某污水處理廠曝氣沉砂系統的提質增效與改造

蘇東霞,劉學鋒

(北京北排水務設計研究院有限公司,北京 100068)

污水處理廠預處理除砂系統的高效、穩定運行,對于污水處理后續工藝至關重要。污水處理廠中采用氧化溝、SBR等工藝時通常不設初沉池,而設置了初沉池的AAO等工藝也常為保證除磷脫氮具有足夠的碳源,采用了超越初沉池的運行模式[1],這使得無機顆粒的去除只能依靠除砂系統完成。除砂效果較差,大量的泥砂沒有得到有效去除,進入后續處理單元導致生物池污泥混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)/混合液懸浮固體濃度(MLSS)降低,影響生化功能。有初沉池的污水處理廠,大量泥砂會隨著初沉池排泥而進入污泥處理單元,在排泥過程中磨損污泥泵,采用污泥厭氧消化工藝將會減少厭氧消化容積,導致攪拌不均,增加消化罐的攪拌能耗。因此,如何保證沉砂池能穩定去除粒徑大于200 μm的無機顆粒,同時還能強化細微無機顆粒的去除尤為重要。

曝氣沉砂池具有良好的抗沖擊能力和較高的砂礫與有機物分離效率,更廣泛地應用于各大污水處理廠中。但由于我國污水處理廠運行管理的粗放特征以及進水流量及水質的波動性,目前大多數現況污水處理廠,尤其是老舊污水處理廠的曝氣除砂系統除砂效率低下且不穩定。池型、停留時間、進出口擋板位置、曝氣量、曝氣位置和提砂泵等多個因素均對曝氣沉砂池的運行效果有影響[2-3]。國內外大多數關于曝氣沉砂池的研究均是基于試驗針對上述幾個影響因素及一些模型模擬研究[4-8],解決污水處理廠實際除砂問題的研究也多集中在旋流沉砂系統[9-10],基于實際污水處理廠現有曝氣沉砂系統進行系統性、全面性地分析解決除砂低效問題的研究較少。本文以某污水處理廠預處理曝氣沉砂系統為例,介紹了除砂系統運行效率評價方法、低效原因診斷,以及從污水處理廠實際改造案例出發總結了除砂提質增效系統化解決方案及其效果,對現有污水處理廠除砂系統運行優化及改造設計有很好的工程借鑒意義。

1 研究概況

1.1 工程概況

1.1.1 現況除砂系統流程

本文以北方某城鎮污水處理廠曝氣除砂系統為工程案例進行研究。該除砂系統流程如圖1所示。

圖1 某污水處理廠曝氣沉砂系統除砂流程Fig.1 Sand Removal Process of Aerated Sand Settling System in a WWTP

該污水處理廠曝氣沉砂池采用氣提式吸砂橋車,沉降于沉砂池池底集砂槽中的砂粒經氣提提升后隨水排至出砂槽,自流進入集砂井,集砂井內吸砂泵將砂水混合液提升進入砂水分離器進行砂水分離,出砂經無軸螺旋排入砂斗。

該污水處理廠設計規模為40萬m3/d,一期投產運行20萬m3/d,二期投產后處理水量為40萬m3/d。其中曝氣沉砂池分為2個系列,每系列2格,設計最大流量時停留時間為3.9 min。每2格曝氣沉砂池共用一臺橋式除砂機,橋車除砂采用氣提方式。沉砂池中沉降于池底集砂槽中的砂粒經氣提泵提升后隨水排至出砂槽,自流進入2個獨立集砂井,每個集砂井內安裝2臺提砂泵,1用1備,將含水砂提升進入砂水分離器進行砂水分離,出砂經無軸螺旋排入砂斗。提砂泵流量為111 m3/h,揚程為10.0 m。砂水分離器2臺,每臺處理能力為97～126 m3/h。

