新型水力旋流除砂設(shè)備在西安市某污水廠的運(yùn)行情況研究

文_尹雷 劉 艇 周文政 王祥 萬(wàn)碩

1.浦華環(huán)保有限公司 2.陜西中節(jié)能水務(wù)有限公司

隨著城鎮(zhèn)污水廠處理技術(shù)的發(fā)展細(xì)化和管理水平的提升，污水處理廠的泥沙管理問(wèn)題正慢慢地被人們所重視。研究表明，污水處理廠除砂系統(tǒng)運(yùn)行效果不佳，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備和管道彎頭過(guò)度磨損；卞子敏等研究認(rèn)為，由于砂粒具有流動(dòng)性差、易沉積特點(diǎn)，會(huì)引起污泥管道、配水渠等堵塞，出現(xiàn)類似混凝土凝固問(wèn)題，只能人工從設(shè)備管道中挖出。

根據(jù)《排水規(guī)范》，污水廠除砂設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)粒徑200μm以上、容重2.65 的砂粒，去除效率90%以上，在此基礎(chǔ)上，目前國(guó)內(nèi)普遍采用的沉砂工藝有曝氣沉砂池（AGB）和機(jī)械旋流沉砂池（MIV），但通過(guò)近年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)這兩種工藝的運(yùn)行效果并不理想，主要表現(xiàn)為除砂精度不能滿足要求，尤其是對(duì)于粒徑100～200μm 的細(xì)砂，AGB 的主要除砂區(qū)間為0.5～2mm，不能達(dá)到200μm 的去除標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)故障率高，運(yùn)行維護(hù)成本較高；除砂效果不穩(wěn)定，受水力負(fù)荷變化的影響較大；除砂系統(tǒng)能耗高，不利于節(jié)能減排。因此，尋找一種除砂精度高、效果穩(wěn)定、運(yùn)維成本低的除砂技術(shù)，就成為優(yōu)化污水廠泥沙管理的當(dāng)務(wù)之急。

本研究旨在介紹一種新型的水力旋流除砂設(shè)備，通過(guò)特定的流體力學(xué)設(shè)計(jì)，該設(shè)備能夠在有效提高系統(tǒng)除砂效率的同時(shí)，降低系統(tǒng)能耗。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該水廠位于西安市西三環(huán)邊，總設(shè)計(jì)處理能力20 萬(wàn)t/d，進(jìn)水來(lái)源主要是市政和生活污水，預(yù)處理系統(tǒng)包括粗格柵、轉(zhuǎn)鼓式細(xì)格柵和旋砂特TM 水力旋流除砂系統(tǒng)。水力旋流除砂系統(tǒng)一二期同建，共有兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)處理能力為10 萬(wàn)t/d。

2 設(shè)備原理和特點(diǎn)

水力旋流除砂器（簡(jiǎn)稱“GK”，中文名“旋砂特TM”），是一種依靠重力高效去除水中砂粒的水力旋流分離設(shè)備。設(shè)備原理如圖1，進(jìn)水經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板，沿切向進(jìn)入池體，并形成螺旋下降的水流（箭頭1），在到達(dá)底部后，砂礫沉降并存儲(chǔ)在砂斗內(nèi)（箭頭3），而水流在中心導(dǎo)流件的作用下形成向上的旋流（箭頭2），內(nèi)側(cè)向上的旋流流速小于外側(cè)向下的旋流流速，從而在交界面形成了“剪切區(qū)”，可去除粒徑更小的砂粒。

圖1 旋砂特TM 水力旋流除砂設(shè)備

與傳統(tǒng)的工藝相比，該設(shè)備去除標(biāo)準(zhǔn)更高，能夠?qū)α?06μm、比重2.65 的砂粒實(shí)現(xiàn)85%以上的去除率，這比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范中的去除粒徑200μm 更加嚴(yán)格；結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小；能耗低，無(wú)需提供攪拌槳、曝氣設(shè)備以及垳車等，即可有效地降低能耗；設(shè)備內(nèi)部無(wú)活動(dòng)部件，維護(hù)成本較低。

