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从运行实践角度探讨二沉池设计上的相关问题

热度 1已有 277 次阅读2012-11-5 15:43 |个人分类:技术专题| 设计, 、运行

这是我写的论文(已发表),供有兴趣的朋友参考,有不对之处请指正。

 

从运行实践角度探讨二沉池设计上的相关问题

 

摘要 本文从运行实践角度阐述了活性污泥工艺中的二沉池与曝气池在工艺上的关联性,分析了影响沉淀效率的主要制约因素,揭示了二沉池设计上存在的一些不合理问题,并就其中一些主要问题提出了在现在条件下的改进意见和设计优化方面的思路。

 

关键词  沉池  活性污泥  回流污泥  回流比  

 

 

活性污泥工艺中的沉淀池,通常称二沉池,在处理系统中起着极为重要的作用。二沉池的主要功能是曝气池混合液的泥水分离和回流污泥浓缩。在活性污泥工艺中,曝气池和二沉池不单是前、后处理工序的关系,是不可分割的工艺组合体,因而在设计和日常运行中都要充分考虑其在工艺上的关联性。

历年来,对二沉池研究和探讨方面的论文不少,但大多局限于理想状态下的沉淀理论研究和设计参数选择方面的。由于二沉池实际运行时会受诸多因素的影响,二沉池的工艺设计通常是依靠试验参数和设计人员的经验来设计的。影响二沉池沉淀效率的因素除了污泥的沉降性能外,有运行管理、设计水平和设备性能等。

二沉池的种类很多,按池内水流的流态,二沉池可分为平流式、竖流式、周边进水式和辐流式等类型,其中幅流式二沉池使用较普遍。本文主要以幅流式二沉池为例从运行实践角度对相关问题进行分析和探讨。

 

1 二沉池与曝气池在工艺控制上的关联性

二沉池日常运行控制中,主要是控制好泥水分离和回流污泥浓缩时间的平衡,即,控制好泥面的高度。二沉池的泥面过高会使泥水分离部分的容积减少,造成翻泥,在水温高或曝气池缺氧的情况下,污泥滞留在二沉池的时间过长,还易造成回流污泥厌气;二沉池的泥面过低,会使污泥浓缩部分容积减少,造成回流污泥量增加,而回流污泥浓度变稀,污泥回流的能耗增加。

下面的曝气池水力停留时间计算式可以反映出二沉池运行工况与曝气池的关联性。

 

T=V/Q1+Q2

 

式中:T—污水在曝气池的水力停留时间;

      V—曝气池的有效容积;

          Q1—曝气池进水量;

Q2—曝气池回流污泥量。

曝气池水力停留时间也就是生化反应时间,是很重要的运行参数。从上式中可知,曝气池的水力停留时间不仅与污水量有关,也和回流污泥量有关。

在日常运行中回流污泥量应该如何控制呢?这就要说到污泥回流比,回流比是回流污泥量与进水量之比值,被认为是活性污泥工艺中的一个重要控制参数。相关的书面观点认为,在运行中回流比应保持相对稳定,即,回流污泥量要根据进水量来调节和控制,如:曝气池进水量增大时,回流污泥量也要相应增加;曝气池进水量减少时,回流污泥量也相应减少。这在理论上没错,因为进水量增加,生化反应所需的污泥量也要多。书面观点在实际运行中是否可行呢?通过以下分析就可了解。

如果用污泥回流量来控制污泥回流比,当进水量增加时,回流污泥量也要相应增加,就必须增加二沉池的出泥量,这样就会使污泥在二沉池的浓缩时间减少,此时至曝气池的回流污泥量虽增加,但回流污泥的浓度却下降了,回流至曝气池的污泥绝对量并不会增加。此外,从上式的曝气池水力停留时间计算式也可知:回流污泥量增加还会使污水在曝气池的实际停留时间相应减少,进二沉池混合液量又增加,使二沉池的进水水能增大,在污泥沉降性能差时更易造成漂泥,形成恶性循环。所以回流污泥量实际上是不能随意调节的,它受限于二沉池的运行状态。

