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(huán)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(shè)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(nèi)的提砂管底部引入壓縮氣體(常為空氣)，利用提砂管內(nèi)外液體密度差使液體產(chǎn)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(shù)[1]。由于氣提技術(shù)具有①無機械運用的部件、結(jié)構(gòu)十分簡單、無系統(tǒng)磨損；②兼具洗砂和輸送作用，有利于后續(xù)砂水分離器分離等[2]特點，其正在逐步取代傳統(tǒng)機械泵。在沉砂池氣提提砂的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：沉砂池內(nèi)積砂淹沒深、提升管管徑等參數(shù)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(nèi)外關(guān)于氣提裝置的實驗研究或工程應(yīng)用中,大多聚焦于提升管結(jié)構(gòu)、管內(nèi)流型流態(tài)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(shù)的優(yōu)化配置，以期有助于實際工程中優(yōu)化污水廠氣提沉砂池的設(shè)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(zhuǎn)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(diào)壓閥；DN150閘閥；DN300儲氣風包。

1.2 實驗裝置搭建

依據(jù)氣提泵的基本工作原理，分別設(shè)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(zhuǎn)式風機(q=1.5 m3/min、p=48 kPa)，在風機出風口設(shè)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(diào)節(jié)氣量的大小)，通氣量調(diào)節(jié)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(zhì)(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(shù)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(chǎn)生的空氣在經(jīng)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(jīng)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(huán)系統(tǒng)。

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(shè)置如下：

①積砂淹沒深 依據(jù)現(xiàn)有沉砂池的設(shè)計運行經(jīng)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(shè)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(shè)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(shè)定進砂方式：設(shè)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(nèi)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(jīng)典公式計算：

(2)

式中k——安全系數(shù)，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(jié)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(jù)不同積砂淹沒深調(diào)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(xiàn)近似的變化規(guī)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(chǎn)生更大的浮力驅(qū)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(chǎn)生不穩(wěn)定的團狀漩渦，形成環(huán)狀流，氣泡與砂粒之間會發(fā)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(tài)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(nèi)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(yīng)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(nèi)流型變?yōu)閿嚢枇魃踔镰h(huán)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(nèi)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(tài)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(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，會產(chǎn)生一個與砂粒運動方向垂直的Magnus力(馬格努斯效應(yīng)產(chǎn)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(shù)，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(shù)，減小了切向阻力，增加了DN100進入環(huán)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(xiàn)。

2.3 進砂方式的影響

淹沒比為0.7，儲水桶內(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)置喇叭口后的提升效率僅僅提高2%左右。設(shè)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(nèi)氣泡推動砂水向上流動，不影響三相流在管內(nèi)的運動狀態(tài)，對提砂速度和提砂效率的提高均不明顯。設(shè)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(fā)生，因此實際運行中常常出現(xiàn)堵管現(xiàn)象時，可以考慮設(shè)置喇叭口。

2.4 參數(shù)優(yōu)化配置對比分析

根據(jù)前面實驗成果，對氣提提砂裝置參數(shù)進行優(yōu)化配置，淹沒比不變，仍為0.7，設(shè)置儲水桶內(nèi)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(shè)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(shù)優(yōu)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?shù)卦黾臃e砂淹沒深、增加提升管的管徑、在提升管下部直管設(shè)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(jié)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(jù)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(shè)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(xiàn)堵管現(xiàn)象時，可以考慮設(shè)置喇叭口。

(5)參數(shù)優(yōu)化配置后，發(fā)現(xiàn)適當?shù)卦黾臃e砂淹沒深、增加提升管的管徑、在提升管下部直管設(shè)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%。