旋流沉砂池运行效果分析研究

作者：李莹

来源：《商情》2015年第31期

        沉砂池是污水处理厂预处理部分的一道重要处理工艺，主要用于去除城市污水中比重较大、易沉淀分离下来的一些颗粒物质，主要包括无机性的砂粒、砾石和少量较重的有机性的颗粒等，在这些颗粒物质的表面还附着着一些粘性有机物质。

        如果污水中的砂不去除，会在后续处理单元或渠道内沉积，堵塞管网，并使设备过度磨损，还会干扰甚至破坏生化处理工艺过程。同时，沉砂池除了去除水中的无机颗粒外，还要将砂粒表面附着的有机组分分离出来，避免有机物质随砂粒外排，产生腐化，影响砂粒的最终处置。

        目前在污水处理厂普遍采用的沉砂池类型主要有平流式、曝气式和旋流式沉砂池。而其中旋流式沉砂池又分为PISTA沉砂池（比氏）和JETA沉砂池（钟式）。为研究旋流沉砂池的处理效果，了解其对水质、水量的适应程度及相应应急措施，本文对旋流沉砂池在武汉市龙王嘴污水处理厂的实际应用进行研究，以找到最佳沉砂池工艺控制方案，从而对污水处理厂沉砂系统的选择及使用提供依据和建议。

        一、现状分析

        PISTA沉砂池由瑞士工程师Henry Bendel于二十世纪六十年代中期首创。目前龙王嘴污水处理厂采用的是两组由美国Smith & Loveless公司研发的360度直列式设计PISTA沉砂池，其中包括轴向搅拌器（带变频）、底装式沉砂提升泵、旋流式砂粒聚集器、螺旋式砂水分离输送装置。

        该旋流沉砂采用过流原理达到沉砂目的，含砂废水在通过平而直的进水渠后进入沉砂池，经导流板至分选区的底板上，轴向叶轮将水流带向池心，然后向上，由此形成一个涡形水流，较重的砂粒在靠近池心的环形口落入砂斗，而较轻的有机物由于轴向叶轮的作用与砂粒分离，向上提升而最终引向出水渠。

        沉砂提升泵把沉砂提升至砂粒聚集器，作为初步的砂水分离装置，将沉砂提升泵送出的流体分离成为水、有机物及砂粒。在去除砂粒后再将大部分的剩余有机物及水回流至沉砂池进水渠，而较重的砂粒则向下落在脱水和清水器中。

        砂粒螺旋输送装置作为第二步的砂水分离及清洗装置，令余留的砂粒沉淀下来，沿螺旋输送装置向上，在顶部将脱水后的砂落至集砂箱中运走，在砂粒向上运行中，将砂粒表面的有机物分离出来，再回流至沉砂池，转入初沉池进行下一步处理。

        龙王嘴污水处理厂沉砂池进水渠宽度为1100mm，深度为1100mm，出水渠宽度为2200mm。沉砂池直径为5000mm，深度为1981mm。

        其轴向搅拌器的额定转速为12RPM，我们可以通过变频器改变频率来实现转速的调节，以调节砂粒去除效果。

        此旋流沉砂池的设计内部水头损失d>0.211mm（50目～70目）时，除砂效率≥85%；0.211mm≥d≥0.149mm（70目～100目）时，除砂效率≥65%。

        设计最佳有机物分离率为95%。设计单套最大处理量为113，635m3/台/日，最大总处理量为227，270m3/日，设计进水悬浮固体浓度218mg/L。

        二、试验步骤及方法

        （一）试验步骤

        为找出旋流沉砂池的最佳控制方案，我厂分三个阶段对旋流沉砂池的运行效果进行分析。

        第一阶段，检测旋流沉砂池对主要污染物的去除效率，分析处理效果。

        第二阶段，研究在不同流量、不同转速时，沉砂池运行效果的变化。

        第三阶段，对研究结果进行总结归纳。

        （二）试验方法

        取样方法：在沉砂池进水（即细格栅出水）和沉砂池出水处分别采瞬时样。

        颗粒粒度分布测定方法：标准筛分法。

        比重测定方法：浸液法。

        含砂量测定方法：将已烘干（105℃）悬浮固体（含滤纸）放入恒重过的磁坩锅内，然后在马弗炉（600℃）里煅烧2小时，取出于干燥器中冷却后称重。

        有机物测定方法：稀释接种法。

        悬浮固体测定方法：重量法。

        化学需氧量测定方法：重铬酸钾法。

        总氮测定方法：紫外分光光度法。

        总磷测定方法：钼锑抗分光光度法。

        三、结果与分析

        （一）目前运行状况

        龙王嘴污水处理厂实际处理量约为18万m3/日，即单套处理量为9万m3/日，为设计值的79.2%。砂粒直径约在50目～70目范围内。设定轴向搅拌器持续以工频运转，即维持搅拌器桨叶转速为12RPM不变。检测沉砂池运行效果发现，其除砂效率约为71%，有机物分离率约为81%。

