关于悬浮污泥过滤技术的设计计算

杨志勇， 文长明

（1.齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔161005；2.安徽青地球环保科技有限公司，安徽 宿州235280）

1 引 言

悬浮污泥过滤技术由沉降装置和分离装置两大部分组成。其原理是先加混凝剂，再加助凝剂，将污水中的悬浮小颗粒凝聚成大块絮体；然后依靠旋流力学原理，使絮体分离，形成悬浮的污泥层。当混凝后的出水由下向上流过此悬浮泥层时，此滤层靠界面物理吸附和电化学特性及范德华力的作用，将悬浮物杂质全部拦截在此悬浮泥层上，使出水水质达到回用标准。

唐红军等人应用悬浮污泥过滤技术设计的污水处理系统是一套物理、化学的处理装置，其核心部分是净化器和药剂，并通过药剂的作用使得水中污染物凝聚成大块密实的絮体［1］。

张逢玉等人应用悬浮污泥过滤技术对大庆油田石英砂过滤器结构进行改造,并采用改造后的装置对油田污水进行了深度处理，该试验取得了良好的处理效果。出水悬浮物质量浓度小于3mg/L，滤出水悬浮物去除率达到96.4%，油去除率达到97.0%，水质均达到油田回注水标准［2］。

刘红等人应用悬浮污泥过滤技术处理油田污水也取得了良好的社会经济效益［3］。

2 悬浮污泥过滤技术的理论基础

2.1 观点的提出

悬浮污泥过滤技术是一门近年来研制成功的高新技术，它的出现必然要逐渐替代现有的很多落后的污水处理技术和装备。关于悬浮污泥过滤技术的应用已经有了很多的研究报告。唐红军、张逢玉、刘红等人［1］的研究结果都对悬浮污泥过滤技术的应用效果给予了十分肯定的、积极的认同。

那么，悬浮污泥过滤技术到底是以什么理论作为设计计算的基础的呢？对这方面做过分析阐述的研究单位十分稀少，为此，笔者对其进行了研究，旨在指出悬浮污泥过滤技术设计计算的理论基础。

2.2 沉降与分离是悬浮污泥过滤技术的核心

沉降过程的核心内容就是要通过各种物理的、化学的方法使溶解、悬浮在介质中的颗粒析出并增大。在沉降罐里，根据处理段数的需要，可以设计成一沉、二沉等，用多少个沉降完全由被处理的污水特性和出水要求决定的。每一个沉降的内容可以相同、也可以不相同，所投加的药剂可以相同也可以不同。后一个沉降可以是前一个沉降的继续，也可以是专门为了沉降某种物质而设计的。各种药剂投加到不同的沉降罐里，药剂都是专门的，在沉降罐内，通过化学反应使污水中溶解状态的有机污染物、重金属离子和有害盐类从水中析出，形成具有固相界面的胶粒或微小悬浮颗粒，进而凝聚成大块密实的絮体。

2.3 混合流的流态化是分离的核心技术

污泥经过一沉、二沉等沉降装置絮凝增大以后，在压力状态下，进入分离设备，这个设备就是我们在现场所看到的庞大的罐体（如图1），进入分离装置的污泥不断地增大增厚，并且停留在罐体的一定位置，厚厚的污泥层取代了传统的过滤介质，过滤着流过的混合流，混合流中的污泥被截留下来，使污泥层不断增厚，清水则顺利通过污泥层的阻截，继续上升，从清水管流出。当污泥层的厚度超过中央污泥收集筒的高度时，超过的部分会自动地掉入污泥收集筒中，进入污泥浓缩室。在这个分离装置内，污泥能否悬浮、停留在罐体里的某个位置，取决于夹带着污泥的混合流工作在什么样的流化状态。

