污水處理廠除砂系統(tǒng)運行調(diào)控優(yōu)化（來源：《中國給水排水》雜志社官方微信，微信號:cnww1985)
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)境教育部重點實驗室，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、砂水分離器的運行周期以及采用排砂自動化控制等措施進行調(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)污水處理廠進水含砂量大，進水SS平均粒徑多在20μm以下。某污水廠在對原有沉砂池進行改造后，除砂量大幅增加，但運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)其除砂系統(tǒng)存在運行不穩(wěn)定、沉砂易淤積、溢流水含砂量較高、遠(yuǎn)程自動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行周期對除砂系統(tǒng)的影響，并對其運行調(diào)控方式進行優(yōu)化。
1 除砂系統(tǒng)概況及運行現(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)境治理的重點項目，一、二期設(shè)計總規(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)機房，沖洗水來自中水系統(tǒng)，氣提閥門和沖洗閥門均由手動控制。其運行步驟如下：打開1#沖洗水閥，30min后打開1#氣提閥，運行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，運行5h后關(guān)閉2#氣提閥、2#沖洗水閥。運行過程中砂水分離器與氣提閥同時啟閉。
1.2 除砂系統(tǒng)運行現(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。每座沉砂池提砂時長為5h/d，時間集中于白天某個時段。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，一個溢流周期內(nèi)平均SS達2.2369g/L，ISS為1.2358g/L，實測發(fā)現(xiàn)，前2h溢流水SS高達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，白天運行兩次，每次為5h，共計10 h。圖2為砂水分離器排砂量的時變化情況。通過重量法測得晴天一個運行周期內(nèi)，砂水分離器的排砂量(按含水率為60%、密度為1500 kg/m3計)約為637kg，第1小時的累積排砂量達到了382 kg，第2小時的為127.5kg，銳減為前1 h的1/3，而第3、4、5小時的排砂量分別為47.5、42.5、37.5kg，隨時間呈遞減變化。砂水分離器的運行周期不科學(xué)，前1h內(nèi)排出了60%以上的沉砂，說明周期內(nèi)提砂時間偏長，應(yīng)縮短運行周期并增加次數(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變化
2 除砂系統(tǒng)運行調(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確定由鼓風(fēng)機房提供氣源，且氣提依靠的是氣砂水混合液與水之間的密度差，需對提砂高度進行復(fù)核；朱甲華等在對南方某污水廠排砂管路進行改造時，對排砂管路高度、風(fēng)機風(fēng)壓及風(fēng)量進行核算，發(fā)現(xiàn)排砂管路的高度過高，造成氣提揚程偏小�？梢�，引用鼓風(fēng)機房氣源作為提砂氣源，不需再另設(shè)獨立氣源，是污水廠除砂系統(tǒng)改造時的通常措施，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)機額定流量為117.6 m3/h，實際運行中壓力表顯示數(shù)值為0.04 MPa。為保證提砂的正常進行，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兩項參數(shù)。氧化溝空氣總管壓力為0.0755MPa，經(jīng)計算，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
除砂運行時間設(shè)置見圖3。
圖3 除砂系統(tǒng)運行時間軸
調(diào)整后每組沉砂池每日縮短單次提砂時長但增加提砂次數(shù)，將5h提砂時間均勻分布到24 h內(nèi)，兩座沉砂池的提砂交替運行。經(jīng)過一段時間的運行后發(fā)現(xiàn)，將單次提砂時間(1h)適當(dāng)延長后，提砂混合液濃度下降不大，經(jīng)多次試驗確定最佳單次提砂時長為1.5 h，停運4.5 h，即6 h為一個周期，24 h內(nèi)循環(huán)4次。
2.3 砂水分離器運行周期調(diào)整
砂水分離器調(diào)整運行方式遵循“少量多次”的原則并隨氣提提砂的啟閉進行調(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，單次運行總時長設(shè)為2.5h，具體見圖3(b)。砂水分離器均勻分時段運行，有利于兩座沉砂池的提砂設(shè)備與砂水分離器統(tǒng)一時間進程、充分聯(lián)動，以實現(xiàn)排砂效果最優(yōu)化。
2.4 排砂自動化控制模塊
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，從而實現(xiàn)排砂自動化控制（見圖4）�？刂颇K由3個延時繼電器組成，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。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，可通過延時繼電器延長鼓氣提砂時間，當(dāng)提砂不暢時可通過調(diào)整延時繼電器延長沖洗沉砂時間，當(dāng)砂水分離器砂粒分離不盡時可控制延時繼電器延長砂水分離器運行時間。排砂自動化控制模塊預(yù)留了電控接口與中控系統(tǒng)連接，為實現(xiàn)污水廠中控室實時控制打下了基礎(chǔ)。
圖4 排砂自動化控制示意
3 調(diào)控優(yōu)化前后效果對比
現(xiàn)已完成四個電磁閥的安裝改造且穩(wěn)定運行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）。提砂混合液小時平均SS濃度從3.3957 g/L提升到了5.9562 g/L且波動幅度較小，ISS從1.4956 g/L提高到2.7260g/L且較為穩(wěn)定。在均勻的提砂時間設(shè)置情況下，沉砂池砂斗中的沉砂能定時定量累積，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連續(xù)氣提的低效工況。說明通過調(diào)整單次提砂時長以及優(yōu)化提砂時間間隔，存在進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)化后達到1207.5kg，除砂量提高了31.6%且波動幅度較小，避免了砂水分離器底部積砂過多所帶來的螺旋輸送機卡死問題。通過除砂系統(tǒng)的合理運行控制，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)的正常運行。經(jīng)污水運行調(diào)控優(yōu)化后，提砂混合液小時平均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、砂水分離器的運行周期和進行排砂自動化控制改造，延長單次提砂時間，分時段運行砂水分離器，使氣提提砂與砂水分離器協(xié)同運行，該污水廠預(yù)處理段的排砂量實現(xiàn)了穩(wěn)步提升�？梢�，除砂系統(tǒng)的運行效率與氣提提砂和砂水分離器的運行周期有密切關(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)計與運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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