国内外现阶段污水除砂作业方式.docx

1 污水处理工艺简介
城市污水处理是指为改变污水性质，使其对环境水域不产生危害而采取的措施。城市污水处理一般分为三级：一级处理，去除废水中的漂浮物或部分悬浮状态的污染物，调节pH值、减轻废水的腐化程度和后续处理工艺的负荷，能去除悬浮固体（SS）约50%～60%、BOD5约20%～30%；二级处理，在一级处理的基础上去除废水中的大量有机污染物，使废水进一步净化，可以去除废水中的大量BOD和悬浮物，出水可以排放或用于灌溉；三级处理，进一步去除二级处理未能去除的污染物，其中包括微生物以及未能降解的有机物或磷、氮等可溶性无机物。
城市污水处理工艺按流程和处理程序划分，可分为预处理工艺，一级处理工艺、二级处理工艺、深度处理工艺和污泥处理工艺，以及最终的污泥处置。预处理工艺通常包括格栅处理，泵房抽升和沉砂处理。格栅处理的目的是截流大块物质以保护后续水泵管线、设备的正常运行。泵房抽升的目的是提高水头，以保证污水可以靠重力流过后续建在地面上的各个处理构筑物。沉砂处理的目的是去除污水中裹携的砂、石与大块颗粒物，以减少它们在后续构筑物中的沉降，防止造成设施淤砂，影响功效，造成磨损堵塞，影响管线设备的正常运行。一级处理工艺主要是初级沉淀池，目的是将污水中悬浮物尽可能地沉降去除，主要是由曝气池和二次沉淀池构成，利用曝气风机及专用曝气装置向曝气池内供氧,主要目的是通过微生物的新陈代谢将污水中的大部分污染物变成CO2和H2O，这也就是好氧技术。曝气池内微生物在反应过后与水一起源源不断地流入二次沉淀池，微生物沉在池底，并通过管道和泵回送到曝气池前端与新流入的污水混合；二次沉淀池上面澄清的处理水则源源不断地通过出水堰流出污水厂。深度处理是为了满足高标准的受纳水体要求或回用于工业等特殊用途而进行的进一步处理 ，通用的工艺有混凝沉淀和过滤。其中过滤装置有虹吸滤池、重力式无阀滤池和压力过滤器等。污水处理工艺流程图如图1所示。

图1 污水处理工艺流程图
2 除砂系统
沉砂池是城市污水处理厂必不可少的预处理设施，目前国内外普遍采用的沉砂池包括以下几种：平流式沉砂池、曝气沉砂池、旋流沉砂池(钟式和比式)、多尔沉砂池等，竖流式沉砂池则很少在城市污水处理厂中使用。排砂设备用于沉砂池．去除池底截留下来的密度大于水的砂、石等无机颗粒。随着处理工艺的发
展，除砂设备的型式构造多种多样，其集砂方式有两种：即刮砂型和吸砂型。刮砂型是将沉积在池底的砂粒刮集至池心(边)坑(沟)内，再清洗提升，砂水分离后输送至池外盛砂容器内。待外运处置。吸砂型则用砂泵将池底层的砂水混合液抽至池外。经砂水分离后的砂粒输送至盛砂容器内待外运处置。为了进一步提高除砂效果．有的沉砂池还增设了一些如旋流器、旋流叶轮等专用装置。排砂设备按排砂方式又分为重力排砂和机械排砂两类：重力排砂方式一般见于平流式沉砂池。通过在砂斗上加排砂管和双向密封无凹槽刀闸阀进行排砂，配套使用贮砂池进行砂水分离。机械排砂方式有泵吸式排砂机、链板除砂机、抓斗除砂机、多尔沉砂池除砂机和螺旋砂水分离器等。泵吸式排砂机、链板除砂机一般用于平流式沉砂池和曝气沉砂池。多尔沉砂池除砂机用于多尔沉砂池。螺旋砂水分离器可以与多种沉砂池配合使用。大、中型污水处理厂多采用机械排砂方式[1]。
3 国内外除砂设备
目前, 国内外除砂设备采用的基本原理主要分为3类, 分别是沉降分离、离心分离和过滤分离。重力沉降是利用固液两相的密度差在重力场中进行固液分离的过程。在重力作用下, 密度大的物质相对于密度小的物质向下移动, 因此沉降结果分为2层, 从上到下依次为水和砂。离心分离是把混合液置于离心力场中使得固液分离的过程。由于砂与水的密度不同, 在高速运转的离心场中, 水和砂会在不同的半径内分布。砂粒密度大被甩向远处, 水密度小运动到中心。再根据不同的分离要求设计装置的形状与尺寸, 使得水与砂进入不同的出口, 达到分离的效果。过滤分离是使污水通过能截留砂粒的介质, 获得水砂的分离。过滤介质一般为滤网、滤层等, 通过控制网眼大小来分离不同粒径的砂。因要对过滤介质进行反冲洗, 排除滤物, 所以不适用于连续生产, 另外对过滤装置磨损严重, 应用较少[2]。离心分离与沉降分离相比虽然效率较高但需要动力驱动。
3.1 国内除砂设备
首先介绍一下国内的除砂设备。螺旋式除砂器是一种砂水分离器, 当来自沉砂池的砂、水混合液, 通过进水管道和涡流室, 进入一种锥体形旋流装置( 附壁效应器) 进行砂水分离, 对于直径大于0. 2 mm的砂粒, 其分离效率高达98%。螺旋式除砂器的使用, 使此区域得到充分的利用, 在分砂过程中, 大量有机物质随排出液流出箱体, 而砂石则沉至箱底, 由排砂螺杆缓慢输出, 排入集砂垃圾箱。 有机质的分离是通过系统自动进风, 产生的气泡托起有机质,使它浮在液面上, 从输出口流走, 这里并不需附加任何压缩装置。由螺杆传输机传输脱水后的砂子到容器, 这时的砂子几乎不含有机质。螺旋式除砂器最大处理水量120～200 m3/ h。常规运行条件下, 砂处理后的剩余物大于90%[3]。螺旋式除砂器( 处理水量为18 L/ s) 的外形安装尺寸图见图2。

