摘要：针对重庆市某污水处理厂除砂系统存在运行不稳定，造成沉砂易淤积、砂水分离器溢流水含砂量高等问题，通过调整气提提砂、砂水分离器的运行周期以及采用排砂自动化控制等措施进行调控优化，结果表明，提气量和气压满足提砂要求，优化后的提砂混合液SS从3.3957 g/L提升到5.9562g/L，ISS从1.4956 g/L提高到2.7260g/L,且波动较小。系统旱季日均除砂效率提升了31.6%。砂水分离器溢流水SS和ISS浓度有效降低且变化趋于一致。

旋流沉砂系统是污水预处理的核心环节，其配套设施包括气提提砂设备和砂水分离器。气提提砂兼具洗砂和输送作用，无轴螺旋砂水分离器可以使砂水混合液较好的分离。实践中，有学者提出除了旋流沉砂池本身技术参数因素外，运行调控环节中沉砂淤积堵塞管道，气提排砂保证率不高，气提提砂高度设计不合理，砂水分离器溢流水含砂量增大等情况，都会制约预处理阶段对砂的去除。

三峡库区污水处理厂进水含砂量大，进水SS平均粒径多在20μm以下。某污水厂在对原有沉砂池进行改造后，除砂量大幅增加，但运行一段时间后，发现其除砂系统存在运行不稳定、沉砂易淤积、溢流水含砂量较高、远程自动化操作不方便等问题。笔者以该污水厂为依托，研究气提提砂和砂水分离器的运行周期对除砂系统的影响，并对其运行调控方式进行优化。
1 除砂系统概况及运行现状
1.1 除砂系统概况

该污水处理厂是三峡库区水环境治理的重点项目，一、二期设计总规模为9×104m3/d，目前处理量平均为8×104m3/d。设旋流沉砂池两座，采用气提提砂，交替运行排入一台LSSF-320型砂水分离器。前期沉砂池改造后提砂气源来自鼓风机房，冲洗水来自中水系统，气提阀门和冲洗阀门均由手动控制。其运行步骤如下：打开1#冲洗水阀，30min后打开1#气提阀，运行5h后关闭1#气提阀、1#冲洗水阀；然后开启2#冲洗水阀，30min后打开2#气提阀，运行5h后关闭2#气提阀、2#冲洗水阀。运行过程中砂水分离器与气提阀同时启闭。
1.2 除砂系统运行现状及问题分析
1.2.1 气提提砂设备
图1是对砂水分离器溢流水的分析结果。每座沉砂池提砂时长为5h/d，时间集中于白天某个时段。在其余闲置的19h内，砂粒逐渐累积在沉砂池砂斗中，造成淤砂板结或返溢、提砂管堵塞，导致气提效果下降。目前通过长时间开启冲洗水并通过放空部分沉砂来解决此类问题。另外提砂5h周期内砂水混合液含砂量严重不均匀，一个溢流周期内平均SS达2.2369g/L，ISS为1.2358g/L，实测发现，前2h溢流水SS高达5.186、2.7788g/L，占该周期内SS累积总量的72%，说明在2h内将大部分砂斗中的积砂提起，其余3h的提砂能效较低。而溢流水浓度过高，重新返回进水泵房后，会加剧沉砂池的处理负荷。

1.2.2 砂水分离器
砂水分离器与气提提砂保持同步，白天运行两次，每次为5h，共计10 h。图2为砂水分离器排砂量的时变化情况。通过重量法测得晴天一个运行周期内，砂水分离器的排砂量(按含水率为60%、密度为1500 kg/m3计)约为637kg，第1小时的累积排砂量达到了382 kg，第2小时的为127.5kg，锐减为前1 h的1/3，而第3、4、5小时的排砂量分别为47.5、42.5、37.5kg，随时间呈递减变化。砂水分离器的运行周期不科学，前1h内排出了60%以上的沉砂，说明周期内提砂时间偏长，应缩短运行周期并增加次数，以提升设备能效和除砂效率。
2 除砂系统运行调控优化
杭州市某污水厂将砂泵提砂改造为气提排砂，利用生物池好氧段鼓风曝气用的空气作为气提气源，管内空气压力保持在0.05MPa以上，改造后提砂混合液流量与砂泵提砂时相差不大，提砂管路发生堵塞的频率也不高；安徽某污水厂在对沉砂池选型时确定由鼓风机房提供气源，且气提依靠的是气砂水混合液与水之间的密度差，需对提砂高度进行复核；朱甲华等在对南方某污水厂排砂管路进行改造时，对排砂管路高度、风机风压及风量进行核算，发现排砂管路的高度过高，造成气提扬程偏小。可见，引用鼓风机房气源作为提砂气源，不需再另设独立气源，是污水厂除砂系统改造时的通常措施，但会引发新的问题，如气压和气量不足，因此有必要对气提系统进行工作气压和气量的核算。

