曝氣沉砂池的預(yù)處理對(duì)COD去除效果的影響

柯浪文，夏耿東，馮 珊，徐嘉琪，林婧舒

（廣州市污水治理有限責(zé)任公司石井分公司，廣東廣州 510450）

1 曝氣沉砂池的基本介紹

曝氣沉砂池是一長(zhǎng)形渠道，沿渠壁一側(cè)的整個(gè)長(zhǎng)度方向上設(shè)有曝氣裝置，在其下部設(shè)有集砂斗，池底有i=0.1～0.5的坡度，以保證砂粒滑入。污水在曝氣沉砂池中存在著兩種運(yùn)動(dòng)方式，其一為水平流動(dòng)。同時(shí)，由于在池的一側(cè)有曝氣作用，因而在池的橫斷面上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)池內(nèi)水流產(chǎn)生螺旋狀前進(jìn)的流動(dòng)形式。由于曝氣以及水流的螺旋旋轉(zhuǎn)作用，污水中懸浮顆粒相互碰撞、摩擦，并受到氣泡上升時(shí)的沖刷作用，使粘附在砂粒上的有機(jī)污染物得以去除，沉于池底的砂粒較為純凈[1]。

圖1 曝氣沉砂池螺旋形流態(tài)圖Fig.1 Spiral Flow in Aerated Grit Chamber

2 分析項(xiàng)目及方法

項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間是2012年3月至7月，分別按20、25、30、35、40 Hz調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)變頻器的頻率，得出以下三部分的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析：

①分析比較此頻率下SS、COD的去除效果；②分析其產(chǎn)砂量以及測(cè)量其頻率下分離出砂粒的純凈度；③研究此頻率下對(duì)生物反應(yīng)池DO、ORP以及進(jìn)出水硝氮的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 比較2012年3月至7月曝氣沉砂池出水SS、COD的去除效果

（1）2012年3月調(diào)整羅茨鼓風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，沉砂池SS、COD的去除情況如圖2、圖3所示。

如圖2所示，3月出現(xiàn)19天沉砂池出水SS含量大于進(jìn)水SS的情況，可能是由于曝氣以及水流的螺旋旋轉(zhuǎn)作用，并帶動(dòng)沉于池底的顆粒物質(zhì)，從而使SS含量增加。除去出現(xiàn)19天的異常情況，SS去除率呈較明顯的波動(dòng)趨勢(shì)，波動(dòng)范圍15.20%～66.9%，但總體均值為負(fù)數(shù)。因該月數(shù)據(jù)出現(xiàn)超過一半數(shù)據(jù)的沉砂池出水SS大于進(jìn)水，導(dǎo)致沉砂池除砂效果未能得到發(fā)揮，推斷該頻率無法滿足工藝生產(chǎn)需求。

圖2 3月曝氣沉砂池SS的去除率Fig.2 Removal Rate of SS in Aerated Grit Chamber in March

如圖3所示，3月出現(xiàn)17天進(jìn)水CODCr的濃度高于沉砂池出水CODCr的情況，可能是由于曝氣量不足，水流沖刷作用不夠充分，粘附在砂粒上的有機(jī)污染物去除效果不佳。正常數(shù)據(jù)應(yīng)是進(jìn)水CODCr的濃度略低于沉砂池出水CODCr，由于曝氣沉砂池能提高污泥有機(jī)物組分的含量。剔除異常數(shù)據(jù)后，本月沉砂池出水COD去除率波動(dòng)范圍在3.9%～24.7%，平均去除率12.49%。去除率偏低且波動(dòng)范圍大。該月數(shù)據(jù)異常情況較為明顯，推斷該頻率無法滿足工藝生產(chǎn)需求。