1.1.2 現況除砂系統運行情況

該廠現況預處理除砂系統運行效果較差且不穩定,噸水出砂量與原設計存在很大差距。《室外排水設計標準》(GB 50014—2021)中規定,污水沉砂量可按0.03 L/m3計算。分別選取一期20萬m3/d投產運行和一期、二期全部投產40萬m3/d運行的代表性年份,污水處理廠水量及每月的萬噸水日均出砂量對比數據如圖2所示。當污水處理廠僅一期投產時,萬噸水出砂量在0.3 m3/d左右,與設計值相近,且較穩定;當一期、二期均投入運行后,污水處理廠進水量翻倍,出砂量下降,與設計值相差較大,且波動很大。除砂系統效果差造成后續生物池進水渠內積砂嚴重,生物池污泥MLVSS/MLSS降低,影響生化功能,每年需耗費大量人力物力進行清掏。曝氣除砂系統氣提及吸砂管路經常性堵塞,吸砂泵堵塞及磨損較為嚴重停用。因此,該污水處理廠曝氣除砂系統亟須進行改造優化以提升除砂效率及其穩定性。

圖2 污水處理廠運行水量及出砂量對比Fig.2 Comparison of Water Quantity and Sand Output of the WWTP

1.2 研究思路

為解決該廠曝氣除砂系統效率低下且不穩定的問題,首先需對污水處理廠的現況除砂系統進行運行效率評價,評估各部分的除砂效率及運行情況,隨后對除砂系統效率低下的原因進行診斷與分析,找出薄弱與瓶頸環節。綜合考慮污水處理廠可用占地、運行情況、工程實施難易及對污水處理廠影響、工程投資等因素,結合診斷結果針對性地制定除砂提質增效解決方案,最終實現污水處理廠除砂系統高效、低碳、穩定運行。

2 除砂系統運行效率評價

2.1 評價思路

由圖1可知,曝氣沉砂池沉砂、提砂系統提砂及砂水分離系統均會影響整個系統最終的除砂效果。首先需對上述3個環節的效率進行測定評估,可通過測定各環節進出水的含砂量與粒徑級配,進而計算出各部分不同粒徑的除砂效率,判斷各環節的運行效果。

2.2 樣品采集及處理

2.2.1 取樣點設置

取樣點共計4個,分別為:曝氣沉砂池進水、曝氣沉砂池出水、砂水分離器進水(砂泵出砂水混合液)、砂水分離器溢流液。

測定上述4個取樣點的含砂量及粒徑分布,根據相似原理通過進出水中粒徑級配的變化計算沉砂及砂水分離環節的去除效率。沉砂效率及砂水分離效率可按式(1)計算。提砂效率可通過對比沉砂量與砂水分離器進水含砂量確定,如式(2)。曝氣除砂系統總運行效率如式(3)。

(1)

其中:e——沉砂效率及砂水分離效率;

n——粒徑分級總數;

ui——各環節初始時各粒徑砂粒占比;

pi——各環節各粒徑砂礫去除率。

(2)

其中:e2——提砂系統運行效率;

S1——進水含砂量,g/m3;

S2——出水含砂量,g/m3;

S3——砂水分離器進水含砂量,g/m3。

e總=e1×e2×e3

(3)

其中:e總——除砂系統運行效率;

e1——沉砂系統運行效率;

e3——砂水分離系統運行效率。

2.2.2 樣品采集及處理方法

為保證試驗結果的準確性,本研究采集取樣點的連續水樣。自制采樣設備,容積為200 L,實際采樣過程中持續監測流量,使其保持在≤0.5 L/s,以保證當量粒徑50 μm以上的顆粒物均可以被截留。連續進出水1.5～2.0 h,每10 min測出水流速,保持穩定。采樣結束后,靜置2.0 h以上,此時桶內會出現明顯分層,放空上清液,收集底部沉積泥砂。

經采樣設備收集的底部沉砂,經反復洗砂后放入烘箱,105 ℃烘干2.0 h冷卻至室溫稱重,烘干樣品置于馬弗爐內再經560 ℃灼燒2.0～3.0 h,冷卻至室溫后稱重,灼燒稱重后的樣品再逐級過篩區分粒徑并稱重。

2.3 各環節除砂效率測定結果

經試驗測定,曝氣沉砂池進、出水含砂量分別為30.2、17.2 g/m3,砂水分離器進水含砂量為9.9 g/m3,溢流液含砂量為5.1 g/m3。曝氣沉砂池進出水各粒徑砂粒含量及占比如表1所示,砂水分離器進水及溢流液各粒徑砂粒含量及占比如表2所示。根據測定結果計算沉砂池及砂水分離環節不同粒徑砂粒去除率,結果如圖3所示。

表1 曝氣沉砂池進出水各粒徑砂粒含量及占比Tab.1 Content and Proportion of Each Particle Size in Influent and Effluent of Aerated Sand Settling Tank

