新型水力旋流除砂设备在西安市某污水厂的运行情况研究

文_尹雷 刘 艇 周文政 王祥 万硕

1.浦华环保有限公司 2.陕西中节能水务有限公司

随着城镇污水厂处理技术的发展细化和管理水平的提升，污水处理厂的泥沙管理问题正慢慢地被人们所重视。研究表明，污水处理厂除砂系统运行效果不佳，会导致机械设备和管道弯头过度磨损；卞子敏等研究认为，由于砂粒具有流动性差、易沉积特点，会引起污泥管道、配水渠等堵塞，出现类似混凝土凝固问题，只能人工从设备管道中挖出。

根据《排水规范》，污水厂除砂设计标准是对粒径200μm以上、容重2.65 的砂粒，去除效率90%以上，在此基础上，目前国内普遍采用的沉砂工艺有曝气沉砂池（AGB）和机械旋流沉砂池（MIV），但通过近年来的实际运行情况，发现这两种工艺的运行效果并不理想，主要表现为除砂精度不能满足要求，尤其是对于粒径100～200μm 的细砂，AGB 的主要除砂区间为0.5～2mm，不能达到200μm 的去除标准；系统故障率高，运行维护成本较高；除砂效果不稳定，受水力负荷变化的影响较大；除砂系统能耗高，不利于节能减排。因此，寻找一种除砂精度高、效果稳定、运维成本低的除砂技术，就成为优化污水厂泥沙管理的当务之急。

本研究旨在介绍一种新型的水力旋流除砂设备，通过特定的流体力学设计，该设备能够在有效提高系统除砂效率的同时，降低系统能耗。

1 项目简介

该水厂位于西安市西三环边，总设计处理能力20 万t/d，进水来源主要是市政和生活污水，预处理系统包括粗格栅、转鼓式细格栅和旋砂特TM 水力旋流除砂系统。水力旋流除砂系统一二期同建，共有两套系统，每套系统处理能力为10 万t/d。

2 设备原理和特点

水力旋流除砂器（简称“GK”，中文名“旋砂特TM”），是一种依靠重力高效去除水中砂粒的水力旋流分离设备。设备原理如图1，进水经过导流板，沿切向进入池体，并形成螺旋下降的水流（箭头1），在到达底部后，砂砾沉降并存储在砂斗内（箭头3），而水流在中心导流件的作用下形成向上的旋流（箭头2），内侧向上的旋流流速小于外侧向下的旋流流速，从而在交界面形成了“剪切区”，可去除粒径更小的砂粒。

图1 旋砂特TM 水力旋流除砂设备

与传统的工艺相比，该设备去除标准更高，能够对粒径106μm、比重2.65 的砂粒实现85%以上的去除率，这比国内现有规范中的去除粒径200μm 更加严格；结构紧凑，占地面积小；能耗低，无需提供搅拌桨、曝气设备以及垳车等，即可有效地降低能耗；设备内部无活动部件，维护成本较低。

为了进一步评估旋砂特TM 水力除砂系统的运行效果，作者于2019 年4 月，利用自行设计的样品采集设备和取样方案，对该水厂的除砂效率进行了系统的测试。

3 实验设置

3.1 样本的选择

结合现场实际运营情况，在考虑取样时段、天气以及特殊工况等因素，选择了五组测试结果来进行分析，其中1、2、3#样品为上午采样，4、5#样品为下午采样；3#为雨后采样，其余为晴天采样；4#为特殊工况（前端细格栅故障），其余为正常工况。

3.2 采样方法和检测方法

为保证试验结果的准确性，本研究采用自制的采样设备，分别采集系统进、出水的连续水样，采样时长取1.5～2h；根据斯托克斯公式，在实际采样过程中持续监测流量，使其保持在Q ≤0.42L/S，以保证粒径大于50μm 的砂粒都能被收集到，同时记录采样时间以及每次流量监测的数据，以便统计采样体积。

水样采集完成后，关掉进、出水阀门，按照流程进行处理：①样本采集到采样桶中后，经300 目（50μm）的筛网进行筛分，保留筛上部分；②将湿筛后样品置于烘箱，于105℃烘干2h，冷却至室温称重；③烘干样品置于马弗炉内，于600℃灼烧2～3h，冷却至室温称重；④灼烧称重后的样品分别逐级通过30～200 目的筛网，对筛上砂粒进行称重；⑤根据灼烧分级后的无机砂质量以及采样体积，计算出进、出水种总无机砂粒浓度以及某一粒径的无机砂的浓度。

