气提原理在虹吸式刮吸泥机的研究与应用

文_李维 丁云松 杨晓东

1 重庆市忠县排水有限公司 2 重庆市渝东水务有限公司

传统刮吸泥机在实际运行的过程中，不仅经常会出现吸泥扁口堵塞的情况，需要定期安排人工进行冲洗。而且在生物池浓度较高的情况下，刮吸泥机的回流污泥效率将会受到较大影响，外回流比降低幅度较大。此外，当刮吸泥机遭受泥浆水、施工废水冲击时，就会导致二沉池池底的污泥含量急剧提升，严重影响污泥刮吸。

1 气提原理

整个气提过程属于物理变化范畴，其主要应用的是亨利定律，通过提高一相分压来降低另一相分压，以此破坏原有的气液平衡状态，达到新的平衡。在实际操作过程中，通过将空气注入升液管当中，以此改变介质密度，使得升液管内外介质存在一定密度差，进而实现介质提升。

在实际应用气提原理的过程中，会先将气体通入到提升管的底部，在浮力的作用下，气泡会逐渐上升，最终充满整个提升管，此时提升管内部就形成了水、气混合液，而提升管的外部则是污水，为达到气提的目的，管内外是连通的。式（1）为提升管内外液体平衡公式。

式中ρ1-污水的密度（kg/m3）；ρ2-提升管内水气溶液的密度（kg/m3）；H-淹没深度；L-提升高度+淹没深度，H/L-淹没率。

从等式关系可以发现，在实际进行气提的过程中，只要满足ρ1H>ρ2L这一要求，就能够使得管内水气溶液逐渐上升实现提升，对式（1）进行变换移项得到式（2）。

由式（2）分析可知，在实际进行气提的过程中，想要使得管内水溶液上升到一定高度L-H，就必须确保淹没深度达到H，同时还需要系统提供一定的压缩空气，保障提升管内的密度能够达到ρ2。

气提原理在虹吸式刮吸泥机中的应用，主要是通过配置适用于虹吸式刮吸泥机的气提装置得以实现。

2 案例概况

本次研究以明镜滩污水处理厂一期工程二沉池为例，在气提原理的基础上，应用气提装置，对虹吸式刮吸泥机进行改造，以此达到提升虹吸式刮吸泥机能力，降低污水处理厂经济成本的目的。

明镜滩污水处理厂一期工程设计处理规模3万m3/d，采用A/A/O工艺。分为两组系列，单组二沉池直径32m、池边水深3m，采用周边传动虹吸式刮吸泥机，安装吸泥管14根，管径DN100，吸泥管顶部安装锥形阀调节提升污泥量，集液槽内外液位差32～35cm。二沉池采用集电环供电，预留用电功率约5kW。刮吸泥机桥架最大承重500kg。

3 气提原理在虹吸式刮吸泥机的研究

3.1 风机类型

虹吸式刮吸泥机常用的风机类型有两种，其一为空压机，即空气压缩机，结构与水泵相似，种类十分繁多；其二为罗茨鼓风机，是一种容积回转式鼓风机，结构相对简单，适用于各种低压力场合气体的输送和加压。在相同风量情况下，空压机作为一种压力容器，功率相对较高，而且在启动过程中电流相对较大，在间歇运行时，会出现频繁启停情况，空压机会对集电环造成较大的冲击和影响。综合上述分析，在进行案例污水处理厂刮吸泥机改造升级的过程中，最终决定选用罗茨鼓风机。

3.2 安装操作

在实际进行机型鼓风机安装的过程中，为保障整体结构稳定，选用了型号为DN32的镀锌钢管铺设在桥架两侧，将鼓风机安装在桥架的中心，并将吸泥管与鼓风支管进行连接，同时为每根鼓风支管安装相应控制阀门，以此控制风量。结合水处理厂的实际情况，需要将风管浸没深度控制在2.5～3m之间。鼓风机安装示意图，见图1。

图1 鼓风机安装示意图

3.3 污泥浓度测试

在安装好鼓风机之后，对改造后虹吸式刮吸泥机进行试运行，并对改造前后的污泥浓度进行检测，检测结果如表1所示。将表1检测结果绘制成折线图，见图2。由图2可知，在安装气提装置之后，二沉池边缘的污泥沉积量有了极大地改善，而且提升的混合液浓度也相对较高，说明在安装气提装置之后，虹吸式刮吸泥机的污泥处理效果有了极大地提升，并且二沉池底部的积淤情况也得到了缓解，有效解决了传统虹吸式刮吸泥机管道淤堵的问题。