表2 砂水分離器進水及溢流液各粒徑砂粒含量及占比Tab.2 Content and Proportion of Sand Particles in Influent and Overflow Liquid of Sand-Water Separator

圖3 沉砂池及砂水分離器不同粒徑砂粒去除率Fig.3 Removal Rates of Sand Particles with Different Particle Sizes in Grit Chamber and Sand-Water Separator

按設計要求,曝氣沉砂池能有效去除200 μm以上砂粒,但實際去除效率遠遠未達到設計要求,200 μm以下砂粒去除率更低。經計算,本污水處理廠現況曝氣沉砂池沉砂效率為43.0%,提砂系統效率為76.2%,砂水分離效率為50.9%,總除砂效率為16.7%。

3 除砂系統低效問題診斷

3.1 污水處理廠進水含砂情況

3.1.1 進水含砂量大

城市污水的沉砂量設計時按1×106m3污水沉砂30 m3計算,其含水率為60%,容重為1 500 kg/m3,計算含砂量為18 g/m3,初步測量計算的實際含砂量為30.2 g/m3,為設計含砂量的近兩倍,可見此污水處理廠的進水含砂量較大。分析原因:(1)污水管道受損,污水管道因下沉、破損、錯位和窨井開裂下沉等,地下水帶著流砂滲入管道內;(2)雨污分流系統不完善,在排水管網中,雨污分流系統不完善或雨水管誤接入污水管道內,使雨水帶著大量泥砂進入污水管道;(3)人為因素造成砂量增加,不文明施工將施工中產生的泥漿未經沉淀就直接排入排水管網,不規范施工使得工地附近的排水設施遭到破壞,建筑泥砂進入排水管網。

3.1.2 進水小粒徑砂粒占比較大

由表1中曝氣沉砂池進水砂粒粒徑分布可知,進水砂粒粒徑中200～300 μm占比最高,150 μm以上累計占比為82%,200 μm以下占比為38%,進水砂礫粒徑小于200 μm占比較重。究其原因:(1)可能是大粒徑砂粒容易沉積在污水管網內,只有暴雨時才會被沖刷進入污水處理廠;(2)粗格柵后進水泵房處沉積了一部分大粒徑砂粒,進水提升泵很難將池底淤積的砂泵入沉砂池進水;(3)可能與地區土壤特性有關。

傳統沉砂池通常以粒徑大于200 μm砂粒的去除率衡量沉砂池除砂效果,這也是沉淀效率差的原因之一。

3.2 曝氣沉砂池沉砂問題

曝氣沉砂池的水力停留時間(HRT)及運行氣水比均對其沉砂效率有著明顯影響[3]。規范中規定,峰值流量時HRT不宜小于5 min。本案例污水處理廠建設年代較久遠,峰值流量HRT較短,小于4 min。污水處理廠一期時2個系列曝氣沉砂池均投入運行,一期進水水量較小,HRT較大,近8 min。二期投產后仍為2個系列,相比一期曝氣沉砂池池容未變,水量增大近一倍,HRT降低為一期運行時的一半,單位水量的出砂量隨之有明顯降低,說明HRT對沉砂池沉砂效果有影響。

污水處理廠中為了方便鼓風機備品備件,曝氣沉砂池與生物池共用鼓風機,曝氣沉砂池供氣氣源來自為生物池供氣的空氣干管的分支支管。曝氣沉砂池池深較生物池淺,勢必會造成曝氣沉砂池管路供氣量較設計值偏大,影響較小砂粒沉降,且供氣穩定性也會受影響。曝氣管路無氣量監測及調節設施,無法根據進水水量調節供氣量。因此,HRT偏小及氣水比的不可調控均會影響曝氣沉砂池內沉砂效果。

