旋流沉砂池在上海白龙港污水处理厂的应用.pdf

增刊 中国市政工程 2001年8月25日旋流沉砂池在上海白龙港污水处理厂的应用北京市政设计院 龙干 上海水环境建设有限公司 颜振邦 赵 华摘要:通过 7000PISTA旋流沉砂池在上海污水治理二期工程预处理厂的应用实例,论述了旋流沉砂池的沉砂机理、在大型污水处理厂的设计方法、建成后的应用情况及有待进一步提高改进的意见等。关键词:污水处理 旋流沉砂 曝气沉砂 离心力 附壁效应 除砂效率Application of Grit Chamber with Rotational Flowin Bailonggang Sewage Pretreatment Works,ShanghaiLong Gan,Yan Zhenbang&Zhao HuaAbstract:Based on the application of7000PISTA rotational flow grit chamber in the Pretreat2ment Works in Shanghai Sewerage Project(P.),description is given of the mechanism of grit sedi2ment in this kind of chamber,including its design,application and further improvement when used inlarge sewage treatment works.Key Words:sewage treatment;sediment by rotational flow;sediment by aeration;centrifugalforce;walling effect;efficiency of grit removal1 旋流沉砂池1-1 概况旋流沉砂是目前国际上应用较为广泛的一种先进沉砂技术。此项技术的开发研究始于二十世纪六十年代。经过数十年的努力,国外对旋流沉砂技术的研究取得了显著的成效,形成了数十项技术专利。它们的创新意义是通过调整水流形态来提高沉砂效果。现在,国外新建污水处理厂大多采用该项技术。我国自九十年代起,一些中小型污水处理厂引进了该项技术,如北京大兴污水处理厂和苏州工业园区污水处理厂等。近年来,国内新建污水处理厂也开始将它作为首选工艺。国际上发明并生产旋流沉砂工艺设备的厂商主要有:美国Smith&LovelessInc、英国Jones&Attwood Inc、加拿大John Meu2nier Inc、新西兰的Dormarg Equipment Inc0。它们的基本结构如下(详见图一)。1)进水渠道2)平底3)固定隐藏式活动盖板4)储砂池斗5)砂粒水流导线器6)导板7)轴流式螺旋浆图一 旋流沉砂池结构8)大齿轮传动9)隔板10)出水渠道11)涡轮泵12)排砂管1-2 旋流沉砂原理及特点旋流沉砂系统采用强制涡流原理达到砂粒沉降的目的,原水进入平直的进水渠道后成直线流动,将62进水的紊动减至最低,进水渠的末端为一个斜面,沿池底部周边切线方向进入池中,形成沿池壁的平面旋流,该旋流流态产生的离心力产生附壁效应,使砂粒贴向池壁,并借重力落向池底。另外,在进水渠的末端有一个入水导流板,其位置可以使进入沉砂的水流和沉砂池内的原有水流在该导流板的斜表面上交汇,并将水流下折,使之沿沉砂池周边流动。在沉砂池中心处装有一轴向螺旋桨,用来保证池内所有水流的适当转动。螺旋桨、入水导流板和进水水流结合在一起,就会产生环流流态。(水流沿沉砂池周边流动,与此同时,沿平底转向中心,经叶轮向上,到顶部,再折向池壁,又再向下到池底一种螺旋环流流态)。在环流流态的作用下,离心力的作用使得砂粒最大限度与平底碰撞,并被水流捕集,而砂粒一旦在平底上被捕集到,就会藉环流流态所产生的底部速度被推向中央落入砂斗。平面池底是保证环流流态达到最大除砂和与有机物分离效率的关键因素,因为坡形底面将会减少环流流态的强度,降低砂粒的捕集效率,增加水流所捕集和储存的砂粒中有机物的含量。