董志杰^1,2，龐子山³，吉芳英^1,2，丁云松³，姜寧^1,2

(1.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.重慶大學(xué)低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心，重慶 400045；3.重慶市渝西水務(wù)有限公司，重慶400015)

摘要：針對重慶市某污水處理廠除砂系統(tǒng)存在運(yùn)行不穩(wěn)定，造成沉砂易淤積、砂水分離器溢流水含砂量高等問題，通過調(diào)整氣提提砂、砂水分離器的運(yùn)行周期以及采用排砂自動(dòng)化控制等措施進(jìn)行調(diào)控優(yōu)化，結(jié)果表明，提氣量和氣壓滿足提砂要求，優(yōu)化后的提砂混合液SS從3.3957 g/L提升到5.9562g/L，ISS從1.4956 g/L提高到2.7260g/L,且波動(dòng)較小。系統(tǒng)旱季日均除砂效率提升了31.6%。砂水分離器溢流水SS和ISS濃度有效降低且變化趨于一致。

旋流沉砂系統(tǒng)是污水預(yù)處理的核心環(huán)節(jié)，其配套設(shè)施包括氣提提砂設(shè)備和砂水分離器。氣提提砂兼具洗砂和輸送作用，無軸螺旋砂水分離器可以使砂水混合液較好的分離。實(shí)踐中，有學(xué)者提出除了旋流沉砂池本身技術(shù)參數(shù)因素外，運(yùn)行調(diào)控環(huán)節(jié)中沉砂淤積堵塞管道，氣提排砂保證率不高，氣提提砂高度設(shè)計(jì)不合理，砂水分離器溢流水含砂量增大等情況，都會制約預(yù)處理階段對砂的去除。

三峽庫區(qū)污水處理廠進(jìn)水含砂量大，進(jìn)水SS平均粒徑多在20μm以下。某污水廠在對原有沉砂池進(jìn)行改造后，除砂量大幅增加，但運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)其除砂系統(tǒng)存在運(yùn)行不穩(wěn)定、沉砂易淤積、溢流水含砂量較高、遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作不方便等問題。筆者以該污水廠為依托，研究氣提提砂和砂水分離器的運(yùn)行周期對除砂系統(tǒng)的影響，并對其運(yùn)行調(diào)控方式進(jìn)行優(yōu)化。

1 除砂系統(tǒng)概況及運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 除砂系統(tǒng)概況

該污水處理廠是三峽庫區(qū)水環(huán)境治理的重點(diǎn)項(xiàng)目，一、二期設(shè)計(jì)總規(guī)模為9×10⁴m³/d，目前處理量平均為8×10⁴m³/d。設(shè)旋流沉砂池兩座，采用氣提提砂，交替運(yùn)行排入一臺LSSF-320型砂水分離器。前期沉砂池改造后提砂氣源來自鼓風(fēng)機(jī)房，沖洗水來自中水系統(tǒng)，氣提閥門和沖洗閥門均由手動(dòng)控制。其運(yùn)行步驟如下：打開1^#沖洗水閥，30min后打開1^#氣提閥，運(yùn)行5h后關(guān)閉1^#氣提閥、1^#沖洗水閥；然后開啟2^#沖洗水閥，30min后打開2^#氣提閥，運(yùn)行5h后關(guān)閉2^#氣提閥、2^#沖洗水閥。運(yùn)行過程中砂水分離器與氣提閥同時(shí)啟閉。

1.2 除砂系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀及問題分析

1.2.1 氣提提砂設(shè)備

圖1是對砂水分離器溢流水的分析結(jié)果。每座沉砂池提砂時(shí)長為5h/d，時(shí)間集中于白天某個(gè)時(shí)段。在其余閑置的19h內(nèi)，砂粒逐漸累積在沉砂池砂斗中，造成淤砂板結(jié)或返溢、提砂管堵塞，導(dǎo)致氣提效果下降。目前通過長時(shí)間開啟沖洗水并通過放空部分沉砂來解決此類問題。另外提砂5h周期內(nèi)砂水混合液含砂量嚴(yán)重不均勻，一個(gè)溢流周期內(nèi)平均SS達(dá)2.2369g/L，ISS為1.2358g/L，實(shí)測發(fā)現(xiàn)，前2h溢流水SS高達(dá)5.186、2.7788g/L，占該周期內(nèi)SS累積總量的72%，說明在2h內(nèi)將大部分砂斗中的積砂提起，其余3h的提砂能效較低。而溢流水濃度過高，重新返回進(jìn)水泵房后，會加劇沉砂池的處理負(fù)荷。