圖3 3月曝氣沉砂池COD的去除率Fig.3 Removal Rate of COD in Aerated Grit Chamber in March

（2）2012年4月調(diào)整羅茨鼓風(fēng)機(jī)頻率為25 Hz，沉砂池SS、COD的去除情況如圖4、圖5所示。

如圖4所示，4月SS去除率的波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍3.37%～57.78%，剔除異常數(shù)據(jù)后，平均去除率為17%。與3月份情況類似，該月數(shù)據(jù)出現(xiàn)近半數(shù)據(jù)的沉砂池出水SS大于進(jìn)水，導(dǎo)致沉砂池除砂效果未能得到發(fā)揮，剔除部分?jǐn)?shù)據(jù)后SS去除率雖達(dá)29%，但效果穩(wěn)定性太低。出現(xiàn)12天進(jìn)水SS含量小于沉砂池出水SS的情況，可能是由于曝氣以及水流的螺旋旋轉(zhuǎn)作用，并帶動(dòng)沉于池底的顆粒物質(zhì)，從而使SS含量有一定增加。與頻率為20 Hz的情況相比較，增大曝氣量后，SS的去除率未有所提高，雖除砂效果有所改善，但該頻率下無法滿足工藝生產(chǎn)需求。

圖4 4月曝氣沉砂池SS的去除率Fig.4 Removal Rate of SS in Aerated Grit Chamber in April

如圖5所示，4月CODCr去除率波動(dòng)范圍1.83%～22.03%，其中平均去除率只有3.33%，出現(xiàn)18天進(jìn)水CODCr的濃度高于沉砂池出水CODCr的情況，且差值比較大，說明其有機(jī)物與砂子分離效果不佳?？赡苁怯捎谄貧饬坎蛔?，水流沖刷作用不夠充分而導(dǎo)致粘附在砂粒上的有機(jī)污染物去除率較低。推斷該頻率無法滿足工藝生產(chǎn)需求。

圖5 4月曝氣沉砂池COD去除率Fig.5 Removal Rate of COD in Aerated Grit Chamber in April

（3）2012年5月調(diào)整羅茨鼓風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz，沉砂池SS、COD的去除情況如圖6、圖7所示。

如圖6所示，在5月中上旬進(jìn)出水波動(dòng)比較平穩(wěn)，沉砂池出水SS隨著進(jìn)水SS變化而波動(dòng)，但在5月19日出現(xiàn)最高值，這說明SS的變化對(duì)曝氣沉砂池的SS去除效果有一定程度的影響。5月曝氣沉砂池的SS去除率在13.79%～62.50%之間，波動(dòng)起伏比較大。5月SS平均去除率為28.60%。

圖6 5月曝氣沉砂池SS的去除率Fig.6 Removal Rate of SS in Aerated Grit Chamber in May

如圖7所示，在5月中上旬進(jìn)出水波動(dòng)比較平穩(wěn)，沉砂池出水CODCr隨著進(jìn)水CODCr變化而波動(dòng)，但在5月19日出現(xiàn)最高值，這說明CODCr的變化對(duì)曝氣沉砂池的COD去除效果有一定程度的影響。5月曝氣沉砂池的COD去除率在2.24%～78.27%之間，波動(dòng)起伏比較大。5月COD平均去除率為17.28%。