3.3 提砂系統問題

吸砂橋車氣提管路堵塞、集砂井吸砂泵磨損與管路堵塞是提砂系統的常見問題。一方面,由于氣提裝置、吸砂泵與砂水分離器聯動,均為間歇運行,當停止運行時,氣提砂管與供氣管連接處及集砂井內容易積砂,造成氣提管路、吸砂泵及其管路堵塞,對提砂效率造成較大影響。另一方面,吸砂泵較易磨損,磨損后流量和揚程都會減小,從而使得粒徑較大的砂粒不能隨污水帶至砂水分離器而積存在管道中,造成管道堵塞。共用一條出口管線的兩臺吸砂泵可能因泵的葉輪磨損等各種因素造成各自的流量和揚程出現差異,導致流量和揚程偏小的泵出口壓力減小,而被另一臺泵的出口壓力較高的含砂污水封堵。砂泵葉輪的嚴重磨損及其吸砂管路堵塞會導致砂泵停用,集砂井內積砂逐漸增多及板結。氣提上來的砂水混合液經集砂井溢流進入砂水分離器中,砂水分離器進水無法保證一定的切向流速,對砂水分離效果也會產生影響。

3.4 砂水分離系統問題

原設計砂水分離器的選型要求砂水分離器去砂直徑≥200 μm,除砂效率不低于95%。但經測定某些污水處理廠進水中粒徑小于200 μm的砂粒比例較大(38%),因此,在現況進水砂粒粒徑分布特征下,原有的砂水分離器整體砂水分離效率較低。

另外,進入砂水分離器的流量經常大于其設計處理能力,處于超負荷運行狀態,影響其砂水分離效果。

4 除砂系統提質增效解決方案

4.1 技術路線

曝氣除砂功能的實現需要系統的整體性作用,沉砂池主體沉砂效果、提砂方式及效果、提砂與砂水分離器的運行周期、砂水分離器的砂水分離效果等均是影響除砂能力不可忽視的因素。下面針對沉砂、提砂及砂水分離3個不可或缺的環節提出優化措施,形成整個曝氣除砂系統提質增效解決方案的技術路線(圖4)。

圖4 系統性解決方案技術路線Fig.4 Technology Route of System Solution

4.2 本案例工程改造方案

4.2.1 沉砂池技術改造

若要增大曝氣沉砂池池容,需新增占地,且工程量大、建設投資大、施工工期長,施工期間停水對廠內生產有較大影響。而本案例污水處理廠無可用占地,且污水處理廠規模較大,承擔著處理流域內大部分污水的重要任務,長時間停水對污水處理廠運行影響較大。因此,本工程無法通過提高HRT來提升沉砂效率。

原有手動蝶閥空氣調節線性差,且無法根據水量變化進行自控調節氣量。考慮將曝氣沉砂池供氣管上的DN300手動蝶閥更換為DN300電動菱形刀閘閥進行氣體流量調節,并安裝DN200熱式氣體質量流量計進行氣體流量監測,監測不同運行氣水比對出砂量的影響,尋求不同進水水量條件下的最佳運行氣水比。根據進水流量的24 h變化規律,通過Control Logix PLC控制站進行氣量的精確線性調節與控制,實現曝氣沉砂系統恒定的氣水比,利于曝氣沉砂池砂粒沉降。

對比氣水比為0.10、0.12、0.15這3種工況下曝氣沉砂池的沉砂效率,尋求最優氣水比運行工況,測定結果如圖5所示。經測定,三者沉砂池去除效率分別為53%、63%、46%,可得最優氣水比為0.12。由圖5可知,氣水比對200 μm以上砂粒去除影響較小,對200 μm以下砂粒去除影響較大。說明大粒徑砂粒的沉降能力幾乎不受曝氣強度影響,隨著粒徑的變小,其沉降能力受曝氣強度影響較大。

圖5 不同氣水比下沉砂池各粒徑砂粒去除效率Fig.5 Removal Efficiency of Sand Particles with Different Gas-Water Ratios in the Grit Chamber

綜上,若要進一步提高曝氣沉砂池的除砂效果,只能通過分段曝氣及控制較優氣水比來增加粒徑<200 μm的小粒徑砂粒去除率來提高總去除率。

4.2.2 提砂系統技術改造

改造吸砂橋車上的氣提管路以改善吸砂管與空氣管連接處的積砂情況,如圖6所示。高壓空氣通過空氣管通往提砂管底部,提升管內砂水與氣的混合液密度,使其小于管外污水,在提砂管外污水一定壓力下管內砂水被提升到一定高度。改造前提砂管與空氣管連接角度為鈍角,當停止氣提時,提砂管內砂水回落至底部,極易進入空氣管內造成連接處堵塞,需經常將氣提管吊出池子疏通檢修,耗費大量人力及時間成本,影響沉砂池運行。改造后提砂管與空氣管連接角度為銳角,當提砂管內砂水回落時連接處不易積砂堵塞。

