新型一体化污水处理设备的研究

蔡苏宁， 董继先, 谈树美

(1.陕西工业职业技术学院机械工程学院， 陕西 咸阳 712000；2.陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021；3.宝鸡石油钢管有限责任公司， 陕西 宝鸡 721008)

0 引 言

随着人口的增长、工业的发展，水资源不断受到水体污染、水质恶化的严重威胁.根据2005年中国统计年鉴统计，我国2000～2004年排放污水总量从415亿吨增长到482亿吨，年均污水排放增长率为3.8%.未经处理或处理不得当的污水直接排放到自然中严重影响了环境卫生，威胁人们的饮水安全.因此，水资源保护势在必行.近年来，污水处理设备朝着小型化的方向发展，一体化污水处理设备应运而生.我们在研究国内外已有的各种污水处理设备基础上，开发了一种新型、高效、集成的一体化污水处理设备.由于其投资少，运作和管理方便，费用低，从而缓解了水处理行业对水处理设备的资金压力.

1 国内外一体化污水处理设备发展现状

1.1 国外水处理技术

美国Pristine公司开发的Pristine Aquarius污水处理系统[1]是一个简易、轻便和高效的污水处理设备.德国普罗名特流体控制有限公司(ProMinent Dosiertechnik GmbH)成功开发的以膜过滤系统为基础的污水处理设备，包括反渗透、超滤、微滤等设备[2]，主要处理水中的颗粒物，不溶物或无机盐类浓度要求苛刻的行业，如电子、电力、酿造和饮料等.

1.2 国内一体化污水处理设备的发展

1.2.1 城市污水处理设备

在国家迫切需要治理污水的大环境下，国内出现了许多用于处理城市生活污水的一体化设备.张秋跃等开发了用于生活小区的一体化水处理设备[3]，采用悬浮填料和潜水曝气技术，对COD的去除率可达80%以上，并且解决了噪音对周围环境的影响，安装维护方便.

另外一种设备是一体化地埋式生活污水处理设备，它是以A/O生化工艺为主，集生物降解污水沉降、氧化消毒等工艺于一体的生活污水及类似生活污水的工业污水处理设备.地埋式生活污水处理设备结构紧凑、占地少，全部设置于地下，运行经济，抗冲击浓度能力强，处理效率高，管理维修方便.

1.2.2 工业污水处理设备

随着工业的发展，工业污水也成为摆在人们面前的一个大问题.尤其是在化学工业、石油化工、轻纺、制药、食品和造纸等行业中，所排放的污水具有种类多、成分复杂、COD浓度高、可生化性差和有毒害等特点，如果不能进行有效的处理，将会对环境产生十分严重的污染和破坏[4，5].

近年来国内工业污水一体化处理设备取得了较大的成绩.例如FLY-1型一体化净水器[6]，它是将漩流网格絮凝、小间距斜板沉淀、非溢流滤池等技术有机地集合在一起，具有出水水质稳定、能耗低、占地面积小、造价低、操作简单等优点.

2 新型一体化污水处理设备设计创新点

2.1 工艺流程

某纸厂污水经物化生化法处理后可以达到国家综合污水排放标准的一级标准，但是现在该厂计划扩建新的生产线，新增生产线相应的生产污水排放量约为2 300 m3/d.但根据要求，在新项目建成投产后，全厂的生产污水总排放量仍须维持在原有的排放水平.因此，必须对部分污水进行深度处理，达到回收利用的要求，从而减少污水排放量，提高水资源利用率.

表1 原有污水处理系统的进出水水质

根据工厂的实际情况和对该项目的要求，提出以下工艺方案：污水-格栅-氧化沟-污水一体化处理设备-清水池.其中污水一体化处理设备是本处理工艺的主要部分，利用其对污水进行深度处理.污水一体化处理设备是集絮凝-沉淀-过滤等工艺为一体的设备， 处理流程如图1所示.

由确定的工艺方案可以得出这样的结论：针对企业新增生产线，一方面污水量有所提高，另一方面由于环保要求，不能增加企业污水排放量，即维持原有的污水排放标准这样一个矛盾的情况，经过深入的调查研究，决定采用在原生物处理系统后增加一体化污水处理设备，对部分污水进行深度处理，从而达到回用和降低污水排放量的目的.

