基于大中型雨水调蓄池冲洗系统的优化研究

叶昕 李善庭 王春兰 杨喆

(1.蓝深集团股份有限公司 南京 211500； 2.机械工业环保产业发展中心 北京 100045)

0 引言

雨水调蓄池主要是把合流制排水系统溢流污染物、分流制排水系统排放初期已成为较高的溢流污染雨水以及初期雨水暂时储存在调蓄池中，待污水处理厂负荷不满时，再将储存的雨污水通过污水管道输送至污水处理厂进行处理，以达到控制面源污染、保护水体水质的目的。

由于初期雨水径流中携带着大量的污染物，虽然在雨水调蓄池的前端设置了相应的拦污截留装置，但对于体积较小的污染物以及纤维物质仍然会随雨水通过格栅间歇进入到池内。经过一段时间后会沉积在池底，如果不及时进行清理，不但会造成污染物缺氧变质、发黑变臭，散发有毒有害气体，影响环境和人员身体健康，而且底部的沉淀物会越积越多影响调蓄池的功效。因此，在设计雨水调蓄池时必须考虑对池底污物进行冲洗和清除，以保证调蓄池的可靠使用。目前调蓄池的冲洗方法多种多样、各有利弊[1]，通常采用的冲洗方法主要有人工冲洗、移动设备冲洗、水射器冲洗、搅拌机冲洗、水力翻斗冲洗、连续沟槽自冲洗、门式冲洗、真空冲洗等。

1 几种冲洗方式的比较

1.1 人工冲洗和移动设备冲洗

这两种方式只能适用于敞开式雨水调蓄池的冲洗，前者无需机械设备，成本较低，劳动强度大；后者投资省，劳动强度低，维护保养方便。当操作人员进入到地下封闭式雨水调蓄池时，由于存在有毒有害气体，工作环境差，不安全因素多，极易发生人员窒息、中毒等安全事故。

1.2 水射器冲洗

水射器冲洗是利用含有空气的高速水流对雨水调蓄池底部的沉淀物进行冲洗的方法。该装置主要由旋转驱动器、旋转接头、水泵和射流装置等组成，射流装置可在一定角度范围内旋转，主要由混合室、喷嘴、扩散管和进气管等构成。水泵产生的高压水流在喷嘴的出口变换成高速水流，高速水流在混合室产生负压，液面上的空气通过进气管被吸入混合室与液体混合后从扩散管高速喷出，实现对调蓄池污水进行冲洗、曝气充氧和搅拌功能。

图1是水射器现场安装图。该方法适用于大部分池型，高速水流不仅可以在液位较低时对池底沉淀物进行冲洗，而且可以在雨水调蓄池液位较高时保持水体的流动性，使污泥及固体物质不致快速沉淀。同时对液体进行充氧，使污水中的有机物得到氧化分解，提高水体的自身净化能力，有效减少有毒有害气体的产生，保障泵站环境和人员健康。缺点是需要建造储水池以及配置相关设备，防腐要求高，运行成本较高，因设备布置在调蓄池的中上游，上游部位冲洗效果较差。

1.3 搅拌机冲洗

目前，一些雨水调蓄池采用潜水搅拌机或双曲面搅拌机对池底沉淀物进行冲洗。采用潜水搅拌机冲洗时，投资省，但冲洗范围较小，设备易被缠绕、污染和磨损；在雨水调蓄池液位较高时，双曲面搅拌机形成上下环流为主，水平旋流为辅的立体流场，在底部水体流速较高，使混合液处于流动状态，较好地实现搅拌和混合效果，能有效防止污泥等固体物质的沉淀、淤积。缺点是低液位时冲洗范围小，效果不尽理想，特别是中上游部位冲洗效果更差。

