工作壓力對污泥淤砂分離器分離效能的影響

吉芳英，晏 鵬，范劍平，宗述安

（重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045）

近年來我國許多城鎮(zhèn)污水處理廠活性污泥（混合液懸浮固體）的ρMLVSS（混合液揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量濃度）與ρMLSS（混合液懸浮固體質(zhì)量濃度）比值普遍較低，該現(xiàn)象在進(jìn)水含砂量較高的山地城市尤為突出，對重慶市8個典型的污水處理廠進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，其活性污泥的ρMLVSS／ρMLSS為0.25～0.40［1］.這些活性污泥中除含有與生物基質(zhì)相關(guān)的無機(jī)物之外，還含有大量的特細(xì)無機(jī)顆粒物（砂）.該特細(xì)無機(jī)顆粒物被包裹、嵌入以及游離于活性污泥中，并且與生物基質(zhì)存在一定的密度差和粒徑差.大量的特細(xì)砂存在于活性污泥中不僅影響污水處理效果，而且還加速設(shè)備的磨損.如何實(shí)現(xiàn)污泥中有機(jī)質(zhì)和無機(jī)淤砂的分離已成為污水處理系統(tǒng)一個亟待解決的難題.在查閱資料范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)，美國Usfilter公司的專利設(shè)備污泥選擇分離機(jī)（Solids Separation Module）實(shí)現(xiàn)了污泥中有機(jī)物和惰性無機(jī)物的分離［2］.但迄今為止國內(nèi)尚無相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用的報道.重慶大學(xué)根據(jù)旋流分離模型及原理［3－15］開發(fā)了基于污水處理廠生物污泥與特細(xì)無機(jī)顆粒物（砂）之間的密度、粒徑差異的污泥淤砂分離器［16］，并實(shí)現(xiàn)了低ρMLVSS／ρMLSS污泥的生物基質(zhì)和污泥淤砂的有效分離.前期研究發(fā)現(xiàn)，工作壓力是污泥淤砂分離器最重要的控制參數(shù)，它不僅影響分離器單位時間污泥處理量即處理能力，還直接影響分離效果［17］.而工作壓力本身又是污泥淤砂分離的動力來源，如何確定合適的工作壓力已成為污泥淤砂分離器取得良好的分離效果、降低能耗以及減緩磨損的關(guān)鍵.因此本文重點(diǎn)討論污泥淤砂分離器的工作壓力P對特細(xì)無機(jī)顆粒物分離效果的影響，從而為污泥淤砂分離器的進(jìn)一步優(yōu)化以及分離器的節(jié)能降耗奠定數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與運(yùn)行方式

污泥淤砂分離試驗(yàn)系統(tǒng)由貯泥箱（含污泥攪拌器）、污泥淤砂分離器、污泥泵（額定排量5 m3·h－1）、電磁流量計(jì)（KDLD－25型電磁流量計(jì)，設(shè)定量程0～10m3·h－1，精度級0.5級）、壓力表（YPF型壓力表，額定量程0～0.4 MPa）及閥門等構(gòu)件組成，試驗(yàn)工藝流程如圖1所示.試驗(yàn)時將污水廠回流污泥泵入貯泥箱備用，啟動污泥攪拌器緩慢攪拌，避免污泥及淤砂沉降；在進(jìn)行污泥淤砂分離時，由污泥泵將污泥泵入污泥淤砂分離器，并通過調(diào)節(jié)閥門、電磁流量計(jì)等控制進(jìn)料壓力及污泥處理量.

圖1 污泥淤砂分離系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Pilot－scale experimental set－up for grit separation module of activated sludge

1.2 試驗(yàn)方法

選用的分離器的錐角為20°、進(jìn)料口直徑為15 mm、溢流口直徑為22mm、底流口直徑為13mm、筒身直徑為75mm.調(diào)節(jié)閥控制分離器工作壓力分別為0.025，0.050，0.075，0.100，0.125，0.150，0.175，0.200 MPa.在每個壓力下對進(jìn)料污泥、溢流污泥、底流污泥同時進(jìn)行3次采樣，將樣品混合后再進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測定.

1.3 試驗(yàn)污泥

試驗(yàn)污泥取自重慶市某污水廠（日處理水量6×105m3）二沉池回流污泥.試驗(yàn)所用污泥的SV30（污泥沉降比）、ρMLVSS／ρMLSS和進(jìn)料污泥質(zhì)量濃度ρTSS分別為15%，0.31和15g·L－1.

