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辛立伟;李波;吴光学;邬甘霖;廖群;郭克新
【摘 要】One reclaimed treatment plant was selected to investigate the
factors affecting operating performance of the aerated grit
and size distribution of influent particles were
pilot scale aerated grit chamber was designed and operated to
clarify the effect of hydraulic retention time (HRT),aeration density,aeration
distribution and pre-aeration on the particles removal
were more particles with a small particle size than that with a large particle
size in inflow and the particles with a size smaller than mm was the
dominant component in influent high proportion of organic
matters was observed in influent particles,with a VSS/SS ratio of
％.Particles removal could be improved by extending the
HRT of 5,10 min and 20 min,the grits removal efficiency in system was
％,％ and ％, appropriate aeration density had
positive effects on particles removal while an excessive aeration had a
negative air to water ratio of , and ,the particles
removal efficiency was ％,％ and ％,
distribution had large impact on particles removal,under three aeration
strategies,namely equality aeration rate,low aeration intensity/high
intensity and high aeration intensity/low aeration intensity,a high removal
efficiency of ％ was achieved under the high aeration intensity/low
aeration intensity pre-aeration and setting a dam board after
pre-aeration area,particles removal efficiency increased because of an
extension of effective settling removal efficiency was ％ with
only pre-aeration in the system,which was much higher than that with pre-
aeration/normal aeration and only normal aeration.%以某再生水厂曝气沉砂
池为研究对象,分析进水颗粒物组分和粒径分布等特性,设计并运行曝气沉砂池中试
模型装置,研究了水力停留时间、气水比、曝气量分布和预曝气等工艺条件对沉砂
,主要为细小颗粒物,粒径在
mm以下的颗粒物为进水主要成分;进水颗粒中有机物所占比例较高,VSS/SS
平均达到 ％.水力停留时间的延长有利于提高沉砂效果;5、10 min和 20 min
三种水力停留时间条件下的总颗粒物去除率分别为 ％、％和 ％.适量