当砂粒沿平底被推向沉砂池中心时,旋转叶轮将加速水流流动,使得较轻的有机物被提起并返回至沉砂池的出水中去。然后砂粒移向池心,通过螺旋桨驱动轴和钢盖板之间的环形孔口落入底部集砂斗。砂粒从螺旋桨下面通过时,螺旋桨产生的向上水流,将把夹在砂粒之间的有机物带出,完成这一分离过程中砂粒才可以落入集砂斗中。当集砂斗中所储存有的砂粒足够多时,砂粒被池顶安装的真空启动泵抽出,并送至脱水装置。一般每隔四小时从集砂斗将自动排砂一次。旋流除砂水力系统采用旋转360 新型直线式设计,使得进水渠和出水渠呈360,形成自然流线。该系统结构简单,易于安装,且能有效地提高除砂效率。综上所述,旋流沉砂系统有这样几个特点:1)轴向螺旋桨可以将进水和池内水流带向池心,然后向上,形成环流流态,并将砂粒慢慢水平地推向环形砂斗口,而附在砂粒上的有机物则在水平运动过程中脱离砂粒,重新回到水中,并随水流上升,流向排水渠,这大大减少了沉砂中所含有机物质及异味出现。2)沉砂提升泵间歇地将砂斗中的沉砂提升至砂水分离器,该泵采用真空启动,其隐藏叶片式叶轮采用含镍硬化的铸铁,可抵受砂粒在高速运行下可能产生的撞击和磨损,并容许较大的物体通过。该系统可提供比一般的压缩空气提升系统更高的扬程,且节省了配套的压缩空气系统,其独特的垂直式无堵塞设计令其平稳无阻运作,避免一般水平式安装可能产生的管道阻塞。3)旋流沉砂池设计的一般规定 旋流沉砂池按去除比重2.65、粒径0.1mm以上的砂粒设计(曝气沉砂池除砂粒径按0.2mm以上设计)。旋流沉砂池为圆形,切线方向进水、切线方向出水。进水流速一般为1.0m/s。停留时间约为1min水流一般在池内旋转两圈。旋流沉砂池上圆为分砂区,直径210m,水深约3m;下圆为集砂区,直径13m,深度约为2m。排砂泵每天开启34次,每次约1015min。旋流沉砂池在高流量及流量变化大时处理效果良好。2 旋流沉砂工艺在白龙港污水预处理厂的实际应用2-1 白龙港污水预处理厂的原设计方案上海白龙港预处理厂位于浦东白龙港的长江新围海堤内,临近合庆乡向阳,北侧临近现有海堤和规划张家浜,在规划龙东路尽头,距市中心约40KM,工程总占地约150ha,主体工艺生产区占地约0.41ha。设计规模及进水水质见表1表1白龙港污水预处理厂设计规模及进水水质项 目进 水平均旱季设计流量(万t/d)172最大旱季设计流量(万t/d)223最小旱季设计流量(万t/d)103雨季设计流量(万t/d)256BOD5(mg/l)112COD(mg/l)248ss(mg/l)175NH32N(mg/l)25磷(mg/l)4.2 白龙港污水预处理厂工艺流程为:进水总配水进粗格栅细格栅曝气沉砂池 出水渠 出水工程内容包括总配水井、机械粗格栅、细格栅和曝气沉砂池系统。曝气沉砂池分为8组、16个沉砂渠,采用8套平移泵吸式除砂机,每台除砂机为双72跨,两只抽砂泵安装在可行走桥架上的吸管下端,可分别抽吸两个沉砂渠中的沉砂,吸砂管另外一端对准侧边的送砂渠排砂。曝气池采用竖管曝气,鼓风机房装有6台75KW的离心鼓风机。2-2 白龙港污水预处理厂的优化方案经上海污水治理二期工程建设指挥部反复研究,并得到世界银行的支持后,决定把预处理厂的曝气沉砂池改为旋流沉砂池。其工艺流程为:进水总配水进粗格栅细格栅旋流沉砂池 出水渠 出水旋流沉砂工艺确定后,工程建设指挥部决定选择8座Pista70型沉砂池(单池设计流量3.067m3/s),总设计水量为24.536m3/s,可满足平均设计污水量(19.92m3/s)的要求。旋流沉砂区平面布置是根据地形、厂区周围环境和污水处理工艺流程及进、出水方位,使各个处理构筑物合理地有机联系起来。在保证预处理厂工艺布局合理、连接管线简捷方便的原则下,考虑将8座沉砂池的建、构筑物每两座并在一起形成一个系列,共分成四个系列对称布置,将处理栅渣的压榨机和排砂外运设施安排在靠两边的两个通道中,便于集中清运。