圖7 5月曝氣沉砂池COD去除率Fig.7 Removal Rate of COD in Aerated Grit Chamber in May

（4）2012年6月調(diào)整羅茨鼓風(fēng)機(jī)的頻率為35Hz，沉砂池SS、COD的去除情況如圖8、圖9所示。

圖8 6月曝氣沉砂池SS的去除率Fig.8 Removal Rate of SS in Aerated Grit Chamber in June

如圖8所示，6月曝氣沉砂池的SS去除率在12.50%～66.16%之間，波動(dòng)起伏比較大。6月SS平均去除率為33.64%。

圖9 6月曝氣沉砂池COD去除率Fig.9 Removal Rate of COD in Aerated Grit Chamber in June

如圖9所示，6月曝氣沉砂池的COD去除率在7.48%～46.80%之間，波動(dòng)起伏比較平穩(wěn)。6月COD平均去除率為18.53%。

（5）2012年7月調(diào)整羅茨鼓風(fēng)機(jī)的頻率為40 Hz，沉砂池SS、COD的去除情況如圖10、圖11所示。

如圖10所示，7月曝氣沉砂池的SS去除率在3.57%～53.16%之間，波動(dòng)起伏比較大。7月SS平均去除率為21.66%。

如圖11所示，7月曝氣沉砂池的COD去除率在2.68%～45.83%之間，波動(dòng)起伏比較大。7月COD平均去除率為13.25%。

以上5個(gè)月的數(shù)據(jù)，匯總?cè)绫?。

圖10 7月曝氣沉砂池SS的去除率Fig.10 Removal Rate of SS in Aerated Grit Chamber in July

圖11 7月曝氣沉砂池COD去除率Fig.11 Removal Rate of COD in Aerated Grit Chamber in July

表1 不同風(fēng)機(jī)頻率下各月SS、COD去除率Tab.1 Removal Rate of SS and COD with Different Fan Frequency in Each Month

如表1所示，6月SS平均去除率最高為33.64%，同時(shí)，CODCr的去除效果最佳，平均值為18.53%。羅茨鼓風(fēng)機(jī)的頻率為35 Hz時(shí)，沉砂池SS與COD的去除效果最佳。

3.2 產(chǎn)砂量和分離出砂粒的純凈度

沉砂池去除垃圾與大量無機(jī)物的途徑主要是通過沉砂池桁車上的吸砂泵將池底沉積的砂粒垃圾抽到砂水分離器處分離，從而從污水系統(tǒng)中除去。因系統(tǒng)砂水分離器工作原理是重力沉砂后再通過螺桿輸送到垃圾斗，對(duì)這次試驗(yàn)影響不大，這次試驗(yàn)不討論砂水分離器作用。主要從不同頻率下的羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，研究沉砂池砂泵的產(chǎn)砂量與產(chǎn)生的砂粒的純凈度，從而比較得出該頻率下沉砂池砂泵的處理效果。通過檢測(cè)砂粒中無機(jī)物的含量來判斷砂粒的純凈度如表2所示。

相比之下，風(fēng)機(jī)頻率為30與35 Hz時(shí)，沉砂池出砂的效率最好，且純凈度較高，砂泵的堵塞次數(shù)也在接受的范圍內(nèi)，檢測(cè)出的純凈度變化范圍最穩(wěn)定應(yīng)為35 Hz時(shí)，能發(fā)揮沉砂池最高最穩(wěn)定的處理效果。

表2 2012年3月至7月砂粒純凈度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental Data of Sand Purity from March to July in 2012

3.3 各頻率下的曝氣量對(duì)生物反應(yīng)池DO、ORP以及進(jìn)出水硝氮(NO3-N)的影響

如圖12所示，5月生物反應(yīng)池厭氧段ORP在-408～-156，總體比上月穩(wěn)定，硝氮未檢出。

檢測(cè)值中DO范圍為：厭氧段DO與上月比較明顯下降，數(shù)值穩(wěn)定下降。在工藝控制范圍，沒有對(duì)反應(yīng)池DO造成影響。分配井影響DO因素：分配井DO未檢出較多，檢出值波動(dòng)較大，范圍較大，縱觀3～5月，分配井DO暫時(shí)與羅茨鼓風(fēng)機(jī)開啟頻率無關(guān)。

圖12 5月風(fēng)機(jī)頻率30 Hz下的ORP數(shù)據(jù)圖Fig.12 Value of ORP under the Fan Frequency of 30 Hz in May

圖13 5月風(fēng)機(jī)頻率30 Hz下的DO數(shù)據(jù)圖Fig.13 Value of DO under the Fan Frequency of 30 Hz in May

圖14 6月風(fēng)機(jī)頻率35 Hz下的ORP數(shù)據(jù)圖Fig.14 Value of ORP under the Fan Frequency of 35 Hz in June