的曝气有利于颗粒物的去除, 、
和 三种条件下的总颗粒物去除效率分别为 ％、％和 ％.曝气
量分布对除砂效果有较大影响,相比均匀曝气和前弱后强两种曝气方式,在前强后弱
的曝气方式下,沉砂池具有较好的去除效果,总颗粒物去除率为 ％.通过设立隔
板及预曝气,可提高有效沉淀时间,有利于提高曝气沉砂池的去除效果;在仅曝气区曝
气、预曝气/曝气区曝气和仅预曝气三种条件下,仅进行预曝气时工艺具有较高总颗
粒物去除率,为 ％.
【期刊名称】《净水技术》
【年(卷),期】2017(000)008
【总页数】8 页(P13-19,31)
【关键词】曝气沉砂池;粒径分布;水力停留时间;曝气强度;除砂效果
【作 者】辛立伟;李波;吴光学;邬甘霖;廖群;郭克新
【作者单位】清华大学深圳研究生院,深圳市环境微生物利用与安全控制重点实验
室,广东深圳 518055;清华大学深圳研究生院,深圳市环境微生物利用与安全控制重
点实验室,广东深圳 518055;清华大学深圳研究生院,深圳市环境微生物利用与安全
控制重点实验室,广东深圳 518055;深圳水务(集团)有限责任公司,广东深圳 518030;
深圳水务(集团)有限责任公司,广东深圳 518030;深圳水务(集团)有限责任公司,广东
深圳 518030
【正文语种】中 文
【中图分类】
沉砂池是污水处理厂中重要的预处理构筑物，通常设置在细格栅后以去除污水中砂
粒。沉砂池去除的所谓砂子主要包括杂粒、石子、煤渣或其他一些重的固体构成的
渣滓，其密度和沉降速度远大于污水中易腐烂的有机物；其中杂粒还包括蛋壳、骨
屑、种子以及废弃食品之类的有机物［1］。沉砂池的运行效果对于后续污水处理
工艺具有重大影响，不设置沉砂池或运行不良时，大量泥沙流入后续处理工艺流程，
会导致污水处理厂设备磨损（初沉池污泥刮板的磨损而缩短使用寿命、污泥泵叶轮
磨损、曝气池曝气孔堵塞、影响脱水设备运行等）、降低反应构筑物效率（堵塞管
道降低管道输运能力、降低生化反应池的有效容积等）、增加工艺处理负荷（增加
后续沉淀池污泥负荷）、影响在线监测设备的准确运行等［2-4］。因此，需要保
障沉砂池的安全稳定运行，从而为污水处理厂的高效运行提供基础保障。
曝气沉砂池是污水处理厂常用的沉砂池之一。相比其他类型沉砂池，曝气沉砂池沉
砂中有机物含量低；具有预曝气、脱臭、除泡作用以及加速污水中油类和浮渣分离
等作用［5］；对小粒径颗粒物具有更高的去除率［6-7］。曝气方式、气水比和
水力停留时间（HRT）等是影响曝气沉砂池运行效率的重要工艺参数。污水处理厂
的曝气沉砂池一般根据设计参考值和经验进行设计和运行，主要目的为去除比重为
，粒径大于 mm以上的可快速沉淀的大颗粒物；一般采用较慢的池内水
平流速（～ m／s）和较长的停留时间（1～3 min）［1］。德国对曝气
沉砂池停留时间的选择为［8］：旱季流量为 20 min，雨季流量为 10 min；但实
际运行条件下的 HRT，需要根据进水颗粒物特性进行调控。周文忠和叶勇［9］研
究认为在 HRT 为 1～4 min时，除砂效率随着 HRT 的延长而提高并趋于稳定，且
为确保除砂效率 HRT 不宜低于 1 min。曝气沉砂池与其他沉砂池相比优点之一就
是污水中的有机物和无机物可以得到较好的分离，一般供气量越大分离效果越好。
但曝气也会影响沉砂池中的水流条件，进而改变沉砂池除砂效果［10］。供气量
过大，会影响曝气沉砂池的沉砂效果，特别是对细颗粒砂子的截留效果。我国规范
规定曝气沉砂池气水流量比一般为 ～［5］。德国学者通过对 30 座曝气沉
砂池的调查，发现供气量普遍超过实际需求量，而减少曝气后沉砂效果有所提高
［11］。我国学者有研究也表明，随着曝气强度的增大除砂效率降低［9］。不同
污水处理厂进水含砂特点会存在较大差别，工艺参数需根据实际进水条件进行控制。
目前国内关于曝气沉砂池的系统研究相对较少，沉砂池的设计和运行大多根据经验
而很少结合实际进水特点。本研究以某再生水厂曝气沉砂池为研究对象，分析了进
水中砂粒的组成和特点；通过设计和运行中试水工模型，研究了曝气量、HRT 和
曝气方式对曝气沉砂池除砂效果的影响，以期为曝气沉砂池的运行优化提供技术支
持。
再生水厂概况
某再生水厂于 2009 年 12 月建成投产，总处理规模 5 万 m3／d，进水主要为市
政污水。该厂采用的沉砂池为平流式曝气沉砂池，二级处理工艺为 BIOSTYR 生物
