吉芳英，晏 鹏，范剑平，宗述安

（重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045）

近年来我国许多城镇污水处理厂活性污泥（混合液悬浮固体）的ρMLVSS（混合液挥发性悬浮固体质量浓度）与ρMLSS（混合液悬浮固体质量浓度）比值普遍较低，该现象在进水含砂量较高的山地城市尤为突出，对重庆市8个典型的污水处理厂进行调研后发现，其活性污泥的ρMLVSS／ρMLSS为0.25～0.40［1］.这些活性污泥中除含有与生物基质相关的无机物之外，还含有大量的特细无机颗粒物（砂）.该特细无机颗粒物被包裹、嵌入以及游离于活性污泥中，并且与生物基质存在一定的密度差和粒径差.大量的特细砂存在于活性污泥中不仅影响污水处理效果，而且还加速设备的磨损.如何实现污泥中有机质和无机淤砂的分离已成为污水处理系统一个亟待解决的难题.在查阅资料范围内发现，美国Usfilter公司的专利设备污泥选择分离机（Solids Separation Module）实现了污泥中有机物和惰性无机物的分离［2］.但迄今为止国内尚无相关技术的研究和应用的报道.重庆大学根据旋流分离模型及原理［3－15］开发了基于污水处理厂生物污泥与特细无机颗粒物（砂）之间的密度、粒径差异的污泥淤砂分离器［16］，并实现了低ρMLVSS／ρMLSS污泥的生物基质和污泥淤砂的有效分离.前期研究发现，工作压力是污泥淤砂分离器最重要的控制参数，它不仅影响分离器单位时间污泥处理量即处理能力，还直接影响分离效果［17］.而工作压力本身又是污泥淤砂分离的动力来源，如何确定合适的工作压力已成为污泥淤砂分离器取得良好的分离效果、降低能耗以及减缓磨损的关键.因此本文重点讨论污泥淤砂分离器的工作压力P对特细无机颗粒物分离效果的影响，从而为污泥淤砂分离器的进一步优化以及分离器的节能降耗奠定数据和技术基础.

1 试验材料与试验方法

1.1 试验系统与运行方式

污泥淤砂分离试验系统由贮泥箱（含污泥搅拌器）、污泥淤砂分离器、污泥泵（额定排量5 m3·h－1）、电磁流量计（KDLD－25型电磁流量计，设定量程0～10m3·h－1，精度级0.5级）、压力表（YPF型压力表，额定量程0～0.4 MPa）及阀门等构件组成，试验工艺流程如图1所示.试验时将污水厂回流污泥泵入贮泥箱备用，启动污泥搅拌器缓慢搅拌，避免污泥及淤砂沉降；在进行污泥淤砂分离时，由污泥泵将污泥泵入污泥淤砂分离器，并通过调节阀门、电磁流量计等控制进料压力及污泥处理量.

图1 污泥淤砂分离系统工艺流程Fig.1 Pilot－scale experimental set－up for grit separation module of activated sludge

1.2 试验方法

选用的分离器的锥角为20°、进料口直径为15 mm、溢流口直径为22mm、底流口直径为13mm、筒身直径为75mm.调节阀控制分离器工作压力分别为0.025，0.050，0.075，0.100，0.125，0.150，0.175，0.200 MPa.在每个压力下对进料污泥、溢流污泥、底流污泥同时进行3次采样，将样品混合后再进行相关指标测定.

1.3 试验污泥

试验污泥取自重庆市某污水厂（日处理水量6×105m3）二沉池回流污泥.试验所用污泥的SV30（污泥沉降比）、ρMLVSS／ρMLSS和进料污泥质量浓度ρTSS分别为15%，0.31和15g·L－1.

1.4 检测项目与方法

检测项目为ρMLVSS，ρMLSS、流 量、压 力.ρMLVSS，ρMLSS检测参照《城市污水处理厂污泥检测方法》［18］进行测定，流量与压力分别从电磁流量计与压力表中直接读取.