為了進(jìn)一步評(píng)估旋砂特TM 水力除砂系統(tǒng)的運(yùn)行效果，作者于2019 年4 月，利用自行設(shè)計(jì)的樣品采集設(shè)備和取樣方案，對(duì)該水廠的除砂效率進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

3.1 樣本的選擇

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，在考慮取樣時(shí)段、天氣以及特殊工況等因素，選擇了五組測(cè)試結(jié)果來(lái)進(jìn)行分析，其中1、2、3#樣品為上午采樣，4、5#樣品為下午采樣；3#為雨后采樣，其余為晴天采樣；4#為特殊工況（前端細(xì)格柵故障），其余為正常工況。

3.2 采樣方法和檢測(cè)方法

為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究采用自制的采樣設(shè)備，分別采集系統(tǒng)進(jìn)、出水的連續(xù)水樣，采樣時(shí)長(zhǎng)取1.5～2h；根據(jù)斯托克斯公式，在實(shí)際采樣過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)流量，使其保持在Q ≤0.42L/S，以保證粒徑大于50μm 的砂粒都能被收集到，同時(shí)記錄采樣時(shí)間以及每次流量監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，以便統(tǒng)計(jì)采樣體積。

水樣采集完成后，關(guān)掉進(jìn)、出水閥門，按照流程進(jìn)行處理：①樣本采集到采樣桶中后，經(jīng)300 目（50μm）的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，保留篩上部分；②將濕篩后樣品置于烘箱，于105℃烘干2h，冷卻至室溫稱重；③烘干樣品置于馬弗爐內(nèi)，于600℃灼燒2～3h，冷卻至室溫稱重；④灼燒稱重后的樣品分別逐級(jí)通過(guò)30～200 目的篩網(wǎng)，對(duì)篩上砂粒進(jìn)行稱重；⑤根據(jù)灼燒分級(jí)后的無(wú)機(jī)砂質(zhì)量以及采樣體積，計(jì)算出進(jìn)、出水種總無(wú)機(jī)砂粒濃度以及某一粒徑的無(wú)機(jī)砂的濃度。

4 結(jié)果與討論

4.1 進(jìn)水情況

4.1.1 進(jìn)水水量

西安魚(yú)化污水廠除砂系統(tǒng)采用一、二期同時(shí)建設(shè)，設(shè)計(jì)總處理水量20 萬(wàn)t/d，目前為低于設(shè)計(jì)流量下運(yùn)行，采樣過(guò)程中的水量如表1 所示。由表1 可知，在采樣過(guò)程中，該廠進(jìn)水水量最小為7.4 萬(wàn)t/d，最大為10.4 萬(wàn)t/d，水量波動(dòng)較大。

表1 采樣期間進(jìn)水水量變化

4.1.2 進(jìn)水顆粒有機(jī)物含量

根據(jù)Stokes 公式，固體顆粒在水中的沉降速度受顆粒粒徑d、水的粘度u 以及顆粒容重ρs 的影響，《排水規(guī)范》中規(guī)定的除砂工藝目標(biāo)去處理為200μm、容重2.65 的無(wú)機(jī)砂粒，但實(shí)際進(jìn)水中，砂粒表面往往覆蓋有不同程度的有機(jī)物，而有機(jī)物的存在會(huì)直接影響顆粒容重，因此對(duì)進(jìn)水砂粒有機(jī)物含量的測(cè)試是評(píng)價(jià)進(jìn)水顆粒沉降性能的一個(gè)重要依據(jù)。

對(duì)西安魚(yú)化污水廠進(jìn)水樣品中固體的有機(jī)物含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，進(jìn)水砂粒平均有機(jī)物含量為84.57%，據(jù)此推算，該污水廠進(jìn)水砂粒的加權(quán)平均容重約為1.25，僅僅略大于水的密度，這說(shuō)明進(jìn)水中砂粒沉降性能較差。