滤池，深度处理采用 ACTIFLO 加砂高密度沉淀池。曝气沉砂池设计 HRT 为 10
min，气水比为 。该厂预处理工艺流程如图 1 所示。
中试试验
试验装置
中试试验装置根据相似性、可调性和可视性原则进行设计。根据实际曝气沉砂池结
构按比例 1∶5 采用有机玻璃和不锈钢制成，有效容积为 m3。进水采用曝气
沉砂池原水，进水流量通过潜污泵和液体流量计控制，HRT 通过调节进水流量控
制；曝气通过空气压缩机和气体流量计控制。
试验条件
研究了 HRT、气水比、曝气管布置模式和预曝气等条件下的曝气沉砂池除砂效果，
主要试验条件包括以下几点。
（1）HRT 的影响：在不曝气的条件下对比 HRT 为 5、10 min和 20 min条件下
的除砂效果。
（2）气水比的影响：在 HRT 为 10 min条件下对比气水比分别为 、 和
三种条件下的除砂效果。
（3）曝气量分布的影响：将曝气区沿水流方向均匀分为前后两个可单独控制的曝
气区（曝气区 1 和曝气区 2），对比了 HRT 为 10 min条件下曝气量均匀分布
（曝气区 1 和曝气区 2 气水比均为 ）、曝气量前大后小（曝气区 1 气水比为
；曝气区 2 气水比为 ）和曝气量前小后大（曝气区 1 气水比为 ；
曝气区 2 气水比为 ）三种曝气模式对除砂效果的影响。
（4）预曝气的影响：在进水区和曝气区之间加设挡板分为预曝气区和曝气区，在
HRT 为 10 min 条件下对比了三种条件下沉砂池的除砂效果。具体条件包括：（a）
预曝气区气水比 ／曝气区气水比 ；（b）预曝气区不曝气／曝气区气水比
；（c）预曝气区气水比 ／曝气区不曝气。
取样和检测方法
由于细格栅后区域封闭不易取样，进水取样点设在曝气沉砂池细格栅前的进水区，
沉砂池出水取自沉砂池出水口。沉砂取样装置采用下端设有出水口的塑料大圆桶和
潜污泵，取样体积为 400 L。为保证沉砂效率，水样沉淀 30 min后，通过出水口
排出上清液仅保留沉砂。
取得砂样后，先经大孔径筛网（4 mm）除去树叶、昆虫、毛发等絮状物和大颗粒
物质，然后分别经过 10 目（2 mm）、18 目（1 mm）、30 目（ mm）、
50 目（ mm）、100 目（ mm）和 200 目（ mm）筛网。各粒
径沉砂分别经 105℃和 550℃烘干，测定总悬浮固体（SS）和挥发性固体
（VSS）。
粒径分布通过激光粒度分布仪（Malvern-Mastersizer 2000，英国）测定；SS 和
VSS 采用重量法通过烘箱、马弗炉和天平进行测定。
进水砂粒特征分析
某再生水厂曝气沉砂池进水砂粒的粒径分布和筛分后各粒径下的质量配比如图 2
所示。某再生水厂进水中大颗粒物较少，主要为细小颗粒物，粒径在 mm以
下的颗粒物累积频率在 80%以上。曝气沉砂池的设计规范一般是针对粒径
mm 以上的颗粒物，可见实际规模的曝气沉砂池在设计运行过程中，需要结合设
计规范／经验和实际进水特点综合考虑。进水砂砾中的 VSS／SS 较高，整体达到
%，说明进水中砂砾的有机成分相对较高；而粒径在 mm以下的颗粒
物所占质量比重较大，且 VSS／SS 低于其他粒径颗粒，说明进水中的无机砂砾主
要集中于该粒径范围。
HRT对除砂效果的影响
在不进行曝气的条件下，曝气沉砂池的运行模式类似于平流沉淀池，颗粒物主要通
过重力沉降作用去除。三种 HRT 条件下，曝气沉砂池的去除效率如图 3 所示。
HRT 为 5、10 min和 20 min条件下的砂砾总 SS 去除率分别为 %、%
和 %。在进水颗粒物主要为细小颗粒的条件下，总去除率的提高主要由小粒
径颗粒物的去除贡献。粒径在 mm以下的颗粒物，当 HRT 为 5 min时去除
率为 %；当 HRT 分别提高到 10 min和 20 min时，SS 去除效率分别提高到
%和 %。某再生水厂现有 HRT 为 10 min，如在雨季或进水流量增加的
条件下，可能会因 HRT 不足而不能维持对细小颗粒物的有效去除。因此，对此再
生水厂曝气沉砂池的优化运行，未来可以考虑通过提高 HRT，从而提升颗粒物质
的去除效率。
气水比对除砂效果的影响
在曝气沉砂池 HRT 为 10 min，气水比分别为 、 和 条件下，沉砂池的
除砂效果如图 4 所示。随着曝气量的增加，沉砂池的 SS 整体去除效率降低，气水
比 、 和 条件下 SS 总去除效率分别为 %、%和 %；
但有机成分去除率在气水比为 条件下最高，三种条件下的 VSS 去除率分别为
