關(guān)于懸浮污泥過濾技術(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

楊志勇， 文長明

（1.齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161005；2.安徽青地球環(huán)保科技有限公司，安徽 宿州235280）

1 引 言

懸浮污泥過濾技術(shù)由沉降裝置和分離裝置兩大部分組成。其原理是先加混凝劑，再加助凝劑，將污水中的懸浮小顆粒凝聚成大塊絮體；然后依靠旋流力學(xué)原理，使絮體分離，形成懸浮的污泥層。當(dāng)混凝后的出水由下向上流過此懸浮泥層時(shí)，此濾層靠界面物理吸附和電化學(xué)特性及范德華力的作用，將懸浮物雜質(zhì)全部攔截在此懸浮泥層上，使出水水質(zhì)達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。

唐紅軍等人應(yīng)用懸浮污泥過濾技術(shù)設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)是一套物理、化學(xué)的處理裝置，其核心部分是凈化器和藥劑，并通過藥劑的作用使得水中污染物凝聚成大塊密實(shí)的絮體［1］。

張逢玉等人應(yīng)用懸浮污泥過濾技術(shù)對(duì)大慶油田石英砂過濾器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,并采用改造后的裝置對(duì)油田污水進(jìn)行了深度處理，該試驗(yàn)取得了良好的處理效果。出水懸浮物質(zhì)量濃度小于3mg/L，濾出水懸浮物去除率達(dá)到96.4%，油去除率達(dá)到97.0%，水質(zhì)均達(dá)到油田回注水標(biāo)準(zhǔn)［2］。

劉紅等人應(yīng)用懸浮污泥過濾技術(shù)處理油田污水也取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［3］。

2 懸浮污泥過濾技術(shù)的理論基礎(chǔ)

2.1 觀點(diǎn)的提出

懸浮污泥過濾技術(shù)是一門近年來研制成功的高新技術(shù)，它的出現(xiàn)必然要逐漸替代現(xiàn)有的很多落后的污水處理技術(shù)和裝備。關(guān)于懸浮污泥過濾技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有了很多的研究報(bào)告。唐紅軍、張逢玉、劉紅等人［1］的研究結(jié)果都對(duì)懸浮污泥過濾技術(shù)的應(yīng)用效果給予了十分肯定的、積極的認(rèn)同。

那么，懸浮污泥過濾技術(shù)到底是以什么理論作為設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)的呢？對(duì)這方面做過分析闡述的研究單位十分稀少，為此，筆者對(duì)其進(jìn)行了研究，旨在指出懸浮污泥過濾技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的理論基礎(chǔ)。

2.2 沉降與分離是懸浮污泥過濾技術(shù)的核心

沉降過程的核心內(nèi)容就是要通過各種物理的、化學(xué)的方法使溶解、懸浮在介質(zhì)中的顆粒析出并增大。在沉降罐里，根據(jù)處理段數(shù)的需要，可以設(shè)計(jì)成一沉、二沉等，用多少個(gè)沉降完全由被處理的污水特性和出水要求決定的。每一個(gè)沉降的內(nèi)容可以相同、也可以不相同，所投加的藥劑可以相同也可以不同。后一個(gè)沉降可以是前一個(gè)沉降的繼續(xù)，也可以是專門為了沉降某種物質(zhì)而設(shè)計(jì)的。各種藥劑投加到不同的沉降罐里，藥劑都是專門的，在沉降罐內(nèi)，通過化學(xué)反應(yīng)使污水中溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物、重金屬離子和有害鹽類從水中析出，形成具有固相界面的膠粒或微小懸浮顆粒，進(jìn)而凝聚成大塊密實(shí)的絮體。

2.3 混合流的流態(tài)化是分離的核心技術(shù)

污泥經(jīng)過一沉、二沉等沉降裝置絮凝增大以后，在壓力狀態(tài)下，進(jìn)入分離設(shè)備，這個(gè)設(shè)備就是我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)所看到的龐大的罐體（如圖1），進(jìn)入分離裝置的污泥不斷地增大增厚，并且停留在罐體的一定位置，厚厚的污泥層取代了傳統(tǒng)的過濾介質(zhì)，過濾著流過的混合流，混合流中的污泥被截留下來，使污泥層不斷增厚，清水則順利通過污泥層的阻截，繼續(xù)上升，從清水管流出。當(dāng)污泥層的厚度超過中央污泥收集筒的高度時(shí)，超過的部分會(huì)自動(dòng)地掉入污泥收集筒中，進(jìn)入污泥濃縮室。在這個(gè)分離裝置內(nèi)，污泥能否懸浮、停留在罐體里的某個(gè)位置，取決于夾帶著污泥的混合流工作在什么樣的流化狀態(tài)。

圖1 懸浮污泥過濾設(shè)備工作示意圖

2.4 分離裝置是工作在固定床階段或流化床階段初期的流化裝置

如圖2，在垂直裝有固體顆粒的床層中，流體自下而上通過床層，隨著流速從小到大變化，床層將出現(xiàn)下述三種不同的階段［4］。

圖2 不同流速下床層狀態(tài)的變化

2.4.1 固定床階段

如圖2（a）所示，流體通過床層的流速較低，流體對(duì)顆粒的曳引力較小，顆粒之間緊密接觸，靜止不動(dòng)，床層高度不變，該階段10-4

式中：Rep-混合流雷諾數(shù)；ξ－曳力系數(shù)；ds－顆粒的直徑，m；ρs－顆粒的密度，kg/m3；ρ－流體的密度，kg/m3；ut－顆粒的自由沉降速度，m/s。

