新型一體化污水處理設(shè)備的研究

蔡蘇寧， 董繼先, 談樹美

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000；2.陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008)

0 引 言

隨著人口的增長、工業(yè)的發(fā)展，水資源不斷受到水體污染、水質(zhì)惡化的嚴(yán)重威脅.根據(jù)2005年中國統(tǒng)計年鑒統(tǒng)計，我國2000～2004年排放污水總量從415億噸增長到482億噸，年均污水排放增長率為3.8%.未經(jīng)處理或處理不得當(dāng)?shù)奈鬯苯优欧诺阶匀恢袊?yán)重影響了環(huán)境衛(wèi)生，威脅人們的飲水安全.因此，水資源保護(hù)勢在必行.近年來，污水處理設(shè)備朝著小型化的方向發(fā)展，一體化污水處理設(shè)備應(yīng)運而生.我們在研究國內(nèi)外已有的各種污水處理設(shè)備基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型、高效、集成的一體化污水處理設(shè)備.由于其投資少，運作和管理方便，費用低，從而緩解了水處理行業(yè)對水處理設(shè)備的資金壓力.

1 國內(nèi)外一體化污水處理設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外水處理技術(shù)

美國Pristine公司開發(fā)的Pristine Aquarius污水處理系統(tǒng)[1]是一個簡易、輕便和高效的污水處理設(shè)備.德國普羅名特流體控制有限公司(ProMinent Dosiertechnik GmbH)成功開發(fā)的以膜過濾系統(tǒng)為基礎(chǔ)的污水處理設(shè)備，包括反滲透、超濾、微濾等設(shè)備[2]，主要處理水中的顆粒物，不溶物或無機鹽類濃度要求苛刻的行業(yè)，如電子、電力、釀造和飲料等.

1.2 國內(nèi)一體化污水處理設(shè)備的發(fā)展

1.2.1 城市污水處理設(shè)備

在國家迫切需要治理污水的大環(huán)境下，國內(nèi)出現(xiàn)了許多用于處理城市生活污水的一體化設(shè)備.張秋躍等開發(fā)了用于生活小區(qū)的一體化水處理設(shè)備[3]，采用懸浮填料和潛水曝氣技術(shù)，對COD的去除率可達(dá)80%以上，并且解決了噪音對周圍環(huán)境的影響，安裝維護(hù)方便.

另外一種設(shè)備是一體化地埋式生活污水處理設(shè)備，它是以A/O生化工藝為主，集生物降解污水沉降、氧化消毒等工藝于一體的生活污水及類似生活污水的工業(yè)污水處理設(shè)備.地埋式生活污水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、占地少，全部設(shè)置于地下，運行經(jīng)濟，抗沖擊濃度能力強，處理效率高，管理維修方便.

1.2.2 工業(yè)污水處理設(shè)備

隨著工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)污水也成為擺在人們面前的一個大問題.尤其是在化學(xué)工業(yè)、石油化工、輕紡、制藥、食品和造紙等行業(yè)中，所排放的污水具有種類多、成分復(fù)雜、COD濃度高、可生化性差和有毒害等特點，如果不能進(jìn)行有效的處理，將會對環(huán)境產(chǎn)生十分嚴(yán)重的污染和破壞[4，5].

近年來國內(nèi)工業(yè)污水一體化處理設(shè)備取得了較大的成績.例如FLY-1型一體化凈水器[6]，它是將漩流網(wǎng)格絮凝、小間距斜板沉淀、非溢流濾池等技術(shù)有機地集合在一起，具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、能耗低、占地面積小、造價低、操作簡單等優(yōu)點.

2 新型一體化污水處理設(shè)備設(shè)計創(chuàng)新點

2.1 工藝流程

某紙廠污水經(jīng)物化生化法處理后可以達(dá)到國家綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)的一級標(biāo)準(zhǔn)，但是現(xiàn)在該廠計劃擴建新的生產(chǎn)線，新增生產(chǎn)線相應(yīng)的生產(chǎn)污水排放量約為2 300 m3/d.但根據(jù)要求，在新項目建成投產(chǎn)后，全廠的生產(chǎn)污水總排放量仍須維持在原有的排放水平.因此，必須對部分污水進(jìn)行深度處理，達(dá)到回收利用的要求，從而減少污水排放量，提高水資源利用率.

