净水技术|掌握曝气沉砂池除砂效果的影响因素，细小颗粒的去除再也不难了~~~
专家点评
沉砂池的运行效果对于后续污水处理工艺会产生重要影响，细小颗粒的去除是水处理的难点之一。本文通过搭建中试反应器，采用再生水厂原水开展分析研究，分析了进水颗粒物组分和粒径分布等特性，并研究了水力停留时间、气水比、曝气量分布和预曝气等工艺条件对沉砂池除砂效果的影响。文中试验方法可行，分析层次比较清晰，为曝气沉砂池的运行优化和改造提供了科学数据支撑。
沉砂池是污水处理厂中重要的预处理构筑物，通常设置在细格栅后以去除污水中砂粒。沉砂池去除的所谓砂子主要包括杂粒、石子、煤渣或其它一些重的固体构成的渣滓，其密度和沉降速度远大于污水中易腐烂的有机物；其中杂粒还包括蛋壳、骨屑、种子以及废弃食品之类的有机物。沉砂池的运行效果对于后续污水处理工艺具有重大影响，不设置沉砂池或运行不良时，大量泥沙流入后续处理工艺流程，会导致污水处理厂设备磨损（初沉池污泥刮板的磨损而缩短使用寿命、污泥泵叶轮磨损、曝气池曝气孔堵塞、影响脱水设备运行等）、降低反应构筑物效率（堵塞管道降低管道输运能力、降低生化反应池的有效容积等）、增加工艺处理负荷（增加后续沉淀池污泥负荷）、影响在线监测设备的准确运行等。因此，需要保障沉砂池的安全稳定运行，从而为污水处理厂的高效运行提供基础保障。
曝气沉砂池是污水处理厂常用的沉砂池之一。相比其他类型沉砂池，曝气沉砂池沉砂中有机物含量低；具有预曝气、脱臭、除泡作用以及加速污水中油类和浮渣分离等作用；对小粒径颗粒物具有更高的去除率。曝气方式、气水比和水力停留时间（HRT）等是影响曝气沉砂池运行效率的重要工艺参数。污水处理厂的曝气沉砂池一般根据设计参考值和经验进行设计和运行，主要目的为去除比重为2.65，粒径大于0.2 mm以上的可快速沉淀的大颗粒物；一般采用较慢的池内水平流速（0.06~0.12 m/s）和较长的停留时间（1~3 min）。德国对曝气沉砂池停留时间的选择为：旱季流量为20 min，雨季流量为10 min；但实际运行条件下的HRT，需要根据进水颗粒物特性进行调控。周文忠和叶勇研究认为在HRT为1~4 min时，除砂效率随着HRT的延长而提高并趋于稳定，且为确保除砂效率HRT不宜低于1 min。曝气沉砂池与其它沉砂池相比优点之一就是污水中的有机物和无机物可以得到较好的分离，一般供气量越大分离效果越好。但曝气也会影响沉砂池中的水流条件，进而改变沉砂池除砂效果。供气量过大，会影响曝气沉砂池的沉砂效果，特别是对细颗粒砂子的截留效果。我国规范规定曝气沉砂池气水流量比一般为0.1~0.2。德国学者通过对30座曝气沉砂池的调查，发现供气量普遍超过实际需求量，而减少曝气后沉砂效果有所提高。我国学者有研究也表明，随着曝气强度的增大除砂效率降低。不同污水处理厂进水含砂特点会存在较大差别，工艺参数需根据实际进水条件进行控制。
目前国内关于曝气沉砂池的系统研究相对较少，沉砂池的设计和运行大多根据经验而很少结合实际进水特点。本研究以某再生水厂曝气沉砂池为研究对象，分析了进水中砂粒的组成和特点；通过设计和运行中试水工模型，研究了曝气量、HRT和曝气方式对曝气沉砂池除砂效果的影响，以期为曝气沉砂池的运行优化提供技术支持。
材料与方法
1.1
再生水厂概况
某再生水厂于2009年12月建成投产，总处理规模5万m3/d，进水主要为市政污水。该厂采用的沉砂池为平流式曝气沉砂池，二级处理工艺为BIOSTYR生物滤池，深度处理采用ACTIFLO加砂高密度沉淀池。曝气沉砂池设计HRT为10 min，气水比为0.05。该厂预处理工艺流程如图１所示。
1.2
中试试验
1.2.1
试验装置
中试试验装置根据相似性、可调性和可视性原则进行设计。根据实际曝气沉砂池结构按比例1:5采用有机玻璃和不锈钢制成，有效容积为1.5 m3。进水采用曝气沉砂池原水，进水流量通过潜污泵和液体流量计控制，HRT通过调节进水流量控制；曝气通过空气压缩机和气体流量计控制。
1.2.2
试验条件
研究了HRT、气水比、曝气管布置模式和预曝气等条件下的曝气沉砂池除砂效果，主要试验条件包括以下几点。
（1）HRT的影响：在不曝气的条件下对比HRT为5 min、10 min 和20 min条件下的除砂效果。
