污水廠沉砂池氣提式提砂效率提升實驗研究

羅本福，周鵬飛，寧海燕，劉晨昊，徐佳然，李正貴，張明杰

(1.西華大學 土木建筑與環境學院，四川 成都 610039;2.成都市自來水有限責任公司，四川 成都 610100;3.西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610139;4.四川中恒工程設計研究院有限公司，四川 成都 610100)

污水廠氣提式提砂是在沉砂池內的提砂管底部引入壓縮氣體(常為空氣)，利用提砂管內外液體密度差使液體產生垂直運動，將砂水混合物提升至池外進一步分離的實用技術[1]。由于氣提技術具有①無機械運用的部件、結構十分簡單、無系統磨損；②兼具洗砂和輸送作用，有利于后續砂水分離器分離等[2]特點，其正在逐步取代傳統機械泵。在沉砂池氣提提砂的工程應用中發現：沉砂池內積砂淹沒深、提升管管徑等參數會影響氣提后砂水分離器中的含砂量，進而影響氣提式提砂效率；提砂管進砂方式的差異,可能導致提砂管堵塞，影響氣提排砂保證率，進而制約沉砂池對砂的去除效果。

目前,國內外關于氣提裝置的實驗研究或工程應用中,大多聚焦于提升管結構、管內流型流態分析等方面，對氣提裝置的能耗效率研究有所欠缺[3]。

本文搭建實驗裝置，研究積砂淹沒深、提砂管管徑、進砂方式三個核心參變量搭配對氣提提砂速度和效率的影響，探討氣提提砂裝置參數的優化配置，以期有助于實際工程中優化污水廠氣提沉砂池的設計。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

粒徑0.6～1.0 mm河砂，自來水。

HG-501S回轉式風機；螺桿式空氣壓縮機；QDX40-9-1.5B潛水泵；DN40渦街氣體流量計；LDG-50液體電磁流量計；DN20調壓閥；DN150閘閥；DN300儲氣風包。

1.2 實驗裝置搭建

依據氣提泵的基本工作原理，分別設置回旋式風機、揚水管、氣體噴射裝置、儲水筒和砂水分離桶等模擬沉砂池氣提式提砂(見圖1)。

選用HG-501S回轉式風機(q=1.5 m3/min、p=48 kPa)，在風機出風口設置風包(風包上裝有安全閥和放水閥，風包上的四個閥門用于調節氣量的大小)，通氣量調節范圍為10～130 m3/h，通氣壓力為0～0.1 MPa。貯水罐的容積約為2 m3，儲水筒采用亞克力材質(便于觀測)，外徑為500 mm，貯水罐上沿與儲水筒齊平。氣體噴射裝置曝氣孔數量為511個，孔直徑為4.2 mm，曝氣孔總面積7 076.02 mm2。提升管采用長度4 m、管徑80,100 mm的亞克力圓管。用氣壓表測試通氣壓力，渦街流量計測試通氣量，秒表記錄砂水分離桶裝滿混合液的時間，電子天平測量砂粒的重量。

1.3 實驗方法

實驗裝置搭建完畢后，在提升管中通入氣體，形成水-氣-砂三相流，提升后的砂水混合物在砂水分離桶中進行分離。回旋式風機產生的空氣在經過渦街流量計和氣壓表測量后，通過氣體噴射裝置注入提升管底部，進入儲水筒后形成氣泡與水組成的氣水混合物，推動砂水向提升管頂部流動，通過提升管頂部后流入砂水分離桶中進行砂水分離，分離后的砂經過除水后進行稱量，稱量完后的砂再倒回儲水筒以保證積砂淹沒深。砂水分離中損失的水量由貯水罐補給，貯水罐中的水則由自來水管補給，由于連通管原理，貯水罐和儲水筒中的水位相同，故可形成循環系統。