圖1 砂水分離器一個(gè)周期內(nèi)溢流水SS和ISS濃度變化

1.2.2 砂水分離器

砂水分離器與氣提提砂保持同步，白天運(yùn)行兩次，每次為5h，共計(jì)10 h。圖2為砂水分離器排砂量的時(shí)變化情況。通過重量法測得晴天一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，砂水分離器的排砂量(按含水率為60%、密度為1500 kg/m³計(jì))約為637kg，第1小時(shí)的累積排砂量達(dá)到了382 kg，第2小時(shí)的為127.5kg，銳減為前1 h的1/3，而第3、4、5小時(shí)的排砂量分別為47.5、42.5、37.5kg，隨時(shí)間呈遞減變化。砂水分離器的運(yùn)行周期不科學(xué)，前1h內(nèi)排出了60%以上的沉砂，說明周期內(nèi)提砂時(shí)間偏長，應(yīng)縮短運(yùn)行周期并增加次數(shù)，以提升設(shè)備能效和除砂效率。

圖2 砂水分離器排砂量的時(shí)變化

2 除砂系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控優(yōu)化

杭州市某污水廠將砂泵提砂改造為氣提排砂，利用生物池好氧段鼓風(fēng)曝氣用的空氣作為氣提氣源，管內(nèi)空氣壓力保持在0.05MPa以上，改造后提砂混合液流量與砂泵提砂時(shí)相差不大，提砂管路發(fā)生堵塞的頻率也不高；安徽某污水廠在對沉砂池選型時(shí)確定由鼓風(fēng)機(jī)房提供氣源，且氣提依靠的是氣砂水混合液與水之間的密度差，需對提砂高度進(jìn)行復(fù)核；朱甲華等在對南方某污水廠排砂管路進(jìn)行改造時(shí)，對排砂管路高度、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓及風(fēng)量進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)排砂管路的高度過高，造成氣提揚(yáng)程偏小�？梢�，引用鼓風(fēng)機(jī)房氣源作為提砂氣源，不需再另設(shè)獨(dú)立氣源，是污水廠除砂系統(tǒng)改造時(shí)的通常措施，但會引發(fā)新的問題，如氣壓和氣量不足，因此有必要對氣提系統(tǒng)進(jìn)行工作氣壓和氣量的核算。

2.1 氣壓和氣量核算

原有鼓風(fēng)機(jī)額定流量為117.6 m³/h，實(shí)際運(yùn)行中壓力表顯示數(shù)值為0.04 MPa。為保證提砂的正常進(jìn)行，空氣管道的流量和氣壓必須大于或等于原有管道的工作流量和氣壓，即必須滿足壓力>0.04MPa、流量>117.6m³/h兩項(xiàng)參數(shù)。氧化溝空氣總管壓力為0.0755MPa，經(jīng)計(jì)算，管道沿程阻力損失約為0.00495MPa，局部阻力損失約為0.0001MPa，則氣提空氣管道出口處壓力為0.07045MPa。

好氧池曝氣主管道流量為7000 m³/h，管徑為DN500，經(jīng)計(jì)算,該管道內(nèi)流速為9.9m/s。由于接至沉砂池的DN75支管末端液壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于好氧池內(nèi)液壓，且支管管徑遠(yuǎn)小于主管道管徑，那么支管內(nèi)氣體流速應(yīng)該大于9.9m/s，可以此參數(shù)核算氣提空氣管道出口處氣量。經(jīng)計(jì)算，氣提空氣管道出口斷面處氣體流量為154.2m³/h。綜上所述，氣提系統(tǒng)的氣量與氣壓均能滿足要求。

2.2 氣提提砂周期調(diào)整

除砂運(yùn)行時(shí)間設(shè)置見圖3。

圖3 除砂系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間軸

調(diào)整后每組沉砂池每日縮短單次提砂時(shí)長但增加提砂次數(shù)，將5h提砂時(shí)間均勻分布到24 h內(nèi)，兩座沉砂池的提砂交替運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，將單次提砂時(shí)間(1h)適當(dāng)延長后，提砂混合液濃度下降不大，經(jīng)多次試驗(yàn)確定最佳單次提砂時(shí)長為1.5 h，停運(yùn)4.5 h，即6 h為一個(gè)周期，24 h內(nèi)循環(huán)4次。

2.3 砂水分離器運(yùn)行周期調(diào)整

砂水分離器調(diào)整運(yùn)行方式遵循“少量多次”的原則并隨氣提提砂的啟閉進(jìn)行調(diào)整。提砂設(shè)備在0:00開始提砂，利用砂水分離器容積空間追求低能耗，滯后0.5h開啟砂水分離器，單次運(yùn)行總時(shí)長設(shè)為2.5h，具體見圖3(b)。砂水分離器均勻分時(shí)段運(yùn)行，有利于兩座沉砂池的提砂設(shè)備與砂水分離器統(tǒng)一時(shí)間進(jìn)程、充分聯(lián)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)排砂效果最優(yōu)化。

