在污水处理过程中,如何有效去除污水中的砂粒一直是我国各污水处理厂运行的普遍难题。除砂效果不好,一方面会导致后续一系列设备的磨损加剧,另一方面也会致使大量砂子在初沉池、曝气池、储泥池、污泥消化池等工艺单元内沉积,甚至堵塞管道,对生产造成严重影响。

　　 Richard等^[1] 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(污泥泵叶轮、格栅传动装置等)和管道弯头过度磨损;Smith^[2] 和卞子敏等^[3] 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。Mansour-Geoffrion和张波等^[4,5]研究认为,消化池底部积砂会降低消化池有效容积,增加消化池负荷,需要更长的水力停留时间,并将额外增加曝气池污泥浓度,使活性污泥吸附能力和活性降低,增大曝气池排泥量,给工艺运行控制带来困难,影响活性污泥对污水中有机物的降解,甚至最终影响出水水质。在污泥脱水过程中,污泥中的细砂会堵塞带式压滤机滤布微孔,而滤布中嵌着的细砂不易被脱水机冲洗系统冲洗干净,影响污泥脱水效果^[1] 。因此,除砂系统高效、稳定运行,对于污水处理后续工艺至关重要。

　　 由于我国受到城市大规模建设和管网不完善等因素影响,其城市污水的含砂量普遍偏高,砂粒径分布结构也与国外明显不同^[6] 。因此在除砂工艺设计和运行时,必须结合我国的情况进行综合考量。

　　 本研究在北京某大型市政污水处理厂开展,该厂已连续运行超过20年,其前端设计采用曝气沉砂池+集砂井+旋流除砂器+砂水分离器除渣砂,由于整体沉砂除砂系统池除砂效果一直不稳定,来砂进入到后续工艺单元中,形成了积砂。本文梳理了该厂在多年运行过程中出现的积砂问题,并对各单元的积砂进行了粒径的分析。

　　 曝气沉砂池是除砂的主要工艺单元,但如果来水砂量过大或吸砂设备故障,会导致池内出现积砂,严重时可将储砂槽及吸砂泵完全掩埋,此时必须停水进行清池处理(见图1)。

　　 对于设有初沉池工艺的水厂,在曝气沉砂池中未被去除的砂子,首先会沉积在初沉池配水渠道或初沉池集砂槽内,情况严重时会造成初沉池排泥泵堵塞,必须进行停水清池(见图2)。

　　 污水中的砂子一但沉积进入污泥中,则会对后续的污泥处理工艺及设备产生严重影响。

　　 例如进入初沉池的砂子,会对后续污泥输送设备产生一系列的影响。用于产生输送动能的螺杆泵,其本身原理就是依靠定子和转子的相互作用产生输送动力,而过多的砂砾,将大大缩短螺杆泵的使用寿命,造成设备维护成本的升高。而这种维护成本的升高,也会在其他方面产生影响。

　　 此外,当污泥进入储泥池后,污泥中的砂子不仅会在池底沉积堵塞排泥管道,还会对搅拌器、输送泵等产生严重磨损(见图3)。

　　 对于后段设有厌氧消化工艺的污水处理厂,污泥中的砂子同样会随着时间的推移,逐步在消化池底部产生沉积(见图4)。第一,会对消化池的可用容积产生影响。第二,会对消化系统内部的搅拌桨等设备产生磨损。第三,会对热交换器产生磨损,使得消化工艺的温度控制系统无法正常运行,最终影响整体处理效果。

　　 为了进一步掌握污水处理厂积砂的分布情况,笔者分别对上述几个工艺单元的积砂进行了取样,并对砂粒径进行了分析,结果见图5。

　　 从图5可以看出,不同工艺单元的积砂有明显的差异。其中,曝气沉砂池和初沉池底的积砂分布较为相似,有85%以上的积砂粒径为2mm或更大,初沉池的积砂粒径区间为0.075~2mm,分布比例随粒径增长而增高,且曲线较为平滑;而曝气沉砂池的积砂粒径区间为0.5~2mm,且主要由>2mm的砂粒组成。消化池底的积砂粒径则明显要小于前端预处理工艺,主要集中在0.001~0.075mm。

　　 由此可以看出,传统的曝气除砂只能去除大于0.5mm的粗砂,而污水处理厂还存在大量小于该粒径的细砂。数据表明,这些细砂主要存积于初沉池、消化池底,目前这部分细砂还无法被去除,这也是当前污水处理厂面临的普遍难题。

