氣提原理在虹吸式刮吸泥機(jī)的研究與應(yīng)用

文_李維 丁云松 楊曉東

1 重慶市忠縣排水有限公司 2 重慶市渝東水務(wù)有限公司

傳統(tǒng)刮吸泥機(jī)在實(shí)際運(yùn)行的過程中，不僅經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)吸泥扁口堵塞的情況，需要定期安排人工進(jìn)行沖洗。而且在生物池濃度較高的情況下，刮吸泥機(jī)的回流污泥效率將會(huì)受到較大影響，外回流比降低幅度較大。此外，當(dāng)刮吸泥機(jī)遭受泥漿水、施工廢水沖擊時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致二沉池池底的污泥含量急劇提升，嚴(yán)重影響污泥刮吸。

1 氣提原理

整個(gè)氣提過程屬于物理變化范疇，其主要應(yīng)用的是亨利定律，通過提高一相分壓來降低另一相分壓，以此破壞原有的氣液平衡狀態(tài)，達(dá)到新的平衡。在實(shí)際操作過程中，通過將空氣注入升液管當(dāng)中，以此改變介質(zhì)密度，使得升液管內(nèi)外介質(zhì)存在一定密度差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)提升。

在實(shí)際應(yīng)用氣提原理的過程中，會(huì)先將氣體通入到提升管的底部，在浮力的作用下，氣泡會(huì)逐漸上升，最終充滿整個(gè)提升管，此時(shí)提升管內(nèi)部就形成了水、氣混合液，而提升管的外部則是污水，為達(dá)到氣提的目的，管內(nèi)外是連通的。式（1）為提升管內(nèi)外液體平衡公式。

式中ρ1-污水的密度（kg/m3）；ρ2-提升管內(nèi)水氣溶液的密度（kg/m3）；H-淹沒深度；L-提升高度+淹沒深度，H/L-淹沒率。

從等式關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際進(jìn)行氣提的過程中，只要滿足ρ1H>ρ2L這一要求，就能夠使得管內(nèi)水氣溶液逐漸上升實(shí)現(xiàn)提升，對(duì)式（1）進(jìn)行變換移項(xiàng)得到式（2）。

由式（2）分析可知，在實(shí)際進(jìn)行氣提的過程中，想要使得管內(nèi)水溶液上升到一定高度L-H，就必須確保淹沒深度達(dá)到H，同時(shí)還需要系統(tǒng)提供一定的壓縮空氣，保障提升管內(nèi)的密度能夠達(dá)到ρ2。

氣提原理在虹吸式刮吸泥機(jī)中的應(yīng)用，主要是通過配置適用于虹吸式刮吸泥機(jī)的氣提裝置得以實(shí)現(xiàn)。

2 案例概況

本次研究以明鏡灘污水處理廠一期工程二沉池為例，在氣提原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用氣提裝置，對(duì)虹吸式刮吸泥機(jī)進(jìn)行改造，以此達(dá)到提升虹吸式刮吸泥機(jī)能力，降低污水處理廠經(jīng)濟(jì)成本的目的。

明鏡灘污水處理廠一期工程設(shè)計(jì)處理規(guī)模3萬m3/d，采用A/A/O工藝。分為兩組系列，單組二沉池直徑32m、池邊水深3m，采用周邊傳動(dòng)虹吸式刮吸泥機(jī)，安裝吸泥管14根，管徑DN100，吸泥管頂部安裝錐形閥調(diào)節(jié)提升污泥量，集液槽內(nèi)外液位差32～35cm。二沉池采用集電環(huán)供電，預(yù)留用電功率約5kW。刮吸泥機(jī)橋架最大承重500kg。

3 氣提原理在虹吸式刮吸泥機(jī)的研究

3.1 風(fēng)機(jī)類型

虹吸式刮吸泥機(jī)常用的風(fēng)機(jī)類型有兩種，其一為空壓機(jī)，即空氣壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)與水泵相似，種類十分繁多；其二為羅茨鼓風(fēng)機(jī)，是一種容積回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，適用于各種低壓力場合氣體的輸送和加壓。在相同風(fēng)量情況下，空壓機(jī)作為一種壓力容器，功率相對(duì)較高，而且在啟動(dòng)過程中電流相對(duì)較大，在間歇運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頻繁啟停情況，空壓機(jī)會(huì)對(duì)集電環(huán)造成較大的沖擊和影響。綜合上述分析，在進(jìn)行案例污水處理廠刮吸泥機(jī)改造升級(jí)的過程中，最終決定選用羅茨鼓風(fēng)機(jī)。

3.2 安裝操作

在實(shí)際進(jìn)行機(jī)型鼓風(fēng)機(jī)安裝的過程中，為保障整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，選用了型號(hào)為DN32的鍍鋅鋼管鋪設(shè)在橋架兩側(cè)，將鼓風(fēng)機(jī)安裝在橋架的中心，并將吸泥管與鼓風(fēng)支管進(jìn)行連接，同時(shí)為每根鼓風(fēng)支管安裝相應(yīng)控制閥門，以此控制風(fēng)量。結(jié)合水處理廠的實(shí)際情況，需要將風(fēng)管浸沒深度控制在2.5～3m之間。鼓風(fēng)機(jī)安裝示意圖，見圖1。

圖1 鼓風(fēng)機(jī)安裝示意圖

3.3 污泥濃度測試

在安裝好鼓風(fēng)機(jī)之后，對(duì)改造后虹吸式刮吸泥機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，并對(duì)改造前后的污泥濃度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示。將表1檢測結(jié)果繪制成折線圖，見圖2。由圖2可知，在安裝氣提裝置之后，二沉池邊緣的污泥沉積量有了極大地改善，而且提升的混合液濃度也相對(duì)較高，說明在安裝氣提裝置之后，虹吸式刮吸泥機(jī)的污泥處理效果有了極大地提升，并且二沉池底部的積淤情況也得到了緩解，有效解決了傳統(tǒng)虹吸式刮吸泥機(jī)管道淤堵的問題。