表1 原有污水處理系統(tǒng)的進(jìn)出水水質(zhì)

根據(jù)工廠的實際情況和對該項目的要求，提出以下工藝方案：污水-格柵-氧化溝-污水一體化處理設(shè)備-清水池.其中污水一體化處理設(shè)備是本處理工藝的主要部分，利用其對污水進(jìn)行深度處理.污水一體化處理設(shè)備是集絮凝-沉淀-過濾等工藝為一體的設(shè)備， 處理流程如圖1所示.

由確定的工藝方案可以得出這樣的結(jié)論：針對企業(yè)新增生產(chǎn)線，一方面污水量有所提高，另一方面由于環(huán)保要求，不能增加企業(yè)污水排放量，即維持原有的污水排放標(biāo)準(zhǔn)這樣一個矛盾的情況，經(jīng)過深入的調(diào)查研究，決定采用在原生物處理系統(tǒng)后增加一體化污水處理設(shè)備，對部分污水進(jìn)行深度處理，從而達(dá)到回用和降低污水排放量的目的.

圖1 污水處理工藝流程

2.2 設(shè)計方案

雖然根據(jù)處理工藝，我們可以確定污水一體化處理設(shè)備的主要部分，但是由于其各個部分機構(gòu)的不同以及各部分布局方式的不同，污水一體化處理設(shè)備根據(jù)其布局結(jié)構(gòu)的不同，可以分為立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)兩種.

(1) 立式結(jié)構(gòu).裝置[7]由混合絮凝區(qū)、沉淀區(qū)和變速過濾區(qū)3部分組成.其中：混合絮凝區(qū)為錐臺體，沉淀區(qū)為扇形錐臺體，變速過濾區(qū)為扇形錐臺體.進(jìn)水由進(jìn)水管進(jìn)入配水區(qū)，之后進(jìn)入混合區(qū)，利用混合區(qū)內(nèi)置分隔板進(jìn)行混合；然后直接進(jìn)入絮凝區(qū)，進(jìn)行網(wǎng)格絮凝；之后通過集水管出水至斜板沉淀區(qū)進(jìn)行沉淀；接著由集水槽集水至變速過濾區(qū)進(jìn)行過濾，過濾區(qū)設(shè)置多孔介質(zhì)，在下部設(shè)反洗水管、出水管；最后通過濾池下部的出水管出水.此3部分構(gòu)成一體化凈水裝置，如圖2所示.

(2) 臥式結(jié)構(gòu).臥式結(jié)構(gòu)裝置由絮凝池、中間池、沉淀池、過濾池及反沖洗等部分組成.污水經(jīng)管道進(jìn)入絮凝池后，在攪拌機構(gòu)的作用下反應(yīng)，流入中間池；然后進(jìn)入斜管沉淀池中，過濾后進(jìn)入過濾池，最后排出.反沖洗時，關(guān)閉進(jìn)水管，反沖洗水進(jìn)入過濾池進(jìn)行沖洗，污泥經(jīng)排泥管排出,如圖3所示.

污水一體化處理設(shè)備還可以根據(jù)構(gòu)成它的各個部分的不同進(jìn)行分類.例如根據(jù)絮凝池中攪拌機構(gòu)的不同，絮凝池即可分為機械絮凝、水力絮凝和增加顆粒絮凝等；根據(jù)絮凝機械的布置方式不同，可以分為水平軸機械攪拌絮凝與垂直軸機械攪拌絮凝等.

圖2 立式一體化處理方案 圖3 臥式一體化處理方案

污水一體化處理設(shè)備就整體布局分類大體分為立式和臥式兩種.兩種方案各有優(yōu)缺點.方案一，裝置具有較好的水力特性，死角少，處理效果相對較好.方案二，除了具有較好的處理效果外，裝置呈立方體，各個處理部分加工方便，同時由于臥式分布，整體高度相對低，對廠房、泵等設(shè)施要求相對較低.

