氣提原理在虹吸式刮吸泥機的研究與應用

文_李維 丁云松 楊曉東

1 重慶市忠縣排水有限公司 2 重慶市渝東水務有限公司

傳統(tǒng)刮吸泥機在實際運行的過程中，不僅經(jīng)常會出現(xiàn)吸泥扁口堵塞的情況，需要定期安排人工進行沖洗。而且在生物池濃度較高的情況下，刮吸泥機的回流污泥效率將會受到較大影響，外回流比降低幅度較大。此外，當刮吸泥機遭受泥漿水、施工廢水沖擊時，就會導致二沉池池底的污泥含量急劇提升，嚴重影響污泥刮吸。

1 氣提原理

整個氣提過程屬于物理變化范疇，其主要應用的是亨利定律，通過提高一相分壓來降低另一相分壓，以此破壞原有的氣液平衡狀態(tài)，達到新的平衡。在實際操作過程中，通過將空氣注入升液管當中，以此改變介質(zhì)密度，使得升液管內(nèi)外介質(zhì)存在一定密度差，進而實現(xiàn)介質(zhì)提升。

在實際應用氣提原理的過程中，會先將氣體通入到提升管的底部，在浮力的作用下，氣泡會逐漸上升，最終充滿整個提升管，此時提升管內(nèi)部就形成了水、氣混合液，而提升管的外部則是污水，為達到氣提的目的，管內(nèi)外是連通的。式（1）為提升管內(nèi)外液體平衡公式。

式中ρ1-污水的密度（kg/m3）；ρ2-提升管內(nèi)水氣溶液的密度（kg/m3）；H-淹沒深度；L-提升高度+淹沒深度，H/L-淹沒率。

從等式關系可以發(fā)現(xiàn)，在實際進行氣提的過程中，只要滿足ρ1H>ρ2L這一要求，就能夠使得管內(nèi)水氣溶液逐漸上升實現(xiàn)提升，對式（1）進行變換移項得到式（2）。

由式（2）分析可知，在實際進行氣提的過程中，想要使得管內(nèi)水溶液上升到一定高度L-H，就必須確保淹沒深度達到H，同時還需要系統(tǒng)提供一定的壓縮空氣，保障提升管內(nèi)的密度能夠達到ρ2。

氣提原理在虹吸式刮吸泥機中的應用，主要是通過配置適用于虹吸式刮吸泥機的氣提裝置得以實現(xiàn)。

2 案例概況

本次研究以明鏡灘污水處理廠一期工程二沉池為例，在氣提原理的基礎上，應用氣提裝置，對虹吸式刮吸泥機進行改造，以此達到提升虹吸式刮吸泥機能力，降低污水處理廠經(jīng)濟成本的目的。

明鏡灘污水處理廠一期工程設計處理規(guī)模3萬m3/d，采用A/A/O工藝。分為兩組系列，單組二沉池直徑32m、池邊水深3m，采用周邊傳動虹吸式刮吸泥機，安裝吸泥管14根，管徑DN100，吸泥管頂部安裝錐形閥調(diào)節(jié)提升污泥量，集液槽內(nèi)外液位差32～35cm。二沉池采用集電環(huán)供電，預留用電功率約5kW。刮吸泥機橋架最大承重500kg。

3 氣提原理在虹吸式刮吸泥機的研究

3.1 風機類型

虹吸式刮吸泥機常用的風機類型有兩種，其一為空壓機，即空氣壓縮機，結構與水泵相似，種類十分繁多；其二為羅茨鼓風機，是一種容積回轉式鼓風機，結構相對簡單，適用于各種低壓力場合氣體的輸送和加壓。在相同風量情況下，空壓機作為一種壓力容器，功率相對較高，而且在啟動過程中電流相對較大，在間歇運行時，會出現(xiàn)頻繁啟停情況，空壓機會對集電環(huán)造成較大的沖擊和影響。綜合上述分析，在進行案例污水處理廠刮吸泥機改造升級的過程中，最終決定選用羅茨鼓風機。

3.2 安裝操作

在實際進行機型鼓風機安裝的過程中，為保障整體結構穩(wěn)定，選用了型號為DN32的鍍鋅鋼管鋪設在橋架兩側，將鼓風機安裝在橋架的中心，并將吸泥管與鼓風支管進行連接，同時為每根鼓風支管安裝相應控制閥門，以此控制風量。結合水處理廠的實際情況，需要將風管浸沒深度控制在2.5～3m之間。鼓風機安裝示意圖，見圖1。

圖1 鼓風機安裝示意圖

3.3 污泥濃度測試

在安裝好鼓風機之后，對改造后虹吸式刮吸泥機進行試運行，并對改造前后的污泥濃度進行檢測，檢測結果如表1所示。將表1檢測結果繪制成折線圖，見圖2。由圖2可知，在安裝氣提裝置之后，二沉池邊緣的污泥沉積量有了極大地改善，而且提升的混合液濃度也相對較高，說明在安裝氣提裝置之后，虹吸式刮吸泥機的污泥處理效果有了極大地提升，并且二沉池底部的積淤情況也得到了緩解，有效解決了傳統(tǒng)虹吸式刮吸泥機管道淤堵的問題。

