高效沉淀池混合絮凝反應(yīng)運(yùn)行優(yōu)化的研究

關(guān)鍵詞：高效沉淀池；深度處理；絮凝反應(yīng)；化學(xué)除磷；流體仿真；運(yùn)行優(yōu)化；速度梯度中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）06-0272-06DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.080

Research on Optimization of Mixed Flocculation Reaction Operation in High-Efficiency Sedimentation Tanks

LUO Yu，XIE Lujin，YELin，ZHOU Bangwei，HUANG Zanfa，ZHOU Xiang （Haikou Water Group Co.，Ltd.，Haikou57010o，China）

Abstract：Asacommonlyusedadvanced treatment proces，theoperating principleofhigh-effciencysedimentation tanks isakeyconcern inthe watertreatment industry.At present，researchoneficientsedimentationtanksathomeandabroad mainly focusesonthe selectionanddosage oflocculantsand coagulants，reactionresidence time and otherparameters， however，thereisstillalackofresearchontheinfluenceof mixingandstiring hydraulicparametersonthecoagulationand sedimentationefect.Takingasewage treatmentplantinHaikoucityastheresearchbject，theinfluenceof thevelocity gradientandcirculatingflow state formedbytheflocculationsectionstiringontheoperating efectis investigatedthrough simulationexperimentsand hydraulic models.Research has found thatbychanging the shapeof the flocculationagitator andincreasingtheheightoftheflocculationguidetube，theflowstateinthereactiontankcanbeoptimized，andthevelocity gradientand circulationmultiplesofwatervolume increasehavebeen enhanced.Aftertheimplementationoftherenovation， thetreatmenteficiencyissignificantlyimproved，andthetotalphosphorusconcentrationintheefluentdecreasesby7.69 % ， asa phosphorus removal agent，the consumption of polyaluminum chloride decreases by 8.83% ：

Keywords：high-eficiencysedimentationtank;deeptreatment;flocculationreaction;chemical phosphorus removal;fluid simulation;operational optimization;velocity gradient

隨著污水處理廠尾水排放要求日趨嚴(yán)格，追求極致高效且占地緊湊的污水處理工藝是城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)和改造的重要方向。高效沉淀、磁混凝和加砂等重介質(zhì)沉淀、反硝化深床濾池、膜過(guò)濾、活性炭吸附等都是常用的高效污水深度處理技術(shù)[1]。其中，高效沉淀池因其運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本較低，能高效去除二沉出水中剩余的總磷（TotalPhosphorus，TP）和懸浮物（SuspendedSolids，SS），被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠。高效沉淀池的運(yùn)行原理是先通過(guò)投加鐵鹽或鋁鹽混凝劑，使懸浮于污水中的膠體顆粒表面負(fù)電荷中和，脫穩(wěn)并形成絮體，再通過(guò)回流污泥和投加高分子聚合絮凝劑，進(jìn)一步經(jīng)絮凝反應(yīng)橋聯(lián)、網(wǎng)捕等作用，形成更大更密實(shí)的礬花，從而加快懸浮雜質(zhì)的重力沉降速度，提高固液分離效率[2-3]。影響高效沉淀池運(yùn)行效果的因素眾多，目前，國(guó)內(nèi)外已對(duì)其運(yùn)行所使用的絮凝劑和混凝劑種類和投加量、污泥回流、沉淀區(qū)表面負(fù)荷等設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)做了大量研究[4-6]。然而，混凝攪拌水力參數(shù)及流體動(dòng)力方面對(duì)混凝沉淀效果的影響并無(wú)太多研究，如攪拌速度梯度、導(dǎo)流筒內(nèi)流速及提升循環(huán)倍數(shù)的影響，通過(guò)導(dǎo)流筒循環(huán)作用切換快、慢攪拌模式，使得礬花在此過(guò)程中不斷變得更大更密實(shí)。本文以?？谑心澄鬯幚韽S為研究對(duì)象，通過(guò)改變絮凝反應(yīng)池內(nèi)混合攪拌速度梯度等水力參數(shù)，觀測(cè)出水TP、濁度指標(biāo)，驗(yàn)證其運(yùn)行效果。

1材料與方法

1.1研究對(duì)象

該污水處理廠建成于2022年3月，主要負(fù)責(zé)收集和處理周邊生活污水。其中，設(shè)計(jì)處理規(guī)模為1.5萬(wàn) m³/d ，處理工藝為格柵 + 沉砂 + 改良厭氧-缺氧-好氧（Anaerobic-Anoxic-Oxic， A²O ） + 二沉池，深度處理采用高效沉淀池 + 濾布濾池 + 紫外消毒工藝，共有2條生產(chǎn)線。進(jìn)出水指標(biāo)限值如表1所示，主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有化學(xué)需氧量（Chemical OxygenDemand，COD）、生化需氧量（Biochemical OxygenDemand，BOD）、SS、氨氮（ NH₃–N ）、總氮（TotalNitrogen，TN）和TP，尾水處理達(dá)標(biāo)后排入臨近地表水體。系統(tǒng)采用聚合氯化鋁（PolyaluminumChloride，PAC）作為絮凝劑，其 Al₂O₃ 含量為 30% ，生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中存在PAC藥耗偏高、出水TP無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。

