關于懸浮污泥過濾技術的設計計算

楊志勇， 文長明

（1.齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾161005；2.安徽青地球環保科技有限公司，安徽 宿州235280）

1 引 言

懸浮污泥過濾技術由沉降裝置和分離裝置兩大部分組成。其原理是先加混凝劑，再加助凝劑，將污水中的懸浮小顆粒凝聚成大塊絮體；然后依靠旋流力學原理，使絮體分離，形成懸浮的污泥層。當混凝后的出水由下向上流過此懸浮泥層時，此濾層靠界面物理吸附和電化學特性及范德華力的作用，將懸浮物雜質全部攔截在此懸浮泥層上，使出水水質達到回用標準。

唐紅軍等人應用懸浮污泥過濾技術設計的污水處理系統是一套物理、化學的處理裝置，其核心部分是凈化器和藥劑，并通過藥劑的作用使得水中污染物凝聚成大塊密實的絮體［1］。

張逢玉等人應用懸浮污泥過濾技術對大慶油田石英砂過濾器結構進行改造,并采用改造后的裝置對油田污水進行了深度處理，該試驗取得了良好的處理效果。出水懸浮物質量濃度小于3mg/L，濾出水懸浮物去除率達到96.4%，油去除率達到97.0%，水質均達到油田回注水標準［2］。

劉紅等人應用懸浮污泥過濾技術處理油田污水也取得了良好的社會經濟效益［3］。

2 懸浮污泥過濾技術的理論基礎

2.1 觀點的提出

懸浮污泥過濾技術是一門近年來研制成功的高新技術，它的出現必然要逐漸替代現有的很多落后的污水處理技術和裝備。關于懸浮污泥過濾技術的應用已經有了很多的研究報告。唐紅軍、張逢玉、劉紅等人［1］的研究結果都對懸浮污泥過濾技術的應用效果給予了十分肯定的、積極的認同。

那么，懸浮污泥過濾技術到底是以什么理論作為設計計算的基礎的呢？對這方面做過分析闡述的研究單位十分稀少，為此，筆者對其進行了研究，旨在指出懸浮污泥過濾技術設計計算的理論基礎。

2.2 沉降與分離是懸浮污泥過濾技術的核心

沉降過程的核心內容就是要通過各種物理的、化學的方法使溶解、懸浮在介質中的顆粒析出并增大。在沉降罐里，根據處理段數的需要，可以設計成一沉、二沉等，用多少個沉降完全由被處理的污水特性和出水要求決定的。每一個沉降的內容可以相同、也可以不相同，所投加的藥劑可以相同也可以不同。后一個沉降可以是前一個沉降的繼續，也可以是專門為了沉降某種物質而設計的。各種藥劑投加到不同的沉降罐里，藥劑都是專門的，在沉降罐內，通過化學反應使污水中溶解狀態的有機污染物、重金屬離子和有害鹽類從水中析出，形成具有固相界面的膠粒或微小懸浮顆粒，進而凝聚成大塊密實的絮體。

2.3 混合流的流態化是分離的核心技術

污泥經過一沉、二沉等沉降裝置絮凝增大以后，在壓力狀態下，進入分離設備，這個設備就是我們在現場所看到的龐大的罐體（如圖1），進入分離裝置的污泥不斷地增大增厚，并且停留在罐體的一定位置，厚厚的污泥層取代了傳統的過濾介質，過濾著流過的混合流，混合流中的污泥被截留下來，使污泥層不斷增厚，清水則順利通過污泥層的阻截，繼續上升，從清水管流出。當污泥層的厚度超過中央污泥收集筒的高度時，超過的部分會自動地掉入污泥收集筒中，進入污泥濃縮室。在這個分離裝置內，污泥能否懸浮、停留在罐體里的某個位置，取決于夾帶著污泥的混合流工作在什么樣的流化狀態。

圖1 懸浮污泥過濾設備工作示意圖

2.4 分離裝置是工作在固定床階段或流化床階段初期的流化裝置

如圖2，在垂直裝有固體顆粒的床層中，流體自下而上通過床層，隨著流速從小到大變化，床層將出現下述三種不同的階段［4］。

圖2 不同流速下床層狀態的變化

2.4.1 固定床階段

如圖2（a）所示，流體通過床層的流速較低，流體對顆粒的曳引力較小，顆粒之間緊密接觸，靜止不動，床層高度不變，該階段10-4

式中：Rep-混合流雷諾數；ξ－曳力系數；ds－顆粒的直徑，m；ρs－顆粒的密度，kg/m3；ρ－流體的密度，kg/m3；ut－顆粒的自由沉降速度，m/s。

2.4.2 流化床階段

圖2（b）、（c）、（d）所示，當流體速度增加到一定值時，流體對顆粒的曳引力增加到與顆粒的凈重力相等，流體通過床層的阻力等于單位截面床層的重量時，顆粒開始浮動，床層高度有所增加，而且會隨著流速的增大繼續提高。該階段1