2 试验结果

2.1 工作压力对分离器处理能力的影响

图2为进料流量Qi（处理能力）、溢流流量Qo及底流流量Qu随工作压力的变化关系.从图中可知：工作压力从0.025 MPa增至0.200 MPa的过程中，分离器处理能力、溢流流量以及底流流量分别从0.96，0.78和0.18L·s－1增至1.66，1.38 和0.28 L·s－1，且三者与工作压力之间呈显著的线性关系，其判 定 系 数R2分 别 达 到0.988 9，0.988 9 和0.978 4.试验所得到的进料流量与工作压力的关系与根据最大切线速度轨迹法理论所得到的水力旋流器的进料流量与工作压力的1／2次方成正比的关系不同.这是由于污泥淤砂分离器的分离对象、分离模式以及结构与传统水力旋流器不一样所造成的.污泥淤砂分离器的分离对象存在细微差异的活性污泥与特细无机颗粒，其模式为固、固、液分离模式；而基于这两点所研发的污泥淤砂分离器的结构与水力旋流器明显不同.因此，污泥淤砂分离器工作压力对其处理能力的影响明显不同于传统水力旋流器.

图2 工作压力对流量的影响Fig.2 Effect of working pressure on separator’s treatment capacity

分流比g＝Qu／Qi.从图3可知，随着工作压力的增加，分流比先降低后逐渐趋于稳定，并呈显著的指数衰减关系（R2为0.993 1）.工作压力从0.025 MPa增至0.200MPa的过程中，分流比从0.194降低到了0.169.

图3 工作压力对分流比的影响Fig.3 Effect of working pressure on split ratio

2.2 工作压力对分离效果的影响

2.2.1 挥发性悬浮固体与悬浮固体质量浓度的比值

污泥的ρMLVSS，ρMLSS是衡量污泥中有机组分和无机组分（包括特细砂）相对含量的指标，是展现污泥淤砂分离器分离效果的最直观的参数.经过污泥淤砂分离器分离后所产生的溢流污泥和底流污泥的ρMLVSS／ρMLSS值随工作压力的变化趋势如图4.从图4可以看出，随着工作压力的增加，溢流污泥的ρMLVSS／ρMLSS值逐渐增加、底流污泥的ρMLVSS／ρMLSS值逐渐降低，两者的ρMLVSS／ρMLSS差异越来越大，即富集率F（F＝Vo／Vu，其中Vo为溢流污泥ρMLVSS／ρMLSS，Vu为底流污泥ρMLVSS／ρMLSS）越大.富集率和工作压力的关系见图5.用Boltzmann函数模型对Vo，Vu随工作压力P变化的曲线进行拟合，其R2分别达到了0.989 1和0.978 9.在Vi（进料污泥ρMLVSS／ρMLSS）为0.31的前提下，工作压力从0.025 MPa增至0.200 MPa的过程中，分离后的Vo从0.36增加到0.42，Vu从0.22降低到0.13.压力在0.05～0.18MPa时，Vo与Vu变化较为明显.

F反映了污泥有机质ρMLVSS在溢流污泥中的富集程度.从图5可知，随着工作压力的不断增大，富集率呈先增大后逐渐稳定的趋势；用Boltzmann函数模型进行拟合，其R2达到了0.987 8.工作压力从0.025 MPa 增 至0.200 MPa 的 过 程 中，富 集 率 从1.65变化到3.33，其中富集率的最大、最小值分别为3.39和1.65且分别在0.175MPa和0.025MPa时获得.以上结果足以表明，污泥淤砂分离器实现了对底流淤砂和溢流污泥有机质的富集和分离.

