沉砂池设计中常见问题分析

摆敏张博

（新疆瑞祥农牧工程咨询设计院有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

沉砂池的选型要和水循环处理量相符，不同的沉砂池，在运行中所起到的效果也不同。结合沉砂池设计中的经验进行分析，并对沉砂池的种类进行说明，提出良好的设计应用，望广大同行给予指导。

1 沉砂池的作用

沉砂池是水循环处理过程中的主要设备，农业用水的处理方法多依靠于此，其排沙处理完的中水可直接用于农业生产。沉砂池对上游来水进行水质净化，清除水中存在的泥沙等固体杂质，使其达到可直接用于农田灌溉的水质标准。沉砂池造价低廉，对于水处理的实际作用却十分明显：

（1）沉砂池能很好处理水中砂砾，防止砂砾沉积磨损底层隔板。含有砂砾的水一旦进入排沙管，容易造成管道淤积堵塞和管壁磨损。缺少此类设计则会使水处理的负荷过低，造成泥沙积淤，降低蓄水容器的体积。

（2）砂砾一旦进入消化池中会使泥沙的清理周期降低。

（3）水中含砂量过大会直接影响透水运行。砂子会进入脱水机的过滤网，造成严重破坏，影响过滤效果。其次水处理中大量使用了卧螺式离心机，如果砂粒过大会加剧转筒磨损。

2 常见沉砂池型式

在我国最为常见的沉砂池种类分为平流沉砂池、曝气沉砂池、旋流沉砂池、多尔沉砂池等，这些沉砂池的应用和水循环处理技术有着直接的关系。上个世纪80年代，平流式是沉砂池的主要应用型式；90年代，随着国外水循环处理技术的发展，旋流式沉砂池应用逐渐广泛。

2.1 平流沉砂池

平流式沉砂池是使用分散性颗粒来完成沉淀。设计时须经过精密计算，确定水在沉砂池中的运行时间和砂粒的沉降时间，实现砂粒截留。因此沉砂池的池长和水的停留时间是主要的设计指标。在实际运行中，水量和含沙量的情况是不断变化的，如果水流波动巨大，平流式沉砂池仍具有除砂效果，却不能有效处理砂粒的有机物。

2.2 曝气沉砂池

曝气沉砂池的特点是通过曝气所产生的旋流进行洗砂，并且根据砂率进行有机物的分离。当砂粒直径小于0.6mm时，曝气沉砂池的优势会更加明显；当砂粒直径在0.2mm时，砂的通过率为33.5%；当砂粒直径大于0.6mm时，砂的通过率为65%。这种处理效率远远大于平流式沉砂池，同时曝气沉砂池能够很好去除油脂类物质中的浮渣。

2.3 多尔沉砂池

多尔沉砂池上方下圆，沉砂原理类似于平流式沉砂池，以表面水力负荷率为主要设计参数，池深一般小于0.9m。进水经过整流器均匀分配后进入沉砂池，然后通过溢流堰溢出。砂粒在中心驱动的刮砂机作用下进入集砂坑，由螺旋洗砂机排出被分离的有机物。多尔沉砂池在国内应用不多，相关资料有限。

2.4 旋流沉砂池

旋流沉砂池是新型的水循环处理沉砂池，设计上多采用钟氏（Jones-Attwood Jeta）和比氏（Pista）两大类。这种沉砂池在欧洲应用很广，但由于建设成本较高，国内尚不常见。

a钟氏沉砂池

钟氏沉砂池首次应用于1984年，随后，该装置在世界各地开始推广运行，就目前来看，效果较为显著。池体由分选区和集砂区两部分组成，分区之间采用倾斜坡连接。钟氏沉砂池利用机械力控制水流流态与流速，加速砂粒沉淀，保留水中有机物成分。

b比氏沉降池

比氏沉降池是圆形涡流式沉降池的原型，世界各国类似的产品很多。经过多年的运行、测试及改进，已经形成比较成熟的应用管理技术。比氏沉降池在设计中加入了气泵搅拌功能，改善了集砂斗的板结问题；将驱动管道深入到池底作为砂粒流化器，保证砂斗处于硫化状态，沉砂效果更为显著；水流在比氏沉降池中呈现涡流状态，更有利于有机物分离。

3 沉砂池设计中存在的问题

水中的砂粒不仅会磨损过滤设备，本身具备的化学性质更加明显，所以从砂粒表面的附着性上来看，沉砂池在设计要考虑如下几个问题：

（1）通过合理的水力结构设计使泥沙能够更加快捷、方便的排出，并且根据不同方式进行分离。

（2）砂粒的粒径大小差别较大，所以根据不同的粒径要采取不同的控制范围。沉砂池在设计中要考虑不同的去除率，例如，平流式沉砂池对于粗砂的去除率要远远高于曝气沉砂池。如果采用平流式沉砂池其中的曝气率较低，但是要想控制好沉砂池的滤砂等级并不现实。不同的沉砂池沉砂效率差别较大，在沉砂池设计中要进行除砂效率的确定。目前我国进行的此类试验，尚不能根据砂率的去除效率来获得相关数据，使得这种统计数据浮动较大。

