響應(yīng)面法修正沉砂池除砂和有機(jī)物去除效率

周 歡，常 影，李宏君，喬小雨，王洪寧，3，李 森，栗 野，霍明昕，朱遂一，王 藝

(1.東北師范大學(xué)吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障工程技術(shù)中心，吉林 長春 130117；2.中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司，吉林 長春 130024；3.吉林省拓達(dá)環(huán)保設(shè)備工程有限公司，吉林 長春 130024)

響應(yīng)面法修正沉砂池除砂和有機(jī)物去除效率

周 歡1，2，常 影1，李宏君1，喬小雨1，王洪寧1，3，李 森2，3，栗 野2，霍明昕1，朱遂一1，王 藝1

(1.東北師范大學(xué)吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障工程技術(shù)中心，吉林 長春 130117；2.中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司，吉林 長春 130024；3.吉林省拓達(dá)環(huán)保設(shè)備工程有限公司，吉林 長春 130024)

沉砂池的沉淀泥沙表面覆蓋一層含有Fe，Al和有機(jī)物的絮體.利用Design-Expert軟件的CCD模塊，選取了轉(zhuǎn)速、停留時間、槳片數(shù)量和安裝角度4個因子，分別對除砂率和有機(jī)物去除率進(jìn)行了二次回歸分析.結(jié)果表明：槳片數(shù)量和安裝角度對有機(jī)物去除效率的影響較小，而6個槳片和30°安裝角可獲得最優(yōu)除砂率.圖像區(qū)域分析證實控制旋轉(zhuǎn)速度為35～45 r/min，并降低停留時間有助于獲得高除砂效率并使有機(jī)物去除效率低于19%.參數(shù)優(yōu)化后可進(jìn)一步提升沉砂池對細(xì)小沙礫的捕獲效果.

沉砂池；響應(yīng)面法；除砂；參數(shù)優(yōu)化；粒徑

旋流沉砂池內(nèi)具有復(fù)雜的高濃度固液兩相流態(tài)[1-2]，利用顆粒在高速流態(tài)下的離心力和重力協(xié)同作用實現(xiàn)固液分離[3]，具有操作簡單、分離效率高、占地少、維護(hù)管理方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于我國新建污水處理廠的污水預(yù)處理.沉砂池可以完全去除一些粒徑較大(>0.2 mm)的顆粒[4-5]，但一些細(xì)小泥沙可越過沉砂池[6]，并在水流平緩區(qū)慢慢沉積，如氧化溝工藝的彎道處[7].

沉淀的泥渣多來源于降水強(qiáng)化地表徑流而隨之帶入的無機(jī)顆粒[8-9]和隨生活污水排放帶入的一些廚余固體廢棄物.這些物質(zhì)大多具有不規(guī)則表面，附帶的共價電荷容易在污水管網(wǎng)的長時間運移過程中發(fā)生吸附或離子交換反應(yīng)，使表面附著大量絮凝體或有機(jī)物.其進(jìn)入到后續(xù)生化段，并不會顯著改變反應(yīng)池內(nèi)厭氧或好氧活性污泥的代謝功能[10-11].但大比重的泥沙進(jìn)入生化系統(tǒng)，產(chǎn)生的沉積效應(yīng)會嚴(yán)重磨損攪拌葉片和堵塞回流管道[12]，因此需要強(qiáng)化沉砂池內(nèi)顆粒物的去除效率.在低濃度城市污水處理過程中，由于碳源不足導(dǎo)致脫氮除磷效率下降[13]，也進(jìn)一步要求控制沉砂池內(nèi)有機(jī)物的去除率.