1.4 檢測項(xiàng)目與方法

檢測項(xiàng)目為ρMLVSS，ρMLSS、流 量、壓 力.ρMLVSS，ρMLSS檢測參照《城市污水處理廠污泥檢測方法》［18］進(jìn)行測定，流量與壓力分別從電磁流量計(jì)與壓力表中直接讀取.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 工作壓力對分離器處理能力的影響

圖2為進(jìn)料流量Qi（處理能力）、溢流流量Qo及底流流量Qu隨工作壓力的變化關(guān)系.從圖中可知：工作壓力從0.025 MPa增至0.200 MPa的過程中，分離器處理能力、溢流流量以及底流流量分別從0.96，0.78和0.18L·s－1增至1.66，1.38 和0.28 L·s－1，且三者與工作壓力之間呈顯著的線性關(guān)系，其判 定 系 數(shù)R2分 別 達(dá) 到0.988 9，0.988 9 和0.978 4.試驗(yàn)所得到的進(jìn)料流量與工作壓力的關(guān)系與根據(jù)最大切線速度軌跡法理論所得到的水力旋流器的進(jìn)料流量與工作壓力的1／2次方成正比的關(guān)系不同.這是由于污泥淤砂分離器的分離對象、分離模式以及結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)水力旋流器不一樣所造成的.污泥淤砂分離器的分離對象存在細(xì)微差異的活性污泥與特細(xì)無機(jī)顆粒，其模式為固、固、液分離模式；而基于這兩點(diǎn)所研發(fā)的污泥淤砂分離器的結(jié)構(gòu)與水力旋流器明顯不同.因此，污泥淤砂分離器工作壓力對其處理能力的影響明顯不同于傳統(tǒng)水力旋流器.

圖2 工作壓力對流量的影響Fig.2 Effect of working pressure on separator’s treatment capacity

分流比g＝Qu／Qi.從圖3可知，隨著工作壓力的增加，分流比先降低后逐漸趨于穩(wěn)定，并呈顯著的指數(shù)衰減關(guān)系（R2為0.993 1）.工作壓力從0.025 MPa增至0.200MPa的過程中，分流比從0.194降低到了0.169.

圖3 工作壓力對分流比的影響Fig.3 Effect of working pressure on split ratio

2.2 工作壓力對分離效果的影響

2.2.1 揮發(fā)性懸浮固體與懸浮固體質(zhì)量濃度的比值

污泥的ρMLVSS，ρMLSS是衡量污泥中有機(jī)組分和無機(jī)組分（包括特細(xì)砂）相對含量的指標(biāo)，是展現(xiàn)污泥淤砂分離器分離效果的最直觀的參數(shù).經(jīng)過污泥淤砂分離器分離后所產(chǎn)生的溢流污泥和底流污泥的ρMLVSS／ρMLSS值隨工作壓力的變化趨勢如圖4.從圖4可以看出，隨著工作壓力的增加，溢流污泥的ρMLVSS／ρMLSS值逐漸增加、底流污泥的ρMLVSS／ρMLSS值逐漸降低，兩者的ρMLVSS／ρMLSS差異越來越大，即富集率F（F＝Vo／Vu，其中Vo為溢流污泥ρMLVSS／ρMLSS，Vu為底流污泥ρMLVSS／ρMLSS）越大.富集率和工作壓力的關(guān)系見圖5.用Boltzmann函數(shù)模型對Vo，Vu隨工作壓力P變化的曲線進(jìn)行擬合，其R2分別達(dá)到了0.989 1和0.978 9.在Vi（進(jìn)料污泥ρMLVSS／ρMLSS）為0.31的前提下，工作壓力從0.025 MPa增至0.200 MPa的過程中，分離后的Vo從0.36增加到0.42，Vu從0.22降低到0.13.壓力在0.05～0.18MPa時，Vo與Vu變化較為明顯.

F反映了污泥有機(jī)質(zhì)ρMLVSS在溢流污泥中的富集程度.從圖5可知，隨著工作壓力的不斷增大，富集率呈先增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢；用Boltzmann函數(shù)模型進(jìn)行擬合，其R2達(dá)到了0.987 8.工作壓力從0.025 MPa 增 至0.200 MPa 的 過 程 中，富 集 率 從1.65變化到3.33，其中富集率的最大、最小值分別為3.39和1.65且分別在0.175MPa和0.025MPa時獲得.以上結(jié)果足以表明，污泥淤砂分離器實(shí)現(xiàn)了對底流淤砂和溢流污泥有機(jī)質(zhì)的富集和分離.