（3）在设计中沉砂池的面积和沉降率有着直接的关系，例如非曝气普通沉砂池中不同的粒径沉降速度不同，但是这种速率与沉砂池的表面积有关，也就是说沉降速率越大的沉砂池，表面积一般也相应的较大。

（4）不管使用何种沉砂池，水的流速都是重要的控制数据，流速过快会使砂粒被带出，水流过慢则会使水中的有机物发生沉降。

（5）中水的成份十分复杂，油脂类物质不可能被避免，一旦处理不恰当油脂类会成为二次污染，尤其是生化发生装置的运行效率会降低。例如水中的油脂会使曝气器上的橡胶片老化，降低解氧率。另外管道上的油脂会直接影响电磁的流量准确性，所以在中水处理中沉砂池对其处理能力较弱，深受其影响。

（6）砂砾的表面会存在一种能够进行化学反应的有机物，这种有机物，会在砂砾排出前发生反应，最终影响砂砾的处理。另外砂砾的处理是有机物分离的过程，所以在砂砾的处理上根据沉砂池型式设计出相符的洗砂功能，并且配置专属的洗砂装置，在有机物的脱离上使其能够回归系统化，作为后期生化处理的主要材料。

（7）沉砂池都是采用鼓风机进行预曝气的，这种方法虽然在去除砂砾方面效果显著，还可以降解水中有机污染物，但是在我国对于中水水质处理设计能力较低，效果较差，所使用的碳源除污能力较弱，有的甚至需要使用脱磷工艺，在保证碳源的同时还需要确保厌氧环境。

（8）城市中虽然配备了水循环系统，但是根据配套设施的不同，一旦发生大量降水，沉砂池可能出现逆灌现象，这些问题在沉砂池的选型和设计中应重点考虑。

（9）除砂设备种类繁多，经过多年设计优化，不断在更新。尤其是新型的泵吸式除砂机更能体现出设备运行的稳定性，这种特点对于水循环处理来说十分重要，水循环处理设计时要考虑整体的使用寿命。因此在设计过程中，对于沉砂池不能仅仅以一个单体形式来限定思考范围，要综合其各个方面优势来考量，结合实地情况，最终选择最优型式。

4 实例分析

4.1 项目简介

《福海县小洼槽草料基地项目》投入8300万，建成5.6万亩饲草料地。主体工程包括引水、沉砂池、输水、配水、田间滴灌系统，路网、导洪泄洪及配套建筑物等。

沉砂池位于引额济乌总干渠苏鲁沟退水闸出流段末端（经水库沉降，水质较优），是该项目的引水部分的骨干工程，利用地形落差可实现项目区自压滴灌，满足田间灌溉用水要求，包括进水闸、进水池、清淤坡道、退水渠四部分。

4.2 设计要求

（1）沉砂池所选位置高程须满足自压滴灌系统运行的设计压力；

（2）系统运行时尽量提取沉砂池表层水，灌溉季节结束后，及时清淤；

（3）沉砂池设计流量须满足灌溉系统所需流量并保证充足的泥沙沉降时间；

（4）水质沉淀标准应满足滴灌运行要求。

4.3 设计要素

沉砂池设计型式为平流式，由于水质较优，水在池内的停留时间可取2h，表面负荷率为1.7m/h，C0=2.7kg/m3，沉砂池水流的水平流速v0=56m/h，沉砂池设计流量8092.44m3/h，泥沙容重1780kg/m3。

沉砂池表面积：AC=Q/V=4760.26m2；

沉砂池长度：Lc=vTt=56×2m=112；沉砂池长度取140m；

沉砂池宽度：BC=AC/LC=42.5m；

有效水深：Hy=QTt/AC=3.4m;

存泥深度：Hn=QCT/γAC=0.4m；

沉砂池深度：Hc=Hy+Hn+Δ=0.5+3.4+0.4m=4.3m。

4.4 沉砂池参数

沉砂池为梯形开敞结构，有效容积4.78万m3。池堤为碾压式土坝，断面为梯形，堤顶宽4m,池顶高程518.4m，池底高程514.1m，池深 4.3m；内坡系数1∶2，外坡系数 1∶1.5；池顶开口长148.6m，宽97.2m。沉砂池地形东北高，西南低，坡降1‰。底板15cm C25砼板衬砌厚，其下依次为2布1膜、厚5cm细砂、厚40cm砂砾石垫层。清淤坡道长25.8m，宽4m，坡面为锯齿状，以增加对车轮的摩擦力。

4.5 应用评价

该项目采用的沉砂池型式为国内应用较多的平流式，技术成熟、成本较低，沉砂效果明显，符合当地的实际情况，能够有效达到滴灌系统的水质要求标准。

5 结束语

文章通过对沉砂池作用、种类的介绍，并结合实际设计中存在的问题分析，得出结论：考虑到成本支出，现阶段平流式沉砂池在我国的应用范围较广，有很大的提升空间。通过合理的设计，严格控制施工质量，优化运行管理，平流式沉砂池的沉砂效果完全能够满足喷滴灌等主流节水工程运行的水质要求，沉砂效果较为显著。新型的旋流沉砂池和多尔沉砂池现阶段应用较少，将来可能作为沉砂池设计的优选方向。我们必须加强对沉砂池的型式、沉砂效果、有机物分离技术等多方面的系统研究提高水循环的处理效率，使该项技术更加合理、实用。陕西水利

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