當(dāng)前，沉砂池中新型攪拌機(jī)械的采用，使沉砂池內(nèi)產(chǎn)生渦旋功能的槳片長度和高度可調(diào)，提升了實際工程中沉砂池的操控水平.但實際工程運行條件多變，沉砂池的操控參數(shù)也需進(jìn)一步優(yōu)化.響應(yīng)面法(response surface methodology，RSM)是一種針對多個變量影響問題進(jìn)行建模和分析的數(shù)學(xué)方法，廣泛應(yīng)用于流程優(yōu)化結(jié)構(gòu)調(diào)整和參數(shù)設(shè)定等方面，在機(jī)械加工、食品和化工等行業(yè)應(yīng)用十分普遍.到目前為止，利用響應(yīng)面法優(yōu)化沉砂池運行效率的研究較少.因此，本次實驗選擇轉(zhuǎn)速、停留時間、槳片數(shù)量和安裝角度4個因素，進(jìn)行了響應(yīng)面實驗，以優(yōu)化沉砂池的除砂效率和控制沉砂池的有機(jī)物去除率.

1 材料與方法

1.1 含砂廢水和來源

含砂廢水采用長春市某污水處理廠旋流沉砂池進(jìn)水口和出水口的廢水，水質(zhì)情況見表1.

表1 沉砂池進(jìn)水與出水口水質(zhì)分析 mg/L

由表1可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水中大部分懸浮物能夠被旋流沉砂池去除，并且對水中有機(jī)物的去除率接近22%.

1.2 旋流沉砂池的水工模型

①90°彎頭；②吸砂管；③攪拌機(jī)；④蝶閥圖1 沉砂池結(jié)構(gòu)示意圖

污水處理廠旋流沉砂池的水力停留時間(HRT)為45 s.為了便于實驗研究，按照水力相似性原理，修正幾何參數(shù)、顆粒運動和水流參數(shù)，并制作水工模型.在實際工程中發(fā)現(xiàn)，旋流沉砂池中存在軸向環(huán)流，環(huán)流的渦軸中心處于低壓狀態(tài)，使過渡區(qū)和攪拌區(qū)的沙礫被吸向中心并進(jìn)入集砂斗.但處于外環(huán)區(qū)的沙礫，受到的環(huán)流壓力較小容易沉積，由此降低了沉砂池的除砂效率.在水工模型的基礎(chǔ)上，參照沙礫積累的傾角改進(jìn)模型，由外環(huán)區(qū)到過渡區(qū)設(shè)置傾角15°，以此強(qiáng)化沙礫的移動、提高除砂效率.水工裝置結(jié)構(gòu)見圖1.

1.3 除砂實驗

根據(jù)水工裝置安裝參數(shù)，選取旋轉(zhuǎn)速度、沉淀時間、槳片數(shù)量和安裝角度4個因素，采用響應(yīng)面法試驗優(yōu)化裝置的除砂效率，并盡可能降低有機(jī)物的去除效率，保障后續(xù)生化段脫氮除磷的效能.實驗階段的水溫維持在18℃～22℃.細(xì)格柵出水經(jīng)水泵輸送到水工模型的入水口，切向進(jìn)入沉砂池內(nèi)；利用變頻機(jī)控制水泵功率調(diào)節(jié)進(jìn)水量，以此控制沉砂池內(nèi)的HRT.按照響應(yīng)面實驗設(shè)計HRT，分別為10，22，35，48，60 s.開啟攪拌裝置，通過變頻器(CVF-P2，深圳康沃)和測速裝置(ZKZ-3T，西安藍(lán)田恒遠(yuǎn))來調(diào)整攪拌速度，設(shè)置為10，27，45，62和80 r/min.槳片數(shù)量和安裝角度分別為2，4，6，8片和10°，22.5°，30°，47.5°，60°.運行5 min待出水穩(wěn)定后，在水工模型出水口取樣，分析出水懸浮物和有機(jī)物含量.實驗結(jié)果為3個樣品測量的平均值.

1.4 表征

水中沙礫的去除率參照水和廢水檢測分析方法[14]中懸浮物的測定方法，具體如下：將5 L沉砂池進(jìn)水水樣經(jīng)過烘干至恒重的濾紙過濾后，放入電熱干燥箱(SKG-02，恒豐公司)中，在103℃下恒溫干燥過夜，取出干燥后的樣品，冷卻后稱重，記為W0；按照相同方法測量處理后出水水樣中顆粒物的質(zhì)量，記為Wt.

