响应面法修正沉砂池除砂和有机物去除效率

周 欢，常 影，李宏君，乔小雨，王洪宁，3，李 森，栗 野，霍明昕，朱遂一，王 艺

(1.东北师范大学吉林省城市污水处理与水质保障工程技术中心，吉林 长春 130117；2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130024；3.吉林省拓达环保设备工程有限公司，吉林 长春 130024)

响应面法修正沉砂池除砂和有机物去除效率

周 欢1，2，常 影1，李宏君1，乔小雨1，王洪宁1，3，李 森2，3，栗 野2，霍明昕1，朱遂一1，王 艺1

(1.东北师范大学吉林省城市污水处理与水质保障工程技术中心，吉林 长春 130117；2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130024；3.吉林省拓达环保设备工程有限公司，吉林 长春 130024)

沉砂池的沉淀泥沙表面覆盖一层含有Fe，Al和有机物的絮体.利用Design-Expert软件的CCD模块，选取了转速、停留时间、桨片数量和安装角度4个因子，分别对除砂率和有机物去除率进行了二次回归分析.结果表明：桨片数量和安装角度对有机物去除效率的影响较小，而6个桨片和30°安装角可获得最优除砂率.图像区域分析证实控制旋转速度为35～45 r/min，并降低停留时间有助于获得高除砂效率并使有机物去除效率低于19%.参数优化后可进一步提升沉砂池对细小沙砾的捕获效果.

沉砂池；响应面法；除砂；参数优化；粒径

旋流沉砂池内具有复杂的高浓度固液两相流态[1-2]，利用颗粒在高速流态下的离心力和重力协同作用实现固液分离[3]，具有操作简单、分离效率高、占地少、维护管理方便等优点，广泛应用于我国新建污水处理厂的污水预处理.沉砂池可以完全去除一些粒径较大(>0.2 mm)的颗粒[4-5]，但一些细小泥沙可越过沉砂池[6]，并在水流平缓区慢慢沉积，如氧化沟工艺的弯道处[7].

沉淀的泥渣多来源于降水强化地表径流而随之带入的无机颗粒[8-9]和随生活污水排放带入的一些厨余固体废弃物.这些物质大多具有不规则表面，附带的共价电荷容易在污水管网的长时间运移过程中发生吸附或离子交换反应，使表面附着大量絮凝体或有机物.其进入到后续生化段，并不会显著改变反应池内厌氧或好氧活性污泥的代谢功能[10-11].但大比重的泥沙进入生化系统，产生的沉积效应会严重磨损搅拌叶片和堵塞回流管道[12]，因此需要强化沉砂池内颗粒物的去除效率.在低浓度城市污水处理过程中，由于碳源不足导致脱氮除磷效率下降[13]，也进一步要求控制沉砂池内有机物的去除率.

当前，沉砂池中新型搅拌机械的采用，使沉砂池内产生涡旋功能的桨片长度和高度可调，提升了实际工程中沉砂池的操控水平.但实际工程运行条件多变，沉砂池的操控参数也需进一步优化.响应面法(response surface methodology，RSM)是一种针对多个变量影响问题进行建模和分析的数学方法，广泛应用于流程优化结构调整和参数设定等方面，在机械加工、食品和化工等行业应用十分普遍.到目前为止，利用响应面法优化沉砂池运行效率的研究较少.因此，本次实验选择转速、停留时间、桨片数量和安装角度4个因素，进行了响应面实验，以优化沉砂池的除砂效率和控制沉砂池的有机物去除率.

1 材料与方法

1.1 含砂废水和来源

含砂废水采用长春市某污水处理厂旋流沉砂池进水口和出水口的废水，水质情况见表1.

表1 沉砂池进水与出水口水质分析 mg/L

由表1可以发现，进水中大部分悬浮物能够被旋流沉砂池去除，并且对水中有机物的去除率接近22%.