4 结果与讨论

4.1 进水情况

4.1.1 进水水量

西安鱼化污水厂除砂系统采用一、二期同时建设，设计总处理水量20 万t/d，目前为低于设计流量下运行，采样过程中的水量如表1 所示。由表1 可知，在采样过程中，该厂进水水量最小为7.4 万t/d，最大为10.4 万t/d，水量波动较大。

表1 采样期间进水水量变化

4.1.2 进水颗粒有机物含量

根据Stokes 公式，固体颗粒在水中的沉降速度受颗粒粒径d、水的粘度u 以及颗粒容重ρs 的影响，《排水规范》中规定的除砂工艺目标去处理为200μm、容重2.65 的无机砂粒，但实际进水中，砂粒表面往往覆盖有不同程度的有机物，而有机物的存在会直接影响颗粒容重，因此对进水砂粒有机物含量的测试是评价进水颗粒沉降性能的一个重要依据。

对西安鱼化污水厂进水样品中固体的有机物含量测试结果见表2。由表2 可知，进水砂粒平均有机物含量为84.57%，据此推算，该污水厂进水砂粒的加权平均容重约为1.25，仅仅略大于水的密度，这说明进水中砂粒沉降性能较差。

表2 进水固体有机物含量变化

4.1.3 进水无机砂粒浓度及粒径分布

西安鱼化污水厂进水无机砂浓度如图2 所示，受进水水量和水质变化的影响，进水中无机砂浓度波动较大，尤其是4#样品，受到上游细格栅运行故障的影响，导致沉砂池进水含砂量是平时的6.5 倍；进水中无机砂平均浓度为6.3g/m3，低于《排水规范》中7.2g/m3的设计标准，若不考虑格栅故障的影响，则进水无机砂粒浓度更低，仅为3.0g/m3。

图2 进水无机砂粒浓度

进水砂粒的粒径对其沉降性能有直接影响，因此本研究也用分级筛分的方式，测定了进水无机砂粒的累积粒径分布，结果见图3。由图3 可知，该厂进水中粗砂占比较小，200μm 以上的无机砂占比仅有7.9%，150μm 以及100μm 以上的无机砂占比分别为18.7%和24.8%，说明设计规范中200μm 的除砂目标粒径并不适用于该污水厂。

图3 进水无机砂粒粒径累积分布

4.2 旋砂特TM水力旋流除砂设备的除砂效率

对旋砂特TM 设备的出水样品采用同样的方法处理，即可得到各组样品对应的出水砂粒浓度和粒径分布，以及该设备对200μm、150μm 以及100μm 粒径无机砂的去除效率，如图4所示。从图4 可以看到，旋砂特TM 对不同粒径砂粒的去除率比较稳定，其对粒径200μm、150μm 以及100μm 以上砂粒的平均去除率分别为94%、90%以及85%，达到了设计要求。此外，对砂水分离器所出固体量的统计显示，在平均进水水量8.5 万t/d的情况下，砂水分离器出口固体量为3～4m3/d，考虑到该设备对于100μm 以下的砂粒也具有一定的去除效率，因此可认为测试结果与实际出砂情况比较吻合。

图4 旋砂特TM 对不同粒径砂粒的去除效率

4.3 系统能耗分析

为更加直观地说明该水力旋流除砂系统在占地和节能方面的优势，结合2015 年在西安市第五污水处理厂对已有20 万t 曝气沉砂池运行情况的调研情况，对二者进行系统地比较，由于该旋流除砂系统目前只是单池运行，因此为方便比较，特将现有处理能力按照比例放大为20 万t/d，结果见表3。

表3 GK与AGB系统能耗对比

根据上表可知，旋砂特TM水力除砂系统能够有效降低70%的能耗，对于污水厂的节能减排具有重大意义。此外，对于20万t/d 的水厂，其占地也比传统的曝气沉砂池节省42%。

5 结语

进水水质会对砂粒沉降产生较大影响，西安鱼化污水厂进水细砂比重大、砂粒有机物含量高，沉降性能较差；该水力旋流除砂设备能够有效去除进水中的细砂，在不同进水水量和含砂量条件下性能稳定，具有一定的抗水力冲击能力；其对粒径100μm 以上的细砂的平均去除效率达到了85%，满足设计要求；与传统曝气沉砂池相比，水力旋流除砂设备能够减少42%的用地，并降低70%的能耗，对节能减排以及土地的高效利用具有积极的意义。