水樣經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾后，利用總有機(jī)碳測定儀(CPH CN200，日本島津)分析水中TOC的含量.將水工模型中收集的沙礫，經(jīng)過超聲波清洗器(KS-3000，寧波新芝)多次清洗后，在真空干燥箱(DZF-6020A，中實儀器)中80℃下減壓干燥12 h，利用場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM，美國FEI)分析原沙礫和清洗后沙礫的表面形貌.用濾紙過濾5 L水樣，將截留物收集并在80℃下真空干燥12 h后，利用顆粒粒徑分析儀(S3500，美國Microtrac)測量收集顆粒的粒徑分布.

2 結(jié)果與討論

2.1 沙礫表面分析

沉砂池沉淀的顆粒中無機(jī)組分高達(dá)95%[12]，以含Si，Mg等元素的無機(jī)顆粒為主.由圖2(a)可見，清潔的顆粒表面粗糙，EDS譜圖(見圖(b))顯示表面含有大量Si，Al和O等元素.分析不規(guī)則表面(見圖2(c)，(d))后發(fā)現(xiàn)，邊緣出現(xiàn)層狀斷裂處聚集著許多粒徑≤2 μm的顆粒.圖2(e)顯示了沉淀的原砂表面的特征，其不規(guī)則的邊緣處被覆蓋，EDS譜(見圖2(f))顯示顆粒表面存在C，Al，K和Fe元素，說明有機(jī)組分和一些Al，F(xiàn)e的絮凝體覆蓋在顆粒表面.另外，一些粒徑≤1 μm的比重較大的顆粒(見圖2(g))也會在渦旋流態(tài)下沉積到沉砂池底部.

(a)清潔沙礫SEM圖，(b)清潔沙礫EDS圖，(c)(d)(e)表面沉積污染物的顆粒在不同放大倍數(shù)下的SEM圖，(f)為(e)對應(yīng)的EDS圖，(g)大顆粒SEM圖

2.3 響應(yīng)面法分析

2.3.1 回歸方程分析

利用Design軟件的SAS模塊分析實驗數(shù)據(jù)，分別獲得以除砂效率和有機(jī)物去除率為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程如下：

y除砂率=35.02+0.71A+0.72B+5.81C+0.55D-0.00077AB-0.0038AC+0.00072AD+

0.0016BC-0.00041BD-0.00093CD-0.011A2-0.0067B2-0.49C2-0.0093D2；

y有機(jī)物=3.83-0.64A+0.19B+0.053C-0.044D-0.042AB-0.017AC+0.0058AD-0.0024BC-

0.0075BD-0.0068CD-0.069A2+0.05B2-0.0068C2-0.0067D2.

式中A，B，C，D依次表示轉(zhuǎn)速、HRT、槳片數(shù)和安裝角度，各項系數(shù)的絕對值大小對應(yīng)各因素對指標(biāo)的影響程度.結(jié)果表明轉(zhuǎn)速對沉砂池的除砂效率和有機(jī)物去除率影響最大.利用Diagnostics模塊對各操作條件下的實驗結(jié)果進(jìn)行擬合，并與實測值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3.

(a)除砂率 (b)有機(jī)物去除率

由圖3可見，在所選擇因素的工藝范圍內(nèi)，上述回歸方程對沉砂池的除砂和有機(jī)物去除效率的擬合度較高，其中除砂效率的擬合度高于有機(jī)物.預(yù)測值與實際值的比值線性擬合度高，良好地反映了沉砂池工況與所選4個因素之間的關(guān)系，表明回歸方程可以用于預(yù)測沉砂池的工作效率.