有些专业书对回流污泥量的控制提出了具体的控制方法和估算式,如:根据二沉池泥层的高度进行调节;用固体平衡公式测算;根据污泥沉降体积估算等。与回流比控制观点不同的是,这些控制方法和估算式主要是从二沉池的运行状态等因素考虑的,而回流比控制观点仅从曝气池的运行状态考虑。从理论上讲这些观点和方法都没错,只是考虑问题的角度不同,但在实际应用中不能完全按这样来控制。

如果说有些专业书上介绍的回流污泥量和回流比的控制方法忽视了二沉池与曝气池在工艺运行上的关联性,那么在二沉池的设计上同样存在这样的问题。活性污泥工艺的最大污泥回流比通常是按120%~150%设计的,也就是说最大回流比时,曝气池的回流污泥量是曝气池进水量的1.2~1.5倍,采用这样大的回流比也许是考虑到特殊情况所用,如短期内需将大量污泥回流至曝气池。有运行实践的人都知道,运行中并没有这样的必要性和可行性。

如前所述,活性污泥工艺的二沉池运行状态会直接影响曝气池的运行效果,对曝气池来说,回流污泥应该尽可能高浓度低流量,这样就需要二沉池有很好的泥水分离和沉淀污泥的浓缩效果,所以二沉池设计和运行管理上要充分考虑到与曝气池在工艺上的关联性。

 

2 二沉池设计上相关问题的分析和讨论

近十多年来,国内的二沉池在不断改进,但这种改进大多局限于池型和括、吸泥设备的方面,沉淀效率并没有明显提高。如要进一步提高二沉池的沉淀效率,就要全面了解制约了二沉池的泥水分离和污泥浓缩效果的各方面因素,并进行全面优化。

笔者长期从事污水处理运行管理工作,管理过各类二沉池,对这方面有一定的了解和研究。下面以目前国内使用较多的幅流式二沉池为例,对制约沉淀效率的主要因素进行分析和探讨。

2.1 二沉池进水水能对沉淀的影响

曝气池混合液经配水井利用重力流至二沉池中心进水筒,并通过液面以下一定深度的进水口进入沉淀区,然后扩散幅流,进行泥水分离,上清液排出,分离后的污泥下沉,并在池下部污泥层进一步浓缩。在此过程中进水水能会对沉淀区产生很大的扰动,不仅影响泥水分离,还会对池中心底部的污泥层产生冲击,造成局部短流,产生所谓的“老鼠洞”现象,这种现象在采用括泥机的幅流式二沉池中普遍存在。

2.2 池中心柱进水整流问题

幅流式二沉池中心柱外一般都安装进水整流筒,其作用是可使进入的混合液均匀向沉淀区扩散,防止和减少二沉池内出现短流、偏流,以提高沉淀效率。这对于分离比重较大沉淀物的初沉池等是有效的,对沉降性能较差的生化污泥并不合适,对采用括泥机的二沉池还会加剧池中心的短流现象。相比之下,采用穿孔档板就会好些,但新建的二沉池中采用穿孔档板的已很少用了。可以说近年国内新建二沉池在进水水能消散和整流扩散这一影响沉淀效率很重要的设计环节上没有实质性的改进。

2.3 二沉池配水井设计问题

二座以上的二沉池一般都有配水井,曝气池混合液进入配水井后,通过配水井上的阀门或堰门来控制二沉池进水量。以往二沉池配水井的出水管都设置在配水井水面以下较深处,阀门安装在配水井的出水口,这样的缺点是阀杆很长,阀门在水下较深处,检修时很不方便。

也许是便于检修,近年来配水井在设计上已作了改进,将出水口设在池液面处,通过出水堰门来控制二沉池进水量。然后这样的改变却给二沉池的运行产生了严重的负面影响,因为配水井的混合液通过池水面的堰门流经外圈出水腔室底部进入二沉池进水管时,会有大量空气吸入并与水混合,此时配水井的出水量减少,井的外圈出水腔室的水位上升,当夹入大量空气的混合液进入二沉池时,大量气泡释放,严重时二沉池中心水面会有气泡翻腾现象。当大量空气在二沉池释放后,配水井外侧出水腔室的水位大幅下降,使二沉池进水量又激增,如此反复,造成二沉池进水忽大忽小,对二沉池的影响就可想而知了,仔细观察一下就可看到这样的现象,这不能不说是设计上的严重疏忽,但却始终没有引起过注意。

