曝氣除砂系統(tǒng)處理性能研究

曝氣除砂系統(tǒng)處理性能研究

在處理廢水時，尤其是在處理廢水中的固體顆粒是不可或缺的工藝環(huán)節(jié)。分離效果的質(zhì)量直接影響后續(xù)過程的負荷能力、處理效果和運行狀況。目前曝氣沉砂池已運行使用幾十年,但對其理論和設(shè)計等方面的研究很少,國內(nèi)對于曝氣沉砂池的研究大多集中在國外設(shè)計手冊和水廠運營經(jīng)驗方面;另外關(guān)于除砂效果的評價測試方法國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的標準,不同的研究人員在現(xiàn)場進行測試時所采用的取樣和分析方法不同,其測試結(jié)果的客觀性、準確性也有較大差別,這也是造成無法對實際曝氣沉砂池的處理性能進行分析評價的重要原因。因此,有必要采取一種有效、準確的測試評價方法對其除砂性能進行分析研究。1試驗部分1.1處理水量南方某污水廠的總處理水量為12×104m3/d,曝氣除砂系統(tǒng)分為四格,每兩格共用一個排砂渠道及一臺砂水分離器,每格處理水量為3×104m3/d。氣量設(shè)計由兩臺羅茨鼓風機供氣,各格曝氣沉砂池均有支管調(diào)節(jié)氣量。曝氣沉砂池具體設(shè)計參數(shù)如下:水量為0.35m3/s,設(shè)計曝氣量為0.084m3/s,實際曝氣量為0.042m3/s,斷面面積為10.1m2,設(shè)計氣水比為0.24,實際氣水比為0.12,寬深比為0.83,長寬比為10,停留時間為14.2min。1.2試驗材料試驗采用標準篩網(wǎng)對砂粒進行篩分,其網(wǎng)孔目數(shù)范圍為50~150目。根據(jù)前期對原水中砂粒粒徑及密度的測定,選取合適的砂粒進行試驗。1.3沉砂池除砂率的確定(1)氣體流量的監(jiān)控。采用便攜式氣體流量計對曝氣沉砂池主管中的氣體流量進行監(jiān)測,以控制支管中的曝氣量。(2)連續(xù)取樣沉降裝置。沉降裝置選用容積為400L以上、帶錐底的圓桶容器,設(shè)置進水口、出水口、集砂斗、溢流堰、取樣口,進水口位于下部錐底上端,出水口位于柱體頂部,在出水口附近設(shè)置三角堰,防止細砂流失,桶底設(shè)排空閥,即取砂口。(3)除砂率的計算。在一定時段內(nèi),向曝氣沉砂池進水端均勻投加已知粒徑及質(zhì)量的砂粒,并在出水端紊流區(qū)進行連續(xù)取樣和沉降操作;沉降裝置收集的泥砂混合物經(jīng)漂洗篩選后,烘干至恒重。其中,η為除砂率,%;M為配砂砂粒質(zhì)量,g;M0為原水含砂量測試中,取樣時段內(nèi)沉降裝置取得的砂量,g;m為配砂試驗中,取樣時段內(nèi)沉降裝置取得的砂量,g;Q為沉砂池進水流量,m3/h;q為沉降裝置進水流量,m3/h。2試驗結(jié)果與分析2.1砂?？v向分布曝氣沉砂池進水含砂、砂斗沉砂及砂水分離器出砂的粒徑級配見圖1。由圖1可知,粒徑<0.15mm的砂粒在進水砂粒中的比例要高于在砂斗沉砂中的比例,說明曝氣沉砂池對粒徑<0.15mm砂粒的去除率要低于對粒徑>0.15mm砂粒的去除率;而粒徑<0.15mm的砂粒在砂水分離器出砂中的比例則要低于在砂斗沉砂中的比例,說明砂水分離器對于粒徑<0.15mm的砂粒去除率較低。圖2為曝氣沉砂池底砂粒的縱向分布示意。可以看出,砂粒在池底并不是均勻分布,絕大部分砂粒沉降于池底的后半段,僅有少部分大顆粒砂粒沉降于起始端。對圖2中縱向設(shè)置的5個點取樣,測定各位置的砂粒粒徑級配構(gòu)成情況。結(jié)果表明,除1號點(沉砂池起始端)外,其余各點的砂粒均主要以粒徑<0.3mm的砂粒為主,而1號點則是以粒徑在0.3mm以上的粗砂粒及固體渣子為主。分析粒徑分別為(0.1~0.2)、(0.2~0.6)mm的砂粒在不同取樣位置所占的比例。結(jié)果表明,粒徑為0.1~0.2mm的砂粒主要分布在池底中間位置,而在池底后端其比例反而下降;粒徑為0.2~0.6mm的砂粒則主要分布在池底后端,其中在末端所占比例最高。由此可知,該曝氣沉砂池對砂粒的沉降去除規(guī)律并不同于平流沉砂池(距離進口越遠則細砂粒徑比例越高)。因此,曝氣沉砂池中砂粒的沉降并不完全符合自由沉淀理論。