2.2.2 分离效率

污泥淤砂分离器的分离效率η特指进入污泥淤砂分离器底流部分的污泥无机组分（包括特细砂）占进料中污泥无机组分的质量分数，是直接反映污泥淤砂分离器分离效能的最重要的参数.η＝g×Cu／Ce，其中Cu为底流污泥无机组分质量浓度，Ce为进料污泥无机组分质量浓度.图6显示工作压力对分离效率的影响.从图中可以看出，随着工作压力的不断增大，η先增加后逐渐稳定.运用Boltzmann函数模型进行拟合，其R2达到了0.975 7.当压力较低时，淤砂由于受到的驱动力较小不足以克服其阻力到达分离器器壁，从而不能实现淤砂的分离，因此分离效率较低；而随着压力的不断增大，淤砂在分离器中的驱动力不断增强，大部分淤砂能够克服阻力而被分离出来，因此分离效率显著增加；当压力达到一定水平后，细颗粒淤砂已经能克服水的阻力而被分离出来，继续增大压力反而造成一定的湍流使得流态趋于不稳定并且会使浓缩作用加强、粘度增加，使得悬浮液中的颗粒受到的阻力增加，因此不能进一步提升分离效果.工作压力从0.025 MPa增加到0.200 MPa的过程中，分离效率从40.6%增加到了47.3%；且当压力为0.175MPa时，其分离效率取得最大值48.0%，在此时富集率也达到最大值3.39且分流比仅为0.170（分流比最小值为0.169），加上本文首要的目的是实现污泥有机质与淤砂的富集分离，因此工作压力为0.175MPa是最佳条件.在该条件下，污泥淤砂分离器可以使原污泥中携带的质量分数为48%的淤砂进入分流体积（底流体积）约占进料体积17%的底流液中.如果将底流污泥作为外排污泥，则可以增加淤砂的排放，有助于缓解污水厂的淤砂问题.且底流污泥具有无机物含量高、有机物含量低的特点，将其作为外排污泥进行处理处置，势必会简化脱水、稳定等污泥处理处置的工艺过程，从而克服常规剩余污泥处理处置工艺复杂、建设和运行费用高的缺点.表1对本文与国外其他类似污泥淤砂分离研究所获得的分离效率进行了对比，可见污泥淤砂分离器对活性污泥中的砂显示了良好的分离效率.

图6 工作压力对分离效率的影响Fig.6 Effect of f working pressure on separation efficiency

表1 不同研究中的分离器平均分离效率和最高分离效率对比Tab.1 Comparison of separation efficiency in different researches

3 结论

（1）工作压力从0.025 MPa变化到0.200 MPa的过程中，分离效率、富集率、溢流ρMLVSS／ρMLSS和分离器处理能力分别从40.6%，1.65，0.36 和0.96 L·s－1变化到了47.3%，3.33，0.42 和1.66L·s－1；分流比和底流ρMLVSS／ρMLSS分别从0.19和0.22变化到了0.17和0.13.因此，工作压力的变化对污泥淤砂分离器的性能参数有着显著的影响.

（2）工作压力与污泥淤砂分离器处理能力呈显著的线性关系，R2达到0.988 9；工作压力对污泥淤砂分离器的影响模式有别于水力旋流器.运用Boltzmann函数模型分别对工作压力与分离效率、富集率、底流ρMLVSS／ρMLSS、溢流ρMLVSS／ρMLSS之间的关系进行拟合，其R2均达到0.975 7以上.

（3）基于污泥淤砂分离器的分离效率随工作压力的变化关系，为了使污泥淤砂分离器在获得较好的分离效能同时达到降低能耗的目的，建议工作压力控制为0.150～0.200 MPa.此时分离器的分离效率和分离器单位时间的处理能力较高，分别为46.1%～47.9%和1.49～1.66L·s－1.工作压力为0.175 MPa是本文试验的最佳条件.在该条件下，污泥淤砂分离器可以使原污泥中携带的质量分数为48%的无机物组分进入分流体积（底流体积）约占进料体积17%的底流液中.如果将底流污泥作为外排污泥，则可以增加淤砂的排放，有助于缓解污水厂的淤砂问题，底流污泥具有无机物含量高、有机物含量低的特点，将其作为排放污泥进行处理处置，势必会简化脱水、稳定等污泥处理处置的工艺过程，从而克服常规剩余污泥处理处置工艺复杂、建设和运行费用高的缺点.

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