%、%和 %，说明曝气对沉砂池砂粒的沉降不利，但有利于颗粒
中有机物的去除，这一结果同叶勇等［12］研究相同。在相同 HRT 条件下，不曝
气时沉砂池 SS 去除率（图 3）为 %，略低于气水比为 条件下的 SS 去除
率 %，说明适量的曝气有利于颗粒物的整体去除。气水比为 时粒径在
mm以下颗粒物的去除效率为 %，而随着曝气量的进一步增大至
和 ，小于 mm颗粒物的 SS 去除率分别降低到 %和 %，主要
原因为过量曝气导致池体中存在较大湍流，不利于颗粒物沉淀。
曝气量分布对除砂效果的影响
曝气作用除了洗砂、沉砂之外，还可能改变池中的水流条件。在相同曝气量条件下，
由于曝气策略的不同，曝气沉砂池可能具有不同的运行效果。为探究曝气分布对曝
气沉砂池运行性能的影响，在总气水比为 的条件下，将曝气区沿水流方向分为
前后两个部分，对比气水比为 ／、／ ／ 条件
下曝气沉砂池运行效果。结果如图 5 所示，三种曝气策略下的总颗粒物去除效率
分别为 %、%和 %。三种曝气策略下，沉砂池对粒径大于
mm 的颗粒物都有较好的去除效果，其去除率均在 40%以上，说明该粒径范围的
颗粒受曝气量分布的影响不大。而曝气方式对 mm以下粒径颗粒物的去除
效果影响较大，孙晶晶等［13］研究结果也表明曝气强度对于小粒径颗粒物的去
除具有较大影响。三种曝气方式下的 SS 去除率分别为 %、%和
%。在气水比为 ／ 前强后弱的曝气方式下，曝气沉砂池具有较
高的去除率。这是主要是由于将曝气集中在前端，在不影响气浮作用去除低密度颗
粒的前提下，减少了气流对后续沉砂池的影响，增加了细小颗粒的有效沉淀时间。
预曝气对除砂效果的影响
无预曝气仅在曝气区曝气、预曝气／曝气区曝气和预曝气／曝气区不曝气三种曝气
条件下沉砂池除砂效果如图 6 所示。
无预曝气仅在曝气区曝气条件下，沉砂池去除效果最差，总 SS 去除率为 %；
而在预曝气且曝气区曝气条件下的总 SS 去除率为 %。说明预曝气有利于提
高沉砂效果。因为预曝气增加了沉砂池的曝气量，有利于促进有机悬浮物的去除和
与细砂的分离，同时由于隔板的设置，预曝气带来的曝气量增加不会扰动后续颗粒
物沉淀，从而有利于颗粒物去除。
同时对比预曝气／曝气区曝气和在仅进行预曝气条件下的除砂效果，在仅进行预曝
气条件下具有最高的总颗粒物去除率，为 %，且对于各粒径颗粒物均具有较
好的去除效果。根据气水比和曝气量分布影响研究结果，曝气有利于悬浮有机物的
去除但不利于砂粒的沉降。预曝气区曝气能确保沉砂池取得较好的有机颗粒去除效
果，VSS 去除率为 69%，同时隔板的设置减少了曝气对沉砂池后续反应池中的流
体扰动，有利于慢速沉降的细小颗粒物的去除，粒径 mm以下颗粒物 SS 去
除率为 %。因而在仅预曝气的条件下，沉砂池能取得较好的去除效果。
某再生水厂进水砂砾中大颗粒物较少，主要为细小颗粒物，粒径在 mm以
下的颗粒物为进水主要成分；进水颗粒中有机物所占比例较高，VSS／SS 较高整
体达到 %。针对此进水水质，考察了曝气沉砂池除砂效果的影响因素，得出
以下结论。
（1）不曝气时，HRT 的延长有利于沉砂效果的提高。5、10 min和 20 min的
HRT 条件下总颗粒物去除率分别为 %、%和 %。
（2）适宜的曝气有利于颗粒物的去除，但过量曝气会影响整体去除效果。维持
HRT 为 10 min，气水比 、 和 条件下的总颗粒物去除效率分别为
%、%和 %。
（3）曝气量分布对除砂效果有较大影响。相比均匀曝气和前弱后强的曝气方式，
在前强后弱的曝气方式下，沉砂池具有最好的除砂效果，总颗粒物去除率为
%。
（4）通过设立隔板及预曝气，可提高有效沉淀时间，有利于提高曝气沉砂池的除
砂效果。在仅进行预曝气时工艺总颗粒物去除率为 %，高于仅曝气区曝气和
预曝气／曝气区模式下的去除率。
【相关文献】
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【专家点评】沉砂池的运行效果对于后续污水处理工艺会产生重要影响，细小颗粒的去除是水处理
的难点之一。本文通过搭建中试反应器，采用再生水厂原水开展分析研究，分析了进水颗粒物组分
和粒径分布等特性，并研究了水力停留时间、气水比、曝气量分布和预曝气等工艺条件对沉砂池除
砂效果的影响。文中试验方法可行，分析层次比较清晰，为曝气沉沙池的运行优化和改造提供了科
学数据支撑。