旋流分離器在合流制溢流污染控制中的應用進展

馬倩倩，蔡 欣，丁怡斐

(同濟大學 環境科學與工程學院，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用進展

馬倩倩，蔡 欣，丁怡斐

(同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092)

摘要：指出了合流制溢流污水嚴重地影響著水環境質量和水生生態系統安全，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、建設費用低等優點在歐美等國家得到了廣泛應用，但國內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)的應用，分析了結構參數、操作參數、進水水質特性等對旋流分離器分離效果的影響，并探討了我國應用旋流分離器的可行性及需要重視的問題。

關鍵詞：合流制溢流污染；旋流分離器；結構參數；操作參數；進水水質特性

1引言

合流制排水系統是城市排水系統的主要形式之一，目前許多大城市的老城區多屬于合流制排水系統，該系統將城市生活污水、工業廢水、雨水混合在同一管道內排出。合流制排水系統在降雨期間，易發生雨污混合水溢流排放入受納水體，這種現象稱為合流制溢流污染[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及水生生態系統[2，3]。許多發達國家自20世紀60、70年代起就開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為源頭控制、管道系統控制、中途調蓄控制、末端控制[7]，每個控制環節都至關重要，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，如傳統的調蓄池，人工濕地、植草溝、植被過濾帶、入滲溝等生態處理措施，以及旋流分離器、混凝沉淀等純粹的物理化學措施[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、建設費用低等優點在歐美等國家被廣泛使用[12]，而在我國鮮少有應用案例。

旋流分離器的發展歷史可追溯到20世紀60年代，Bernard Smisson在英國建造并測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90年代，不同形式的旋流分離器被開發且多用于合流制溢流污染的控制，這類設施都擁有一個底流部件用于收集底部的沉積顆粒，并通過管網系統輸送至污水處理廠。

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)介質進行分離、分級或分選的一種設備。設備主體是由圓筒和圓錐兩部分組成，懸浮液經入口管沿切向進入圓筒，向下作螺旋形運動，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,向旋流器壁面運動并隨外旋流從旋流器底部排出形成底流，細顆粒則由于所受的離心力較小，來不及沉降就隨內旋流從溢流管排出形成溢流。通過底流和溢流從而進行不同介質的分離[14]。

3旋流分離技術

旋流分離最初的水力設計是由Bernard Smisson在英國的布里斯托爾以“圓形的堰”這個概念提出來的，在沒有足夠的空間和資金建設一個側長堰(a long lateral weir)的條件下，他期望通過水力學實驗得到一個經濟的溢流堰長度。然而，在實驗過程中他發現這個裝置能濃縮和轉移70%的合流制溢流污水中的沉淀顆粒物，同時只有30%的污水會送入下級處理單元[15]。該技術從20世紀60年代就開始應用，隨后不斷得到改進，目前在合流制溢流污染中最常用的3種技術為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發而來的，后由英國的Hydro公司申請專利并商業化。

該裝置的兩個特別的構造，一是進水導流板(Inlet Deflector Plate)，當來水進入裝置后，通過導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]在實際的降雨情況下，將Storm King?Overflow旋流分離器和溢流堰進行對比，發現當需要較高的處理效率時儲存作用主導決定著去除效率，尤其是當初期效應出現時。當初期效應出現，顆粒物的去除效率是50%時，對于旋流分離器而言幾乎30%的去除

效果是由儲存作用完成的，而對溢流堰來說，這種效果最多只占到15%。當沒有初期效應時，兩者占的比例分別是12%和3%。當需要更好的處理效果時，結構越緊湊的旋流分離器是相比于溢流堰的一個更好的選擇。簡單的建設成本評估也支持這個結論：當處理效率高于70%時，旋流分離器比溢流堰更經濟。

Storm King?Overflow不能去除不可沉的懸浮固體,而這類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，而當顆粒的沉降速度小于這個范圍時則不能被有效地去除[19，20]。根據斯托克斯定律，20 ℃時，在這個沉降速度范圍內密度為2.65 g/cm3的球形顆粒的粒徑約為68 μm[21]。

綜上可知，旋流分離器對顆粒物的分離效果和進水水質特性相關，主要表現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。假設顆粒物的密度為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70年代起就對標準旋流分離器的原型進行一系列的試驗和運行研究，以確定最佳的構造和尺寸，達到對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，見圖2。