图1 污水处理工艺流程

2.2 设计方案

虽然根据处理工艺，我们可以确定污水一体化处理设备的主要部分，但是由于其各个部分机构的不同以及各部分布局方式的不同，污水一体化处理设备根据其布局结构的不同，可以分为立式结构和卧式结构两种.

(1) 立式结构.装置[7]由混合絮凝区、沉淀区和变速过滤区3部分组成.其中：混合絮凝区为锥台体，沉淀区为扇形锥台体，变速过滤区为扇形锥台体.进水由进水管进入配水区，之后进入混合区，利用混合区内置分隔板进行混合；然后直接进入絮凝区，进行网格絮凝；之后通过集水管出水至斜板沉淀区进行沉淀；接着由集水槽集水至变速过滤区进行过滤，过滤区设置多孔介质，在下部设反洗水管、出水管；最后通过滤池下部的出水管出水.此3部分构成一体化净水装置，如图2所示.

(2) 卧式结构.卧式结构装置由絮凝池、中间池、沉淀池、过滤池及反冲洗等部分组成.污水经管道进入絮凝池后，在搅拌机构的作用下反应，流入中间池；然后进入斜管沉淀池中，过滤后进入过滤池，最后排出.反冲洗时，关闭进水管，反冲洗水进入过滤池进行冲洗，污泥经排泥管排出,如图3所示.

污水一体化处理设备还可以根据构成它的各个部分的不同进行分类.例如根据絮凝池中搅拌机构的不同，絮凝池即可分为机械絮凝、水力絮凝和增加颗粒絮凝等；根据絮凝机械的布置方式不同，可以分为水平轴机械搅拌絮凝与垂直轴机械搅拌絮凝等.

图2 立式一体化处理方案 图3 卧式一体化处理方案

污水一体化处理设备就整体布局分类大体分为立式和卧式两种.两种方案各有优缺点.方案一，装置具有较好的水力特性，死角少，处理效果相对较好.方案二，除了具有较好的处理效果外，装置呈立方体，各个处理部分加工方便，同时由于卧式分布，整体高度相对低，对厂房、泵等设施要求相对较低.

综合考虑，我们选用了方案二，我们在采用卧式结构的同时，尽量提高装置的水力特性，减少死角.其中，絮凝部分采用垂直轴搅拌机构以提高絮凝反应效率；采用异向斜管，提高沉淀效果；采用大水力布水设备，提高整体布水效果；采用气水反冲洗，提高过滤池的使用效果.

2.3 搅拌机构设计

本设计中采用的是机械絮凝池，它是通过电机通过轴带动叶片而使液体运动以完成絮凝过程.本设计中采用垂直轴式、旋转运动方式，通过无级变速电机带动轴转动，具有转速可调、运转平稳等优点.

图4 搅拌用无级变速电机 图5 搅拌用联轴器

(1) 无级变速电机选用上海长城无级变速减速器(MBL07-Y0.55-V1-270)，如图4所示.

(2) 联轴器选用JMⅡ2 J1 2052/J1 3860，如图5所示.

(3) 轴的设计.由于搅拌叶片与轴焊接，不需要在轴上设计多个轴肩，因此轴除了两端外，为方便设计加工，采用统一直径,一端通过连轴器与无级变速电机连接，另一端利用球轴承固定.

设计结果如图6所示：φ38段，长50 mm；φ50段，长2 950 mm.

图6 搅拌用轴

2.4 沉淀池设计

沉淀池是污水处理中重要的装置之一，工程中采用异向流斜管沉淀池.将斜管引入沉淀池的沉淀区可以有效降低其表面负荷. 其最大设计流量为60 m3/h，总变化系数KZ=1.45，斜管长度l=1 m，颗粒有效速度μ=0.4 mm/s，清水区上升流速v=3.0 mm/s，采用升流式异向流斜管沉淀池，斜管采用D35聚丙烯管，水平倾角为60°.为了实现设备的集成，清水区面积宽度为2.5 m, 沉淀池长度为5.3 m.考虑导管端絮流、积泥等因素，过渡区采用斜管长度为200 mm，斜管总长度为1 000 mm.

采用穿孔管排泥，一般设计时穿孔管横行布置.但是在本设计中考虑到作为二次深度处理，污泥量较小，并且设备各部分要集成制造，因此采用纵向布置， 选用DN200的穿孔排泥管，长度比沉淀池长度稍长即可，取5.6 m.