配水井虽然结构简单,如设计不当,会直接影响二沉池的沉淀效率。由此可见,二沉池的优化设计,不能仅局限于二沉池本身,还要考虑其配套设施方面的优化,不知国外二沉池系统设计上是否存在类似的问题。

有的处理系统干脆取消配水井,将曝气池的混合液直接由管道进入各二沉池,使充有大量空气的混合液在进入二沉池前无法释放气泡,影响泥水分离效果。这也是不合理的。

2.4 括泥机和吸泥机设计问题

以使用最广泛的幅流式二沉池为例,以往都采用机械括泥式,即通过括泥机上的括泥板将池底污泥括至池中心的集泥坑,通过池内静水压从池内排出。括泥机受括泥效率所限,被认为不适合直径大的二沉池采用。

八十年代初期,吸泥式幅流二沉池在国内开始应用,池内污泥利用静水头通过各吸泥管排至吸泥机上部的集泥槽,然后从池中心的出泥管排出池外。为了提高吸泥效率,每根吸泥管下部也安装括泥板,边括边吸。初期的吸泥式二沉池因吸泥管管径和吸泥管布置上的问题,吸泥管易发生堵塞,所以在设计上作了改进,吸泥管采用管径较大的直管,有些二沉池还在各吸泥管下部的吸泥口配置空气反冲装置,以避免吸泥管堵塞。

近年来又开始流行将吸泥管吸泥口加工成扁长型的,并取消吸泥管上的括泥板,使吸泥管具吸泥和括泥于一体,这就是所谓的括吸泥机,这类括吸泥机的实际运行效果并不好,因为兼有括泥作用的扁长型吸泥口在运行时先把污泥往前括了,使括泥超前于吸泥,其效果可想而知,可谓弄巧成拙。虽然吸泥机对大直径的幅流二沉池在排泥效果等方面优于传统的括泥机,但因管理不方便,吸泥管易堵塞等原因,近年来有的制造厂又开始对括泥机的改进发生了兴趣,这样的改进思路是对的。

3 相关问题的意见和建议

从以上几方面的分析中可以看出,国内二沉池设计中偏向于考虑防止进水整流和均衡排泥方面,而忽视了进水水能消散,污泥浓缩效果和排泥效率等问题。针对上面分析的问题,提出以下需要避免和改进方面的思路。

1)中心筒整流和扩散设施的改进

二沉池进水水能是影响沉淀效果的主要因素之一,国外有的高效沉沉池水能消散主要是通过对二沉池进水口的优化设计和安装水能消散器来实现的,这在技术上是有较高要求的,国内设计上尚未达到这样的水平。但我们可以对目前设计中存在的问题进行适当改进,也可在一定程度上减小进水水能对沉淀的影响。

建议用穿孔档板取代整流筒,虽然穿孔档板现在很少采用,但在整流和扩散效果上要优于整流筒,可以减少进水水能对沉淀的影响。穿孔档板上部不封闭,可释放混合液中的气泡,穿孔档板对池中心下部造成的短流现象比传统整流筒要小。已采用传统整流筒的二沉池可对整流筒进行改进,如:在整流筒则边开多个纵向的矩形的折向导流门,使之产生螺旋流,也有一定的水能消散作用。

2)配水井设计上的相关问题改进

二沉池配水井的出水口应该设置在液面以下一定的深度,以免发生前面所描述的二沉池进水脉冲现象,避免了进水量忽大忽小对沉淀的影响。

减少二沉池进水水能的另一措施是适当减少配水井与二沉池的水位差。很多二沉池系统配水井与二沉池的水位差达1m,这是很不合理的。曝气池混合液由配水井流至二沉池是重力流,但水头损失很小,没有必要设计成这样大的水位差,如果在不影响重力流的前提下,尽可能减少水位差,就可大大降低二沉池进水水能,提高沉淀效率。

3)括(吸)泥设备的选择和改进

从理论上讲吸泥机能均匀地在池底各部位将污泥及时吸出,不易产生死角,而括泥机需将池底污泥从周边括至中心的集泥坑,括泥效率底,易产生死角。但在实际运行中的情况并非如此,吸泥机各吸泥管出泥量的调节很不方便,如调节不当会影响吸泥效果,还会造成吸泥管堵塞,而采用括泥机的二沉池,管理方便,只要调节好出泥堰门就可控制池内泥面高度,对中小型的二沉池特别适合。