綜合考慮，我們選用了方案二，我們在采用臥式結(jié)構(gòu)的同時，盡量提高裝置的水力特性，減少死角.其中，絮凝部分采用垂直軸攪拌機構(gòu)以提高絮凝反應(yīng)效率；采用異向斜管，提高沉淀效果；采用大水力布水設(shè)備，提高整體布水效果；采用氣水反沖洗，提高過濾池的使用效果.

2.3 攪拌機構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計中采用的是機械絮凝池，它是通過電機通過軸帶動葉片而使液體運動以完成絮凝過程.本設(shè)計中采用垂直軸式、旋轉(zhuǎn)運動方式，通過無級變速電機帶動軸轉(zhuǎn)動，具有轉(zhuǎn)速可調(diào)、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點.

圖4 攪拌用無級變速電機 圖5 攪拌用聯(lián)軸器

(1) 無級變速電機選用上海長城無級變速減速器(MBL07-Y0.55-V1-270)，如圖4所示.

(2) 聯(lián)軸器選用JMⅡ2 J1 2052/J1 3860，如圖5所示.

(3) 軸的設(shè)計.由于攪拌葉片與軸焊接，不需要在軸上設(shè)計多個軸肩，因此軸除了兩端外，為方便設(shè)計加工，采用統(tǒng)一直徑,一端通過連軸器與無級變速電機連接，另一端利用球軸承固定.

設(shè)計結(jié)果如圖6所示：φ38段，長50 mm；φ50段，長2 950 mm.

圖6 攪拌用軸

2.4 沉淀池設(shè)計

沉淀池是污水處理中重要的裝置之一，工程中采用異向流斜管沉淀池.將斜管引入沉淀池的沉淀區(qū)可以有效降低其表面負(fù)荷. 其最大設(shè)計流量為60 m3/h，總變化系數(shù)KZ=1.45，斜管長度l=1 m，顆粒有效速度μ=0.4 mm/s，清水區(qū)上升流速v=3.0 mm/s，采用升流式異向流斜管沉淀池，斜管采用D35聚丙烯管，水平傾角為60°.為了實現(xiàn)設(shè)備的集成，清水區(qū)面積寬度為2.5 m, 沉淀池長度為5.3 m.考慮導(dǎo)管端絮流、積泥等因素，過渡區(qū)采用斜管長度為200 mm，斜管總長度為1 000 mm.

采用穿孔管排泥，一般設(shè)計時穿孔管橫行布置.但是在本設(shè)計中考慮到作為二次深度處理，污泥量較小，并且設(shè)備各部分要集成制造，因此采用縱向布置， 選用DN200的穿孔排泥管，長度比沉淀池長度稍長即可，取5.6 m.

2.5 過濾池設(shè)計

沉淀池每天工作24 h，每次沖洗6 min，停留40 min，實際工作時間為23.62 h.通過計算，過濾池總高取3.2 m.

2.6 中間池設(shè)計

為了實現(xiàn)各個部分的集成，使最后形成的設(shè)備具有規(guī)則的形狀，由以上沉淀池和絮凝池的設(shè)計尺寸可以確定中間池的尺寸為2.5 m×1.5 m.

2.7 反沖洗設(shè)計

反沖洗用水量按水洗強度最大時計算.單獨水洗時反沖洗強度最大.反沖洗水由反沖洗配水干管輸送到氣水分配管，由氣水分配管底側(cè)的布水方孔配水到濾池底部分水區(qū)，反沖洗水通過配水方孔的流速按反沖洗配水支管的流速取值.

2.8 輔助裝置選擇

2.8.1 管道混合器的選擇

混合設(shè)備的設(shè)計應(yīng)根據(jù)所用的混凝劑品種，使藥劑與水進(jìn)行恰當(dāng)?shù)募眲?、充分地混?一般混合時間為10～30 s.混合方式基本分為兩大類，水力混合和機械混合.水力混合簡單，但不能適應(yīng)流量地變化；機械混合可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，能適應(yīng)各種流量地變化.具體采用何種混合方式，應(yīng)根據(jù)處理工藝布置、水質(zhì)、水量、投加藥劑品種及數(shù)量以及維修條件等因素確定.

