建设科技CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY 2019年2月合刊总第377期实践应用旋流分离技术在雨水径流和合流制溢流污染控制中的应用进展高郑娟孙朝霞贾海峰(清华大学环境学院，北京100084)［摘要］本文介绍了旋流分离技术的原理，并将其根据动力来源不同分为水力旋流分离和压力旋流分离技术，以及在城市雨水径流和合流制溢流污染控制中的应用情况和前景。
分别针对水力旋流分离和压力旋流分离技术阐述了近年来国内外的研究与应用进展，其中重点介绍了Vortechs®旋流分离技术，并给出了各自的优势、局限性和适用范围，为城市雨水径流和合流制溢流污水中旋流分离器的应用指明了方向。
［关键词］雨水径流，合流制溢流污染，水力旋流分离，压力旋流分离Progress in Application of Cyclone Separation Technology in Pollution Control of Runoff and Combined OverflowsGao Zhengjuan,Sun Zhaoxia,Jia Haifeng(School of E nvironment,Tsinghua University^Beijing,100084,China)Abstract:The prin c iple of cyclone separation tech n o l ogy used in the treatment of runoff and combined overflows as well as its application and prospect were introduced,which divided into hydro-cyclone separation and pressure cyclone separation technologies according to different power sources.The research and application of hydro-cyclone separation and pressure cyclone separation technology in recent years were described,which focused on Vortechs®system technology,and the advantages,limitation and application scopes were given respectively,which indicated the direction for the application of cyclone separator in sponge city construction.Keywords:runofl',CSOs,hydro-cyclone separatioru pressure cyclone separation1引言城市雨季雨水径流，特别是大雨、暴雨初期形成的地表径流，以及合流制溢流污水具有瞬时水量大、固体悬浮物含量高、污染负荷高等特点。
如果不加处理直接进入城市水体，会对其造成严重污染。
快速去除固体悬浮物能够在很大程度上削减进人城市水体的污染*基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大fy项(2017ZX0205003)负荷"L发达国家对雨水径流及合流制溢流污染研究较早，污染控制措施主要有源头、过程和末端控制。
控制措施按照技术原理不同可分为物理处理技术：初期弃流技术、旋流分离技术、砂滤等物理过滤技术；生物生态处理技术：植草沟、植被过滤带、生物滞留池、人工湿地、雨水花园等技术回。
其中以旋流分离技术为代表的物理技术具有结构简单、处理效率较高、使用寿命长，维护管理方便等优势，正在得到越来越多的应用。
20世纪60年代初，Bernard Smisson在英国研制了第一代水力DOI:10.16116/ki.jskj.2O19.03.01596I 建设科技20I9NO.03高郑娟等：旋流分离技术在雨水径流和合流制溢流汚染控制中的应用进展实践应用旋流分离器的雏形，并首次将其应用于合流制溢流污水处理中。
至今将近60年的发展，国外旋流分离器已经被广泛应用于雨水及合流制溢流污水处理中，而国内这方面研究应用还较少。
但随着我国对初期雨水径流和合流制溢流汚水污染的不断重视，以及现阶段海绵城市的大规模开展和实施，旋流分离技术将会成为热点关注的领域之一心。
2旋流分离技术的原理及分类旋流分离技术是一项高效的固液分离技术。
它是根据离心沉降和密度差分原理设计而成，能直接、高效快速地分离固体悬浮物，削减固体悬浮物含量⑴役常规旋流分离器结构主要有进水口、主体分离腔、溢流出水口和底流排污口，见图1和2；径流污水或合流制溢流污水以较高速度由进水口沿切线方向进入分离腔，由于 受外壁限制，做由上而下旋流运动，由于固液两相存在密度差，所受到的离心力、向心浮力和流体曳力并不相同，较重的固体颗粒随部分液体经旋流器底流排污口排出，而大部分经过分离后的清液则经过溢流出水口排出，从而实现固液分离的目的。