图1 水射器现场安装

1.4 水力翻斗冲洗

水力翻斗冲洗是将雨水调蓄池分隔成若干宽度相同的长形廊道，在廊道上游池壁沿口安装偏心水力翻斗，待命状态时，翻斗口朝上。当需要对调蓄池底部的沉淀物进行冲洗时，向翻斗内注水，水位抬高一定程度时，斗体自动失稳，水斗瞬间倾覆翻转，全部液体倾泻而出，液体势能转化为较大的动能，掀起并卷起池底的沉淀物冲向下游的集水坑。完成冲洗后，水力翻斗自动恢复至原位，等待下一次积水冲洗。该方法无需电力或机械驱动，控制简单。缺点是翻斗容量有限，冲洗范围受到限制，需要外部水源提供给翻斗进行冲洗，运行成本较高。

1.5 连续沟槽自冲洗

连续沟槽自冲洗是在雨水调蓄池底部设计成连续沟槽，利用晴天污水作为冲洗水源，通过水力将势能转化为动能进入连续沟槽，在沟槽内达到自清流速，形成冲刷清洗的过程。这种冲洗方式无需电力或机械驱动，无需外部水源。缺点是难以实现彻底清洗，容易产生二次沉积，加大了泵站建造深度和投资成本。

1.6 门式冲洗系统

门式冲洗系统是目前雨水调蓄池常用的一种冲洗方式，尤其应用于中型雨水调蓄池的冲洗。采用门式冲洗方式需要将调蓄池分割成数条长形冲洗廊道，每个廊道的始端设置储水池，储水池中的水用作调蓄池的冲洗水源，在储水池与调蓄池的隔墙下端设置冲洗门，廊道的末端设置集水坑。

冲洗水先进入储水池，待储水池蓄满水后，雨水再从储水池与调蓄池隔墙的上端进入到调蓄池中。冲洗门的开启通过液压系统进行控制，当需要对池底沉淀物进行冲洗时，液压系统打开冲洗门，瞬间将储水释放(见图2)，强大的势能转化为动能，底部喷射出的水形成强力席卷式射流，对池底进行冲刷、清洗，池底的沉淀物被冲刷到集水坑内，再利用水泵输送到污水处理厂进行处理。冲洗结束后，门盖依靠偏心自重缓缓闭合，再用液压系统锁紧门盖，重新蓄水等待下一次冲洗过程。

图2 门式冲洗系统冲洗状态

门式冲洗系统单个冲洗波的冲洗距离较长，可以分廊道冲洗，无需外部供水，运行成本低，使用效率高，缺点是设备初期投资较高。

1.7 真空冲洗系统

真空冲洗作为一种新型的冲洗清淤方法，越来越多地应用于雨水调蓄池中，将调蓄池分割成数条长形冲洗廊道，每个廊道的始端设置储水池，储水池与调蓄池的隔墙下端连通，储水池的顶端为密闭的混凝土盖板，盖板上设置真空泵和真空阀，廊道的末端设置集水坑。

关闭真空阀，开启真空泵，利用虹吸效应使调蓄池中的雨水通过连通孔进入到储水池中，储水池中的液位随之提高，液面增加的高度为真空度大小[2](见图3)。储水池中的水用作调蓄池的冲洗水源，当调蓄池中的水放空后，储水池的液位高度一般保持在6～7 m。

图3 真空冲洗系统抽真空后示意

冲洗时，开启真空阀，使储水池与大气相连通，此时储水池中的水在大气压力的作用下从水封口喷射出强力的、冲浪式的射流，射流形成的波浪将池底的沉淀物卷起，冲刷到调蓄池末端的积水坑中，然后通过水泵排出。

真空冲洗同门式冲洗一样，无需外部供水，控制系统简单，效率高，冲洗距离较长，可以分廊道冲洗，运行成本低。缺点是对储水池密封性能要求高，施工难度较大，设备初期投资较高。

2 大中型雨水调蓄池冲洗系统的优化

2.1 冲洗系统的局限性

雨水调蓄池的调蓄量是根据雨水设计流量和调蓄设施的主要功能确定，随着海绵城市建设的不断推进，以及为了提高初步投资的利用率，雨水调蓄池的调蓄量向着大中型方向发展，相应地调蓄池面积也随之加大。冲洗效果主要取决于储水池中水的静压力的大小和容量，而前面论述的前几种冲洗装置无法满足大中型调蓄池的冲洗效果。

