文_尹雷 劉 艇 周文政 王祥 萬碩

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)運行效果不佳，會導(dǎo)致機械設(shè)備和管道彎頭過度磨損；卞子敏等研究認(rèn)為，由于砂粒具有流動性差、易沉積特點，會引起污泥管道、配水渠等堵塞，出現(xiàn)類似混凝土凝固問題，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)計標(biāo)準(zhǔn)是對粒徑200μm以上、容重2.65 的砂粒，去除效率90%以上，在此基礎(chǔ)上，目前國內(nèi)普遍采用的沉砂工藝有曝氣沉砂池（AGB）和機械旋流沉砂池（MIV），但通過近年來的實際運行情況，發(fā)現(xiàn)這兩種工藝的運行效果并不理想，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，運行維護成本較高；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，通過特定的流體力學(xué)設(shè)計，該設(shè)備能夠在有效提高系統(tǒng)除砂效率的同時，降低系統(tǒng)能耗。

1 項目簡介

該水廠位于西安市西三環(huán)邊，總設(shè)計處理能力20 萬t/d，進水來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t/d。

2 設(shè)備原理和特點

水力旋流除砂器（簡稱“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，進水經(jīng)過導(dǎo)流板，沿切向進入池體，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 的砂粒實現(xiàn)85%以上的去除率，這比國內(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??；能耗低，無需提供攪拌槳、曝氣設(shè)備以及垳車等，即可有效地降低能耗；設(shè)備內(nèi)部無活動部件，維護成本較低。

為了進一步評估旋砂特TM 水力除砂系統(tǒng)的運行效果，作者于2019 年4 月，利用自行設(shè)計的樣品采集設(shè)備和取樣方案，對該水廠的除砂效率進行了系統(tǒng)的測試。

3 實驗設(shè)置

3.1 樣本的選擇

結(jié)合現(xiàn)場實際運營情況，在考慮取樣時段、天氣以及特殊工況等因素，選擇了五組測試結(jié)果來進行分析，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 采樣方法和檢測方法

為保證試驗結(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、出水的連續(xù)水樣，采樣時長取1.5～2h；根據(jù)斯托克斯公式，在實際采樣過程中持續(xù)監(jiān)測流量，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，同時記錄采樣時間以及每次流量監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以便統(tǒng)計采樣體積。

水樣采集完成后，關(guān)掉進、出水閥門，按照流程進行處理：①樣本采集到采樣桶中后，經(jīng)300 目（50μm）的篩網(wǎng)進行篩分，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通過30～200 目的篩網(wǎng)，對篩上砂粒進行稱重；⑤根據(jù)灼燒分級后的無機砂質(zhì)量以及采樣體積，計算出進、出水種總無機砂粒濃度以及某一粒徑的無機砂的濃度。

4 結(jié)果與討論

4.1 進水情況

4.1.1 進水水量

西安魚化污水廠除砂系統(tǒng)采用一、二期同時建設(shè)，設(shè)計總處理水量20 萬t/d，目前為低于設(shè)計流量下運行，采樣過程中的水量如表1 所示。由表1 可知，在采樣過程中，該廠進水水量最小為7.4 萬t/d，最大為10.4 萬t/d，水量波動較大。

表1 采樣期間進水水量變化

4.1.2 進水顆粒有機物含量

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 的無機砂粒，但實際進水中，砂粒表面往往覆蓋有不同程度的有機物，而有機物的存在會直接影響顆粒容重，因此對進水砂粒有機物含量的測試是評價進水顆粒沉降性能的一個重要依據(jù)。

對西安魚化污水廠進水樣品中固體的有機物含量測試結(jié)果見表2。由表2 可知，進水砂粒平均有機物含量為84.57%，據(jù)此推算，該污水廠進水砂粒的加權(quán)平均容重約為1.25，僅僅略大于水的密度，這說明進水中砂粒沉降性能較差。

表2 進水固體有機物含量變化

4.1.3 進水無機砂粒濃度及粒徑分布

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

圖2 進水無機砂粒濃度

進水砂粒的粒徑對其沉降性能有直接影響，因此本研究也用分級篩分的方式，測定了進水無機砂粒的累積粒徑分布，結(jié)果見圖3。由圖3 可知，該廠進水中粗砂占比較小，200μm 以上的無機砂占比僅有7.9%，150μm 以及100μm 以上的無機砂占比分別為18.7%和24.8%，說明設(shè)計規(guī)范中200μm 的除砂目標(biāo)粒徑并不適用于該污水廠。

圖3 進水無機砂粒粒徑累積分布

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應(yīng)的出水砂粒濃度和粒徑分布，以及該設(shè)備對200μm、150μm 以及100μm 粒徑無機砂的去除效率，如圖4所示。從圖4 可以看到，旋砂特TM 對不同粒徑砂粒的去除率比較穩(wěn)定，其對粒徑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)計要求。此外，對砂水分離器所出固體量的統(tǒng)計顯示，在平均進水水量8.5 萬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)備對于100μm 以下的砂粒也具有一定的去除效率，因此可認(rèn)為測試結(jié)果與實際出砂情況比較吻合。

圖4 旋砂特TM 對不同粒徑砂粒的去除效率

4.3 系統(tǒng)能耗分析

為更加直觀地說明該水力旋流除砂系統(tǒng)在占地和節(jié)能方面的優(yōu)勢，結(jié)合2015 年在西安市第五污水處理廠對已有20 萬t 曝氣沉砂池運行情況的調(diào)研情況，對二者進行系統(tǒng)地比較，由于該旋流除砂系統(tǒng)目前只是單池運行，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t/d，結(jié)果見表3。

表3 GK與AGB系統(tǒng)能耗對比

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，對于污水廠的節(jié)能減排具有重大意義。此外，對于20萬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

進水水質(zhì)會對砂粒沉降產(chǎn)生較大影響，西安魚化污水廠進水細(xì)砂比重大、砂粒有機物含量高，沉降性能較差；該水力旋流除砂設(shè)備能夠有效去除進水中的細(xì)砂，在不同進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，對節(jié)能減排以及土地的高效利用具有積極的意義。