雨水調(diào)蓄池中射流沖洗裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王月萍，王秋景，王遜

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005）

引言

目前，雨水徑流調(diào)蓄工程已成為城市化建設(shè)必須的同步工程，工程目的是實(shí)現(xiàn)雨污分流，以期有效控制城市內(nèi)河面源污染，改善內(nèi)河水質(zhì)，消除黑臭水體。雨水調(diào)蓄池的工藝流程為旱季污水及沖洗較臟路面的初期雨水被有效截流、蓄存，待污水處理廠負(fù)荷減小時(shí)，再經(jīng)污水管網(wǎng)輸送至污水處理廠集中處理；中、后期雨水雜物較少、相對(duì)干凈，則直接排入水體。這就能有效避免旱季污水和初期雨水直接流入城市內(nèi)河，最終導(dǎo)致城市水體變質(zhì)發(fā)黑、發(fā)臭。

雖然雨水調(diào)蓄池的進(jìn)水口大多設(shè)置了攔污裝置，但只能對(duì)體積較大的污物進(jìn)行有效清理和移除，實(shí)際進(jìn)入雨水調(diào)蓄池的旱季污水和初期雨水中含有體積相對(duì)小的雜物和污泥等，積蓄時(shí)間稍長(zhǎng)，必然會(huì)沉淀、淤積。在輸送至污水處理廠時(shí)，必須對(duì)污水中的沉淀污物進(jìn)行清洗、清除，否則周而復(fù)始，污物會(huì)越積越多，不僅會(huì)影響蓄水池的有效容積，且時(shí)間長(zhǎng)污水會(huì)變黑、發(fā)臭，甚至散發(fā)出有毒、有害氣體。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

根據(jù)安徽馬鞍山地區(qū)的雨水特征，某水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目計(jì)劃在一河邊的草坪下方建設(shè)一座雨水調(diào)蓄池，可利用土地面積60m×30m，調(diào)蓄池有效容積3500m3，池長(zhǎng)45m、池寬16m、有效水深5m。

當(dāng)?shù)赝临|(zhì)具有一定的黏附性，雨水調(diào)蓄池的底部大量、長(zhǎng)期沉降時(shí)，則不易清理，在工程設(shè)計(jì)初期，綜合考慮了各種池底清洗的工藝及裝備，進(jìn)行了較詳細(xì)的對(duì)比分析。

2 幾種清洗工藝及裝備的對(duì)比分析

2.1 人工清理

該項(xiàng)目的雨水調(diào)蓄池建于河邊草坪下方，為封閉式，調(diào)蓄池中的污水輸送至污水處理廠后，池底沉積的污泥、雜物既臟又臭，甚至散發(fā)出有毒、有害氣體，如采用人工清理，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境條件差，而且存在危險(xiǎn)性。據(jù)媒體報(bào)道，常有清理管道、水池造成人員傷亡的氣體中毒事故。因此首先排除了人工清理的方法。

2.2 水力翻斗沖洗

水力翻斗沖洗是雨水調(diào)蓄工程中被廣泛應(yīng)用的一種工藝方法，主要通過(guò)蓄水勢(shì)能轉(zhuǎn)化為水力沖刷動(dòng)能[1]。

水力翻斗沖洗工藝，需將調(diào)蓄池分隔成多個(gè)長(zhǎng)廊，該工藝中的關(guān)鍵核心部件是在水池端部較高位置設(shè)置的偏心集水槽，集水槽的出水口指向調(diào)蓄池的端面墻壁，該墻壁的下方設(shè)置為弧形，弧形的尾端與池底相切連接。當(dāng)雨水調(diào)蓄池底部積泥等需要沖刷時(shí)，往水池前上端的集水槽中注水，當(dāng)集水槽滿載時(shí)，偏心的集水槽瞬間傾覆，集水全部從出水口傾瀉而出，具有較強(qiáng)大勢(shì)能的水流沿著弧形墻壁切線方向奔流，水力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的水力動(dòng)能，掀動(dòng)并卷起池底的積泥等雜物流向池尾的集水坑。完成沖洗后，水力翻斗又自動(dòng)恢復(fù)至原位，等待下一次集水沖洗。