（2）气水比的影响：在HRT为10 min条件下对比气水比分别为0.05、0.1和0.2三种条件下的除砂效果。
（3）曝气量分布的影响：将曝气区沿水流方向均匀分为前后两个可单独控制的曝气区（曝气区1和曝气区2），对比了HRT为10 min条件下曝气量均匀分布（曝气区1和曝气区2气水比均为0.05）、曝气量前大后小（曝气区1气水比为0.075；曝气区2气水比为0.025）和曝气量前小后大（曝气区1气水比为0.025；曝气区2气水比为0.075）三种曝气模式对除砂效果的影响。
（4）预曝气的影响：在进水区和曝气区之间加设挡板分为预曝气区和曝气区，在HRT为10 min 条件下对比了三种条件下沉砂池的除砂效果。具体条件包括：a ）预曝气区气水比0.05/曝气区气水比0.1；b） 预曝气区不曝气/曝气区气水比0.1；c ）预曝气区气水比0.05/曝气区不曝气。
1.3
取样和检测方法
由于细格栅后区域封闭不易取样，进水取样点设在曝气沉砂池细格栅前的进水区，沉砂池出水取自沉砂池出水口。沉砂取样装置采用下端设有出水口的塑料大圆桶和潜污泵，取样体积为400 L。为保证沉砂效率，水样沉淀30 min后，通过出水口排出上清液仅保留沉砂。
取得砂样后，先经大孔径筛网（4 mm）除去树叶、昆虫、毛发等絮状物和大颗粒物质，然后分别经过10目（2 mm）、18目（1 mm）、30目（0.64 mm）、50目（0.355 mm）、100目（0.15 mm）和200目（0.076 mm）筛网。各粒径沉砂分别经105℃和550℃烘干，测定总悬浮固体（SS）和挥发性固体（VSS）。
粒径分布通过激光粒度分布仪（Malvern-Mastersizer 2000，英国）测定；SS和VSS采用重量法通过烘箱、马弗炉和天平进行测定。
2
结果与讨论
2.1
进水砂粒特征分析
某再生水厂曝气沉砂池进水砂粒的粒径分布和筛分后各粒径下的质量配比如图2所示。某再生水厂进水中大颗粒物较少，主要为细小颗粒物，粒径在0.2 mm以下的颗粒物累积频率在80%以上。曝气沉砂池的设计规范一般是针对粒径0.2 mm以上的颗粒物，可见实际规模的曝气沉砂池在设计运行过程中，需要结合设计规范/经验和实际进水特点综合考虑。进水砂砾中的VSS/SS较高，整体达到67.5%，说明进水中砂砾的有机成分相对较高；而粒径在0.076 mm以下的颗粒物所占质量比重较大，且VSS/SS 低于其他粒径颗粒，说明进水中的无机砂砾主要集中于该粒径范围。
2.2
HRT对除砂效果的影响
在不进行曝气的条件下，曝气沉砂池的运行模式类似于平流沉淀池，颗粒物主要通过重力沉降作用去除。三种HRT条件下，曝气沉砂池的去除效率如图3所示。HRT为5、10 min 和20 min条件下的砂砾总SS去除率分别为11.5%、31.6%和48.8%。在进水颗粒物主要为细小颗粒的条件下，总去除率的提高主要由小粒径颗粒物的去除贡献。粒径在0.076 mm以下的颗粒物，当HRT为5 min 时去除率为4.26%；当HRT分别提高到10 min 和20 min时，SS去除效率分别提高到24.7%和42.9%。某再生水厂现有HRT为10 min，如在雨季或进水流量增加的条件下，可能会因HRT不足而不能维持对细小颗粒物的有效去除。因此，对此再生水厂曝气沉砂池的优化运行，未来可以考虑通过提高HRT，从而提升颗粒物质的去除效率。
2.3
气水比对除砂效果的影响
选择现有曝气沉砂池HRT的10 min，在气水比分别为0.05、0.1和0.2条件下，沉砂池的除砂效果如图4所示。随着曝气量的增加，沉砂池的SS整体去除效率降低，气水比0.05、0.1和0.2条件下SS总去除效率分别为33.52%、23.02%和19.19%；但有机成分去除率在气水比为0.2条件下最高，三种条件下的VSS去除率分别为25.67%、21.09%和34.77%，说明曝气对沉砂池砂粒的沉降不利，但有利于颗粒中有机物的去除，这一结果同叶勇等研究相同。在相同HRT条件下，不曝气时沉砂池SS去除率（图3）为31.6%，略低于气水比为0.05条件下的SS去除率33.5%，说明适量的曝气有利于颗粒物的整体去除。气水比为0.05时粒径在0.076 mm以下颗粒物的去除效率为31.85%，而随着曝气量的进一步增大至0.1和0.2，小于0.076 mm颗粒物的SS去除率分别降低到16.05%和13.9%，主要原因为过量曝气导致池体中存在较大湍流，不利于颗粒物沉淀。