(a)停留時間與旋轉(zhuǎn)速度，(b)槳片數(shù)量與安裝角度，(c)槳片數(shù)量與旋轉(zhuǎn)速度，(d)安裝角度與停留時間

2.3.2 除砂效率分析

在沉砂池中，顆粒的運動受渦旋流態(tài)誘導(dǎo)產(chǎn)生的流速和壓力的雙重影響，其流速分布具有如下規(guī)律：處于渦核中心的流體的流速由內(nèi)向外逐漸增大，渦旋流態(tài)誘導(dǎo)過渡區(qū)外部的流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，但流速由內(nèi)向外逐漸減小.在垂直向產(chǎn)生的壓力，卻遵從由內(nèi)向外逐漸增大的趨勢.因此，長停留時間有助于顆粒沉積到底部，而通過高速攪拌強(qiáng)化渦流卻有助于推動顆粒向池中心運移.但高速攪拌下，產(chǎn)生的強(qiáng)紊流會擾動沉積到池底的顆粒，使其重新進(jìn)入流體中，因此從圖4(a)可以看出，長的停留時間和合理的旋轉(zhuǎn)速度有助于提升廢水中顆粒物的去除效率，而提升旋轉(zhuǎn)速度引起的紊流會顯著降低除砂效率.由于旋轉(zhuǎn)速度由攪拌槳產(chǎn)生，因此槳片數(shù)量和安裝角度對沉砂池內(nèi)渦旋流態(tài)運動十分關(guān)鍵.在渦旋流中，槳片附近區(qū)域和槳片之間的空間會產(chǎn)生湍動能[15]，推動流體向上運動，槳片傾斜角度會影響流體的軸向和徑向運動[16].圖4(b)顯示合適的槳片數(shù)量和安裝角度分別為6片和30°，在這個區(qū)間沉砂池除砂效率可達(dá)86%以上.而圖4(c)和(d)也顯示了槳片和安裝角度分別與轉(zhuǎn)速和停留時間的相互影響規(guī)律，進(jìn)一步驗證了長停留時間有助于除砂，而槳片數(shù)量和安裝角度也通過影響渦流態(tài)的形成來決定沉砂池除砂效率的高低.

2.3.3 有機(jī)物去除效率分析

沉砂池對水中有機(jī)物的去除通常包括兩個部分：(1)不會重新溶解于水中的有機(jī)組分，直接吸附在沙礫表面被去除；(2)渦旋流態(tài)下顆粒與膠體或細(xì)小絮凝體接觸，被吸附到顆粒表面并被去除.由于顆粒表面不規(guī)則形貌中存在的層狀斷裂處(見圖5(d))，容易共價或吸附一些帶正電的離子或膠體，一些表面帶負(fù)電荷的微生物或有機(jī)組分容易與膠體結(jié)合，并吸附到外層.這個過程一方面需要顆粒與膠體或細(xì)菌等接觸，另一方面也需要足夠的反應(yīng)時間.由于高強(qiáng)度紊流產(chǎn)生的水力剪切或顆粒碰撞，導(dǎo)致顆粒表面吸附或截留的有機(jī)組分脫落，并進(jìn)入水中，會降低沉砂池的除砂效率.因此，長停留時間和低攪拌速度(見圖5(a))能夠提高有機(jī)物的去除.增強(qiáng)湍動能和流體軸向運動，也就是增加槳片數(shù)量且安裝平滑(見圖5(b))，有助于提升有機(jī)物的去除效率.然而，相對于攪拌速度和HRT對有機(jī)物去除效率的影響，槳片數(shù)量所起的作用有限，這也表明了在有機(jī)物去除方面，主要控制因素是攪拌速度和停留時間.

(a)停留時間與旋轉(zhuǎn)速度，(b)槳片數(shù)量與安裝角度，(c)槳片數(shù)量與旋轉(zhuǎn)角度，(d)槳片數(shù)量與停留時間

調(diào)控沉砂池工藝參數(shù)，在提高沉砂池除砂效率的同時，進(jìn)一步降低有機(jī)物的去除率.在確定有機(jī)物去除效率的影響，主要受旋轉(zhuǎn)速度和HRT控制的前提下，對圖4(a)和圖5(a)進(jìn)行圖形疊加，結(jié)果見圖6.