圖2 安裝前后提升污泥濃度對比折線圖

表1 安裝前后提升污泥濃度對比數(shù)據(jù)

3.4 風量測試

風量測試的主要目的是確定在實際應用氣提虹吸刮吸泥機過程中的最佳風量，確保氣提以及吸泥排污能夠達到最佳效果。在案例污水處理廠中，通過對10d不同風量情況進行測試，并對提升量和回流污泥濃度進行檢測試驗，試驗結果如表2所示。其中提升量為回流量與剩余污泥量之和。由表2測試結果可知，在風量相對較小的情況下，提升量的波動情況相對較小，基本維持在26700m3/d左右，而當鼓風機中的風量達到1.0m3/min時，提升量得到了顯著地提升，并且隨著風量的不斷加大，提升量也在不斷增加，二者呈現(xiàn)出正比關系，但是當風量達到2.0m3/min時，隨著風量的進一步提升，提升量則呈現(xiàn)出了下降趨勢，而且回流污泥濃度也隨著風量的增加而逐漸減小。結合試驗結果，在現(xiàn)場進行風量測試發(fā)現(xiàn)，隨著風量的不斷加大，集液槽內(nèi)外液之間的位差逐漸縮小，當風量達到2.0m3/min時，內(nèi)外液差達到相對對平衡的狀態(tài)，但是隨著風量的進一步增加，提升液體波動不斷變大，甚至濺出集液槽外。因此，經(jīng)過試驗和現(xiàn)場測試之后，最終確定鼓風機的風量為1.8m3/min，此時單組提升量增加9.7%左右。

表2 風量測試及其效果

4 總結與評價

4.1 排污效果方面

基于氣提原理，在經(jīng)過對虹吸式刮吸泥機進行改造和更新之后，確定了鼓風量為1.8m3/min，此時升級后的刮吸泥機排污效果如下：

①通過對風量以及鼓風位置的控制和調(diào)節(jié)，能夠有效提升二沉池污泥的處理能力，進一步縮短污泥在二沉池當中的停留時間，減少污泥沉積，以此實現(xiàn)對于泥位的進一步控制，降低漂泥情況出現(xiàn)的概率，有效保障了出水質(zhì)量。

②經(jīng)過氣提改造和升級之后，刮吸泥機的回流污泥濃度從原有的10000mg/L左右，提高至15000mg/L左右，以此降低回流比，進而加強對于污泥回流能耗的控制，達到節(jié)能降耗的目的。

③氣提式刮吸泥機有效解決了傳統(tǒng)刮吸泥機吸泥管底部扁嘴堵塞的問題，減少了每月清洗吸泥扁嘴的次數(shù)，該污水處理廠清洗扁嘴的次數(shù)由原來的每月6次，降至每月1到2次左右。

④氣提裝置的應用，進一步提升了刮吸泥機應對各種異常情況的能力，即便是在生物池高濃度、泥漿水沖擊等情況之下，也能夠盡可能的保障整個裝置穩(wěn)定運行。

4.2 經(jīng)濟效益方面

氣提原理在虹吸式刮吸泥機當中的應用，不僅進一步提高了污水處理廠的排污能力，同時也為污水處理廠節(jié)約了大量的成本。首先，由于氣提裝置的應用，有效改善了刮吸泥機吸泥管底部扁嘴堵塞情況，清洗虹吸管的頻率下降，當前該污水處理廠每月僅需清洗兩次虹吸管即可，每個月節(jié)約了1600元的清洗費用，一年下來能夠節(jié)約2萬元左右的清洗費用。其次，經(jīng)上述計算分析可知，新裝置的應用極大地提高了回流液的濃度，在實際系統(tǒng)運行的過程中，在保障外回流效果不變的同時，可通過調(diào)整回流比的方式減少運行的回流泵數(shù)量。基于案例污水處理廠的實際情況，可在實際運行時減少一臺功率為22kW的回流泵，幫助該廠節(jié)約電量約15萬kWh/a，節(jié)約費用約9萬元。最后，由于增加了鼓風機，使得該廠年耗電量增加3.1萬kWh，增加電費1.86萬元。

5 結語

在原有虹吸式刮吸泥機的基礎上，科學應用“氣提原理”對設備進行改造，通過對污泥流量、濃度以及風量的測試，改造后的刮吸泥機不僅能夠減少二沉池中的泥位高度，有效保障了出水水質(zhì)，同時還提高了回流污泥的濃度，降低外回流比，不僅節(jié)能降耗效果十分明顯，還減少了刮泥機吸管堵塞情況。因此，氣提原理在虹吸式刮吸泥機中的應用有著一定理論和實踐意義。