2.1 气压和气量核算
原有鼓风机额定流量为117.6 m3/h，实际运行中压力表显示数值为0.04 MPa。为保证提砂的正常进行，空气管道的流量和气压必须大于或等于原有管道的工作流量和气压，即必须满足压力>0.04MPa、流量>117.6m3/h两项参数。氧化沟空气总管压力为0.0755MPa，经计算，管道沿程阻力损失约为0.00495MPa，局部阻力损失约为0.0001MPa，则气提空气管道出口处压力为0.07045MPa。
好氧池曝气主管道流量为7000 m3/h，管径为DN500，经计算,该管道内流速为9.9m/s。由于接至沉砂池的DN75支管末端液压远远小于好氧池内液压，且支管管径远小于主管道管径，那么支管内气体流速应该大于9.9m/s，可以此参数核算气提空气管道出口处气量。经计算，气提空气管道出口断面处气体流量为154.2m3/h。综上所述，气提系统的气量与气压均能满足要求。
2.2 气提提砂周期调整

除砂运行时间设置见图3。
调整后每组沉砂池每日缩短单次提砂时长但增加提砂次数，将5h提砂时间均匀分布到24 h内，两座沉砂池的提砂交替运行。经过一段时间的运行后发现，将单次提砂时间(1h)适当延长后，提砂混合液浓度下降不大，经多次试验确定最佳单次提砂时长为1.5 h，停运4.5 h，即6 h为一个周期，24 h内循环4次。
2.3 砂水分离器运行周期调整
砂水分离器调整运行方式遵循“少量多次”的原则并随气提提砂的启闭进行调整。提砂设备在0:00开始提砂，利用砂水分离器容积空间追求低能耗，滞后0.5h开启砂水分离器，单次运行总时长设为2.5h，具体见图3(b)。砂水分离器均匀分时段运行，有利于两座沉砂池的提砂设备与砂水分离器统一时间进程、充分联动，以实现排砂效果最优化。
2.4 排砂自动化控制模块
为避免夜间操作、多次操作的不便性，将现有气提阀门、冲洗水阀门更换为电磁阀，从而实现排砂自动化控制（见图4）。控制模块由3个延时继电器组成，分别控制两组沉砂池的气提电磁阀、冲洗水电磁阀以及砂水分离器的螺旋输送电机。当在暴雨期间遭遇初次冲刷效应，导致SS浓度高和砂量大时，可通过延时继电器延长鼓气提砂时间，当提砂不畅时可通过调整延时继电器延长冲洗沉砂时间，当砂水分离器砂粒分离不尽时可控制延时继电器延长砂水分离器运行时间。排砂自动化控制模块预留了电控接口与中控系统连接，为实现污水厂中控室实时控制打下了基础。

3 调控优化前后效果对比

现已完成四个电磁阀的安装改造且稳定运行3月有余，阀门不漏气不漏水且气压正常，可正常提砂，电控系统稳定。提砂混合液的SS、ISS平均浓度和砂水分离器排砂量均稳步提升。
3.1 提砂混合液SS、ISS的变化

除砂系统优化前后提砂混合液SS、ISS浓度的变化见图5（优化前为每1 h取样一次，优化后为每1.5 h取样一次）。提砂混合液小时平均SS浓度从3.3957 g/L提升到了5.9562 g/L且波动幅度较小，ISS从1.4956 g/L提高到2.7260g/L且较为稳定。在均匀的提砂时间设置情况下，沉砂池砂斗中的沉砂能定时定量累积，未发生砂斗积满沉砂外溢的情况，也避免了砂斗中砂量较低时连续气提的低效工况。说明通过调整单次提砂时长以及优化提砂时间间隔，存在进一步提高除砂量的可能性。
3.2 除砂量变化
图6是优化前后除砂量日变化曲线。
优化前系统旱季日均除砂量为917kg，优化后达到1207.5kg，除砂量提高了31.6%且波动幅度较小，避免了砂水分离器底部积砂过多所带来的螺旋输送机卡死问题。通过除砂系统的合理运行控制，分散均匀的提砂方式能有效提升系统单日除砂量。
3.3 砂水分离器溢流水SS和ISS变化
图7是优化前后砂水分离器溢流水SS和ISS浓度变化的对比。优化前气提提砂对砂水分离器的冲击负荷较高，造成前2h溢流水浓度居高不下；优化后少量、多次、均匀分布的提砂方式，有效改善了外部冲击，避免了在提砂初期溢流水浓度过高而末期过低的情况，使得溢流水的SS和ISS浓度变化趋于一致。进一步分析发现，优化后溢流水SS和ISS平均浓度分别下降了39.6%、41.4%，说明溢流水中的无机砂量减少，这与前述除砂量提高了31.6%有密切关系，正是由于砂水分离器排砂增多，从而降低了溢流水中携带的砂量。
4 结论
① 气提提砂设备满足工作气压和气量的要求，能保证提砂系统的正常运行。经污水运行调控优化后，提砂混合液小时平均SS从3.3957 g/L提升到了5.9562g/L，ISS从1.4956 g/L提高到了2.7260g/L，系统旱季日均除砂量提升了31.6%，砂水分离器溢流水SS和ISS浓度有效降低且降低后浓度变化趋于一致。
② 通过调整气提提砂、砂水分离器的运行周期和进行排砂自动化控制改造，延长单次提砂时间，分时段运行砂水分离器，使气提提砂与砂水分离器协同运行，该污水厂预处理段的排砂量实现了稳步提升。可见，除砂系统的运行效率与气提提砂和砂水分离器的运行周期有密切关系，这对于提高除砂系统的除砂效率尤为关键，对污水厂设计与运行管理具有借鉴意义。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第21期“论述与研究”栏目）

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