在實際工程中，一般污水廠沉砂池氣提的淹沒比約為0.7，故淹沒比取用0.7。3個參變量設置如下：

①積砂淹沒深 依據現有沉砂池的設計運行經驗，通常其積砂淹沒深度介于10～25 cm之間，因此初始積砂淹沒深度定為12 cm。

②提升管管徑 由于儲水筒外徑為500 mm，考慮提砂時要能夠充分提砂又不至于抽成“真空”，提升管管徑不宜過小也不宜過大，管徑介于DN80～DN100時就能滿足上述條件。因此設定提升管管徑為DN100。

③進砂方式 實際運行中氣提提升管底部堵塞的情況屢見不鮮，本實驗在提升管底部增設喇叭口，探究改變進砂方式對氣提提砂速度和效率的影響，設定進砂方式：設置喇叭口、提升管(無喇叭口)。

提砂速度用下式計算：

(1)

式中v——氣提提砂速度，kg/s；

M——砂水分離桶內砂粒的重量，kg；

t——裝滿砂水分離桶所需的時間，s。

氣提提砂效率采用Nicklin經典公式計算：

(2)

式中k——安全系數，一般取1.1 ～ 1.2；

ρ——提升液體密度，kg/m3；

Q——揚水量，m3/s；

h——提升高度，m；

E——壓縮空氣的能耗，W。

其中壓縮空氣的能耗E可用下式來計算：

(3)

式中p0——大氣壓力，N/m2；

p2——壓縮空氣工作壓力，N/m2；

q——通氣量，m3/h。

2 結果與討論

2.1 積砂淹沒深的影響

淹沒比0.7，提升管管徑DN100，根據不同積砂淹沒深調整埋深，確保直管底部埋深為5 cm。積砂淹沒深度對提砂速度和提砂效率的影響，見圖2。

由圖2(a)可知，相同氣量值下，隨著積砂淹沒深的增加，提砂速度加快。這是因為砂粒的提升主要是由管道中流體特性來決定的，因而與水隨進氣量呈現近似的變化規律[4]；在相同淹沒比的前提下，通氣量的增加能降低固-液-氣三相混合物比重，減小三相流運動過程中的阻力，從而產生更大的浮力驅動力，導致混合物的上升速度迅速增大；當通氣量達到100～110 m3/h后，提升管中氣泡逐漸增多，氣相運動產生不穩定的團狀漩渦，形成環狀流，氣泡與砂粒之間會發生碰撞，阻礙提砂速度的增大，可以預見的是隨著氣量的進一步增大，提砂速度反而會下降。

由圖2(b)可知，增加積砂淹沒深，同一積砂淹沒深下，通氣量在30～40 m3/h時提砂效率最高，此后效率呈下降態勢；但整體的提砂效率提升幅度較小，在效率峰值下積砂深24 cm提砂效率僅比積砂深18 cm提砂效率提升不足5%。因為增加積砂淹沒深，使得砂粒間相互作用的頻度加大，需要提升的能量也更大，從而增加阻力損失，雖然積砂淹沒深，增加使提砂速度和提砂量增加，但是由于阻力也隨之增加，所以提砂效率提高幅度較小。當氣量很小(<20 m3/h)時，提砂速度較慢，管道中流型為氣泡流，砂粒與水流之間的滑移速度較大，達不到提升高度所需的壓力，砂水混合物沒有被提升；隨著氣量的增加(20～40 m3/h)，管內氣泡含量逐漸增大，管道中流型進入團狀流，砂粒被密集小氣泡包裹提升，氣泡對砂粒的提升作用逐漸加強，提砂效率相應增加[5-6]；但當氣量大于40 m3/h，提升更大的水量需要更大的工作壓力，盡管提砂速度增加，提升管出口的能量也有所增加，但是由于氣量的增加，管內流型變為攪拌流甚至環狀流，砂粒與管道碰撞加劇，增加阻力損失使得出口能量的增加小于入口能量的增加，所以提砂效率也就逐漸降低。