EPA旋流濃縮器設計的目的有兩個，一是流量控制，另一是固體分離。Richard H. Sullivan,James E.Ure[15]等基于模型系統的試驗經驗數據，提出了EPA旋流濃縮器的設計步驟：①選擇設計流量和固體去除率；②選擇進水口直徑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核對去除率、污水流量；⑤計算出旋流器的其他相關尺寸；⑥修正尺寸和污水流量。

在意大利的Syracuse，一投入使用的EPA旋流濃縮器的設計流量23.4 m3/min，設計去除率90%，直徑D2為3.7m，D2/D1=0.25，由此得到該旋流器的設計表面負荷為130.65 m/h。研究者對該旋流分離器進行了為期兩年的降雨監測，當流量從0.54～20.5 m3/min變化時，TSS的質量負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的去除率和降雨時間及流量相關：當降雨剛開始污染物濃度逐漸升高以及降雨快結束流量開始下降時，SS的去除率較高。這是因為隨著進水SS濃度的增加，SS質量負荷增加的趨勢減緩。且當進水SS濃度高于250 mg/L時，SS總負荷去除率將高于50%。相對應地，BOD5的質量負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BOD5的進水濃度高時，去除率相應也會增加[15]。

綜上可知，旋流分離器對顆粒物的分離效果和進水污染物的濃度相關，主要和進水SS濃度相關。

3.3FluidsepTM旋流分離器

20世紀80年代旋流分離器在歐洲得到了廣泛且深入的發展。德國相關研究人員對旋流分離器進行了降低高流量紊流擾動的研究，后申請專利并商業化—FluidsepTM，如圖3所示。此旋流分離器主要由柱狀的旋流室、切向進水管、底流管、圓弧形傾斜底部和頂部溢流管構成，不需要較多的維護工作，沒有類似堵塞沉淀物累積等問題出現。

20世紀80年代末在德國南部靠近博登湖(Lake Constance)的一個小村莊Tengen建造了兩個并列軸對稱的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FluidsepTM進行研究發現，合流制排水系統最初溢流的那部分污水以及有初期效應的污水能被儲存在旋流分離器中而不溢流至受納水體。當旋流分離器開始溢流時，進水已經被雨水稀釋，當底流量為45%時，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。對旋流分離器底流中的顆粒物進行分析發現，當顆粒物粒徑>30μm時旋流分離器有較好的去除效果[23]。

Pisano,W.C和Brombach[24]在5場不同的降雨事件下研究，FluidsepTM對TSS的去除效率為32%～91%，這和不同的底流率相關。當表面水力負荷在50～150 m/h時，FluidsepTM底流的固體濃度約是上清液的兩倍，能達到較好的固體去除效果。在同樣的水力條件下，和常規的調蓄池相比，FluidsepTM對固體的去除效果能提高約40%。

可知，FluidsepTM的工作狀態和去除效果受進水影響大，不同的降雨類型所形成的不同進水流量及水質都影響著它對顆粒物的分離效果。

4結語

旋流分離器對顆粒物的去除效果和諸多因素相關，主要是旋流分離器的結構參數、操作參數和進水水質等。當旋流分離器的構造參數確定后，旋流分離器的效果受到時空差異性、降雨特性影響而表現不同，但作為一種在排水系統末端有效的污染控制措施，其在國外已得到一定范圍的應用，但國內目前尚未有工程實施案例。

由于旋流分離器的流場是復雜且多變的，正是流場的不同導致顆粒物在旋流分離器中的運動軌跡不同故而表現出去除效果的差異性。可以利用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)和實驗相結合的方法，模擬評估旋流分離器結構參數和操作參數的影響，預測顆粒物的去除效果；由于實際降雨的不確定性和實際現場研究的困難，可通過配水實驗來討論進水水質特性(包括懸浮固體的濃度、粒徑分布、密度等)的分離效果。受實際降雨的多樣性和復雜性的影響，旋流分離器進水水質差異性較大，需要結合實際應用進行全面的分離效果評估。

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文章編號：1674-9944(2016)02-0068-03

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

作者簡介：馬倩倩(1991—)，女，河南焦作人，同濟大學環境科學與工程學院碩士研究生。

收稿日期：2015-12-24

資金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(編號：2014ZX07303003)