2.4.3 液力輸送階段

當流體流速等于顆粒沉降速度ut時，顆粒被帶出容器外，床層界面消失，此時的流速稱為流化床帶出速度，流速高于帶出速度后，就是流體輸送階段。該階段1000

3 沉降與分離原理

顯然，懸浮污泥過濾裝置中的分離裝置一定不能工作在液力輸送階段，必須使分離裝置工作在固定床階段的后期或流化床階段，床層要有明顯的分界面，通過調整進入分離裝置的混合流流速，可以改變床層的高度，但是不要讓流速接近流化床的帶出速度，否則，污泥就會被帶出，影響分離效果。

一沉、二沉等沉降裝置中，混合流是工作在固定床階段的，Stokes 公式中影響因子有：μ，ρs，ρ，ds。對于一個特定的處理工藝來說，μ、ρ 是不可選擇的；如果藥劑確定了，則ρs也就定了。在沉淀的過程中，唯一可以隨時改變的就是絮體直徑ds，而且沉降速度ut和ds成平方關系，更進一步說明了在沉淀池中增加ds的必要性和重要性。從沉降裝置的生產現場也可以觀察到，凡是從出水堰跑出去的都是小的絮體（俗稱“跑渾”）。為了提高出水水質，提高分離效果，必須重視在沉降裝置中的混凝效果，就是說，除了必須想辦法在沉降裝置的構造設計、水流流態、沉降裝置中的填料布置等方面著手分析、改造，通過一系列手段，造成沉降裝置中的混凝效果，還要控制混合流工作在固定床階段，較低的流速容易造成沉降裝置中絮體的不斷增大，更容易使絮體接觸，絮體靠近、接觸、碰撞，才能吸附、黏附、粘結、橋連在一起。

一沉到二沉之間的管道輸送、沉降裝置到分離裝置之間的管道輸送，混合流是要工作在液力輸送階段的。

通過Allen 公式可以計算出分離裝置的最小外徑和來水管道內徑，實際工程設計只要保證罐體的直徑大于這個最小值，就會使混合流進入分離裝置內部以后，逐漸形成污泥層，隨著過濾的繼續，污泥層不斷增厚，最后落入污泥收集室。

懸浮污泥過濾技術是一個物理、化學的綜合分離技術，工藝上沉降與分離之間有著密不可分的依賴關系，沉降的效果決定著分離的效果，只有沉降達到指標了，分離才會達到指標。工程實踐中，在分離裝置調試正常的情況下，出水仍然不達標，多半要重新改進沉降工藝，使用新的藥劑。該技術設計理念新穎，利用污水自身形成的致密懸浮泥層進行水質的凈化、過濾，打破了傳統的機械過濾模式，其功能相當于目前的污水預處理系統和精細過濾系統的總和。它的特點就是：處理精度高，處理后水質可以達到A2-A3 級標準，且水質穩定；運行費用低，適用范圍廣，適用于各種工業污水及生活污水處理，對油田采油污水處理更具有明顯的效果，并且對來水水質條件要求不高；一次性投資少，設備在常壓狀態下工作運行，系統設備一次性投資少；沒有濾料的污染和更換問題，在保證水質的前體下，節約了濾料的更換、再生費用，操作維修簡便；占地少、凈化乳化油和懸浮物的效果特別好。

懸浮污泥過濾技術是最近幾年才開始應用的新技術，這方面的技術不僅可以應用于油田，同樣可以應用于其它行業需要進行污水處理的項目中。

［1］ 唐紅軍，等.懸浮污泥過濾技術用于油田含油污水處理的試驗［J］.油氣田地面工程，2005（4）：35.

［2］ 張逢玉，等.懸浮污泥過濾工藝在油田污水深度處理中的應用［J］.現代化工，2007（8）：55-58.

［3］ 劉紅，等.懸浮污泥過濾技術應用于油田采出水處理［J］.油氣田地面工程，2005（7）：22-23.

［4］ 文長明.散狀物料氣力輸送和DCS 系統的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.