　　 本研究所在污水处理厂设有两座旋流曝气沉砂池,设计停留时间3min。在试验期间(见图6),将储存箱放置于砂水分离器下,以30min为周期定期测量2个砂水分离器的出砂量和砂粒径情况,并同时记录当前的进水量、气水比等工艺运行参数。

　　 试验共进行了3个月,通过近20组数据分析发现,系统的出砂量极其不稳定(见图7)。在试验期间,系统出砂量最大时可达60kg/h,最低时仅有2.4kg/h,两者相差近20多倍。

　　 事实上,由于我国的曝气沉砂池运行效果与国外资料存在差异,除砂效果往往很难达到预计值^[7,8]]。

　　 通过分析,笔者认为造成系统出砂量极其不稳定的原因主要有以下几方面:

　　 (1)污水处理厂来水量波动较大,而曝气沉砂池为恒定供气,气水比变化很大,因此造成沉砂池内旋砂效果差异。

　　 (2)砂水旋流器运行不稳定,通过吸砂泵吸出的含砂废水在旋流器中无法形成旋流,不能将砂与水有效分离。

　　 (3)进水中的砂含量不稳定。

　　 由此可以看出,污水处理厂除砂是一个系统工程,涉及到进水配水分布、曝气沉砂池工艺参数运行控制、旋流除砂器性能等一系列影响因素。

　　 针对上述情况,研究组对该厂的曝气除砂系统进行了一系列改造,改造内容包括曝气沉砂池更换砂水分离器、曝气沉砂池气水比自动控制,预计达到以下效果:曝气沉砂池气量随来水量随时调节,控制气水比,提高沉砂效率。

　　 曝气沉砂池气量调节为普通闸阀,手动控制,无气体流量计等仪表。为了能使曝气沉砂池气量随来水量随时调节,控制气水比,提高沉砂效率,将手动阀门更改为电动菱形阀,安装流量计进行气体流量控制根据进水流量的每天24h变化规律,通过小型PLC控制站进行气量的调节,实现曝气沉砂系统恒定的气水比,有效地实现污水中泥砂的沉降分离。改造方案见图8。

　　 现有砂水旋流器的砂水分离效果差,对于曝气沉砂池中吸上来的含砂废物,不能有效分离。因此,为了提高砂水分离效果,对旋流除砂器进行了更换,选用某选矿用水力旋流器,该旋流器广泛用于金属、煤炭及石油领域。

　　 项目调试及试验分两阶段。第一阶段在原有工况条件不变的情况下,通过化验分析对比新旧两种旋流除砂器的除砂效果;第二阶段为对比不同气水比条件下的除砂效果。最终通过试验对比考察新旧除砂器的除砂性能,同时确定最佳的运行气水比。

　　 从第一阶段试验可以看出(见表1),新除砂器出砂含砂量为74.9%,而旧除砂器仅为43.5%,新除砂器较旧除砂器的含砂量提高了72%。从砂粒径构成可以进一步看出,旧除砂器主要能去除粒径在1mm以上的颗粒(占总出砂的86.8%),而新除砂器对于0.2mm以上的颗粒都有很好的去除效果,特别是对于粒径在0.2~1mm区间的细砂,其去除量占总出砂量的55.5%,这是旧除砂器所不具备的。

　　 从第二阶段试验可以看出,系统的出砂量除了与砂水旋流器的效率有关,还与曝气沉砂池的气水比有很大关系(见图9)。从图9可以看出,当气水比过低或过高时,系统出砂量均较低,而当气水比在0.09~0.11时,系统出砂量有很大提升。

　　 基于北京某污水处理厂各单元积砂粒径分布特征和曝气沉砂池出砂效果试验,综合分析认为:

　　 (1)出砂是污水处理厂面临的普遍难题,如果除砂效果不好,会致使大量砂子在后续工艺单元内沉积,磨损设备、堵塞管道,对生产造成严重影响。

　　 (2)通过砂粒径分析可以看出,传统的曝气除砂只能去除大于0.5 mm的粗砂,而污水处理厂还存在大量小于该粒径的细砂,这些细砂主要存积于初沉池、消化池底,目前这部分细砂还无法被去除。

　　 (3)通过更换新型旋流除砂器可以看出,新除砂器出砂的含砂量较旧除砂器的含砂量提高了72%,且对于粒径在0.2~1mm区间的细砂有较好的去除效果。

　　 (4)通过气水比调节试验可以看出,系统的出砂量除了与砂水旋流器的效率有关,还与曝气沉砂池的气水比有很大关系,当气水比在0.09~0.11时,该系统出砂量有很大提升。