2.4 排砂自動(dòng)化控制模塊

為避免夜間操作、多次操作的不便性，將現(xiàn)有氣提閥門、沖洗水閥門更換為電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)排砂自動(dòng)化控制（見圖4）�？刂颇�塊由3個(gè)延時(shí)繼電器組成，分別控制兩組沉砂池的氣提電磁閥、沖洗水電磁閥以及砂水分離器的螺旋輸送電機(jī)。當(dāng)在暴雨期間遭遇初次沖刷效應(yīng)，導(dǎo)致SS濃度高和砂量大時(shí)，可通過延時(shí)繼電器延長鼓氣提砂時(shí)間，當(dāng)提砂不暢時(shí)可通過調(diào)整延時(shí)繼電器延長沖洗沉砂時(shí)間，當(dāng)砂水分離器砂粒分離不盡時(shí)可控制延時(shí)繼電器延長砂水分離器運(yùn)行時(shí)間。排砂自動(dòng)化控制模塊預(yù)留了電控接口與中控系統(tǒng)連接，為實(shí)現(xiàn)污水廠中控室實(shí)時(shí)控制打下了基礎(chǔ)。

圖4 排砂自動(dòng)化控制示意

3 調(diào)控優(yōu)化前后效果對比

現(xiàn)已完成四個(gè)電磁閥的安裝改造且穩(wěn)定運(yùn)行3月有余，閥門不漏氣不漏水且氣壓正常，可正常提砂，電控系統(tǒng)穩(wěn)定。提砂混合液的SS、ISS平均濃度和砂水分離器排砂量均穩(wěn)步提升。

3.1 提砂混合液SS、ISS的變化

除砂系統(tǒng)優(yōu)化前后提砂混合液SS、ISS濃度的變化見圖5（優(yōu)化前為每1 h取樣一次，優(yōu)化后為每1.5 h取樣一次）。提砂混合液小時(shí)平均SS濃度從3.3957 g/L提升到了5.9562 g/L且波動(dòng)幅度較小，ISS從1.4956 g/L提高到2.7260g/L且較為穩(wěn)定。在均勻的提砂時(shí)間設(shè)置情況下，沉砂池砂斗中的沉砂能定時(shí)定量累積，未發(fā)生砂斗積滿沉砂外溢的情況，也避免了砂斗中砂量較低時(shí)連續(xù)氣提的低效工況。說明通過調(diào)整單次提砂時(shí)長以及優(yōu)化提砂時(shí)間間隔，存在進(jìn)一步提高除砂量的可能性。

圖5 除砂系統(tǒng)優(yōu)化前后提砂混合液SS和ISS濃度變化

3.2 除砂量變化

圖6是優(yōu)化前后除砂量日變化曲線。

圖6 優(yōu)化前后排砂量日變化曲線

優(yōu)化前系統(tǒng)旱季日均除砂量為917kg，優(yōu)化后達(dá)到1207.5kg，除砂量提高了31.6%且波動(dòng)幅度較小，避免了砂水分離器底部積砂過多所帶來的螺旋輸送機(jī)卡死問題。通過除砂系統(tǒng)的合理運(yùn)行控制，分散均勻的提砂方式能有效提升系統(tǒng)單日除砂量。

3.3 砂水分離器溢流水SS和ISS變化

圖7是優(yōu)化前后砂水分離器溢流水SS和ISS濃度變化的對比。優(yōu)化前氣提提砂對砂水分離器的沖擊負(fù)荷較高，造成前2h溢流水濃度居高不下；優(yōu)化后少量、多次、均勻分布的提砂方式，有效改善了外部沖擊，避免了在提砂初期溢流水濃度過高而末期過低的情況，使得溢流水的SS和ISS濃度變化趨于一致。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后溢流水SS和ISS平均濃度分別下降了39.6%、41.4%，說明溢流水中的無機(jī)砂量減少，這與前述除砂量提高了31.6%有密切關(guān)系，正是由于砂水分離器排砂增多，從而降低了溢流水中攜帶的砂量。

圖7 優(yōu)化前后砂水分離器溢流水SS和ISS比較

4 結(jié)論

① 氣提提砂設(shè)備滿足工作氣壓和氣量的要求，能保證提砂系統(tǒng)的正常運(yùn)行。經(jīng)污水運(yùn)行調(diào)控優(yōu)化后，提砂混合液小時(shí)平均SS從3.3957 g/L提升到了5.9562g/L，ISS從1.4956 g/L提高到了2.7260g/L，系統(tǒng)旱季日均除砂量提升了31.6%，砂水分離器溢流水SS和ISS濃度有效降低且降低后濃度變化趨于一致。

② 通過調(diào)整氣提提砂、砂水分離器的運(yùn)行周期和進(jìn)行排砂自動(dòng)化控制改造，延長單次提砂時(shí)間，分時(shí)段運(yùn)行砂水分離器，使氣提提砂與砂水分離器協(xié)同運(yùn)行，該污水廠預(yù)處理段的排砂量實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)步提升。可見，除砂系統(tǒng)的運(yùn)行效率與氣提提砂和砂水分離器的運(yùn)行周期有密切關(guān)系，這對于提高除砂系統(tǒng)的除砂效率尤為關(guān)鍵，對污水廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理具有借鑒意義。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第21期“論述與研究”欄目）

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