水力翻斗沖洗方式的沖洗次數(shù)與蓄水時(shí)間長(zhǎng)短以及底部沉積物的特性有關(guān)，當(dāng)雨水調(diào)蓄池積水時(shí)間不長(zhǎng)，雜物沉積不多時(shí)，可僅進(jìn)行一次沖洗過(guò)程就達(dá)到清洗目的；但當(dāng)泥土具有一定的黏附性，雨水蓄存時(shí)間較長(zhǎng)或雜物、積泥較多時(shí)，可能需要進(jìn)行兩次甚至多次沖洗才能徹底將池底清理干凈。

2.3 拍門式?jīng)_洗

拍門式?jīng)_洗也是一種常用的調(diào)蓄池沖洗方式。拍門式?jīng)_洗一般適用于面積較大的調(diào)蓄池，尤其是長(zhǎng)度較長(zhǎng)的池形。采用拍門式?jīng)_洗工藝，需要在調(diào)蓄池的前端設(shè)置儲(chǔ)水池，尾端設(shè)置集水槽，前端儲(chǔ)水池中存儲(chǔ)的水用作調(diào)蓄池的沖洗水源。同樣，采用拍門式?jīng)_洗方式，調(diào)蓄池也需分為幾個(gè)便于沖洗的廊道，每個(gè)廊道對(duì)應(yīng)一個(gè)沖洗拍門。當(dāng)調(diào)蓄池中水排出后，打開(kāi)沖洗拍門，儲(chǔ)水池中的水瞬間沖涌而出，強(qiáng)大的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，從而將調(diào)蓄池底部沉積的雜物沖刷至調(diào)蓄池后端的集水槽中，再利用泵吸進(jìn)污水管網(wǎng)送至污水處理廠，沖洗水源排空后沖洗拍門關(guān)閉復(fù)位，等待下次蓄水沖洗。圖1為拍門式?jīng)_洗圖例。

圖1 拍門式?jīng)_洗圖例

拍門式?jīng)_洗的能耗是向儲(chǔ)水池中供水時(shí)的水泵用電，沖洗水源可以采用平時(shí)積蓄的雨水，或外部水源如中水、地下水或井水。

在該項(xiàng)目中，拍門式?jīng)_洗與水力翻斗沖洗兩沖洗方式存在同樣兩種不宜克服的缺陷：1）在蓄水的過(guò)程中，水體靜止，沒(méi)有流動(dòng)性，此過(guò)程中水體所含的雜物、泥土極易沉降、淤積，且蓄水時(shí)間越長(zhǎng)、淤積泥土的黏附性越強(qiáng)，沖洗的難度也隨之加大，沖洗一次往往達(dá)不到?jīng)_洗的目的，需多次沖洗。2）蓄水過(guò)程水體易變質(zhì)、發(fā)黑、發(fā)臭。故放棄該兩種沖洗工藝。

2.4 雙曲面攪拌機(jī)攪拌混合

雙曲面攪拌機(jī)是一種立軸式的攪拌、混合設(shè)備，其水力構(gòu)件——葉輪工作表面設(shè)有多組雙曲線型葉片，葉輪在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，雙曲線型葉片攪動(dòng)水體，使水體形成水平旋流、上下環(huán)流的立體式流態(tài)流場(chǎng)，水體中的固（污泥、雜物等）、液（水）、氣得以充分?jǐn)嚢?、混合，水體、雜物、污泥均處于流動(dòng)狀態(tài)，不致快速沉降、淤積。

雙曲面攪拌機(jī)在污水處理廠應(yīng)用較多，主要是保持水體的流動(dòng)性。目前在雨水調(diào)蓄池中的應(yīng)用也越來(lái)越多，特別是當(dāng)調(diào)蓄池中有支撐立柱時(shí)，其他沖洗工藝方法不能盡致發(fā)揮功能作用，其優(yōu)點(diǎn)突顯。

圖2是雨水調(diào)蓄池中間設(shè)有支撐立柱時(shí)應(yīng)用雙曲面攪拌機(jī)的三維流線圖。

圖2 調(diào)蓄池應(yīng)用雙曲面攪拌機(jī)的三維流線圖

從模擬結(jié)果可知，攪拌機(jī)葉輪附近混合水體流動(dòng)速度最高，其次為調(diào)蓄池底部的水體流速，水體在攪拌機(jī)葉輪的攪動(dòng)下，順葉片旋轉(zhuǎn)切線方向呈輻射狀發(fā)散，直至流動(dòng)至水池墻壁受阻或與相鄰攪拌機(jī)葉輪攪動(dòng)的水體相遇碰撞后改變速度方向，轉(zhuǎn)而向上方流動(dòng)，到達(dá)水面后又回流到攪拌機(jī)葉輪處，即雙曲面攪拌機(jī)所形成的流態(tài)為立體復(fù)合型，即水平截面為旋流，豎直截面為環(huán)流，實(shí)現(xiàn)了較好的攪拌、混合效果。調(diào)蓄池底部的水體流速較高且均勻，可有效阻止池底的固體雜質(zhì)和污泥沉降、淤積。