1.2 旋流沉砂池的水工模型

①90°弯头；②吸砂管；③搅拌机；④蝶阀图1 沉砂池结构示意图

污水处理厂旋流沉砂池的水力停留时间(HRT)为45 s.为了便于实验研究，按照水力相似性原理，修正几何参数、颗粒运动和水流参数，并制作水工模型.在实际工程中发现，旋流沉砂池中存在轴向环流，环流的涡轴中心处于低压状态，使过渡区和搅拌区的沙砾被吸向中心并进入集砂斗.但处于外环区的沙砾，受到的环流压力较小容易沉积，由此降低了沉砂池的除砂效率.在水工模型的基础上，参照沙砾积累的倾角改进模型，由外环区到过渡区设置倾角15°，以此强化沙砾的移动、提高除砂效率.水工装置结构见图1.

1.3 除砂实验

根据水工装置安装参数，选取旋转速度、沉淀时间、桨片数量和安装角度4个因素，采用响应面法试验优化装置的除砂效率，并尽可能降低有机物的去除效率，保障后续生化段脱氮除磷的效能.实验阶段的水温维持在18℃～22℃.细格栅出水经水泵输送到水工模型的入水口，切向进入沉砂池内；利用变频机控制水泵功率调节进水量，以此控制沉砂池内的HRT.按照响应面实验设计HRT，分别为10，22，35，48，60 s.开启搅拌装置，通过变频器(CVF-P2，深圳康沃)和测速装置(ZKZ-3T，西安蓝田恒远)来调整搅拌速度，设置为10，27，45，62和80 r/min.桨片数量和安装角度分别为2，4，6，8片和10°，22.5°，30°，47.5°，60°.运行5 min待出水稳定后，在水工模型出水口取样，分析出水悬浮物和有机物含量.实验结果为3个样品测量的平均值.

1.4 表征

水中沙砾的去除率参照水和废水检测分析方法[14]中悬浮物的测定方法，具体如下：将5 L沉砂池进水水样经过烘干至恒重的滤纸过滤后，放入电热干燥箱(SKG-02，恒丰公司)中，在103℃下恒温干燥过夜，取出干燥后的样品，冷却后称重，记为W0；按照相同方法测量处理后出水水样中颗粒物的质量，记为Wt.

水样经过0.45 μm滤膜过滤后，利用总有机碳测定仪(CPH CN200，日本岛津)分析水中TOC的含量.将水工模型中收集的沙砾，经过超声波清洗器(KS-3000，宁波新芝)多次清洗后，在真空干燥箱(DZF-6020A，中实仪器)中80℃下减压干燥12 h，利用场发射扫描电镜(FE-SEM，美国FEI)分析原沙砾和清洗后沙砾的表面形貌.用滤纸过滤5 L水样，将截留物收集并在80℃下真空干燥12 h后，利用颗粒粒径分析仪(S3500，美国Microtrac)测量收集颗粒的粒径分布.

2 结果与讨论

2.1 沙砾表面分析

沉砂池沉淀的颗粒中无机组分高达95%[12]，以含Si，Mg等元素的无机颗粒为主.由图2(a)可见，清洁的颗粒表面粗糙，EDS谱图(见图(b))显示表面含有大量Si，Al和O等元素.分析不规则表面(见图2(c)，(d))后发现，边缘出现层状断裂处聚集着许多粒径≤2 μm的颗粒.图2(e)显示了沉淀的原砂表面的特征，其不规则的边缘处被覆盖，EDS谱(见图2(f))显示颗粒表面存在C，Al，K和Fe元素，说明有机组分和一些Al，Fe的絮凝体覆盖在颗粒表面.另外，一些粒径≤1 μm的比重较大的颗粒(见图2(g))也会在涡旋流态下沉积到沉砂池底部.