該污水處理廠高效沉淀池設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。經(jīng)對(duì)比，混合及絮凝攪拌區(qū)速度梯度 G 均低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7-8的要求，因混合反應(yīng)時(shí)間 T 較長(zhǎng)，整體GT值水平仍然較高，而絮凝段反應(yīng)的GT值仍處于中等偏下水平。其中，采用式（1）計(jì)算攪拌速度梯度9，采用式（2）計(jì)算槳式攪拌器的混合攪拌功率。

式中： G 為攪拌速度梯度， s^-1 為混合功率，kW ; 為攪拌池流量， m³/s ; T 為混合反應(yīng)時(shí)間，s；μ 為水的黏度， ; c 為阻力系數(shù)，取0.5； ρ 為水的密度，取 1000kg/m³ ; ω 為攪拌器旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s ； Z 為攪拌器槳葉數(shù)，個(gè)； e 為攪拌器層數(shù)，層；b 為攪拌器槳葉寬度， m ： R 為攪拌器半徑， m ; g 為重力加速度，取 9.81m/s ： θ 為槳板折角，°。

1.2混合絮凝攪拌試驗(yàn)

通過(guò)設(shè)置混合絮凝攪拌試驗(yàn)，確定最佳反應(yīng)攪拌速度梯度范圍和水量提升循環(huán)倍數(shù)。試驗(yàn)采用六聯(lián)攪拌器（武漢市梅宇儀器有限公司，型號(hào)MY3000-6）。試驗(yàn)條件模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，混凝反應(yīng)時(shí)間為 5min PAC加藥濃度為 50mg/L ，絮凝反應(yīng)時(shí)間為 11min ，陰離子型聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）加藥濃度為 1.5mg/L 。

試驗(yàn)一水樣采自二沉池出水，設(shè)置6個(gè)攪拌速度梯度（150、200、250、300、350、 400s^-1 ），加PAC混合攪拌反應(yīng) 5min ，靜置沉淀 15min ，觀察礬花形成和沉淀情況，測(cè)反應(yīng)前后TP濃度。試驗(yàn)二水樣采自混合池出水，設(shè)置6個(gè)攪拌速度梯度（70、85、100、

115、130、 150s^-1 ），加PAM混合攪拌反應(yīng) 11min ，靜置沉淀 15min ，觀察礬花形成和沉淀情況，測(cè)最終濁度。試驗(yàn)三水樣采自混合池出水，設(shè)置快攪（ G= 150s^-1 ）、慢攪（ G=50s^-1 ）交替循環(huán)模式（分別循環(huán)3次和10次）反應(yīng) 11min ，靜置沉淀 15min ，觀察礬花形成和沉淀情況，測(cè)最終濁度。

1.3水力模型仿真分析

使用SolidWorks三維建模軟件內(nèi)嵌的FlowSimulation流體分析模塊進(jìn)行流體仿真，通過(guò)水力模型計(jì)算絮凝導(dǎo)流筒內(nèi)流態(tài)分布。根據(jù)具體仿真建模和分析工作流程，首先，對(duì)絮凝反應(yīng)池體的構(gòu)筑物尺寸、進(jìn)出水量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和輸入，其次使用SolidWorks軟件對(duì)池體、攪拌槳建模，最后通過(guò)FlowSimulation流體分析模塊進(jìn)行流體仿真。經(jīng)運(yùn)行仿真求解，得到流速切面圖、流動(dòng)軌線等目標(biāo)圖，如圖1所示。同時(shí)，使用流速儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度分析和校驗(yàn)。

1.4分析方法

TP采用鉬酸鹽分光光度法進(jìn)行分析，濁度使用便攜式濁度儀進(jìn)行檢測(cè)，流速使用便攜旋槳式流速儀進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1混合絮凝攪拌試驗(yàn)結(jié)果

混合和絮凝在不同攪拌速度梯度下的TP去除率和出水濁度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。在原水、加藥量、反應(yīng)時(shí)間等條件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際保持一致的情況下，混合攪拌速度梯度在 150～200s^-1 能夠達(dá)到最佳的TP去除效果，而絮凝攪拌速度梯度在 100～150s^-1 形成的礬花大而密實(shí)，沉降快，能達(dá)到較澄清的出水效果?？鞌嚕?G=150s^-1 ）、慢攪（ G=50s^-1 ）兩種交替循環(huán)反應(yīng)模式下的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在同樣反應(yīng)條件下，高循環(huán)倍數(shù)（10次）的試驗(yàn)組出水濁度相對(duì)低循環(huán)倍數(shù)（3次）更低。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證高效沉淀池混合反應(yīng)攪拌速度梯度基本符合要求，然而絮凝攪拌速度梯度偏低，未達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2.2水力模型仿真結(jié)果