雙曲面攪拌機(jī)在蓄水期間間隔起動(dòng)工作的方式有效克服了雜物、污泥易沉降的缺點(diǎn)，但仍不能徹底解決水體變質(zhì)的問(wèn)題，故在該項(xiàng)目中，雙曲面攪拌工藝也不算是最優(yōu)方案。

2.5 射流沖洗

射流沖洗技術(shù)在雨水調(diào)蓄池等工程的應(yīng)用并不少見(jiàn)，射流沖洗是一種利用高速水流對(duì)池底進(jìn)行沖洗的方法。水流高速的實(shí)現(xiàn)是在同樣流量的前提下，將出水口的口徑縮小，從而將高壓低速水流轉(zhuǎn)化為低壓高速水流噴射而出，噴射出的高速水流對(duì)于被沖洗物具有很強(qiáng)的沖擊力和剝離力，故能使污泥、污垢等雜物從被附著的地面、墻體等物體上有效去除，達(dá)到?jīng)_洗、沖刷干凈的目的。

射流沖洗技術(shù)在雨水調(diào)蓄池蓄水期間，通過(guò)間歇性啟動(dòng)，高速水流不僅能攪拌水體，實(shí)現(xiàn)并保持水體的流動(dòng)性，使污泥、雜物不致快速沉降，更重要的是，射流沖洗的高速水流在噴射過(guò)程中，會(huì)形成較大的負(fù)壓，通過(guò)吸氣管吸入大量空氣輸送至調(diào)蓄池中，空氣中的氧快速傳質(zhì)、轉(zhuǎn)移至污水中，使污水中的高分子有機(jī)物得到氧化分解，同時(shí)保持污泥的活性，水體不致變質(zhì)、發(fā)黑、發(fā)臭。

射流沖洗工藝方式可以有效解決污泥快速沉降和水體變質(zhì)兩大難題，為該項(xiàng)目?jī)?yōu)選沖洗工藝方法。

3 射流沖洗攪拌曝氣裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

射流沖洗攪拌曝氣裝置不同于高壓水流沖洗裝置，高壓水流沖洗的壓力較大，一般不小于10MPa，具有一定的危險(xiǎn)性。而射流沖洗攪拌曝氣裝置屬于低壓型，尤其是應(yīng)用于雨水調(diào)蓄池，因間隙啟動(dòng)，池底的沉泥極易被沖刷，故其沖刷水流壓力不超過(guò)4MPa。

射流沖洗攪拌曝氣裝置也不同于射流曝氣裝置，射流曝氣裝置主要以曝氣充氧量為主要考核指標(biāo)，高速射流的目的是為了產(chǎn)生負(fù)壓，更好地將空氣轉(zhuǎn)移至水體中實(shí)現(xiàn)曝氣充氧。而射流沖洗攪拌曝氣裝置以沖洗為主要性能，攪拌混合為次，曝氣則為輔助功能，但這三大功能又是相輔相成的，缺一不可。

3.1 射流沖洗攪拌曝氣裝置型號(hào)確定

該項(xiàng)目計(jì)劃使用2臺(tái)7.5kW的射流攪拌曝氣裝置，配套水泵選用潛污泵50QW-25-35-7.5，額定功率7.5kW、流量25m3、揚(yáng)程35m。

3.2 射流沖洗攪拌混合裝置射流部件結(jié)構(gòu)計(jì)算

射流沖洗攪拌混合裝置射流部件主要由噴嘴、擴(kuò)散管和吸氣室三大部分組成，各部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 射流沖洗攪拌混合裝置射流部件結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 關(guān)鍵部件射流器的計(jì)算