表2 進(jìn)水固體有機(jī)物含量變化

4.1.3 進(jìn)水無(wú)機(jī)砂粒濃度及粒徑分布

西安魚(yú)化污水廠進(jìn)水無(wú)機(jī)砂濃度如圖2 所示，受進(jìn)水水量和水質(zhì)變化的影響，進(jìn)水中無(wú)機(jī)砂濃度波動(dòng)較大，尤其是4#樣品，受到上游細(xì)格柵運(yùn)行故障的影響，導(dǎo)致沉砂池進(jìn)水含砂量是平時(shí)的6.5 倍；進(jìn)水中無(wú)機(jī)砂平均濃度為6.3g/m3，低于《排水規(guī)范》中7.2g/m3的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，若不考慮格柵故障的影響，則進(jìn)水無(wú)機(jī)砂粒濃度更低，僅為3.0g/m3。

圖2 進(jìn)水無(wú)機(jī)砂粒濃度

進(jìn)水砂粒的粒徑對(duì)其沉降性能有直接影響，因此本研究也用分級(jí)篩分的方式，測(cè)定了進(jìn)水無(wú)機(jī)砂粒的累積粒徑分布，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3 可知，該廠進(jìn)水中粗砂占比較小，200μm 以上的無(wú)機(jī)砂占比僅有7.9%，150μm 以及100μm 以上的無(wú)機(jī)砂占比分別為18.7%和24.8%，說(shuō)明設(shè)計(jì)規(guī)范中200μm 的除砂目標(biāo)粒徑并不適用于該污水廠。

圖3 進(jìn)水無(wú)機(jī)砂粒粒徑累積分布

4.2 旋砂特TM水力旋流除砂設(shè)備的除砂效率

對(duì)旋砂特TM 設(shè)備的出水樣品采用同樣的方法處理，即可得到各組樣品對(duì)應(yīng)的出水砂粒濃度和粒徑分布，以及該設(shè)備對(duì)200μm、150μm 以及100μm 粒徑無(wú)機(jī)砂的去除效率，如圖4所示。從圖4 可以看到，旋砂特TM 對(duì)不同粒徑砂粒的去除率比較穩(wěn)定，其對(duì)粒徑200μm、150μm 以及100μm 以上砂粒的平均去除率分別為94%、90%以及85%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。此外，對(duì)砂水分離器所出固體量的統(tǒng)計(jì)顯示，在平均進(jìn)水水量8.5 萬(wàn)t/d的情況下，砂水分離器出口固體量為3～4m3/d，考慮到該設(shè)備對(duì)于100μm 以下的砂粒也具有一定的去除效率，因此可認(rèn)為測(cè)試結(jié)果與實(shí)際出砂情況比較吻合。

圖4 旋砂特TM 對(duì)不同粒徑砂粒的去除效率

4.3 系統(tǒng)能耗分析

為更加直觀地說(shuō)明該水力旋流除砂系統(tǒng)在占地和節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合2015 年在西安市第五污水處理廠對(duì)已有20 萬(wàn)t 曝氣沉砂池運(yùn)行情況的調(diào)研情況，對(duì)二者進(jìn)行系統(tǒng)地比較，由于該旋流除砂系統(tǒng)目前只是單池運(yùn)行，因此為方便比較，特將現(xiàn)有處理能力按照比例放大為20 萬(wàn)t/d，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 GK與AGB系統(tǒng)能耗對(duì)比

根據(jù)上表可知，旋砂特TM水力除砂系統(tǒng)能夠有效降低70%的能耗，對(duì)于污水廠的節(jié)能減排具有重大意義。此外，對(duì)于20萬(wàn)t/d 的水廠，其占地也比傳統(tǒng)的曝氣沉砂池節(jié)省42%。

5 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)水水質(zhì)會(huì)對(duì)砂粒沉降產(chǎn)生較大影響，西安魚(yú)化污水廠進(jìn)水細(xì)砂比重大、砂粒有機(jī)物含量高，沉降性能較差；該水力旋流除砂設(shè)備能夠有效去除進(jìn)水中的細(xì)砂，在不同進(jìn)水水量和含砂量條件下性能穩(wěn)定，具有一定的抗水力沖擊能力；其對(duì)粒徑100μm 以上的細(xì)砂的平均去除效率達(dá)到了85%，滿足設(shè)計(jì)要求；與傳統(tǒng)曝氣沉砂池相比，水力旋流除砂設(shè)備能夠減少42%的用地，并降低70%的能耗，對(duì)節(jié)能減排以及土地的高效利用具有積極的意義。