(a)清洁沙砾SEM图，(b)清洁沙砾EDS图，(c)(d)(e)表面沉积污染物的颗粒在不同放大倍数下的SEM图，(f)为(e)对应的EDS图，(g)大颗粒SEM图

2.3 响应面法分析

2.3.1 回归方程分析

利用Design软件的SAS模块分析实验数据，分别获得以除砂效率和有机物去除率为目标函数的二次回归方程如下：

y除砂率=35.02+0.71A+0.72B+5.81C+0.55D-0.00077AB-0.0038AC+0.00072AD+

0.0016BC-0.00041BD-0.00093CD-0.011A2-0.0067B2-0.49C2-0.0093D2；

y有机物=3.83-0.64A+0.19B+0.053C-0.044D-0.042AB-0.017AC+0.0058AD-0.0024BC-

0.0075BD-0.0068CD-0.069A2+0.05B2-0.0068C2-0.0067D2.

式中A，B，C，D依次表示转速、HRT、桨片数和安装角度，各项系数的绝对值大小对应各因素对指标的影响程度.结果表明转速对沉砂池的除砂效率和有机物去除率影响最大.利用Diagnostics模块对各操作条件下的实验结果进行拟合，并与实测值进行对比，结果见图3.

(a)除砂率 (b)有机物去除率

由图3可见，在所选择因素的工艺范围内，上述回归方程对沉砂池的除砂和有机物去除效率的拟合度较高，其中除砂效率的拟合度高于有机物.预测值与实际值的比值线性拟合度高，良好地反映了沉砂池工况与所选4个因素之间的关系，表明回归方程可以用于预测沉砂池的工作效率.

(a)停留时间与旋转速度，(b)桨片数量与安装角度，(c)桨片数量与旋转速度，(d)安装角度与停留时间

2.3.2 除砂效率分析

在沉砂池中，颗粒的运动受涡旋流态诱导产生的流速和压力的双重影响，其流速分布具有如下规律：处于涡核中心的流体的流速由内向外逐渐增大，涡旋流态诱导过渡区外部的流体发生旋转运动，但流速由内向外逐渐减小.在垂直向产生的压力，却遵从由内向外逐渐增大的趋势.因此，长停留时间有助于颗粒沉积到底部，而通过高速搅拌强化涡流却有助于推动颗粒向池中心运移.但高速搅拌下，产生的强紊流会扰动沉积到池底的颗粒，使其重新进入流体中，因此从图4(a)可以看出，长的停留时间和合理的旋转速度有助于提升废水中颗粒物的去除效率，而提升旋转速度引起的紊流会显著降低除砂效率.由于旋转速度由搅拌桨产生，因此桨片数量和安装角度对沉砂池内涡旋流态运动十分关键.在涡旋流中，桨片附近区域和桨片之间的空间会产生湍动能[15]，推动流体向上运动，桨片倾斜角度会影响流体的轴向和径向运动[16].图4(b)显示合适的桨片数量和安装角度分别为6片和30°，在这个区间沉砂池除砂效率可达86%以上.而图4(c)和(d)也显示了桨片和安装角度分别与转速和停留时间的相互影响规律，进一步验证了长停留时间有助于除砂，而桨片数量和安装角度也通过影响涡流态的形成来决定沉砂池除砂效率的高低.

2.3.3 有机物去除效率分析

沉砂池对水中有机物的去除通常包括两个部分：(1)不会重新溶解于水中的有机组分，直接吸附在沙砾表面被去除；(2)涡旋流态下颗粒与胶体或细小絮凝体接触，被吸附到颗粒表面并被去除.由于颗粒表面不规则形貌中存在的层状断裂处(见图5(d))，容易共价或吸附一些带正电的离子或胶体，一些表面带负电荷的微生物或有机组分容易与胶体结合，并吸附到外层.这个过程一方面需要颗粒与胶体或细菌等接触，另一方面也需要足够的反应时间.由于高强度紊流产生的水力剪切或颗粒碰撞，导致颗粒表面吸附或截留的有机组分脱落，并进入水中，会降低沉砂池的除砂效率.因此，长停留时间和低搅拌速度(见图5(a))能够提高有机物的去除.增强湍动能和流体轴向运动，也就是增加桨片数量且安装平滑(见图5(b))，有助于提升有机物的去除效率.然而，相对于搅拌速度和HRT对有机物去除效率的影响，桨片数量所起的作用有限，这也表明了在有机物去除方面，主要控制因素是搅拌速度和停留时间.

