旋流分离器在合流制溢流污染控制中的应用进展

摘要：指出了合流制溢流污水严重地影响着水环境质量和水生生态系统安全，在合流制溢流污染的末端控制中，旋流分离器因占地面积小、建设费用低等优点在欧美等国家得到了广泛应用，但国内目前尚处于起步阶段。检索了3种在欧美广泛使用的旋流分离器（Storm King、EPA旋流浓缩器、FluidsepTM）的应用，分析了结构参数、操作参数、进水水质特性等对旋流分离器分离效果的影响，并探讨了我国应用旋流分离器的可行性及需要重视的问题。

关键词：合流制溢流污染；旋流分离器；结构参数；操作参数；进水水质特性

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：16749944（2016）02006803

1引言

合流制排水系统是城市排水系统的主要形式之一，目前许多大城市的老城区多属于合流制排水系统，该系统将城市生活污水、工业废水、雨水混合在同一管道内排出。合流制排水系统在降雨期间，易发生雨污混合水溢流排放入受纳水体，这种现象称为合流制溢流污染[1]。合流制溢流污染剧烈或缓慢，直接或非直接地影响着水质及水生生态系统[2，3]。许多发达国家自20世纪60、70年代起就开始研究合流制溢流污染的控制措施[4～6]。这些控制措施可归结为源头控制、管道系统控制、中途调蓄控制、末端控制[7]，每个控制环节都至关重要，相辅相成。

在合流制溢流污染的末端控制中，有很多措施被不断提出来，如传统的调蓄池，人工湿地、植草沟、植被过滤带、入渗沟等生态处理措施，以及旋流分离器、混凝沉淀等纯粹的物理化学措施[8～11]。在众多合流制溢流污染的控制措施中，旋流分离器（Hydrodynamic Vortex Separators，HVS）因其占地面积小、建设费用低等优点在欧美等国家被广泛使用[12]，而在我国鲜少有应用案例。

旋流分离器的发展历史可追溯到20世纪60年代，Bernard Smisson在英国建造并测试了旋流分离装置的雏形，并用于处理合流制溢流污水[13]。此后到20世纪90年代，不同形式的旋流分离器被开发且多用于合流制溢流污染的控制，这类设施都拥有一个底流部件用于收集底部的沉积颗粒，并通过管网系统输送至污水处理厂。

2旋流分离器的原理

旋流分离器是利用离心沉降原理从悬浮液中将两相（或多相）介质进行分离、分级或分选的一种设备。设备主体是由圆筒和圆锥两部分组成，悬浮液经入口管沿切向进入圆筒，向下作螺旋形运动，固相颗粒在离心力的作用下具有向旋流器壁沉降的趋向。粗颗粒由于受到较大的离心力作用，向旋流器壁面运动并随外旋流从旋流器底部排出形成底流，细颗粒则由于所受的离心力较小，来不及沉降就随内旋流从溢流管排出形成溢流。通过底流和溢流从而进行不同介质的分离[14]。

3旋流分离技术

旋流分离最初的水力设计是由Bernard Smisson在英国的布里斯托尔以“圆形的堰”这个概念提出来的，在没有足够的空间和资金建设一个侧长堰（a long lateral weir）的条件下，他期望通过水力学实验得到一个经济的溢流堰长度。然而，在实验过程中他发现这个装置能浓缩和转移70%的合流制溢流污水中的沉淀颗粒物，同时只有30%的污水会送入下级处理单元[15]。该技术从20世纪60年代就开始应用，随后不断得到改进，目前在合流制溢流污染中最常用的3种技术为Storm King旋流分离器、EPA旋流浓缩器、FluidsepTM旋流分离器。

3.1Storm King旋流分离器

Storm King Overflow是在Bernard Smisson建造的旋流分离器的雏形上改造开发而来的，后由英国的Hydro公司申请专利并商业化。

该装置的两个特别的构造，一是进水导流板（Inlet Deflector Plate），当来水进入装置后，通过导流板可以减少水头损失，另外可以让更多的流体参与旋流，避免短流；二是锥形板（the Cone），可以减少沉积物的再悬浮[16]（图1）。

研究者[17]在实际的降雨情况下，将Storm King Overflow旋流分离器和溢流堰进行对比，发现当需要较高的处理效率时储存作用主导决定着去除效率，尤其是当初期效应出现时。当初期效应出现，颗粒物的去除效率是50%时，对于旋流分离器而言几乎30%的去除

效果是由储存作用完成的，而对溢流堰来说，这种效果最多只占到15%。当没有初期效应时，两者占的比例分别是12%和3%。当需要更好的处理效果时，结构越紧凑的旋流分离器是相比于溢流堰的一个更好的选择。简单的建设成本评估也支持这个结论：当处理效率高于70%时，旋流分离器比溢流堰更经济。

Storm King Overflow不能去除不可沉的悬浮固体，而这类悬浮固体的粒径通常小于10 μm[18]。在旋流分离器里能被去除的悬浮固体的沉降速度为0.1～0.14 cm/sec，而当颗粒的沉降速度小于这个范围时则不能被有效地去除[19，20]。根据斯托克斯定律，20 ℃时，在这个沉降速度范围内密度为2.65 g/cm3的球形颗粒的粒径约为68 μm[21]。

