馬倩倩，蔡 欣，丁怡斐

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

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旋流分離器在合流制溢流污染控制中的應(yīng)用進(jìn)展

馬倩倩，蔡 欣，丁怡斐

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

摘要：指出了合流制溢流污水嚴(yán)重地影響著水環(huán)境質(zhì)量和水生生態(tài)系統(tǒng)安全，在合流制溢流污染的末端控制中，旋流分離器因占地面積小、建設(shè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)在歐美等國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)目前尚處于起步階段。檢索了3種在歐美廣泛使用的旋流分離器(Storm King、EPA旋流濃縮器、FluidsepTM)的應(yīng)用，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)、進(jìn)水水質(zhì)特性等對(duì)旋流分離器分離效果的影響，并探討了我國(guó)應(yīng)用旋流分離器的可行性及需要重視的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：合流制溢流污染；旋流分離器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；操作參數(shù)；進(jìn)水水質(zhì)特性

1引言

合流制排水系統(tǒng)是城市排水系統(tǒng)的主要形式之一，目前許多大城市的老城區(qū)多屬于合流制排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)將城市生活污水、工業(yè)廢水、雨水混合在同一管道內(nèi)排出。合流制排水系統(tǒng)在降雨期間，易發(fā)生雨污混合水溢流排放入受納水體，這種現(xiàn)象稱(chēng)為合流制溢流污染[1]。合流制溢流污染劇烈或緩慢，直接或非直接地影響著水質(zhì)及水生生態(tài)系統(tǒng)[2，3]。許多發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)60、70年代起就開(kāi)始研究合流制溢流污染的控制措施[4～6]。這些控制措施可歸結(jié)為源頭控制、管道系統(tǒng)控制、中途調(diào)蓄控制、末端控制[7]，每個(gè)控制環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，相輔相成。

在合流制溢流污染的末端控制中，有很多措施被不斷提出來(lái)，如傳統(tǒng)的調(diào)蓄池，人工濕地、植草溝、植被過(guò)濾帶、入滲溝等生態(tài)處理措施，以及旋流分離器、混凝沉淀等純粹的物理化學(xué)措施[8～11]。在眾多合流制溢流污染的控制措施中，旋流分離器(Hydrodynamic Vortex Separators，HVS)因其占地面積小、建設(shè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)在歐美等國(guó)家被廣泛使用[12]，而在我國(guó)鮮少有應(yīng)用案例。

旋流分離器的發(fā)展歷史可追溯到20世紀(jì)60年代，Bernard Smisson在英國(guó)建造并測(cè)試了旋流分離裝置的雛形，并用于處理合流制溢流污水[13]。此后到20世紀(jì)90年代，不同形式的旋流分離器被開(kāi)發(fā)且多用于合流制溢流污染的控制，這類(lèi)設(shè)施都擁有一個(gè)底流部件用于收集底部的沉積顆粒，并通過(guò)管網(wǎng)系統(tǒng)輸送至污水處理廠(chǎng)。

2旋流分離器的原理

旋流分離器是利用離心沉降原理從懸浮液中將兩相(或多相)介質(zhì)進(jìn)行分離、分級(jí)或分選的一種設(shè)備。設(shè)備主體是由圓筒和圓錐兩部分組成，懸浮液經(jīng)入口管沿切向進(jìn)入圓筒，向下作螺旋形運(yùn)動(dòng)，固相顆粒在離心力的作用下具有向旋流器壁沉降的趨向。粗顆粒由于受到較大的離心力作用,向旋流器壁面運(yùn)動(dòng)并隨外旋流從旋流器底部排出形成底流，細(xì)顆粒則由于所受的離心力較小，來(lái)不及沉降就隨內(nèi)旋流從溢流管排出形成溢流。通過(guò)底流和溢流從而進(jìn)行不同介質(zhì)的分離[14]。

3旋流分離技術(shù)

旋流分離最初的水力設(shè)計(jì)是由Bernard Smisson在英國(guó)的布里斯托爾以“圓形的堰”這個(gè)概念提出來(lái)的，在沒(méi)有足夠的空間和資金建設(shè)一個(gè)側(cè)長(zhǎng)堰(a long lateral weir)的條件下，他期望通過(guò)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到一個(gè)經(jīng)濟(jì)的溢流堰長(zhǎng)度。然而，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中他發(fā)現(xiàn)這個(gè)裝置能濃縮和轉(zhuǎn)移70%的合流制溢流污水中的沉淀顆粒物，同時(shí)只有30%的污水會(huì)送入下級(jí)處理單元[15]。該技術(shù)從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始應(yīng)用，隨后不斷得到改進(jìn)，目前在合流制溢流污染中最常用的3種技術(shù)為Storm King?旋流分離器、EPA旋流濃縮器、FluidsepTM旋流分離器。