對于上述各粒徑砂粒在池體底部的分布情況,分析其原因可能是細砂粒受到橫向循環(huán)強度影響較大,更容易達到池體底部,沉降于砂斗中,而粗砂粒在該循環(huán)強度下受到離心力的影響較小,主要依靠重力沉降進入砂斗中;另外,部分粗砂粒在沉降到池體斷面中部時,由于具有較高的水平流速,而該處旋流速度較小,所以砂粒沿水平方向運動的距離比沿橫斷面方向運動的距離大,此時較大的水平流速會產(chǎn)生“短流”現(xiàn)象。2.2非曝氣狀態(tài)下的砂粒去除效果在HRT=10min、水平流速為0.045m/s的實際運行條件下,對曝氣沉砂池在曝氣(曝氣量為150m3/h)和非曝氣狀態(tài)下的除砂率進行對比。結(jié)果表明,在曝氣狀態(tài)下,沉砂池對粒徑>0.1mm的砂粒去除率達到75%以上,而在非曝氣狀態(tài)下沉砂池的除砂率接近100%,說明曝氣對沉砂池中砂粒的沉降有著不利的影響。但從沉降裝置沉降的砂?？梢钥闯?曝氣狀態(tài)下砂水混合物中的懸浮有機物等要明顯多于非曝氣狀態(tài)下的,說明曝氣狀態(tài)有利于沉砂池對懸浮有機物的去除。2.3砂粒去除率隨靜水流量變化情況保持其他條件不變,考察不同曝氣量下沉砂池對不同粒徑砂粒的去除效果,結(jié)果見圖3。由圖3可知,除砂率隨曝氣量的增大先降后升再降,即存在最佳曝氣量;不同粒徑范圍砂粒的去除率變化趨勢相似,但對粗砂粒的去除率要大于細砂粒去除率。同時,曝氣狀態(tài)下的除砂率均低于非曝氣狀態(tài),而且隨著曝氣量的逐漸增大,對砂粒的去除率會發(fā)生明顯變化,尤其是0.1~0.15mm粒徑范圍的砂粒去除率變化最明顯。另外,還考察了不同工況下(HRT、進水流量、水平流速均不同)曝氣量對除砂率的影響。結(jié)果表明,隨著曝氣量的增大,對不同粒徑砂粒的去除率均先降后升再降,最佳曝氣量為100~150m3/h。綜上可知,不同工況下存在最佳曝氣量,可能是因為沉砂池內(nèi)的砂粒在較小曝氣量的影響下,主要受到水流的湍流效應(yīng)影響;而隨著曝氣強度的增大,砂粒受到曝氣產(chǎn)生的旋流流態(tài)即離心力的影響逐漸增強,該旋流流態(tài)與進水水平流態(tài)的結(jié)合形成螺旋環(huán)狀流,將延長砂粒在池體內(nèi)的運行路徑,有利于水體中砂粒的沉降與去除,必須注意的是曝氣量所引起的對沉砂效果有利的一面只是針對特定粒徑或粒徑范圍的砂粒,且砂粒在運動中將受到曝氣所產(chǎn)生的有利和不利兩方面因素的影響,這并非理想狀態(tài)下單一的認為橫向環(huán)狀流態(tài)利于砂粒的沉降,而應(yīng)當考慮砂粒在池體內(nèi)不同位置所受到的力,其結(jié)果將影響到沉砂池的除砂率,這可能是曝氣狀態(tài)下除砂率無法達到平流穩(wěn)定流態(tài)下除砂率大小的原因之一。另外,最佳曝氣量范圍在不同工況下均相似,這可能是由于在實際曝氣沉砂池中,池型斷面結(jié)構(gòu)是固定不變的,曝氣沉砂池的斷面形狀或?qū)挾瓤赡苁怯绊懽罴哑貧夥秶脑蛑弧?.4流速和曝氣強度的影響不同曝氣量下,水平流速和HRT對除砂率的影響見圖4。由圖4可知,當水平流速由0.11m/s降至0.08m/s時,除砂率可提高25%;而HRT由3min增加到4.06min,除砂率僅提高5%。相比較而言,在曝氣量一定的情況下,水平流速對除砂率的影響要大于HRT的影響。綜上可知,水平流速和曝氣強度對砂粒的運動影響較大,這可能是由于砂粒等顆粒物質(zhì)在曝氣沉砂池內(nèi)受到不同水流的影響,其運動情況也不相同,具體表現(xiàn)在斷面不同位置旋流流速和水平流速的區(qū)別,其中旋流流速將影響不同密度顆粒的離心力,這對不同顆粒的沉降與去除有一定影響,比如在具有高旋流流速的區(qū)域,如水面處,密度較小的顆粒受水流的影響相比密度較大的顆粒要大,所以密度較小的顆粒物質(zhì)更容易到達池邊;水平流速主要是針對池體環(huán)流的中心區(qū)域,由于該處水平流速較大而旋流流速較小,所以易形成“短流”現(xiàn)象。因此,在分析砂粒等沉降情況時,應(yīng)當考慮池型斷面不同位置處的旋流流速和水平流速。3沉砂池砂粒沉降(1)進水含砂、砂斗沉砂和砂水分離器出砂的粒徑級配差異明顯,曝氣沉砂池對粒徑>0.15mm的砂粒去除率較高。(2)在曝氣沉砂池中,砂粒的沉降并不完全符合自由沉淀理論。砂粒在池底的分布并不是均勻的,大部分砂粒沉降于池底后半段,其中粒徑為0.1~0.2mm的細砂主