在空间和外立面设计上协调统一,做到美观、实用、经济,同时在平面布局上也应结合污水治理二期工程某些共用设施的设计布置,做到近远期工程能够合理地结合,力求布局平远开阔。平面布置详见图二。图二 上海白龙港污水预处理厂平面布置 国内现有污水处理厂使用曝气沉砂工艺为数不少,这是因它具备沉砂效率稳定不受进水流量变动的限制的优点。以下将它与旋流沉砂工艺作为比较:1)除砂效率根据美国清水及污水协会测试结果,不同粒径砂粒的除砂效率比较见表2。表2 不同粒经砂粒除砂效率比较表砂粒直径(mm)0.350.250.200.150.10旋流沉砂除砂效率(%)9592908575曝气沉砂池除砂效率(%)928095420822)能耗在能源费用较高的今天,效率是至关重要的,采用旋流沉砂系统时,螺旋桨驱动只需要很小马力的电机。池顶安装的Turbo泵和脱水装置,只是在排砂过程才运行,每天只需要近1h。与此相对照,曝气沉砂池则需要风机每天24h连续运行。表3为这两种沉砂系统能耗比较。为了便于比较,假定旋流沉砂池每隔四小时排砂一次,每次排砂和砂水分离操作历时10min。由于优化方案中省去了曝气沉砂池的鼓风曝气系统,电耗大大降低。如果电费单价按每度电0.60元计,优化方案年运行费用比原方案节约150万元左右。表3 两种沉砂系统能耗比较旋流除砂系统曝气沉砂池主要设备轴向叶轮驱动电机81.5鼓风机675沉砂提升泵815吸砂机81.22砂水分离器80.75行走电机81.5砂水分离器21.5潜水排砂泵162.4设备装机功率(kw)138522.6设备使用功率(kw)17.26303.03年总耗电量(度)151,1982,654,499年运行电费(按0.6元/度计)90,7181,592,6993)占地旋流沉砂池系统的占地面积要比曝气沉砂池小得多。由于取消了鼓风机房等设施,将厂区平面布置重新调整后,优化方案较原方案可节约占地近万平米。4)维护管理曝气沉砂池是利用吸砂泵、平移桥、螺旋输送机等来完成排砂,这些装置中包括水下的链、轴承、链轮等,这些都是需要经常调整和更换的维护率极高的项目,更换零件所需要的费用和人工均以万元计,还要加上更换期间沉砂设施不得使用的损失。与此相反,旋流除砂系统仅使用了叶轮,没有水下轴承,没有易受磨损或堵塞的部件在水下运行,旋流沉砂机的驱动装置、润滑点和轴承均在池顶水面以上便于维护。累积的沙粒由顶部安装且无水下运动部件的泵提升。唯一的维护是进行不太频繁的电机润滑。由于消除了全部水下配合的运动部件,与曝气沉砂池相比,旋流除砂系统的维护工作量将极大地降低。总之,旋流除砂系统不仅需要维护的设备少,而且基本上没有受磨损部件,从长远运行角度看,旋流除砂系统的维护费用是很少的。5)系统运转的可靠性旋流沉砂系统是选用八套完全独立的、一一对应的除砂机、输砂泵和砂水分离器,而原有方案中16个曝气沉砂池只用两个砂水分离器。旋流除砂系统的除砂机等全部设备均采用国外有经验专业厂家制造的专用成套设备,而曝气沉砂池中,除砂水分离器和吸砂采用进口设备外,排砂机、砂斗、鼓风机等主要机械设备全部采用国产设备。旋流沉砂系统设备组成的环节少(砂泵、螺旋桨),曝气沉砂池的设备组成环节较多(行车、吸砂泵、排砂泵、闸阀、曝气管)。以上可以得出优化方案系统运行的可靠性、设备的安全性和使用寿命均将大为提高,设备的无故障运行期也大大的提高,具有高可靠度、高备系数的特点。6)运行经验在国内外曝气沉砂池有着许多应用实例,旋流除砂系统在美国的有1300套Pista型旋流除砂系统在运行,另外还约有500套安装在世界各地。7)环境影响由于旋流除砂系统主要采用水力环流达到水中有机物和砂粒分离并去除砂粒的目的,因此省却了曝气沉砂池中的鼓风曝气系统,一是没有风机房所产生的噪音污染,二是由于有机物与砂粒分离比较好,沉砂上裹带的有机物量较小,因此砂粒脱水处理时臭味将大大减轻。另外,沉砂池处理系统是污水处理厂臭味的最主要来源之一,由于旋流沉砂内无曝气需要,因此,水中臭味逸出对周围环境的影响也会成数量级地降低。