2.2 提升管管徑的影響

淹沒比為0.7，儲水桶內積砂淹沒深為18 cm，提升管底部直管埋深為5 cm，提升管管徑對提砂速度、提砂效率的影響見圖3。

由圖3(a)可知，當提升管管徑為DN100時，提砂速度隨著通氣量的增大迅速增大，管徑DN80的提砂速度隨著通氣量增大而增大的幅度不明顯，且峰值前移。由圖3(b)可知，通氣量30～40 m3/h時提砂效率最高，此后效率呈下降態勢，在效率峰值下，管徑DN100提升效率比管徑DN80提升效率高7%左右。在三相流中，砂粒在提升管內做旋轉運動，會產生一個與砂粒運動方向垂直的Magnus力(馬格努斯效應產生的橫向力)，此時增大提升管的管徑，靠近管壁Magnus力增大，Magnus力在氣泡與液流的共同作用下推動砂粒向管中心運動[7-8]，減少了砂粒與提升管管壁的碰撞次數，從而加快了水的輸送，使得提砂速度和效率增大。相較于DN80，由于增大管徑，減少了砂粒與提升管管壁的碰撞次數，減小了切向阻力，增加了DN100進入環狀流所需要的氣量，所以DN100提砂速度的峰值在通氣量100～110 m3/h時才出現。

2.3 進砂方式的影響

淹沒比為0.7，儲水桶內積砂淹沒深為18 cm，提升管管徑為DN100，提升管下部直管直接進砂和提升管下部直管底部設置喇叭口進砂，埋深定為5 cm。 兩種進砂方式對提砂速度、提砂效率的影響見圖4。

由圖4可知，相比于提升管底部直管進砂，設置喇叭口的提砂速度和提砂效率提高均不明顯；在效率峰值下，設置喇叭口后的提升效率僅僅提高2%左右。設置喇叭口雖然增大了砂水混合物進入提升管的橫截面積，減少了入口處部分阻力，但并不影響提升管內氣泡推動砂水向上流動，不影響三相流在管內的運動狀態，對提砂速度和提砂效率的提高均不明顯。設置喇叭口最大作用在于可以對砂水混合物起導流作用，可以有效地減少堵管情況的發生，因此實際運行中常常出現堵管現象時，可以考慮設置喇叭口。

2.4 參數優化配置對比分析

根據前面實驗成果，對氣提提砂裝置參數進行優化配置，淹沒比不變，仍為0.7，設置儲水桶內積砂淹沒深為24 cm，提升管管徑為DN100，提升管下部直管底部設置為喇叭口進砂，埋深定為5 cm，提砂效率見圖5。

由圖5可知，參數優化配置后，整體的提砂效率大幅提升，提升幅度達到10%～12%。因此，在污水廠氣提提砂的實際工程中，可以通過適當地增加積砂淹沒深、增加提升管的管徑、在提升管下部直管設置喇叭口來提高氣提提砂裝置的效率，有效地降低因鼓風機效率過低所帶來的不足。

3 結論

(1)隨著通氣量增加，提砂速度和效率變化趨勢相似，且存在峰值，但峰值并不同步。在沉砂池實際運行中最佳通氣量宜介于：峰值提砂速度下的理論氣量<最佳通氣量<峰值效率下的理論氣量。

(2)積砂淹沒深增加，提砂速度和效率隨之提升；但在效率峰值下積砂深24 cm提砂效率比積砂深18 cm提砂效率提升僅5%。在實際運行中，當沉砂池積砂淹沒深度較高時，可根據達到最大提砂速度時的氣量來進行提砂。

(3)增大提升管管徑，DN100提砂速度和效率明顯高于DN80，且DN80提砂速度的峰值前移。在效率峰值下，管徑DN100提升效率高7%～8%。

(4)提升管下部直管底部設置喇叭口對提砂速度和效率的提升均不明顯，提升效率僅僅提高2%左右，當實際運行常常出現堵管現象時，可以考慮設置喇叭口。

(5)參數優化配置后，發現適當地增加積砂淹沒深、增加提升管的管徑、在提升管下部直管設置喇叭口后氣提提砂裝置整體的提砂效率提升幅度達到10%～12%。