由圖6可知，維持90%的除砂效率條件下，需要盡可能提升旋轉(zhuǎn)速度并降低HRT，因此在選擇操作參數(shù)上，HRT控制在30～40 s和旋轉(zhuǎn)速度控制在35～45 r/min之間，可以維持高除砂效率，并能夠控制有機(jī)物去除率低于19%.

圖6 旋轉(zhuǎn)速度和水力停留時間對除砂率和有機(jī)物去除率的影響

圖7 沉砂池沙礫的粒徑分布

2.3 沙礫去除效率對比分析

以水廠運行參數(shù)為對比，分析優(yōu)化參數(shù)前后旋流沉砂池的可沉顆粒物的尺寸分布，結(jié)果見圖7.由圖7可以發(fā)現(xiàn)，本次實驗中可沉顆粒的粒徑分布在100～1 184 μm之間，沉砂池優(yōu)化參數(shù)后強(qiáng)化了對旋流沉砂池內(nèi)的細(xì)小顆粒的捕獲效果.結(jié)合砂和有機(jī)物去除效率分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化后，除砂效率達(dá)到88.9%，優(yōu)于水廠參數(shù)的80.4%，但有機(jī)物去除效率增大了3.3%.

3 結(jié)論

沉砂池內(nèi)可沉積粒徑≤1 μm的顆粒，顆粒表面覆蓋一層含F(xiàn)e，Al和有機(jī)物的絮體.響應(yīng)面分析具有較高的擬合度，結(jié)果證實轉(zhuǎn)速、槳片數(shù)量和安裝角度3個因子對除砂效率影響較大，最佳參數(shù)分別為35 r/min，6片和30°安裝角.槳片數(shù)量和安裝角度對有機(jī)物去除率的影響較小，提高轉(zhuǎn)速并減少HRT能夠降低有機(jī)物去除率.圖形疊加法清晰顯示，提高除砂率和降低有機(jī)物去除率的控制范圍在轉(zhuǎn)速為35～45 r/min和HRT為30～40 s的區(qū)域內(nèi).參數(shù)優(yōu)化后，沉砂池的除砂效率進(jìn)一步提升，但同時也輕微增大了有機(jī)物的去除效率.

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(責(zé)任編輯：方 林)

Optimal removal efficiency of grit and organic matter by grit chamber coupled with response surface methodology

ZHOU Huan1，2，CHANG Ying1，LI Hong-jun1，QIAO Xiao-yu1，

WANG Hong-ning1，3，LI Sen2，3，LI Ye2，HUO Ming-xin1，ZHU Sui-yi1，WANG Yi1

(1.Jilin Engineering Research Centre for Municipal Wastewater Treatment and Water Quality Protection，Northeast Normal University，Changchun 130117，China；2.China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.，Changchun 130024，China；3.Jilin Tuo-Da Environment Equipment and Engineering Company，Changchun 130024，China)

Grit particles，collected at the sand hopper of a grit chamber，were covered by some flocculating constituent containing Fe，Al and organic matter.Four factors，such as rotate speed，hydraulic retention time，blade number and its setting angle，were optimized to improve the grit and organic matter removal efficiencies by using the response surface methodology.The result shows that high grit removal efficieney was presented when the grit chamber has 6 pieces of blade and the blade setting angle was fixed at 30°.But the blade number and its setting angle had minor influence on the organic matter removal efficieney.The combined image shows that optimized grit and organic matter removal efficiencies were obtained by keeping the rotate speed in the range of 35 to 45 r/min and reducing the hydraulic retention time to 30 s.The grit chamber running at the optimal parameters significantly improved the fine sand removal comparing with the reference in the municipzed wastewater treatment plant.

grit chamber；response surface methodology；grit removal；parameters optimization；grain diameter

1000-1832(2016)04-0125-07

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.04.027

2015-09-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2014ZX07201-011-004-2)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51408110，51378098，51238001)；吉林省科技發(fā)展計劃項目(20150101072JC).

周歡(1991—)，女，碩士研究生；通訊作者：王藝(1978—)，女，博士，講師，主要從事污水處理與資源化研究.

X 505 [學(xué)科代碼] 610·30

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