2.5 过滤池设计

沉淀池每天工作24 h，每次冲洗6 min，停留40 min，实际工作时间为23.62 h.通过计算，过滤池总高取3.2 m.

2.6 中间池设计

为了实现各个部分的集成，使最后形成的设备具有规则的形状，由以上沉淀池和絮凝池的设计尺寸可以确定中间池的尺寸为2.5 m×1.5 m.

2.7 反冲洗设计

反冲洗用水量按水洗强度最大时计算.单独水洗时反冲洗强度最大.反冲洗水由反冲洗配水干管输送到气水分配管，由气水分配管底侧的布水方孔配水到滤池底部分水区，反冲洗水通过配水方孔的流速按反冲洗配水支管的流速取值.

2.8 辅助装置选择

2.8.1 管道混合器的选择

混合设备的设计应根据所用的混凝剂品种，使药剂与水进行恰当的急剧、充分地混合.一般混合时间为10～30 s.混合方式基本分为两大类，水力混合和机械混合.水力混合简单，但不能适应流量地变化；机械混合可以进行调节，能适应各种流量地变化.具体采用何种混合方式，应根据处理工艺布置、水质、水量、投加药剂品种及数量以及维修条件等因素确定.

2.8.2 在线浊度仪选择

综上所述，采用该春提早栽培技术生产青椒，产量高，效益好，风险小，且可达到早上市、抢市场、创高效的目的。但仍需结合青椒所在种植地的实际情况，不断加强田间管理、做好病虫害的防治工作，并按照行业情形、资源消耗等方面充分利用该栽培技术，从而为市场供应新鲜青椒供人们食用，满足人们对青椒的需求。

图7 设备设计图

由于深度处理的水需要回用，因此对水质要求较高.在水处理的同时需要对水质实行实时检测，与要求的处理标准做比较，反馈比较量，控制絮凝剂的添加量和污水的输入量，从而达到比较稳定的处理效果.

设计中采用在线浊度仪，安装在一体化处理设备的出水管道中，实时监控排出的水的质量.由于采用两台一体化处理设备，因此选用两套在线浊度仪.

2.8.3 消毒设备选择

经一体化处理设备处理后的水，需经过消毒处理才能排放到清水池中，从而实现回用.消毒部分包括二氧化氯发生器、盐酸储存罐、氯酸钠存储间、化料器等设备.

2.8.4 一体化处理设备扶手及梯子设计

为使设备的设计更加符合人机工程学，方便操作人员管理设备，利用碳钢制造出扶手，同时考虑到设备比较高，需要设备梯子.

将絮凝池、中间池、沉淀池和过滤池集成，总体布局成矩形.污水一体化处理设备设计图如图8所示.

3 结束语

(1)采用絮凝-沉淀-过滤处理工艺相结合的方案，对工业污水进行深度处理，实际运行表明，处理工艺比较合理，能够达到污水排放以及回用的标准.

(2)根据污水水质的不同，本研究在一体化处理设备中集成了新的生物处理模块——氧化沟模块，从而使一体化处理设备具有更大的柔性，不仅可用于处理工业污水，也可以用于对中小型河流水进行净化处理.

参考文献

[1] Pristine. Aquarius Bulk Water Treatment Components[EB/OL]. http://www.pristine.ca/aquarius.html,2004-06-20.

[2] Prominent. Productions[EB/OL] http://www.prominent.com.cn, 2004-09-06.

[3] 张秋跃，任 伟．生活小区污水处理设备的开发与应用[J]．环境保护，2004，5：35-38．

[4] Otero M, Calvo L F, Estrada B,etal. Thermogravimetry as a technique for establishing the stabilization progress of sludge from wastewater treatment plants[J]. Themochimica Acta, 2002 , 389(1-2)：121-132.

[5] Jiang J Q , Lioyd B. Progress in the development and use of ferrate(Ⅵ) salt as an oxidant and flocculant for water and wastewater treatment[J]. Water Research， 2002，36：1 397-1 408.

[6] 胡明忠，王小雨，郭红军,等．FLY-1型一体化净水设备的工艺特点[J]．中国给水排水，2003，19(6)：62-63．

[7] 冯亚兵．一体化净水装置试验研究[D]．重庆：重庆大学硕士学位论文，2004．