图2 安装前后提升污泥浓度对比折线图

表1 安装前后提升污泥浓度对比数据

3.4 风量测试

风量测试的主要目的是确定在实际应用气提虹吸刮吸泥机过程中的最佳风量，确保气提以及吸泥排污能够达到最佳效果。在案例污水处理厂中，通过对10d不同风量情况进行测试，并对提升量和回流污泥浓度进行检测试验，试验结果如表2所示。其中提升量为回流量与剩余污泥量之和。由表2测试结果可知，在风量相对较小的情况下，提升量的波动情况相对较小，基本维持在26700m3/d左右，而当鼓风机中的风量达到1.0m3/min时，提升量得到了显著地提升，并且随着风量的不断加大，提升量也在不断增加，二者呈现出正比关系，但是当风量达到2.0m3/min时，随着风量的进一步提升，提升量则呈现出了下降趋势，而且回流污泥浓度也随着风量的增加而逐渐减小。结合试验结果，在现场进行风量测试发现，随着风量的不断加大，集液槽内外液之间的位差逐渐缩小，当风量达到2.0m3/min时，内外液差达到相对对平衡的状态，但是随着风量的进一步增加，提升液体波动不断变大，甚至溅出集液槽外。因此，经过试验和现场测试之后，最终确定鼓风机的风量为1.8m3/min，此时单组提升量增加9.7%左右。

表2 风量测试及其效果

4 总结与评价

4.1 排污效果方面

基于气提原理，在经过对虹吸式刮吸泥机进行改造和更新之后，确定了鼓风量为1.8m3/min，此时升级后的刮吸泥机排污效果如下：

①通过对风量以及鼓风位置的控制和调节，能够有效提升二沉池污泥的处理能力，进一步缩短污泥在二沉池当中的停留时间，减少污泥沉积，以此实现对于泥位的进一步控制，降低漂泥情况出现的概率，有效保障了出水质量。

②经过气提改造和升级之后，刮吸泥机的回流污泥浓度从原有的10000mg/L左右，提高至15000mg/L左右，以此降低回流比，进而加强对于污泥回流能耗的控制，达到节能降耗的目的。

③气提式刮吸泥机有效解决了传统刮吸泥机吸泥管底部扁嘴堵塞的问题，减少了每月清洗吸泥扁嘴的次数，该污水处理厂清洗扁嘴的次数由原来的每月6次，降至每月1到2次左右。

④气提装置的应用，进一步提升了刮吸泥机应对各种异常情况的能力，即便是在生物池高浓度、泥浆水冲击等情况之下，也能够尽可能的保障整个装置稳定运行。

4.2 经济效益方面

气提原理在虹吸式刮吸泥机当中的应用，不仅进一步提高了污水处理厂的排污能力，同时也为污水处理厂节约了大量的成本。首先，由于气提装置的应用，有效改善了刮吸泥机吸泥管底部扁嘴堵塞情况，清洗虹吸管的频率下降，当前该污水处理厂每月仅需清洗两次虹吸管即可，每个月节约了1600元的清洗费用，一年下来能够节约2万元左右的清洗费用。其次，经上述计算分析可知，新装置的应用极大地提高了回流液的浓度，在实际系统运行的过程中，在保障外回流效果不变的同时，可通过调整回流比的方式减少运行的回流泵数量。基于案例污水处理厂的实际情况，可在实际运行时减少一台功率为22kW的回流泵，帮助该厂节约电量约15万kWh/a，节约费用约9万元。最后，由于增加了鼓风机，使得该厂年耗电量增加3.1万kWh，增加电费1.86万元。

5 结语

在原有虹吸式刮吸泥机的基础上，科学应用“气提原理”对设备进行改造，通过对污泥流量、浓度以及风量的测试，改造后的刮吸泥机不仅能够减少二沉池中的泥位高度，有效保障了出水水质，同时还提高了回流污泥的浓度，降低外回流比，不仅节能降耗效果十分明显，还减少了刮泥机吸管堵塞情况。因此，气提原理在虹吸式刮吸泥机中的应用有着一定理论和实践意义。