2.8.2 在線濁度儀選擇

綜上所述，采用該春提早栽培技術(shù)生產(chǎn)青椒，產(chǎn)量高，效益好，風(fēng)險小，且可達(dá)到早上市、搶市場、創(chuàng)高效的目的。但仍需結(jié)合青椒所在種植地的實際情況，不斷加強田間管理、做好病蟲害的防治工作，并按照行業(yè)情形、資源消耗等方面充分利用該栽培技術(shù)，從而為市場供應(yīng)新鮮青椒供人們食用，滿足人們對青椒的需求。

圖7 設(shè)備設(shè)計圖

由于深度處理的水需要回用，因此對水質(zhì)要求較高.在水處理的同時需要對水質(zhì)實行實時檢測，與要求的處理標(biāo)準(zhǔn)做比較，反饋比較量，控制絮凝劑的添加量和污水的輸入量，從而達(dá)到比較穩(wěn)定的處理效果.

設(shè)計中采用在線濁度儀，安裝在一體化處理設(shè)備的出水管道中，實時監(jiān)控排出的水的質(zhì)量.由于采用兩臺一體化處理設(shè)備，因此選用兩套在線濁度儀.

2.8.3 消毒設(shè)備選擇

經(jīng)一體化處理設(shè)備處理后的水，需經(jīng)過消毒處理才能排放到清水池中，從而實現(xiàn)回用.消毒部分包括二氧化氯發(fā)生器、鹽酸儲存罐、氯酸鈉存儲間、化料器等設(shè)備.

2.8.4 一體化處理設(shè)備扶手及梯子設(shè)計

為使設(shè)備的設(shè)計更加符合人機工程學(xué)，方便操作人員管理設(shè)備，利用碳鋼制造出扶手，同時考慮到設(shè)備比較高，需要設(shè)備梯子.

將絮凝池、中間池、沉淀池和過濾池集成，總體布局成矩形.污水一體化處理設(shè)備設(shè)計圖如圖8所示.

3 結(jié)束語

(1)采用絮凝-沉淀-過濾處理工藝相結(jié)合的方案，對工業(yè)污水進(jìn)行深度處理，實際運行表明，處理工藝比較合理，能夠達(dá)到污水排放以及回用的標(biāo)準(zhǔn).

(2)根據(jù)污水水質(zhì)的不同，本研究在一體化處理設(shè)備中集成了新的生物處理模塊——氧化溝模塊，從而使一體化處理設(shè)備具有更大的柔性，不僅可用于處理工業(yè)污水，也可以用于對中小型河流水進(jìn)行凈化處理.

參考文獻(xiàn)

[1] Pristine. Aquarius Bulk Water Treatment Components[EB/OL]. http://www.pristine.ca/aquarius.html,2004-06-20.

[2] Prominent. Productions[EB/OL] http://www.prominent.com.cn, 2004-09-06.

[3] 張秋躍，任 偉．生活小區(qū)污水處理設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用[J]．環(huán)境保護(hù)，2004，5：35-38．

[4] Otero M, Calvo L F, Estrada B,etal. Thermogravimetry as a technique for establishing the stabilization progress of sludge from wastewater treatment plants[J]. Themochimica Acta, 2002 , 389(1-2)：121-132.

[5] Jiang J Q , Lioyd B. Progress in the development and use of ferrate(Ⅵ) salt as an oxidant and flocculant for water and wastewater treatment[J]. Water Research， 2002，36：1 397-1 408.

[6] 胡明忠，王小雨，郭紅軍,等．FLY-1型一體化凈水設(shè)備的工藝特點[J]．中國給水排水，2003，19(6)：62-63．

[7] 馮亞兵．一體化凈水裝置試驗研究[D]．重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004．