1.比氏沉砂池

比氏沉砂池为20世纪60年代的产品，堪称圆形涡流式沉砂池的原型，在很多国家都出现了类似的产品。经过40多年的运行、测试及改进，现已发展成为如图1所示的第二代池形结构。由分选区和集砂区两部分构成，其特点是分区之间没有斜坡过度采用360°直进直出的方式，其水力条件更为改善。

比氏沉砂池包括轴向螺旋桨搅拌器及驱动装置、砂泵、真空启动装置、涡流砂粒浓缩器、螺旋砂水分离输送机、就地控制机等。比氏沉砂池采用涡流原理，含砂污水在经过平而直的自由液面进水渠道后，使得水的紊流减到最低。进水渠末端是一个能产生附壁效应的斜坡，可使部分已经沉降于渠道内的砂粒顺斜坡进入池底集砂区；还设有一个档板，使水流及砂子进入沉砂池时向池底流行。设在池中的轴向螺旋桨以一定的转速形成螺旋状环流，因而强化了砂粒沉降的附壁效应。砂粒在重力和涡流而产生的离心力共同作用下，向池内壁密集，并下滑沉至池底集砂区。由于螺旋桨产生的涡流，愈靠池中心，水流断面半径愈小，池内水流从池壁至池中心由慢至快旋流，最终将集砂区的沉砂卷扫于砂斗。而较轻的有机物在涡流中心与砂粒分离。池内的螺旋状环流在池壁处向下，到池中则向上，加上螺旋桨的作用，有机物在池中心部位向上升起，并随出水流至后续处理构筑物，从而完成了砂水分离的全过程。其除砂效率可用下式表示，

，

式中，为圆形沉砂池半径，m；为圆形集砂区半径，m；为含砂水流与不含砂水流交界处的半径，m；为水的运动粘滞系数，20℃时，=0.01010cm2/s；为砂粒的密度，2. 65×103kg/m3；为水的密度，1.00×103kg/m3；为砂粒直径，mm；为池中螺旋桨的转速，即池中螺旋状环流速度，m/s；为砂粒从池入口沉向集砂区的沉降弧度，一般取5π/3。

比氏沉砂池推荐采用砂泵从集砂区排砂，以与第二级的旋流浓缩器(Grit Concentrator)配套，达到极高的有机物分离效果；再者用砂泵也较灵活，不受提升高度及距离限制。比氏沉砂池的参考尺寸和驱动功率如表1所示。

表1 比氏沉砂池的参考尺寸和驱动功率列表

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                      

图1  比氏沉砂池的结构与工作原理示意图

控制池中螺旋桨的转速，从而控制螺旋状环流的速度，是保证圆形涡流式沉砂池除砂效率的关键。从国内各涡流沉砂池的运行情况来看，尽管螺旋桨的转速可调，但由于各污水厂进水水质的差异、具体工艺流程的不同、涡流沉砂池规格型号各异及进水水位和流速的变化，而运行管理人员也未能及时调控和摸索最佳的运行参数，是导致该类沉砂池未能正常运行的主要原因。

最新的第三代Pista 360°涡流沉砂池具有一条封闭的15°倾角的进水涵。沉砂池进水以充满流进入，进水渠末端与沉砂池的分选区池底平接，有效地保证已经在渠道中沉底的砂粒直接滑入沉砂池底。水流靠自身的动能作用而在池内形成旋流，同时在中心轴向桨板的定速旋转驱动下于中部形成一个向上的推动力，使水流在垂直面亦形成环流。在垂面环流和射流的共同作用下，水流在沉砂池中以螺旋状前进，砂粒在离心力作用下撞向池壁沿水流滑入池底。积于池底的砂粒由于垂面环流的水平推动作用向池中心汇集跌入积砂斗，部分较轻的有机物则在中部上升水流的作用下重新进入水中。水流在分选区内回转一周(360°)后，进入与进水渠同流向但位于分选区上部的出水渠道。进、出水口之间则以一道弓型的水平隔板分隔以防止短流，大大减小了出水对分选区下部积砂区的影响，有效防止已沉下的砂又重新被带入出水之中。进水、出水在流程上呈360°流线型分布，使得水流在分选区内部进行了360°回转，延长了旋流流程(比早期池型延长了90°的流程)，提高了除砂效果，同时也使得沉砂池整体的布置更加顺畅、简洁,进、出水的水力条件更好。去除的沉砂跌入砂斗盖板中心的开孔并存于砂斗内，为防止砂粒板结,桨板驱动轴下端的叶片砂粒流化器不停搅动，砂粒便定时由砂泵抽出池外。