3.1Storm King?旋流分離器

Storm King?Overflow是在Bernard Smisson建造的旋流分離器的雛形上改造開(kāi)發(fā)而來(lái)的，后由英國(guó)的Hydro公司申請(qǐng)專(zhuān)利并商業(yè)化。

該裝置的兩個(gè)特別的構(gòu)造，一是進(jìn)水導(dǎo)流板(Inlet Deflector Plate)，當(dāng)來(lái)水進(jìn)入裝置后，通過(guò)導(dǎo)流板可以減少水頭損失，另外可以讓更多的流體參與旋流，避免短流；二是錐形板(the Cone)，可以減少沉積物的再懸浮[16](圖1)。

研究者[17]在實(shí)際的降雨情況下，將Storm King?Overflow旋流分離器和溢流堰進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)需要較高的處理效率時(shí)儲(chǔ)存作用主導(dǎo)決定著去除效率，尤其是當(dāng)初期效應(yīng)出現(xiàn)時(shí)。當(dāng)初期效應(yīng)出現(xiàn)，顆粒物的去除效率是50%時(shí)，對(duì)于旋流分離器而言幾乎30%的去除

效果是由儲(chǔ)存作用完成的，而對(duì)溢流堰來(lái)說(shuō)，這種效果最多只占到15%。當(dāng)沒(méi)有初期效應(yīng)時(shí)，兩者占的比例分別是12%和3%。當(dāng)需要更好的處理效果時(shí)，結(jié)構(gòu)越緊湊的旋流分離器是相比于溢流堰的一個(gè)更好的選擇。簡(jiǎn)單的建設(shè)成本評(píng)估也支持這個(gè)結(jié)論：當(dāng)處理效率高于70%時(shí)，旋流分離器比溢流堰更經(jīng)濟(jì)。

Storm King?Overflow不能去除不可沉的懸浮固體,而這類(lèi)懸浮固體的粒徑通常小于10 μm[18]。在旋流分離器里能被去除的懸浮固體的沉降速度為0.1～0.14 cm/sec，而當(dāng)顆粒的沉降速度小于這個(gè)范圍時(shí)則不能被有效地去除[19，20]。根據(jù)斯托克斯定律，20 ℃時(shí)，在這個(gè)沉降速度范圍內(nèi)密度為2.65 g/cm3的球形顆粒的粒徑約為68 μm[21]。

綜上可知，旋流分離器對(duì)顆粒物的分離效果和進(jìn)水水質(zhì)特性相關(guān)，主要表現(xiàn)為懸浮固體的沉降性能，而懸浮固體的沉降性能又主要和顆粒物的粒徑、密度相關(guān)。假設(shè)顆粒物的密度為2.65 g/cm3，Storm King?不能有效去除<68 μm的顆粒物。

3.2EPA旋流濃縮器

EPA從20世紀(jì)70年代起就對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋流分離器的原型進(jìn)行一系列的試驗(yàn)和運(yùn)行研究，以確定最佳的構(gòu)造和尺寸，達(dá)到對(duì)合流制溢流污水處理的最大固液分離效果[22]，最終形成了EPA旋流濃縮器，見(jiàn)圖2。

EPA旋流濃縮器設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)，一是流量控制，另一是固體分離。Richard H. Sullivan,James E.Ure[15]等基于模型系統(tǒng)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了EPA旋流濃縮器的設(shè)計(jì)步驟：①選擇設(shè)計(jì)流量和固體去除率；②選擇進(jìn)水口直徑D1，旋流器直徑D2；③檢查旋流分離器在使用期間覆蓋到的流量范圍；④核對(duì)去除率、污水流量；⑤計(jì)算出旋流器的其他相關(guān)尺寸；⑥修正尺寸和污水流量。

在意大利的Syracuse，一投入使用的EPA旋流濃縮器的設(shè)計(jì)流量23.4 m3/min，設(shè)計(jì)去除率90%，直徑D2為3.7m，D2/D1=0.25，由此得到該旋流器的設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為130.65 m/h。研究者對(duì)該旋流分離器進(jìn)行了為期兩年的降雨監(jiān)測(cè)，當(dāng)流量從0.54～20.5 m3/min變化時(shí)，TSS的質(zhì)量負(fù)荷去除率的變化范圍為33%～82%，濃度去除率的變化范圍是18%～55%。TSS的去除率和降雨時(shí)間及流量相關(guān)：當(dāng)降雨剛開(kāi)始污染物濃度逐漸升高以及降雨快結(jié)束流量開(kāi)始下降時(shí)，SS的去除率較高。這是因?yàn)殡S著進(jìn)水SS濃度的增加，SS質(zhì)量負(fù)荷增加的趨勢(shì)減緩。且當(dāng)進(jìn)水SS濃度高于250 mg/L時(shí)，SS總負(fù)荷去除率將高于50%。相對(duì)應(yīng)地，BOD5的質(zhì)量負(fù)荷去除率的變化范圍是50%～82%，濃度去除率的變化范圍為29%～79%。同樣地，當(dāng)BOD5的進(jìn)水濃度高時(shí)，去除率相應(yīng)也會(huì)增加[15]。