圖2 安裝前后提升污泥濃度對(duì)比折線圖

表1 安裝前后提升污泥濃度對(duì)比數(shù)據(jù)

3.4 風(fēng)量測試

風(fēng)量測試的主要目的是確定在實(shí)際應(yīng)用氣提虹吸刮吸泥機(jī)過程中的最佳風(fēng)量，確保氣提以及吸泥排污能夠達(dá)到最佳效果。在案例污水處理廠中，通過對(duì)10d不同風(fēng)量情況進(jìn)行測試，并對(duì)提升量和回流污泥濃度進(jìn)行檢測試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中提升量為回流量與剩余污泥量之和。由表2測試結(jié)果可知，在風(fēng)量相對(duì)較小的情況下，提升量的波動(dòng)情況相對(duì)較小，基本維持在26700m3/d左右，而當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)中的風(fēng)量達(dá)到1.0m3/min時(shí)，提升量得到了顯著地提升，并且隨著風(fēng)量的不斷加大，提升量也在不斷增加，二者呈現(xiàn)出正比關(guān)系，但是當(dāng)風(fēng)量達(dá)到2.0m3/min時(shí)，隨著風(fēng)量的進(jìn)一步提升，提升量則呈現(xiàn)出了下降趨勢，而且回流污泥濃度也隨著風(fēng)量的增加而逐漸減小。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，在現(xiàn)場進(jìn)行風(fēng)量測試發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)量的不斷加大，集液槽內(nèi)外液之間的位差逐漸縮小，當(dāng)風(fēng)量達(dá)到2.0m3/min時(shí)，內(nèi)外液差達(dá)到相對(duì)對(duì)平衡的狀態(tài)，但是隨著風(fēng)量的進(jìn)一步增加，提升液體波動(dòng)不斷變大，甚至濺出集液槽外。因此，經(jīng)過試驗(yàn)和現(xiàn)場測試之后，最終確定鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為1.8m3/min，此時(shí)單組提升量增加9.7%左右。

表2 風(fēng)量測試及其效果

4 總結(jié)與評(píng)價(jià)

4.1 排污效果方面

基于氣提原理，在經(jīng)過對(duì)虹吸式刮吸泥機(jī)進(jìn)行改造和更新之后，確定了鼓風(fēng)量為1.8m3/min，此時(shí)升級(jí)后的刮吸泥機(jī)排污效果如下：

①通過對(duì)風(fēng)量以及鼓風(fēng)位置的控制和調(diào)節(jié)，能夠有效提升二沉池污泥的處理能力，進(jìn)一步縮短污泥在二沉池當(dāng)中的停留時(shí)間，減少污泥沉積，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于泥位的進(jìn)一步控制，降低漂泥情況出現(xiàn)的概率，有效保障了出水質(zhì)量。

②經(jīng)過氣提改造和升級(jí)之后，刮吸泥機(jī)的回流污泥濃度從原有的10000mg/L左右，提高至15000mg/L左右，以此降低回流比，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)于污泥回流能耗的控制，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

③氣提式刮吸泥機(jī)有效解決了傳統(tǒng)刮吸泥機(jī)吸泥管底部扁嘴堵塞的問題，減少了每月清洗吸泥扁嘴的次數(shù)，該污水處理廠清洗扁嘴的次數(shù)由原來的每月6次，降至每月1到2次左右。

④氣提裝置的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了刮吸泥機(jī)應(yīng)對(duì)各種異常情況的能力，即便是在生物池高濃度、泥漿水沖擊等情況之下，也能夠盡可能的保障整個(gè)裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益方面

氣提原理在虹吸式刮吸泥機(jī)當(dāng)中的應(yīng)用，不僅進(jìn)一步提高了污水處理廠的排污能力，同時(shí)也為污水處理廠節(jié)約了大量的成本。首先，由于氣提裝置的應(yīng)用，有效改善了刮吸泥機(jī)吸泥管底部扁嘴堵塞情況，清洗虹吸管的頻率下降，當(dāng)前該污水處理廠每月僅需清洗兩次虹吸管即可，每個(gè)月節(jié)約了1600元的清洗費(fèi)用，一年下來能夠節(jié)約2萬元左右的清洗費(fèi)用。其次，經(jīng)上述計(jì)算分析可知，新裝置的應(yīng)用極大地提高了回流液的濃度，在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，在保障外回流效果不變的同時(shí)，可通過調(diào)整回流比的方式減少運(yùn)行的回流泵數(shù)量。基于案例污水處理廠的實(shí)際情況，可在實(shí)際運(yùn)行時(shí)減少一臺(tái)功率為22kW的回流泵，幫助該廠節(jié)約電量約15萬kWh/a，節(jié)約費(fèi)用約9萬元。最后，由于增加了鼓風(fēng)機(jī)，使得該廠年耗電量增加3.1萬kWh，增加電費(fèi)1.86萬元。

5 結(jié)語

在原有虹吸式刮吸泥機(jī)的基礎(chǔ)上，科學(xué)應(yīng)用“氣提原理”對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，通過對(duì)污泥流量、濃度以及風(fēng)量的測試，改造后的刮吸泥機(jī)不僅能夠減少二沉池中的泥位高度，有效保障了出水水質(zhì)，同時(shí)還提高了回流污泥的濃度，降低外回流比，不僅節(jié)能降耗效果十分明顯，還減少了刮泥機(jī)吸管堵塞情況。因此，氣提原理在虹吸式刮吸泥機(jī)中的應(yīng)用有著一定理論和實(shí)踐意義。