为了最大限度的降低污水处理厂的臭气,在旋流沉砂池上加盖非常容易,但是在曝气沉砂池上加盖绝非易事。由于优化方案总占地面积减少,可以在有限的92处理厂用地范围内,增加绿化用地面积,美化环境。8)有机物分离效果按照旋流沉砂工作原理,旋流沉砂池不仅沉砂效率高,而且可以有效地降低砂粒中的有机物含量,提高砂粒的清洁度,以利于最终处置。曝气沉砂也有一定的有机物分离效果。2-3 白龙港污水预处理厂的运行情况1)1999年底上海污水治理二期主体工程建成通水后,预处理厂即投入运行。目前,日处理污水量已由50万吨逐步增加到约100万吨,沉砂效果稳定。正常运行时每天约可收集到79m3的砂粒和杂物,而且分离出来的砂粒和杂物干燥无臭;厂内无噪音污染;特别是对沉砂池及出水渠加盖,厂内区基本无恶臭味,对四周环境影响很小。设备维护管理简易,运行费用低,可见用旋流沉砂池替代曝气沉砂池的决策是正确的。2)预处理厂运行一段时间后,发现位于旋流沉砂池前回转式细格栅的运行工况将直接影响沉砂池机械设备的运行工况。流进预处理厂的污水分别来自二期工程总管和南干线。污水中有许多大于10mm的固体物,诸如,螺蛳壳、骨头、木片、果壳和瓶盖等杂物,它们一旦通过细格栅进入旋流沉砂池,就会堵塞真空吸收泵的出水管道,从而导致沉积在池底的杂物和砂粒无法排出池外,大大地影响处理效果。鉴于两台旋转式鼓型格栅栏截污水中杂物的效果稳定有效,与其相接的旋流沉砂池,从试运行至今从未发生过堵塞现象。故前阶段,对回转式细格栅进行了整改,更换了细格栅钩的材质和缩小原细格栅的工作间隙,同时还把沉砂池吸砂泵叶轮更换成大流量叶轮,基本上杜绝了上述现象的发生。目前白龙港污水预处理厂的运行十分正常,基本符合设计要求。3)改进意见:细格栅除污机的结构要确保格栅距小于8mm,并确保侧隙和底隙不大于6mm,不允许大于8mm垃圾进入沉砂池,这样可以保证真空吸砂泵和管道不被堵塞。出水渠顶板应设计成与渠道整体浇筑,预留适当的检查井,以减少臭气对环境的污染。目前的玻璃钢盖板成本高,密封性能差,重量大检修移动不方便。出水渠存在沉砂和淤泥堆积的隐患。虽然在设计中增加了搅拌机,但在密封出水渠中,铁件锈蚀严重,运行管理不方便。今后在设计中,应注意过流断面的流速,尽量避免形成死水沉积区。根据旋流沉砂池的特点,总体平面设计尚有进一步紧凑的可能。4 结论旋流沉砂池以其除砂效率高、能耗低、占地小、运行管理方便以及对周围环境影响小等优点,正被国内所认可。在上海白龙港污水预处理厂的运行效果也是十分理想的。因此在环境保护事业迅猛发展的今天,选择先进可靠的工艺设备是十分必要的。(上接第36页)整套系统预期脱臭效果如表1所示。处理出气经过设备出口到厂界的一定距离的自然扩散,主要控制指标应能满足国家GBI455493恶臭污染物排放标准的要求。表1 整套系统预期脱臭效果进气浓度预处理生物滴滤器生物过滤器 边界排放标准出气 去除率 出气 去除率 出气 去除率 一级二级H2S浓度(ppm)0.50.340%0.015 95%0.0015 90%0.030.06臭味浓度3000210030%21090%3185%10203.7 实际脱臭效果生物脱臭系统经过一个月左右的设备调试和微生物培养驯化后进入了稳定运行阶段,一个月的稳定运行结果表明,生物脱臭系统对硫化氢的脱臭效率稳定在95%99%以上,达到了设计要求。委托上海市环境监测中心完成的第一次设备运行性能测试表明,在进气硫化氢浓度为14ppm,处理气量为1100m3/h(设计处理气量为800m3/h)的情况下,设备处理出气中疏化氢浓度仅为0.03ppm,硫化氢的去除率达到99.75%,处理出气的硫化氢浓度已经能够满足边界排放标准的要求。4 小结我们根据上海排水收集系统的特点,借助国外大量研究应用经验和自己的研究成果,对凉城泵站恶臭处理的气体覆盖收集、脱臭系统进行了实际工业化研制,实际应用结果表明,该恶臭气体收集、生物脱臭系统完全达到了设计要求,填补了我国在该领域成功应用的空白。03