如圖14所示，6月生物反應(yīng)池厭氧段ORP在-420～109，除6月28日換池外總體比上月穩(wěn)定。厭氧段DO與上月比較明顯下降，DO數(shù)據(jù)較好。

如圖15所示，7月生物反應(yīng)池厭氧段ORP在-348～-34，總體較穩(wěn)定。硝氮全部未檢出，難以對(duì)硝氮進(jìn)行分析。DO基本未檢出，難以對(duì)DO進(jìn)行分析。

圖15 7月風(fēng)機(jī)頻率40 Hz下的ORP數(shù)據(jù)圖Fig.15 Value of ORP under the Fan Frequency of 40 Hz in July

4 能耗分析

該廠一共3臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)對(duì)沉砂池進(jìn)行供氣，一期使用1臺(tái)運(yùn)行可滿足單池曝氣，設(shè)備采用變頻調(diào)節(jié)，可遠(yuǎn)程或就地控制，設(shè)備主要參數(shù)如下：

流量（在 1.013×105Pa，相對(duì)濕度80%條件下）：100%—2 418 Nm3/h，45%—1 088 Nm3/h；電機(jī)電壓等級(jí)：AC380V；電機(jī)功率：45 kW；功率因素cos∮：0.85

通過不同頻率，現(xiàn)場(chǎng)用鉗表測(cè)得相關(guān)運(yùn)行電流數(shù)據(jù)，粗略可以估算出風(fēng)機(jī)的能耗情況，如表3所示。

表3 不同頻率下風(fēng)機(jī)的耗能情況Tab.3 Energy Dissipation of Fan under Different Frequency

設(shè)備能耗是隨著變頻的頻率增加而增加的，在保證沉砂池曝氣充足的前提下，降低頻率，可有效減小電流，從而達(dá)到降低能耗的目的，選擇去除效果最好的6月數(shù)據(jù)，同比工頻情況下，電機(jī)運(yùn)行功率可減5.3 kW,由于設(shè)備是24 h不間斷運(yùn)行，折算全天可節(jié)約127.2度電，效果非常明顯，一旦二期投產(chǎn)，投入2臺(tái)設(shè)備運(yùn)行，節(jié)能效果將翻倍，這將給該廠在節(jié)能降耗，變動(dòng)成本控制帶來極大的益處。

5 結(jié)論

（1）從以上數(shù)據(jù)分析可得出，在羅茨鼓風(fēng)機(jī)頻率調(diào)節(jié)為35 Hz的情況下，曝氣沉砂池的SS去除率比較穩(wěn)定，平均值為33.64%。同時(shí)，COD的去除效果最佳，平均值為18.53%。

（2）羅茨風(fēng)機(jī)在頻率35 Hz時(shí)沉砂除砂能發(fā)揮最好的效果，且在35 Hz頻率時(shí)最穩(wěn)定，單機(jī)可節(jié)約用電127.2 kW·h/d，節(jié)能效果尤其顯著。

（3）2012 年 3 月份開始，研究了 20 Hz、25 Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz風(fēng)機(jī)頻率下的曝氣量對(duì)生物反應(yīng)池DO、ORP以及進(jìn)出水硝氮（NO3-N）的影響，通過5個(gè)月的研究測(cè)試和大量數(shù)據(jù)的分析，當(dāng)羅氏風(fēng)機(jī)頻率控制在35 Hz時(shí)處于最佳工況點(diǎn)。ORP氧化還原電位越高，氧化性越強(qiáng)，電位越低，氧化性越弱。當(dāng)羅氏風(fēng)機(jī)頻率控制在35 Hz時(shí)生物反應(yīng)池厭氧段ORP在0～400 mV，證明還原性較好，營(yíng)造良好的厭缺氧環(huán)境，在含氧量不高的情況下，反硝化效果好，有助于更好地厭氧釋磷，提高污水處理效果。

［1］李濤,沉砂池的設(shè)計(jì)及不同池型的選擇 [J].中國(guó)給水排水,2001,17(9):37-42.