2.4
曝气量分布对除砂效果的影响
曝气作用除了洗砂、沉砂之外，还可能改变池中的水流条件。在相同曝气量条件下，由于曝气策略的不同，曝气沉砂池可能具有不同的运行效果。为探究曝气分布对曝气沉砂池运行性能的影响，在总气水比为0.1的条件下，将曝气区沿水流方向分为前后两个部分，对比气水比为0.05/0.05、0.025/0.075和0.075/0.025条件下曝气沉砂池运行效果。结果如图5所示，三种曝气策略下的总颗粒物去除效率分别为23.9%、16.59%和43.2%。三种曝气策略下，沉砂池对粒径大于0.355 mm的颗粒物都有较好的去除效果，其去除率均在40%以上，说明该粒径范围的颗粒受曝气量分布的影响不大。而曝气方式对0.076 mm以下粒径颗粒物的去除效果影响较大，孙晶晶等研究结果也表明曝气强度对于小粒径颗粒物的去除具有较大影响。三种曝气方式下的SS去除率分别为21.48%、15.61%和41.23%。在气水比为0.075/0.025前强后弱的曝气方式下，曝气沉砂池具有较高的去除率。这是主要是由于将曝气集中在前端，在不影响气浮作用去除低密度颗粒的前提下，减少了气流对后续沉砂池的影响，增加了细小颗粒的有效沉淀时间。
2.5
预曝气对除砂效果的影响
无预曝气仅在曝气区曝气、预曝气/曝气区曝气和预曝气/曝气区不曝气三种曝气条件下沉砂池除砂效果如图6所示。
无预曝气仅在曝气区曝气条件下，沉砂池去除效果最差，总SS去除率为21.94%；而在预曝气且曝气区曝气条件下的总SS去除率为37.63%。说明预曝气有利于提高沉砂效果。因为预曝气增加了沉砂池的曝气量，有利于促进有机悬浮物的去除和与细砂的分离，同时由于隔板的设置，预曝气带来的曝气量增加不会扰动后续颗粒物沉淀，从而有利于颗粒物去除。
同时对比预曝气/曝气区曝气和在仅进行预曝气条件下的除砂效果，在仅进行预曝气条件下具有最高的总颗粒物去除率，为46.79%，且对于各粒径颗粒物均具有较好的去除效果。根据气水比和曝气量分布影响研究结果，曝气有利于悬浮有机物的去除但不利于砂粒的沉降。预曝气区曝气能确保沉砂池取得较好的有机颗粒去除效果，VSS去除率为69%，同时隔板的设置减少了曝气对沉砂池后续反应池中的流体扰动，有利于慢速沉降的细小颗粒物的去除，粒径0.076 mm 以下颗粒物SS去除率为53.07%。因而在仅预曝气的条件下，沉砂池能取得较好的去除效果。
3
结论
某再生水厂进水砂砾中大颗粒物较少，主要为细小颗粒物，粒径在0.076 mm以下的颗粒物为进水主要成分；进水颗粒中有机物所占比例较高，VSS/SS较高整体达到67.5%。针对此进水水质，考察了曝气沉砂池除砂效果的影响因素，得出以下结论。
（1）不曝气时，HRT的延长有利于沉砂效果的提高。5、10 min 和20 min的HRT条件下总颗粒物去除率分别为11.5%、31.6%和48.8%。
（2）适宜的曝气有利于颗粒物的去除，但过量曝气会影响整体去除效果。维持HRT为10 min，气水比0.05、0.1和0.2条件下的总颗粒物去除效率分别为33.52%、23.02%和19.19%。
（3）曝气量分布对除砂效果有较大影响。相比均匀曝气和前弱后强的曝气方式，在前强后弱的曝气方式下，沉砂池具有最好的除砂效果，总颗粒物去除率为41.23%。
（4）通过设立隔板及预曝气，可提高有效沉淀时间，有利于提高曝气沉砂池的除砂效果。在仅进行预曝气时工艺总颗粒物去除率为46.79%，高于仅曝气区曝气和预曝气/曝气区模式下的去除率。
推荐参考
辛立伟,李波,吴光学,等. 曝气沉砂池除砂效果的影响因素[J].净水技术,2017,36(8):13-19,31.
Xin Liwei, Li Bo, Wu Guangxue, et al. Influencing factors on sand removal efficiency in aerated grit chamber[J]. Water Purification Technology, 2017, 36(8):13-19,31.