        （二）转速对沉砂池运行效果的影响

        1.当保持处理水量为180，000m3/日不变时，调整轴向搅拌器频率，对比50Hz、45 Hz、40 Hz、38 Hz、35 Hz下，沉砂池的运行效果。

        当转速变化时，除砂效率和有机物分离率都会有波动，但除砂效率变化幅度较小。从整体来看，除砂效率和有机物分离率均无法达到设计水平。

        2.当保持处理水量为150，000m3/日不变时，调整轴向搅拌器频率，对比50Hz、45 Hz、40 Hz、38 Hz、35 Hz下，沉砂池的运行效果。除砂效率和有机物分离率均随转速变化而变化，但变化幅度不大。此时的除砂效率和有机物分离率较之180，000m3/日时，都有显著提高，效果基本能达到设计要求。

        3.当保持处理水量为80，000m3/日不变时，调整轴向搅拌器频率，对比50Hz、45 Hz下，沉砂池的运行效果。此时的除砂效率不佳。

        （三）水量对沉砂池运行效果的影响

        对比降低处理水量至80，000m3/日及150，000 m3/日，轴向搅拌器以工频运转时，沉砂池的运行效果。检测结果发现，当处理水量为150，000m3/日时除砂效率明显高于处理水量为80，000m3/日时。

        当处理水量为80，000m3/日时，单套处理量为40，000m3/日，为设计值的35.2%。

        此时，通过计算可得

        渠道内流速v=0.38m/s；

        水力表面负荷q=85m3/（m2？h）；

        水力停留时间t=83.97s。

        当处理水量为150，000m3/日时，单套处理量为75，000m3/日，为设计值的66.0%。

        此时，通过计算可得

        渠道内流速v=0.72m/s；

        水力表面负荷q=159m3/（m2·h）；

        水力停留时间t=44.79s。

        综合各项试验数据，不同停留时间下，除砂效率随水力停留时间变化较大。有机物分离率随水力停留时间变化相对较小。

        （四）沉砂池对水质指标的影响

        在不同流量，不同频率下，对比水质结果，包括SS、COD、TN、TP等去除率的影响很小。

        四、结论及问题

        （一）旋流沉砂池的运行效果分析

        水力停留时间对沉砂池除砂效率的影响程度大于搅拌器转速对沉砂效果的影响程度。

        水力停留时间、搅拌器转速对沉砂池有机物去除率的影响程度小于对除砂效率的影响程度。

        旋流沉砂池对各项水质指标，包括SS、COD、TN、TP等去除率的影响很小，水量变化、转速变化对其影响几乎可以忽略不计。

        旋流沉砂池进水渠道内流速在设计值的60%～80%时，即流速在0.65m/s～0.87m/s之间时，除砂效率较好，可以达到85%以上。水力表面负荷一般为180m3/（m2·h），停留时间一般为35～45s。建议设置搅拌器频率为45Hz。

        当渠道内的流速大于0.87m/s，即进水水量大于18万m3/日时，水力停留时间过短，沉砂可能被带入水中，此时除砂效率会降低，需要通过调节搅拌器频率至40Hz，通过降低转速来提高除砂效率。

        当渠道内的流速小于0.65m/s，即进水水量小于13.5万m3/日时，水力停留时间过长，砂粒在渠道内沉积，不利于沉砂池的运行。此时需增加搅拌器频率至50Hz，提高转速已提升除砂效率。

        （二）旋流沉砂池的适用情况

        由于旋流沉砂池的除砂效率受到渠道内流速的影响，因此它比较适合于对于水量、水质相对平稳的污水处理厂。而对于水量变化或者砂量冲击负荷过大的进水，旋流沉砂池难以适应，应使用停留时间较长且可通过曝气强度调节沉砂效果的曝气沉砂池。

        对于在预处理工艺之后，设有厌氧段的污水处理厂，旋流沉砂池完全不需要考虑因曝气对污水充氧可能影响厌氧效果的风险。

        （三）问题

        本次试验中，由于人力、时间、环境等各方面因素影响，取水采样为瞬时样，存在较大变动性。

        对于处理水量的研究，只能在厂区正常运行的前提下进行研究，采集数据有限。

        参考文献：

        [1]汤利华.城市污水处理厂的设计水质探讨[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2011，（1）.

        [2]邱化蛟，程序，常欣，郭淑敏，张爱军.北京市水资源状况分析[J].北京农学院学报，2010，（4）.

        [3]城市排水系统建设中存在的问题及对策[J].中国给水排水，2009，（3）.

        [4]赵春雨.污水处理厂在城市所处流域水体污染治理中所起作用的研究[A].2007中国环境科学学会学术年会优秀论文集（上卷），2007.