經(jīng)水力模型仿真分析求解，得到項(xiàng)目絮凝反應(yīng)區(qū)實(shí)際運(yùn)行流態(tài)軌線剖面圖、流速分布切面圖，如圖2所示。筒內(nèi)槳葉處平均垂直流速為 0.8m/s ，往上速度衰減至筒頂處為 0.08m/s ，筒內(nèi)外水量循環(huán)次數(shù)為3次，這與使用流速儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)是吻合的。分析和測(cè)量結(jié)果未達(dá)到規(guī)范要求（筒內(nèi)平均流速為0.4～1.2m/s ），提升量與原水量（水量提升循環(huán)倍數(shù)）的比值為 8～12 次。循環(huán)次數(shù)不僅直接影響顆粒碰撞而形成絮體的概率，在快速和慢速流態(tài)的切換中，對(duì)礬花增長(zhǎng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免礬花形成過(guò)快，在來(lái)不及吸附卷掃水中的小顆粒物時(shí)已沉淀，也防止礬花生長(zhǎng)過(guò)慢而無(wú)法在澄清區(qū)形成規(guī)模沉淀[]。如果僅通過(guò)調(diào)整槳葉轉(zhuǎn)數(shù)提高垂直流速和循環(huán)倍數(shù)，線速度也會(huì)增大，絮體容易受剪切力影響，變得細(xì)碎，阻礙其繼續(xù)增大。

通過(guò)加大絮凝區(qū)導(dǎo)流筒高度，調(diào)整攪拌槳葉從原細(xì)窄狀變?yōu)閷挻鬆詈笾匦履M，使筒內(nèi)平均垂直流速提高，保持在 0.4～1.2m/s ，同時(shí)提高攪拌速度梯度和水量提升倍數(shù)。加高導(dǎo)流筒使整體流態(tài)從原先紊流較多的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫恿鳛橹鳎ㄒ?jiàn)圖3），筒外水流受橫向擾流影響減小，可使筒外流速提高，從而提升循環(huán)倍數(shù)。

3 改造方案

通過(guò)混凝攪拌試驗(yàn)結(jié)果和水力模型仿真分析可知，本項(xiàng)目高效沉淀池存在3個(gè)突出問(wèn)題，即絮凝攪拌速度梯度偏低、絮凝導(dǎo)流筒內(nèi)平均流速偏低、水量提升循環(huán)倍數(shù)少。可采取以下優(yōu)化技改措施。一是加大攪拌槳葉半徑和寬度。調(diào)整攪拌槳葉的形狀、尺寸和攪拌速度梯度等，改造前后對(duì)比如圖4所示。其中，改造前導(dǎo)流筒高為 2.3m ，筒頂距液位 1.77m ；改造后筒高為 3.8m ，筒頂距液位 0.26m. 。二是加高導(dǎo)流筒，減少筒頂過(guò)流面積，防止過(guò)度紊流、短流。本次改造使用焊接方式，使原導(dǎo)流筒加高 1.5m ，如圖5所示。其中，改造前，槳葉攪拌半徑為 0.65m ，攪拌面積為1.4m² ，攪拌/導(dǎo)流筒面積比為 53% ，攪拌速度梯度為 14～61s^-1 ；改造后，槳葉攪拌半徑為 0.71m ，攪拌面積為 1.7m² ，攪拌 / 導(dǎo)流筒面積比為 62% ，攪拌速度梯度為 29～126s^-1 。

4運(yùn)行效果

本次改造僅對(duì)2號(hào)生產(chǎn)線實(shí)施，對(duì)兩條線生產(chǎn)狀況進(jìn)行觀測(cè)、對(duì)比。改造后，調(diào)試2號(hào)生產(chǎn)線的絮凝攪拌轉(zhuǎn)速至 28r/min ，攪拌速度梯度為 103s^-1 1號(hào)生產(chǎn)線保持原攪拌轉(zhuǎn)速（ 32r/min ），攪拌速度梯度為 61s^-1 。兩條生產(chǎn)線 130d 的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比如表5和圖6所示。從數(shù)據(jù)可以看出，在其他同樣運(yùn)行條件下，改造后2號(hào)生產(chǎn)線平均出水TP濃度較未改造的1號(hào)線低 7.69% ，而PAC藥耗減少 8.83% 。

5結(jié)論

運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采取加大攪拌槳葉半徑和面積，加高導(dǎo)流筒的改造措施，可以提高絮凝攪拌速度梯度，提高水的流速，優(yōu)化水的流態(tài)，增加水流循環(huán)次數(shù)，提高顆粒碰撞形成絮體的碰撞率，也有助于調(diào)節(jié)礬花的增長(zhǎng)速度和密實(shí)度，使得前端混凝反應(yīng)生成的磷酸鋁鹽沉淀絮體能更好地被具有長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)的PAM網(wǎng)捕卷掃，吸附和包裹于致密的絮團(tuán)中，從而提高出水TP的去除率，并降低PAC消耗。

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