圖6 氣提管路改造示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Gas Stripping Pipeline Reconstruction

更換集砂井中的提砂泵,提砂泵選擇葉輪為高鉻耐磨合金材質的變頻泵,優化砂泵控制方式,砂泵開啟與橋車聯動,有效將從曝氣沉砂池提升上來的砂水混合液泵入砂水分離器單元。變頻調節降低吸砂泵流量,延長砂泵吸砂時間及橋車移動時間,由停15 min開5 min變為停12 min開8 min。

4.2.3 分砂系統技術改造

砂水分離間內空間緊湊,無法新增砂水分離器臺數或更換更大處理能力的砂水分離器,因此,考慮在提升上來的砂水混合液進入砂水分離器前,利用砂水分離器的垂直上部空間加裝旋流分離器。經集砂井內提砂泵提升上來的砂水混合液具有一定的水流速度進入旋流分離器進行一次砂水分離,旋流分離器底流進入砂水分離器二次分離,上部溢流排入污水系統回到廠前格柵。此種旋流分離器可有效去除較小砂粒(75～200 μm),也可減輕后續砂水分離器的負荷,提高砂水分離器運行效率。

共增設2臺旋流分離器,每系列1臺。選型計算邊界條件為:實測進水含砂量為30.2 g/m3,砂粒容重為1 500 kg/m3,旋流分離器進料含固率為0.5%,且其去除效率為80%,氣提和吸砂泵運行周期為停12 min開8 min。根據上述條件計算得到旋流分離器進料流量為157 m3/h,考慮汛期進水含砂量大,預留處理空間,旋流分離器選型為FX500-GX-B,處理能力為140～220 m3/h,入料壓力為0.04～0.20 MPa。相應提砂泵選型流量為250 m3/h,揚程為15 m。

4.3 改造效果

改造完成后監測每日出砂量,并跟蹤測定污水廠除砂系統各環節除砂效率,結果如圖7和圖8所示。改造后系統出砂量提高了將近2倍,萬噸水日均出砂量由0.11 m3/d提高至0.35 m3/d,且出砂量較為穩定,6月、7月汛期雨水沖刷管道導致進入污水處理廠內砂量增加,出砂量也相應增加。

圖7 改造前后除砂量對比Fig.7 Comparison of Sand Removal before and after Reconstruction

圖8 改造前后除砂效率對比Fig.8 Comparison of Sand Removal Efficiency before and after Reconstruction

改造后沉砂環節75～500 μm粒徑的砂粒沉降效果均得到有效提升,其中75～200 μm粒徑的細砂沉降效果較為明顯,去除率均提升了近30.0%,說明曝氣沉砂池強化了細微無機砂粒(粒徑<200 μm)的去除。砂水分離效果提升也較為明顯,尤其是75～300 μm粒徑的砂粒分離效率提高較大。改造后曝氣沉砂池沉砂效率為62.6%,提砂系統效率為90.2%,砂水分離效率為83.0%,相比于改造前各環節效率均有較大幅度提高,系統總除砂效率由16.7%提升至46.9%,提升了30.2%。

5 結論

(1)污水處理廠沉砂、提砂及砂水分離效率均會對最終除砂效率產生影響。對除砂系統優化改造前,需首先對其進行各環節效率評估,找出薄弱環節,分析鎖定問題所在,并需結合各污水處理廠實際情況因地制宜地提出系統化改造方案。

(2)本工程通過增加空氣菱形調節閥并控制最佳氣水比為0.12,優化提砂泵控制及增設旋流分離器對曝氣除砂系統進行系統性改造,改造后除砂系統效率提高了30.2%。

(3)本文旨在為現況污水處理廠除砂系統提質增效提供一種系統性解決方法及思路。污水廠除砂系統提質增效解決方案既要針對性采取工程措施,從高效沉砂、智能提砂及精準分砂3個環節出發提升整體除砂效率,又要采取非工程措施做好氣水比實時監測控制、設備及管路的日常運行調控與維護。

(4)近年來污水處理廠為應對汛期雨污水溢流污染,新建強化預處理設施,其對渣砂的去除效果較好。在工程設計時,可考慮非汛期使用條件,實現“雙模式”運行,以降低污水處理廠現況除砂系統運行壓力,提高渣砂去除效率。