第三代Pista 360°仅利用水力自然形成的环流有效地除砂，采用轴流式浆板定速运行，可调节有机物的分离效果，但对于池内的水平环流没有调节作用，因此控制进水流速是影响其处理效果的关键因素。其工作流态为，在垂面环流和射流的共同作用下，水流在池中以螺旋状前进，砂粒在离心力作用下撞向池壁沿水流滑入池底。理想的设计进水流速宜选用平均流量(3/5～4/5设计流量)时的进水流速0.6～0.9 m/s。根据S&L公司提供的资料，该种沉砂池在峰值流量(0.38～26.5万m3/d)下，当d≥0.297mm时，η≥95%；0. 211 mm < d < 0.297mm，η≥85%；0. 149mm≤d≤0.211mm，去除率η≥65%；对d = 0. 11 mm的细砂，η可达73%。

 

2.钟氏沉砂池

钟氏沉砂池为1984年的专利产品，在众多的仿比氏沉砂池中最具代表性，目前已有750多套装置在世界各地运行。如图2所示，池体主要由分选区和集砂区两部分构成，其构造特点是在两个分区之间采用斜坡连接。虽然不同的国外公司在此典型结构的基础上开发出了多种多样的变型，但其变化主要集中在斜坡的倾斜度及搅拌桨的型式上，就砂粒的沉降机理来说应当并无多大差别。

钟氏沉砂池由减速电机、减速箱、叶片驱动杆、转盘叶片、空气提升和空气冲洗系统、吸砂管及平台钢梁组成。水流流经进水渠(较比氏为短) 从切线方向进入沉砂池，由驱动装置带动叶片旋转，加速池中的污水作螺旋运动，污水中的砂粒受冲刷并在离心力与重力的作用下沿池壁下沉。分选区水流分为两个环流；内环在叶轮推动下向上流动，外环则基本保持静止。砂粒以重力沉降到外环的斜底上，并顺斜坡滑入集砂区；轻的有机物则在径向叶轮的推力作用下与砂粒分离，随水流漂走进入下道工序。沉入池底的砂经空气提升或泵提升后，进入砂水分离器，实现彻底的砂水分离，上清液回流至格栅井或沉砂池。另外由于叶轮的旋转，减少了旋流池因进水量变化导致流态变化的敏感程度，因此保证了沉砂池效果的稳定，出砂的有机成分低。

图2 钟氏沉砂池的结构尺寸及工作原理示意图

钟氏沉砂池的池底为斜底，没有盖板。由于没有涡流水流的带动，沉降的砂粒惟有通过斜坡自行滑入集砂区。倾斜度的要求及池深的限制迫使集砂区开孔只能在其圆周上，而下滑的粘附着有机物的砂粒在进入集砂区之前，只同叶轮擦了一下边，所以主要还是靠重力分离。

钟氏沉砂池的排砂方式如图3所示，推荐选用气提装置从集砂区排砂，第一个原因与砂泵很难做到质量过硬有关，砂泵寿命远不能与气动装置相比(比氏特别强调自己开发的镍硬质合金砂泵有高耐磨性)；第二个原因可能是气提装置能方便地兼用于“砂清洗”过程，即气提前先用空气将砂冲散，使有机物分离。钟氏沉砂池的结构尺寸如表2所示。

 

图3 钟氏沉砂池的排砂方式

表2 钟氏沉砂池的参考尺寸列表

 

对于所有的旋流式沉砂池来说，虽然其池体占地面积很小，但由于其对进出水渠道的长度都有较严格的要求，因此在布置上仍会占用一定的面积。另外其共有的一个特点是对进水流速有一个范围要求，由此可以反映出这类沉砂池对于水量的变化实际上有较严格的适用范围。比氏特别提出如污水厂初期水量达不到设计规模时，其进水流速必须大于0.61 m/s，以保证砂粒不沉积。

　　采用此类沉砂池时，对细格栅的运行效果要求较其他沉砂池为高。如果格栅运行不正常，带入的布条、树枝等易导致搅拌桨的损坏；同时由于提砂方式为砂泵或气提，以上物体极易造成这类排砂设备及管路的堵塞，导致设备无法正常运行。