深度12.1 m，調蓄池工藝深度17.8 m～18.8 m。調蓄池內設置7套門式自動沖洗裝置，2臺潛水排污泵，單泵流量Q=26.0 L/s，H=25.0 m，一用一備。泵站及調蓄池工藝圖詳見圖1～圖4所示。

圖1 雨、污水泵站底層平面圖

調蓄池工藝流程如下：進水總管→進水閘門井→格柵井→初雨截留管→調蓄池→調蓄池放空泵→下游污水管網。同時，當調蓄池內的初雨排空時，液位計會傳輸信號至沖洗門觸發裝置，瞬間將配水槽中的儲水釋放，形成強力的席卷式射流，將池底沉積物卷起并沖至末端收集池內，最后通過放空泵提升后直接排入下游污水管網。

3 常規沖洗方式存在問題

圖2 底部調蓄池平面圖

圖3 雨水泵房及調蓄池剖面圖

圖4 污水泵房及調蓄池剖面圖

如上所述，九星調蓄池底部沉泥清理采用的是水力自沖洗方式，沖洗水通過放空泵提升后直接排入下游污水管網，無需人員進入調蓄池進行清理工作。但該方式存在將沉積物轉移至下游管道的問題，當下游污水管道內的沉積物達到一定量時，則造成管道的過流能力削減，給污水系統的運行帶來風險，同時給污水管道的清通養護，以及管理帶來不便。

4 問題分析

初期雨水進入調蓄池前，首先會經過雨水格柵井內柵條間隙為70 mm的進水格柵過濾，但無法避免細小固體顆粒物質進入調蓄池并形成沉積。由于城市地表上的固體顆粒來源較多，大氣降塵、土壤粉塵、植物枝葉及種子、交通工具的磨損物等物質會被帶入雨水徑流，最終進入調蓄池中。在重力的作用下，粒徑、密度較大的顆粒物極易沉降到池底形成淤積。因此，需要對調蓄池底沉積物進行分析。由于國內目前對于調蓄池底沉積物的調查研究較少，現通過對排水管網內沉積淤泥情況的分析。側向判斷調蓄池沉積物的情況。根據柏蔚對上海市虹口區多個分流制雨水系統內的管道沉積物進行取樣分析，得出分流制雨水管道中的沉積物顆粒主要以無機質為主，粒徑在汛期與非汛期時有所不同。汛期強降雨后短時間內的淤泥顆粒粒徑在0.076 mm以下，而其余時期的淤泥顆粒粒徑集中在0.28 mm～0.54 mm之間，粒徑0.28 mm以上的顆粒占所有顆粒的50%以上[1]。因此，若將0.28 mm以上淤泥顆粒從池底分離出來，就可以大大減輕下游污水管網沉積情況。

5 解決方案

在設計過程中，也研究過在調蓄池中設置鏈條式清淤刮板和智能沖洗設備，但前者由于調蓄池設置于雨、污水泵站底部，無法完全保證調蓄池水位不淹沒電機，且考慮到調蓄池深度深，淤泥集中后的清掏難度大，清淤刮板設備成本高等問題。而后者則是將池底淤泥與初雨進行充分攪拌后，通過水泵提升排入下游污水管網，也未解決調蓄池沉積轉移的問題。兩個方案均不理想。經過反復思考、摸索，根據雨水管網中沉積淤泥的特性，擬通過在調蓄池壓力放空管上設置三通，分別接入下游污水管網及水力旋流分離裝置，通過電控閥門與調蓄池自控聯動來控制出水走向。當調蓄池處于放空工況時，通向水力旋流分離裝置的閥門關閉，通向下游污水管網的閥門開啟，實現調蓄池放空；當調蓄池處于沖洗工況時，通向下游污水管網的閥門關閉，通向旋流分離裝置的閥門開啟，調蓄池沖洗水通過水力旋流分離裝置的顆粒分離后排入合建污水泵房。當調蓄池沖洗完畢后，養護單位對水力旋流分離裝置的沉積物進行集中清理。具體詳見圖5所示。

5.1 調蓄池沖洗工藝流程

圖5 優化后的泵站平面布置示意圖

調蓄池淤泥分離過程為：配水槽→沖洗門→沖洗流道→收集池→潛水排污泵→旋流分離裝置→合流污水泵房→下游污水管網。

5.2 旋流分離裝置

水力旋流分離是利用渦流原理，利用水流的渦流和重力產生的離心力作用下實現污染物分離的技術（見圖6、圖7）。通過黃勇強等人使用旋流分離裝置對初期雨水進行處理實驗中的監測數據可以看出，對SS、COD、TP、TN的最大祛除率分別可以達到 72%、52%、50%、35%[2]。

圖6 旋流分離裝置結構剖面示意圖

5.3 旋流分離裝置的相關案例

圖7 旋流分離裝置結構平面示意圖

鹽城清華科技園海綿城市設計項目、大理洱海環湖截污項目示范工程、北京南護城河截污等項目中，在上游采用了類似結構的旋流分離井，尺寸為 ?1.2 m～?3.6 m，處理能力35 L/s～350 L/s。根據實測數據，在標準處理流量條件下，200 μm以上SS去除率達80%，漂浮垃圾，以及油污全部攔截。可以看出該裝置基該可滿足該工程除汛期強降雨外，大多數時間段中的調蓄池淤泥顆粒的分離。

6 結 語

（1）初期雨水調蓄沉積物沖洗水直接排放至下游污水管網，會導致沉積物在下游污水管道積聚，當管道內的沉積物達到一定量時，則造成管道的過流能力削減，給污水系統的運行帶來風險，同時給污水管道的清通養護，以及管理帶來不便。

（2）通過在調蓄池出水管上設置旋流分離裝置，可滿足除汛期強降雨外，大多數時間段中的調蓄池淤泥顆粒的分離。可有效降低沉積物進入下游管網的情況。清理沉積污泥過程可在地面進行，無需進入調蓄池底，降低養護管理的風險和難度。無需外加動力，運行成本低。

（3）目前九星雨污水泵站及調蓄池工程正在設計階段，待竣工后對其進一步驗證。同時可進行相關數據的采集和分析，為同類項目起到一定的借鑒作用。