本单位原建的二沉池采用括泥机,后来新建的二沉池都采用了几种形式的吸泥机,长期的运行情况表明,采用括泥机的二沉池在运行管理和沉淀效率上都优于采用吸泥机的二沉池。建议直径在30以下的幅流式二沉池采用括泥机。括泥机不适合大直径幅流式二沉池的主要制约因素是括泥效率不高,国外不少大型二沉池采用特殊设计的螺旋污泥刮板,极大地改进了括泥效率,国内设计单位也应该进行这方面研究。

对已建的括(吸)泥机设计中的问题也可以在现有条件下作局部改进的,如:适当增加吸泥管与相组合的括泥板距离;不设括泥板而采用扁长型吸泥口的不宜采用。还要注意的是无论采用括泥机或吸泥机,池底括泥板或吸泥管都要贴近池底的周壁,目前国内设计的二沉池在这方面不同程度有问题,有的二沉池最外的吸泥管离池底周壁有1米左右距离,会在池底周边产生环形盲区,这是很不合理的,必需改进。

此外,对浮碴清除、出水档板和括泥机传动装置等进行了优化也是设计上应该考虑的重要问题。

4)对二沉池运行控制方面的讨论

二沉池运行控制主要是控制好泥水分离和污泥浓缩时间的平衡,即控制好泥面高度。对幅流式二沉池,有的专业书上也提出了泥面高度的控制参考值,有的认为泥面高度应控制在池周底以上1左右,有的认为控制在池有效水深的1/4处。这样对沉降性能好的污水厂二沉池也许是合理的,但对大部分工业废水厂不合适,所以需根据本装置的实际情况进行控制,因为污泥层的控制应该考虑到二沉池与曝气池在工艺运行上的关联性及影响沉淀方面的诸多因素。

有运行经验者都知道,二沉池的泥层高度控制并不仅仅与二沉池的出泥量(回流污泥量和排泥量)有关,泥层高度也并非仅可通过出泥量就可合理控制。假如某二沉池因污泥沉降性能变差而发生漂泥现象,按常规思路,此时污泥层会较高,需降低污泥层以避免出水带泥,就需加大二沉池的出泥量,这从理论上似乎有道理。

实际情况又会如何呢?如前面所述,二沉池出泥量(相当于回流污泥量)加大后,进入二沉池的混合液量也会相应增大,使进水水能增大,加剧了对沉淀区的水力扰动,不利于泥水分离和下部的污泥浓缩,漂泥现象也无法避免,还易加剧进水端混合液向出泥口的短流程度。在实际运行中二沉池的出泥量应在不影响泥水分离的前提下适当控制得少一些,这样可使曝气池获得低流量高浓度的回流污泥。因为进二沉池的混合液量会因回流污泥量减少而相应减少,进水水能对沉淀区的冲击也会减弱,有利于提高泥水分离效果。在减少二沉池出泥量(曝气池回流量)的情况下,二沉池的泥面不一定会明显增高,因为污泥层更密实了。当然这样的调控并不能完全避免因污泥沉降性能差而漂泥的现象,还需通过增加剩余污泥排放量等措施来减缓或避免。

 

结束语

活性污泥工艺的二沉池与生化反应池在工艺上紧密关联,是一个不可分割的组合体,其运行效果的好坏会影响整个系统处理功能的发挥。近年来,国外已开始重视对二沉池的研究,在各个方面对二沉池运行工况进行了全面优化,能以较小的池容取得较大的沉淀效率。

以美国西方技术公司开发的COP二沉池为例,设计上已有全新的理念,这类幅流式二沉池采用括泥机,与传统幅流式二沉池相比,在进水水能消散、括泥板括泥和输泥效率等方面进行了全面优化,使二沉池达到高效、低能耗运行。

由于目前国内对二沉池的研究和设计上还达不到这样水平,在国外也只有个别的公司拥有这方面技术。但在现有条件下进行局部改造和优化还是可行的,前面提出的一些设计上的改进措施在技术上也是没有难度的。

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