2.2.2 分離效率

污泥淤砂分離器的分離效率η特指進(jìn)入污泥淤砂分離器底流部分的污泥無機(jī)組分（包括特細(xì)砂）占進(jìn)料中污泥無機(jī)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是直接反映污泥淤砂分離器分離效能的最重要的參數(shù).η＝g×Cu／Ce，其中Cu為底流污泥無機(jī)組分質(zhì)量濃度，Ce為進(jìn)料污泥無機(jī)組分質(zhì)量濃度.圖6顯示工作壓力對分離效率的影響.從圖中可以看出，隨著工作壓力的不斷增大，η先增加后逐漸穩(wěn)定.運(yùn)用Boltzmann函數(shù)模型進(jìn)行擬合，其R2達(dá)到了0.975 7.當(dāng)壓力較低時，淤砂由于受到的驅(qū)動力較小不足以克服其阻力到達(dá)分離器器壁，從而不能實(shí)現(xiàn)淤砂的分離，因此分離效率較低；而隨著壓力的不斷增大，淤砂在分離器中的驅(qū)動力不斷增強(qiáng)，大部分淤砂能夠克服阻力而被分離出來，因此分離效率顯著增加；當(dāng)壓力達(dá)到一定水平后，細(xì)顆粒淤砂已經(jīng)能克服水的阻力而被分離出來，繼續(xù)增大壓力反而造成一定的湍流使得流態(tài)趨于不穩(wěn)定并且會使?jié)饪s作用加強(qiáng)、粘度增加，使得懸浮液中的顆粒受到的阻力增加，因此不能進(jìn)一步提升分離效果.工作壓力從0.025 MPa增加到0.200 MPa的過程中，分離效率從40.6%增加到了47.3%；且當(dāng)壓力為0.175MPa時，其分離效率取得最大值48.0%，在此時富集率也達(dá)到最大值3.39且分流比僅為0.170（分流比最小值為0.169），加上本文首要的目的是實(shí)現(xiàn)污泥有機(jī)質(zhì)與淤砂的富集分離，因此工作壓力為0.175MPa是最佳條件.在該條件下，污泥淤砂分離器可以使原污泥中攜帶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的淤砂進(jìn)入分流體積（底流體積）約占進(jìn)料體積17%的底流液中.如果將底流污泥作為外排污泥，則可以增加淤砂的排放，有助于緩解污水廠的淤砂問題.且底流污泥具有無機(jī)物含量高、有機(jī)物含量低的特點(diǎn)，將其作為外排污泥進(jìn)行處理處置，勢必會簡化脫水、穩(wěn)定等污泥處理處置的工藝過程，從而克服常規(guī)剩余污泥處理處置工藝復(fù)雜、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用高的缺點(diǎn).表1對本文與國外其他類似污泥淤砂分離研究所獲得的分離效率進(jìn)行了對比，可見污泥淤砂分離器對活性污泥中的砂顯示了良好的分離效率.

圖6 工作壓力對分離效率的影響Fig.6 Effect of f working pressure on separation efficiency

表1 不同研究中的分離器平均分離效率和最高分離效率對比Tab.1 Comparison of separation efficiency in different researches

3 結(jié)論

（1）工作壓力從0.025 MPa變化到0.200 MPa的過程中，分離效率、富集率、溢流ρMLVSS／ρMLSS和分離器處理能力分別從40.6%，1.65，0.36 和0.96 L·s－1變化到了47.3%，3.33，0.42 和1.66L·s－1；分流比和底流ρMLVSS／ρMLSS分別從0.19和0.22變化到了0.17和0.13.因此，工作壓力的變化對污泥淤砂分離器的性能參數(shù)有著顯著的影響.

（2）工作壓力與污泥淤砂分離器處理能力呈顯著的線性關(guān)系，R2達(dá)到0.988 9；工作壓力對污泥淤砂分離器的影響模式有別于水力旋流器.運(yùn)用Boltzmann函數(shù)模型分別對工作壓力與分離效率、富集率、底流ρMLVSS／ρMLSS、溢流ρMLVSS／ρMLSS之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，其R2均達(dá)到0.975 7以上.

（3）基于污泥淤砂分離器的分離效率隨工作壓力的變化關(guān)系，為了使污泥淤砂分離器在獲得較好的分離效能同時達(dá)到降低能耗的目的，建議工作壓力控制為0.150～0.200 MPa.此時分離器的分離效率和分離器單位時間的處理能力較高，分別為46.1%～47.9%和1.49～1.66L·s－1.工作壓力為0.175 MPa是本文試驗(yàn)的最佳條件.在該條件下，污泥淤砂分離器可以使原污泥中攜帶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48%的無機(jī)物組分進(jìn)入分流體積（底流體積）約占進(jìn)料體積17%的底流液中.如果將底流污泥作為外排污泥，則可以增加淤砂的排放，有助于緩解污水廠的淤砂問題，底流污泥具有無機(jī)物含量高、有機(jī)物含量低的特點(diǎn)，將其作為排放污泥進(jìn)行處理處置，勢必會簡化脫水、穩(wěn)定等污泥處理處置的工藝過程，從而克服常規(guī)剩余污泥處理處置工藝復(fù)雜、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用高的缺點(diǎn).

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