图2 螺旋式除砂器
旋流除砂器是一种利用压力的作用将流体的直线运动转化为旋转运动的装置, 依靠离心沉降分离砂水。与传统水处理工艺相比, 其最突出的优点是内部没有运动部件, 除了进料泵之外, 整个分离系统不需配备其他机械及其相关的连接配件, 占地面积小, 不需另外投加药剂, 对0. 1 mm 以上粒径的砂粒去除效率较高、安装方便、可连续操作。旋流除砂器的结构示意图如图3[4]。

图3 旋流除砂器的结构示意图
自从1891年水力旋流器问世以来, 有关其研究与应用方面的文献已不计其数； 但是其中绝大多数文献所涉及的都是将水力旋流器用于分级方面, 而用于固液分离方面的则要少得多。由于水力旋流器具有结构简单、体积小、成本低及处理量大等优点, 因而其在固液分离领域的应用正越来越受到关注, 它能用来完成澄清、脱水、浓密、液体的净化( 包括除砂) 及固体的回收等多种固液分离作业，使用水力旋流器从液体中分离出的固体粒子能够细达5微米[5]。它的主要缺点是消耗动力较大,且在高压给矿时磨损严重。其构造图如图4所示。

图4 水力旋流器构造图
砂水分离还可以用离心机，有过滤式离心机和沉降式离心机。过滤式离心机是用离心过滤方法分离悬浮液中组分的离心分离机。在过滤离心机转鼓壁上有许多孔，转鼓内表面覆盖过滤介质。加入转鼓的悬浮液随转鼓一同旋转产生巨大的离心压力，在压力作用下悬浮液中的液体流经过滤介质和转鼓壁上的孔甩出，固体被截留在过滤介质表面，从而实现固体与液体的分离。悬浮液在转鼓中产生的离心力为重力的千百倍，使过滤过程得以强化，加快过滤速度，获得含湿量较低的滤渣。固体颗粒大于0.01毫米的悬浮液一般可用过滤离心机过滤。过滤式离心机的构造图见图5。

图5 过滤式离心机的构造图

图6 沉降式离心机的构造图
沉降式离心机利用固-液比重差，并依靠离心力场使之扩大几千倍，固相在离心力的作用下被沉降，从而实现固液分离，并在特殊机构的作用下分别排出机体，悬浮液处理量可达18米3／时,分离因数最大为1800，可用于处理固体颗粒粒度为0.001～5毫米、固液相密度差大于0.05千克／分米3和固相浓度小于10％的悬浮液。沉降式离心机的构造图[6]如图6所示。
除砂设备要向系统化方向发展, 集砂的分离、清洗与排放于一体的在线除砂装置是发展方向。旋流除砂器作为一种高效低成本的分离设备, 可以作为除砂设备的重点研究对象。针对含砂率高及含砂粒径分布范围广的污水, 要采用多级分离。充分发挥不同除砂装置的除砂优势, 可以进行相互组合, 逐步进行分离。在除砂的同时要保证排放的砂粒安全环保, 因此要配备相应的洗砂设备。

参考文献

[1] 陈璐，陈凡阵，王文，等.污水处理厂除砂系统设计选型的探讨[J].工业用水与废水，2008（1）：72-74.
[2] 冯定，李守勇，李成见，等.出砂冷采地面除砂设备的现状与发展趋势[J].石油机械，2010（4）：65-68.
[3] 张慧，孙世刚.螺旋式固液分离设备的分类及应用[J].大连大学学报,2004（4）：41-46.
[4] 陈家庆.环保设备原理与设计[M].北京：中国石化出版社，2005.
[5] 褚良银. 固液分离用水力旋流器的设计[J].化工装备技术，1995（1）:10-13.
[6] 徐荣伟. 提高卧式沉降式离心机生产能力的功率计算[J].石油化工设备，1994（6）：45-47.

附壁效应方面的专利：CN201020111789.5 沉淀池进水装置
本实用新型是关于对水处理工程沉淀池进水的改进，其特征是出水口外有宽度≥30cm的弧形导流板进水消能装置。进水依导流弧板表面流过，通过与表面的摩擦，不仅产生附壁效应降低进水流速，而且经弧形板水流方向发生改变，两者共同作用降低了进水流速，使进水平稳进入沉淀池，从而减小和/或消除了对沉淀池内水层的干扰破坏，池中各处上升流速基本相同，确保沉淀池尽可能处于理想沉淀要求，从而提高了沉淀效果和效率。在弧形导流板前端或至少上方设置引限流板，引导、约束使进水全部依弧形导流板流动，更是增强了消能效果。经实际对比试验比较，进水出口增加弧形导流板，可使进水流速由0.4m/s下降为0.01m/s。