2.4.2 流化床階段

圖2（b）、（c）、（d）所示，當(dāng)流體速度增加到一定值時(shí)，流體對(duì)顆粒的曳引力增加到與顆粒的凈重力相等，流體通過床層的阻力等于單位截面床層的重量時(shí)，顆粒開始浮動(dòng)，床層高度有所增加，而且會(huì)隨著流速的增大繼續(xù)提高。該階段1

2.4.3 液力輸送階段

當(dāng)流體流速等于顆粒沉降速度ut時(shí)，顆粒被帶出容器外，床層界面消失，此時(shí)的流速稱為流化床帶出速度，流速高于帶出速度后，就是流體輸送階段。該階段1000

3 沉降與分離原理

顯然，懸浮污泥過濾裝置中的分離裝置一定不能工作在液力輸送階段，必須使分離裝置工作在固定床階段的后期或流化床階段，床層要有明顯的分界面，通過調(diào)整進(jìn)入分離裝置的混合流流速，可以改變床層的高度，但是不要讓流速接近流化床的帶出速度，否則，污泥就會(huì)被帶出，影響分離效果。

一沉、二沉等沉降裝置中，混合流是工作在固定床階段的，Stokes 公式中影響因子有：μ，ρs，ρ，ds。對(duì)于一個(gè)特定的處理工藝來說，μ、ρ 是不可選擇的；如果藥劑確定了，則ρs也就定了。在沉淀的過程中，唯一可以隨時(shí)改變的就是絮體直徑ds，而且沉降速度ut和ds成平方關(guān)系，更進(jìn)一步說明了在沉淀池中增加ds的必要性和重要性。從沉降裝置的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也可以觀察到，凡是從出水堰跑出去的都是小的絮體（俗稱“跑渾”）。為了提高出水水質(zhì)，提高分離效果，必須重視在沉降裝置中的混凝效果，就是說，除了必須想辦法在沉降裝置的構(gòu)造設(shè)計(jì)、水流流態(tài)、沉降裝置中的填料布置等方面著手分析、改造，通過一系列手段，造成沉降裝置中的混凝效果，還要控制混合流工作在固定床階段，較低的流速容易造成沉降裝置中絮體的不斷增大，更容易使絮體接觸，絮體靠近、接觸、碰撞，才能吸附、黏附、粘結(jié)、橋連在一起。

一沉到二沉之間的管道輸送、沉降裝置到分離裝置之間的管道輸送，混合流是要工作在液力輸送階段的。

通過Allen 公式可以計(jì)算出分離裝置的最小外徑和來水管道內(nèi)徑，實(shí)際工程設(shè)計(jì)只要保證罐體的直徑大于這個(gè)最小值，就會(huì)使混合流進(jìn)入分離裝置內(nèi)部以后，逐漸形成污泥層，隨著過濾的繼續(xù)，污泥層不斷增厚，最后落入污泥收集室。

懸浮污泥過濾技術(shù)是一個(gè)物理、化學(xué)的綜合分離技術(shù)，工藝上沉降與分離之間有著密不可分的依賴關(guān)系，沉降的效果決定著分離的效果，只有沉降達(dá)到指標(biāo)了，分離才會(huì)達(dá)到指標(biāo)。工程實(shí)踐中，在分離裝置調(diào)試正常的情況下，出水仍然不達(dá)標(biāo)，多半要重新改進(jìn)沉降工藝，使用新的藥劑。該技術(shù)設(shè)計(jì)理念新穎，利用污水自身形成的致密懸浮泥層進(jìn)行水質(zhì)的凈化、過濾，打破了傳統(tǒng)的機(jī)械過濾模式，其功能相當(dāng)于目前的污水預(yù)處理系統(tǒng)和精細(xì)過濾系統(tǒng)的總和。它的特點(diǎn)就是：處理精度高，處理后水質(zhì)可以達(dá)到A2-A3 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且水質(zhì)穩(wěn)定；運(yùn)行費(fèi)用低，適用范圍廣，適用于各種工業(yè)污水及生活污水處理，對(duì)油田采油污水處理更具有明顯的效果，并且對(duì)來水水質(zhì)條件要求不高；一次性投資少，設(shè)備在常壓狀態(tài)下工作運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)備一次性投資少；沒有濾料的污染和更換問題，在保證水質(zhì)的前體下，節(jié)約了濾料的更換、再生費(fèi)用，操作維修簡(jiǎn)便；占地少、凈化乳化油和懸浮物的效果特別好。

懸浮污泥過濾技術(shù)是最近幾年才開始應(yīng)用的新技術(shù)，這方面的技術(shù)不僅可以應(yīng)用于油田，同樣可以應(yīng)用于其它行業(yè)需要進(jìn)行污水處理的項(xiàng)目中。

［1］ 唐紅軍，等.懸浮污泥過濾技術(shù)用于油田含油污水處理的試驗(yàn)［J］.油氣田地面工程，2005（4）：35.

［2］ 張逢玉，等.懸浮污泥過濾工藝在油田污水深度處理中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代化工，2007（8）：55-58.

［3］ 劉紅，等.懸浮污泥過濾技術(shù)應(yīng)用于油田采出水處理［J］.油氣田地面工程，2005（7）：22-23.

［4］ 文長明.散狀物料氣力輸送和DCS 系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.