目前，雨水调蓄池中的冲洗装置应用最多的是门式冲洗系统和真空冲洗系统。在门式冲洗系统中，储水池的液位等于调蓄池的液位，门式冲洗的冲洗动能取决于调蓄池中水面的高度。一方面，在较长的廊道冲洗过程中，由于冲洗水的动能逐渐衰减，对于较远处的池底沉淀物冲洗效果明显减弱，达不到应有的冲洗效果；另一方面，由于池底可能存在粘附性强的沉淀物，由于冲洗力度不够，往往冲洗一次达不到冲洗的目的，需要冲洗多次，如果重复进行冲洗，储水池需要补充外部水源，增加运行成本。

在真空冲洗系统中，储水池抽取真空后，其液面高度为调蓄池的液面高度与真空度之和。然而在调蓄池的放空过程中，随着调蓄池液面的不断下降，由于储水池和调蓄池之间处于连通状态，储水池的液面也随之下降。当调蓄池的雨水排空时，储水池中的液面高度基本保持为真空度，通常维持在6～7 m左右。对于底部含有粘附性较强的沉淀物或对于较长廊道的雨水调蓄池，同门式冲洗系统一样，也不能保证良好的冲洗效果，尤其是无法进行第二次冲洗。

目前，对于较大型调蓄池的冲洗系统一般采用如图4所示的对称型双真空(或双门式)冲洗系统，冲洗时，开启两侧的真空冲洗系统或门式冲洗系统，储水池中的水向调蓄池中间快速冲刷并将池底的沉淀物冲刷到中间的集水坑内，再由水泵输送至污水处理厂。该冲洗方式包含两套冲洗系统，存在占地面积大，投资成本和运行成本高等不足。

2.2 冲洗系统的优化研究

2.2.1 冲洗结构

针对大中型雨水调蓄池存在的冲洗能力不足，本文提出一种组合式的冲洗系统。如图5所示，在大中型雨水调蓄池的前端设置储水池，调蓄池的末端设置集水坑，将调蓄池分割成数条宽度相同的长形廊道，各个廊道前端的储水池相连通，廊道的末端与集水坑相连通，储水池与廊道一一对应设置，储水池的高度大于调蓄池的高度，储水池中的水用作调蓄池的冲洗水源。

图4 对称型双冲洗系统示意

图5 组合式冲洗系统示意

冲洗门安装在储水池与调蓄池的隔墙下端，在靠近冲洗门的廊道始端设置挑坎，隔墙的中部设置连通孔，连通孔上装配电磁阀，电磁阀的出水端位于储水池内，电磁阀的进水端位于调蓄池内。在电磁阀的进水端装配可移动的软管，软管的另一端装配浮球，浮球的下端设有若干进水孔，进水孔和软管相通。

储水池上端为密闭的混凝土盖板，以防止外部空气通过池体进入到储水池中，影响储水池上部的真空度。盖板上装配真空泵和真空阀等真空装置，真空泵用于抽吸储水池上部空气，使储水池上部形成一定的真空度。真空阀用于储水池与大气的连通和切断，储水池与大气连通时，使外部空气进入到冲洗池上部，为冲洗创造条件；切断储水池与大气的连通是真空泵工作，创造储水池上部真空度的前提条件。

浮球位于调蓄池的液面上，为了保证电磁阀能够正常运行，要求调蓄池中正常液面高度高于电磁阀的安装高度。而电磁阀的安装高度是根据当地平均雨水强度和调蓄功能设定，浮球最大漂浮高度应根据当地最大雨水强度和调蓄功能设定。这样，根据不同的雨水强度和调蓄功能，浮球在电磁阀安装高度和最大漂浮高度之间上下移动。

2.2.2 冲洗原理

下雨时，初期雨水按相应管路分别进入调蓄池和逐档进入各廊道的储水池中，当储水池中水位达到电磁阀的安装高度时，通过安装在储水池中的液位传感器关闭进入储水池的阀门；当调蓄池中的雨水液面高度到达悬挂的浮球时，浮球随液面的提高逐渐上升；当液面高度到达电磁阀的高度时，调蓄池中的雨水依次通过浮球下部的进水孔、软管和电磁阀进入到储水池内，储水池的液面随调蓄池液面升高而同步增加。