綜上可知，旋流分離器對(duì)顆粒物的分離效果和進(jìn)水污染物的濃度相關(guān)，主要和進(jìn)水SS濃度相關(guān)。

3.3FluidsepTM旋流分離器

20世紀(jì)80年代旋流分離器在歐洲得到了廣泛且深入的發(fā)展。德國(guó)相關(guān)研究人員對(duì)旋流分離器進(jìn)行了降低高流量紊流擾動(dòng)的研究，后申請(qǐng)專(zhuān)利并商業(yè)化—FluidsepTM，如圖3所示。此旋流分離器主要由柱狀的旋流室、切向進(jìn)水管、底流管、圓弧形傾斜底部和頂部溢流管構(gòu)成，不需要較多的維護(hù)工作，沒(méi)有類(lèi)似堵塞沉淀物累積等問(wèn)題出現(xiàn)。

20世紀(jì)80年代末在德國(guó)南部靠近博登湖(Lake Constance)的一個(gè)小村莊Tengen建造了兩個(gè)并列軸對(duì)稱(chēng)的FluidsepTM旋流分離器，該旋流分離器直徑為3 m，高4.2 m。

研究者對(duì)FluidsepTM進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，合流制排水系統(tǒng)最初溢流的那部分污水以及有初期效應(yīng)的污水能被儲(chǔ)存在旋流分離器中而不溢流至受納水體。當(dāng)旋流分離器開(kāi)始溢流時(shí)，進(jìn)水已經(jīng)被雨水稀釋?zhuān)?dāng)?shù)琢髁繛?5%時(shí)，49%的總固體，64%的可沉淀固體和43.5%的COD能被輸送至污水處理廠(chǎng)。對(duì)旋流分離器底流中的顆粒物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒物粒徑>30μm時(shí)旋流分離器有較好的去除效果[23]。

Pisano,W.C和Brombach[24]在5場(chǎng)不同的降雨事件下研究，F(xiàn)luidsepTM對(duì)TSS的去除效率為32%～91%，這和不同的底流率相關(guān)。當(dāng)表面水力負(fù)荷在50～150 m/h時(shí)，F(xiàn)luidsepTM底流的固體濃度約是上清液的兩倍，能達(dá)到較好的固體去除效果。在同樣的水力條件下，和常規(guī)的調(diào)蓄池相比，F(xiàn)luidsepTM對(duì)固體的去除效果能提高約40%。

可知，F(xiàn)luidsepTM的工作狀態(tài)和去除效果受進(jìn)水影響大，不同的降雨類(lèi)型所形成的不同進(jìn)水流量及水質(zhì)都影響著它對(duì)顆粒物的分離效果。

4結(jié)語(yǔ)

旋流分離器對(duì)顆粒物的去除效果和諸多因素相關(guān)，主要是旋流分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)和進(jìn)水水質(zhì)等。當(dāng)旋流分離器的構(gòu)造參數(shù)確定后，旋流分離器的效果受到時(shí)空差異性、降雨特性影響而表現(xiàn)不同，但作為一種在排水系統(tǒng)末端有效的污染控制措施，其在國(guó)外已得到一定范圍的應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)目前尚未有工程實(shí)施案例。

由于旋流分離器的流場(chǎng)是復(fù)雜且多變的，正是流場(chǎng)的不同導(dǎo)致顆粒物在旋流分離器中的運(yùn)動(dòng)軌跡不同故而表現(xiàn)出去除效果的差異性?？梢岳糜?jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，模擬評(píng)估旋流分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)的影響，預(yù)測(cè)顆粒物的去除效果；由于實(shí)際降雨的不確定性和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)研究的困難，可通過(guò)配水實(shí)驗(yàn)來(lái)討論進(jìn)水水質(zhì)特性(包括懸浮固體的濃度、粒徑分布、密度等)的分離效果。受實(shí)際降雨的多樣性和復(fù)雜性的影響，旋流分離器進(jìn)水水質(zhì)差異性較大，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行全面的分離效果評(píng)估。

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文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0068-03

中圖分類(lèi)號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：馬倩倩(1991—)，女，河南焦作人，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。

收稿日期：2015-12-24

資金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(編號(hào)：2014ZX07303003)