综上可知，旋流分离器对颗粒物的分离效果和进水水质特性相关，主要表现为悬浮固体的沉降性能，而悬浮固体的沉降性能又主要和颗粒物的粒径、密度相关。假设颗粒物的密度为2.65 g/cm3，Storm King不能有效去除

3.2EPA旋流浓缩器

EPA从20世纪70年代起就对标准旋流分离器的原型进行一系列的试验和运行研究，以确定最佳的构造和尺寸，达到对合流制溢流污水处理的最大固液分离效果[22]，最终形成了EPA旋流浓缩器，见图2。

EPA旋流浓缩器设计的目的有两个，一是流量控制，另一是固体分离。Richard H. Sullivan，James E.Ure[15]等基于模型系统的试验经验数据，提出了EPA旋流浓缩器的设计步骤：①选择设计流量和固体去除率；②选择进水口直径D1，旋流器直径D2；③检查旋流分离器在使用期间覆盖到的流量范围；④核对去除率、污水流量；⑤计算出旋流器的其他相关尺寸；⑥修正尺寸和污水流量。

在意大利的Syracuse，一投入使用的EPA旋流浓缩器的设计流量23.4 m3/min，设计去除率90%，直径D2为3.7m，D2/D1=0.25，由此得到该旋流器的设计表面负荷为130.65 m/h。研究者对该旋流分离器进行了为期两年的降雨监测，当流量从0.54～20.5 m3/min变化时，TSS的质量负荷去除率的变化范围为33%～82%，浓度去除率的变化范围是18%～55%。TSS的去除率和降雨时间及流量相关：当降雨刚开始污染物浓度逐渐升高以及降雨快结束流量开始下降时，SS的去除率较高。这是因为随着进水SS浓度的增加，SS质量负荷增加的趋势减缓。且当进水SS浓度高于250 mg/L时，SS总负荷去除率将高于50%。相对应地，BOD5的质量负荷去除率的变化范围是50%～82%，浓度去除率的变化范围为29%～79%。同样地，当BOD5的进水浓度高时，去除率相应也会增加[15]。

综上可知，旋流分离器对颗粒物的分离效果和进水污染物的浓度相关，主要和进水SS浓度相关。

3.3FluidsepTM旋流分离器

20世纪80年代旋流分离器在欧洲得到了广泛且深入的发展。德国相关研究人员对旋流分离器进行了降低高流量紊流扰动的研究，后申请专利并商业化―FluidsepTM，如图3所示。此旋流分离器主要由柱状的旋流室、切向进水管、底流管、圆弧形倾斜底部和顶部溢流管构成，不需要较多的维护工作，没有类似堵塞沉淀物累积等问题出现。

20世纪80年代末在德国南部靠近博登湖（Lake Constance）的一个小村庄Tengen建造了两个并列轴对称的FluidsepTM旋流分离器，该旋流分离器直径为3 m，高4.2 m。

研究者对FluidsepTM进行研究发现，合流制排水系统最初溢流的那部分污水以及有初期效应的污水能被储存在旋流分离器中而不溢流至受纳水体。当旋流分离器开始溢流时，进水已经被雨水稀释，当底流量为45%时，49%的总固体，64%的可沉淀固体和43.5%的COD能被输送至污水处理厂。对旋流分离器底流中的颗粒物进行分析发现，当颗粒物粒径>30μm时旋流分离器有较好的去除效果[23]。

Pisano，W.C和Brombach[24]在5场不同的降雨事件下研究，FluidsepTM对TSS的去除效率为32%～91%，这和不同的底流率相关。当表面水力负荷在50～150 m/h时，FluidsepTM底流的固体浓度约是上清液的两倍，能达到较好的固体去除效果。在同样的水力条件下，和常规的调蓄池相比，FluidsepTM对固体的去除效果能提高约40%。

可知，FluidsepTM的工作状态和去除效果受进水影响大，不同的降雨类型所形成的不同进水流量及水质都影响着它对颗粒物的分离效果。

4结语

旋流分离器对颗粒物的去除效果和诸多因素相关，主要是旋流分离器的结构参数、操作参数和进水水质等。当旋流分离器的构造参数确定后，旋流分离器的效果受到时空差异性、降雨特性影响而表现不同，但作为一种在排水系统末端有效的污染控制措施，其在国外已得到一定范围的应用，但国内目前尚未有工程实施案例。

由于旋流分离器的流场是复杂且多变的，正是流场的不同导致颗粒物在旋流分离器中的运动轨迹不同故而表现出去除效果的差异性。可以利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）和实验相结合的方法，模拟评估旋流分离器结构参数和操作参数的影响，预测颗粒物的去除效果；由于实际降雨的不确定性和实际现场研究的困难，可通过配水实验来讨论进水水质特性（包括悬浮固体的浓度、粒径分布、密度等）的分离效果。受实际降雨的多样性和复杂性的影响，旋流分离器进水水质差异性较大，需要结合实际应用进行全面的分离效果评估。

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