用于雨水径流及合流制溢流污水处理的旋流分离器，根据动力来源不同可分为水力/无动力旋流分离器（以下简称水力旋流分离器）和压力/动力旋流分离器（以下简称压力旋流分离器）151;水力旋流分离器的运行工作无需借助外加动力条件，利用现场条件提供的水头差形成的入口压力实现其正常运转，一般设置于地下；压力旋流分离器的运行则需借助外部动力条件把待处理水图1典型水力旋流分离器结构图（EPA旋流分离器）Fig.l Typical hydro-cyclone separation chart(EPA Swirl hydro-cyclone)图2典型压力旋流分离器结构图Fig.2Typical pressure cycloneseparation chart提升进入旋流器才能实现其正常运转，其分离效力一般较水力旋流分离器高。
水力旋流分离器底流排污口逐渐被沉砂室取代，主要为圆柱体结构，见图1、图3和图4；而压力旋流器主要为上部圆柱、下部锥体相结合的结构,有底流排污口，见图2。
两类旋流分离器都能应用于雨水径流和合流制溢流污水处理中，但两者优势、局限性和适用范围不同，需根据现场实际情况综合考虑进行选择。
3水力旋流分离技术的研究与应用现今，国外已经形成了较为系统和科学完善的处理雨水径流及合流制溢流污水的水力旋流分离系统，包括科学地选型设计、施工建设、调试安装、运行维护，并且取得了较好的运行效果，而国内这部分应用还较少。
3.1国内外研究进展20世纪60年代初，Bernard Smisson在英国研制了第一代水力旋流分离器的雏形，并首次将其应用于合流制溢流污水处理；从20世纪70年代起，美国环境保护署EPA对水力旋流分离技术进行了一系列的试验和研究，确定了最佳操作和设计参数，最终形成了以Swirl 为代表的第二代旋流分离器。
相对于第一代Bernard Smisson旋流分离技术，其增加了流量控制功能；20世纪80年代，以英国的Storni King为代表的第三代旋流分离技术克服了Swirl旋流分离技术存在的固体颗粒物再悬浮，以及高流量条件下水头损失大等缺陷；20世纪80年代中后期，为降低高流量下的紊流扰动状况，在旋流分离腔内去除了阻流板和其他障碍物，形成了以德国的Fluidsep为代表的第四代旋流分离技术mJ这些旋流分离技术都具有固体颗粒物分离沉降、漂浮物隔建设科技I97实践应用建设科技总第377期格樋进水n（可逸）图3CDS®水力旋流分离器结构图Fig3CDS®hydro-cyclone separation chart图4Vortechs®水力旋流分离器系统Fig.4Vortechs®hvdro-cyclone separation system离功能，且都有底流排污管。
底流污水需要排入污水处理厂进行处理，但当需要用泵进行排除时会增加能耗和运行管理费；Swirl旋流分离技术具有Storm King和Fluidsep旋流分离技术没有的流量控制功能，且所需入口压力更低，当不能满足入口压力时，进水口之前的管道设置提升泵站时不是无动力旋流分离系统巾。
在此基础上，开发了新一代水力旋流分离技术主要特征是在底部设置了沉砂室取代底流排污管，沉积的底泥经过一段时间堆积后需通过人工清掏或真空吸泥车进行排除，例如新西兰的Downstream Defender®旋流分离技术，美国的CDS®和Vortechs®旋流分离技术等旷山。
CDS®旋流分离器，如图3所示，最大的特征是增加了特有的连续自清洗滤网（2.4毫米筛孔），能截留全部2.4毫米或以上的漂浮物和碎片，且利用分离腔内部不断旋转运动的水流进行水力剪切堵塞的颗粒物，另外可以设置多条不同方向的进水管。
然而，国内应用于雨水径流及合流制溢流污水处理的水力旋流分离技术专利还相对较少，主要的创新是在水力旋流分离技术的基础上增加了过滤结构181,防止堵塞易于清理旳企改善流态“切和改变进出水口方向z等功能，以及结合其他处理措施的一体化雨水径流及合流制溢流污水处理系统"4|,目前实际工程应用案例还较少。
2009年左右，江苏大学在前期研究的基础上设计了水力旋流分离器1，5-171,并进行了多次实际工程应用其中在镇江第三人民医院进行了雨水处理与回用示范工程，设计规模15m3/h,采用地下式安装，无水泵提升。
运行结果表明，水力旋流分离器处理效果随时间波动较大，对浊度、SS去除效果较好，每年综合利用雨水6,000m」，实现了部分收益㈣。
3.2一种横向功能分区的水力旋流分离技术Vortechs®水力旋流分离技术将功能进行了横向分区，综合了旋流、除油和漂浮物、流量调节的功能，如图4所示，主要包括三个组成部分：1）旋流沉砂室，促使雨水形成旋流进行旋流分离，能有效处理50|j m以上固体颗粒物；2）漂浮物隔离墙（包括隔油）；3）用于控制高、低流量的流量控制墙。
1998年，应用Vortechs®水力旋流分离系统在缅因州处理一个1.62公顷的停车场的雨水径流，进行了为期一年20场暴雨的现场运行监测，如图5所示，TSS平均进水浓度为328mg/L, TSS平均去除率达到了81.7%㈣，且进水浓度越大，去除效果越好。
2000年，为了减轻进入纽约乔治湖的暴雨径流污染，应用Vortechs®（圆形旋流沉砂室直径3.1m）水力旋流分离系统处理3.78公顷汇水面积，监测了13场暴雨，得到TSS平均进水浓度为801mg/L pl],去除一次暴雨记录存在问题，如图6所示，TSS平均去除率达到了73.4%,该系统运行两年时间需要清理一次，一般使用真空吸泥车进行清理。