根據(jù)射流器的特性曲線（見(jiàn)圖4），為使射流器在高效率區(qū)工作，取R=0.25；M=1.14；N=0.30。

圖4 射流器特性曲線

（1）噴嘴關(guān)鍵尺寸計(jì)算

噴嘴工作流量Q：

噴嘴的工作水頭Hc:

噴嘴的截面積A1：

式中：C—噴口流量系數(shù)，C=0.9～0.95。

噴嘴的直徑為d1：

噴嘴進(jìn)水端即接水泵供水端，一般設(shè)水流流速1m/s。

噴嘴進(jìn)水端截面積A：

噴嘴進(jìn)水端直徑D1：

噴嘴進(jìn)水端直徑D1為100mm。

噴嘴收縮段夾角θ取30°。

噴嘴收縮段長(zhǎng)度l11:

噴嘴直線段長(zhǎng)度l12:

（2）擴(kuò)散管關(guān)鍵尺寸計(jì)算

擴(kuò)散管進(jìn)口A2：

擴(kuò)散管進(jìn)口d2：

噴嘴出口到擴(kuò)散管進(jìn)口間距 l2：

擴(kuò)散管進(jìn)口直段長(zhǎng)度l31：

擴(kuò)散管角度β取8°

擴(kuò)散管出口直徑D2：

擴(kuò)散管擴(kuò)散長(zhǎng)度l32：

擴(kuò)散管進(jìn)氣端的夾角α取120°。

以上，借鑒《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版第9冊(cè)的專用機(jī)械之水射器計(jì)算公式，同時(shí)融入了設(shè)計(jì)射流沖洗攪拌曝氣裝置的經(jīng)驗(yàn)[2]。

3.2.2 射流沖洗攪拌曝氣裝置布置方式

該項(xiàng)目中的射流沖洗攪拌裝置為可旋轉(zhuǎn)掃射沖洗結(jié)構(gòu)，非固定沖洗方式。水池的中間位置設(shè)置寬5m的集水槽，集水槽兩側(cè)池底均設(shè)有底坡，兩臺(tái)射流沖洗裝置布置在集水槽中間的位置，分別向兩端坡項(xiàng)沖刷，布置型式見(jiàn)圖5。射流沖洗攪拌曝氣裝置在工作過(guò)程中抽吸水池中的污水，不需其他水源。

3.2.3 兩臺(tái)射流沖洗攪拌曝氣裝置工作過(guò)程

雨水調(diào)蓄池在蓄水和污水排往污水處理廠的過(guò)程中，兩臺(tái)射流沖洗攪拌曝氣裝置通過(guò)程序控制間歇性開(kāi)啟，沖洗裝置具有的攪拌功能使水體充分混合，保持一定的流動(dòng)性，水體中的懸浮雜物、污泥等不會(huì)快速沉降，即便污泥沉降，也不至板結(jié)；在污水全部排空前，保持沖洗裝置連續(xù)工作，從擴(kuò)散管出口處噴射出的水流具有較高的流速，對(duì)坡底積泥的沖擊力很強(qiáng)，極易將底部的污泥沖刷至中間的集水槽中。射流沖洗攪拌曝氣裝置與紅外探頭配合使用，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)沖洗，沖洗更具目的性、更徹底。

圖5 工程中兩臺(tái)射流沖洗攪拌曝氣裝置布置型式

3.2.4 曝氣充氧功能

射流沖洗攪拌曝氣裝置在工作過(guò)程中，噴嘴出口處產(chǎn)生的高速水流會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)壓，主動(dòng)從吸氣口吸入大量的空氣，空氣中的氧氣便迅速傳質(zhì)、轉(zhuǎn)移至水體中，該項(xiàng)目中的兩臺(tái)射流沖洗攪拌曝氣裝置，每小時(shí)可向水體提供4.6kg氧。充入的氧氣，一方面氧化分解水體中的有機(jī)物，另一方面也為好氧菌提供生命氧源，保持污泥的活性，使水體不致變質(zhì)、發(fā)黑、發(fā)臭。

4 結(jié)語(yǔ)

射流沖洗攪拌曝氣裝置節(jié)能、環(huán)保，清洗質(zhì)量好、效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不僅在應(yīng)用于雨水調(diào)蓄池時(shí)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，也可應(yīng)用于交通運(yùn)輸、石油、化工等行業(yè)，尤其是應(yīng)用于有毒、易燃等場(chǎng)合，因而射流沖洗攪拌曝氣裝置具有較為廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。