(a)停留时间与旋转速度，(b)桨片数量与安装角度，(c)桨片数量与旋转角度，(d)桨片数量与停留时间

调控沉砂池工艺参数，在提高沉砂池除砂效率的同时，进一步降低有机物的去除率.在确定有机物去除效率的影响，主要受旋转速度和HRT控制的前提下，对图4(a)和图5(a)进行图形叠加，结果见图6.

由图6可知，维持90%的除砂效率条件下，需要尽可能提升旋转速度并降低HRT，因此在选择操作参数上，HRT控制在30～40 s和旋转速度控制在35～45 r/min之间，可以维持高除砂效率，并能够控制有机物去除率低于19%.

图6 旋转速度和水力停留时间对除砂率和有机物去除率的影响

图7 沉砂池沙砾的粒径分布

2.3 沙砾去除效率对比分析

以水厂运行参数为对比，分析优化参数前后旋流沉砂池的可沉颗粒物的尺寸分布，结果见图7.由图7可以发现，本次实验中可沉颗粒的粒径分布在100～1 184 μm之间，沉砂池优化参数后强化了对旋流沉砂池内的细小颗粒的捕获效果.结合砂和有机物去除效率分析，发现参数优化后，除砂效率达到88.9%，优于水厂参数的80.4%，但有机物去除效率增大了3.3%.

3 结论

沉砂池内可沉积粒径≤1 μm的颗粒，颗粒表面覆盖一层含Fe，Al和有机物的絮体.响应面分析具有较高的拟合度，结果证实转速、桨片数量和安装角度3个因子对除砂效率影响较大，最佳参数分别为35 r/min，6片和30°安装角.桨片数量和安装角度对有机物去除率的影响较小，提高转速并减少HRT能够降低有机物去除率.图形叠加法清晰显示，提高除砂率和降低有机物去除率的控制范围在转速为35～45 r/min和HRT为30～40 s的区域内.参数优化后，沉砂池的除砂效率进一步提升，但同时也轻微增大了有机物的去除效率.

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(责任编辑：方 林)

Optimal removal efficiency of grit and organic matter by grit chamber coupled with response surface methodology

ZHOU Huan1，2，CHANG Ying1，LI Hong-jun1，QIAO Xiao-yu1，

WANG Hong-ning1，3，LI Sen2，3，LI Ye2，HUO Ming-xin1，ZHU Sui-yi1，WANG Yi1

(1.Jilin Engineering Research Centre for Municipal Wastewater Treatment and Water Quality Protection，Northeast Normal University，Changchun 130117，China；2.China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.，Changchun 130024，China；3.Jilin Tuo-Da Environment Equipment and Engineering Company，Changchun 130024，China)

Grit particles，collected at the sand hopper of a grit chamber，were covered by some flocculating constituent containing Fe，Al and organic matter.Four factors，such as rotate speed，hydraulic retention time，blade number and its setting angle，were optimized to improve the grit and organic matter removal efficiencies by using the response surface methodology.The result shows that high grit removal efficieney was presented when the grit chamber has 6 pieces of blade and the blade setting angle was fixed at 30°.But the blade number and its setting angle had minor influence on the organic matter removal efficieney.The combined image shows that optimized grit and organic matter removal efficiencies were obtained by keeping the rotate speed in the range of 35 to 45 r/min and reducing the hydraulic retention time to 30 s.The grit chamber running at the optimal parameters significantly improved the fine sand removal comparing with the reference in the municipzed wastewater treatment plant.

grit chamber；response surface methodology；grit removal；parameters optimization；grain diameter

1000-1832(2016)04-0125-07

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.04.027

2015-09-08

国家水体污染控制与治理科技重大专项课题(2014ZX07201-011-004-2)；国家自然科学基金资助项目(51408110，51378098，51238001)；吉林省科技发展计划项目(20150101072JC).

周欢(1991—)，女，硕士研究生；通讯作者：王艺(1978—)，女，博士，讲师，主要从事污水处理与资源化研究.

X 505 [学科代码] 610·30

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