当污水处理厂负荷不满，准备将调蓄池内的雨水放空到污水处理厂进行处理前，首先，关闭真空阀切断储水池上部与大气的连通；其次，开启真空泵对储水池上部抽真空，在大气压力的作用下，调蓄池中的雨水依次通过浮球下部的孔、软管和电磁阀进入到储水池内，储水池的液面不断上升，调蓄池的液面略有下降，最终储水池的液面高度为调蓄池的液面高度与真空度之和。最后，关闭电磁阀完成对储水池上部的抽真空过程，以防止储水池液面因调蓄池液面下降而下降。

在调蓄池中的雨水放空过程中，浮球随液面逐渐下降，直至悬挂在电磁阀上。由于隔墙下部的冲洗门处于关闭状态，所以储水池中雨水的液位高度始终不变化，提供了很高的冲洗压力。克服了单独真空冲洗系统中，储水池的液面高度随调蓄池的液面下降而下降的不足。

当需要对池底沉淀物进行冲洗时，首先，开启真空阀使外界空气流入储水池中，然后通过液压系统打开冲洗门的锁紧机构，储水池中的水在大气压力的作用下，从冲洗门底部喷射出的水流具有很高的速度，通过设置挑坎，水流形成强力的波浪将池底的沉积物冲刷到调蓄池末端的集水坑内，然后通过水泵输送到污水处理厂。

2.2.3 冲洗过程

(1)在调蓄池非冲洗状态时，通过液压系统关闭冲洗门，使两侧的水在隔墙下部被完全隔断，隔墙中部的电磁阀处于打开状态。

(2)当下雨调蓄池开始蓄水时，雨水分别进入储水池和调蓄池。电磁阀以下的储水池冲洗水也可以用平时积蓄的雨水或外部水源，当储水池液面达到电磁阀的安装高度时，控制系统指令关闭储水池的进水阀门。

(3)当调蓄池中的雨水液面高度达到悬挂的浮球时，浮球随液面的提高逐渐上升。当液面高度达到电磁阀的高度时，调蓄池中的雨水依次通过浮球下部的进水孔、软管和电磁阀进入到储水池内，储水池的液面随调蓄池液面升高而同步升高。

(4)在调蓄池中的雨水放空前，将真空阀关闭并开启真空泵对储水池上部抽真空，调蓄池中的水在大气压力作用下，通过浮球、软管和电磁阀压入到储水池中，使储水池中液面高于调蓄池6～7 m。

(5)关闭电磁阀，完成对储水池上部的抽真空过程。

(6)根据污水处理厂工艺负荷的大小确定是否将调蓄池中的污水排放，当污水处理厂负荷不满时，将调蓄池中的雨水放空。

(7)调蓄池中雨水基本排净后，调蓄池中的固体类物质沉淀在池底。首先，开启真空阀使外界空气流入储水池中，然后通过液压系统打开冲洗门，从冲洗门底部喷射出的水流形成强力的射流，射流形成的波浪将池底的沉淀物冲刷到调蓄池末端的集水坑内，然后通过水泵输送到污水处理厂。

(8)当调蓄池中蓄积的雨水高度低于电磁阀的安装高度时，如果确实需要对调蓄池进行冲洗，可以不对储水池进行抽真空，按门式冲洗系统进行冲洗。

(9)冲洗结束后，冲洗门依靠门盖的偏心自重缓缓关闭并用液压系统锁紧，重新进行蓄水过程。当调蓄池中的液面逐渐上升接触到浮球时，浮球随液面逐渐上升，循环上述过程。

3 结语

通过在储水池和调蓄池之间的隔墙底端设置冲洗门以及在隔墙中部设置电磁阀，储水池的顶部设置真空系统，将冲洗门结构与真空冲洗结构相结合，使储水池中的液面高度大大提高，并在冲洗前始终保持不变化，使冲洗力度更强。同时在调蓄池中设置随液面高度变化的浮球，可以根据雨水量大小和调蓄功能进行适当调整，从而提高冲洗力度，增加冲洗廊道的长度，提高海绵城市中雨水调蓄功能，降低工程成本。