图1 悬浮污泥过滤设备工作示意图

2.4 分离装置是工作在固定床阶段或流化床阶段初期的流化装置

如图2，在垂直装有固体颗粒的床层中，流体自下而上通过床层，随着流速从小到大变化，床层将出现下述三种不同的阶段［4］。

图2 不同流速下床层状态的变化

2.4.1 固定床阶段

如图2（a）所示，流体通过床层的流速较低，流体对颗粒的曳引力较小，颗粒之间紧密接触，静止不动，床层高度不变，该阶段10-4

式中：Rep-混合流雷诺数；ξ－曳力系数；ds－颗粒的直径，m；ρs－颗粒的密度，kg/m3；ρ－流体的密度，kg/m3；ut－颗粒的自由沉降速度，m/s。

2.4.2 流化床阶段

图2（b）、（c）、（d）所示，当流体速度增加到一定值时，流体对颗粒的曳引力增加到与颗粒的净重力相等，流体通过床层的阻力等于单位截面床层的重量时，颗粒开始浮动，床层高度有所增加，而且会随着流速的增大继续提高。该阶段1

2.4.3 液力输送阶段

当流体流速等于颗粒沉降速度ut时，颗粒被带出容器外，床层界面消失，此时的流速称为流化床带出速度，流速高于带出速度后，就是流体输送阶段。该阶段1000

3 沉降与分离原理

显然，悬浮污泥过滤装置中的分离装置一定不能工作在液力输送阶段，必须使分离装置工作在固定床阶段的后期或流化床阶段，床层要有明显的分界面，通过调整进入分离装置的混合流流速，可以改变床层的高度，但是不要让流速接近流化床的带出速度，否则，污泥就会被带出，影响分离效果。

一沉、二沉等沉降装置中，混合流是工作在固定床阶段的，Stokes 公式中影响因子有：μ，ρs，ρ，ds。对于一个特定的处理工艺来说，μ、ρ 是不可选择的；如果药剂确定了，则ρs也就定了。在沉淀的过程中，唯一可以随时改变的就是絮体直径ds，而且沉降速度ut和ds成平方关系，更进一步说明了在沉淀池中增加ds的必要性和重要性。从沉降装置的生产现场也可以观察到，凡是从出水堰跑出去的都是小的絮体（俗称“跑浑”）。为了提高出水水质，提高分离效果，必须重视在沉降装置中的混凝效果，就是说，除了必须想办法在沉降装置的构造设计、水流流态、沉降装置中的填料布置等方面着手分析、改造，通过一系列手段，造成沉降装置中的混凝效果，还要控制混合流工作在固定床阶段，较低的流速容易造成沉降装置中絮体的不断增大，更容易使絮体接触，絮体靠近、接触、碰撞，才能吸附、黏附、粘结、桥连在一起。

一沉到二沉之间的管道输送、沉降装置到分离装置之间的管道输送，混合流是要工作在液力输送阶段的。

通过Allen 公式可以计算出分离装置的最小外径和来水管道内径，实际工程设计只要保证罐体的直径大于这个最小值，就会使混合流进入分离装置内部以后，逐渐形成污泥层，随着过滤的继续，污泥层不断增厚，最后落入污泥收集室。

悬浮污泥过滤技术是一个物理、化学的综合分离技术，工艺上沉降与分离之间有着密不可分的依赖关系，沉降的效果决定着分离的效果，只有沉降达到指标了，分离才会达到指标。工程实践中，在分离装置调试正常的情况下，出水仍然不达标，多半要重新改进沉降工艺，使用新的药剂。该技术设计理念新颖，利用污水自身形成的致密悬浮泥层进行水质的净化、过滤，打破了传统的机械过滤模式，其功能相当于目前的污水预处理系统和精细过滤系统的总和。它的特点就是：处理精度高，处理后水质可以达到A2-A3 级标准，且水质稳定；运行费用低，适用范围广，适用于各种工业污水及生活污水处理，对油田采油污水处理更具有明显的效果，并且对来水水质条件要求不高；一次性投资少，设备在常压状态下工作运行，系统设备一次性投资少；没有滤料的污染和更换问题，在保证水质的前体下，节约了滤料的更换、再生费用，操作维修简便；占地少、净化乳化油和悬浮物的效果特别好。

悬浮污泥过滤技术是最近几年才开始应用的新技术，这方面的技术不仅可以应用于油田，同样可以应用于其它行业需要进行污水处理的项目中。

［1］ 唐红军，等.悬浮污泥过滤技术用于油田含油污水处理的试验［J］.油气田地面工程，2005（4）：35.

［2］ 张逢玉，等.悬浮污泥过滤工艺在油田污水深度处理中的应用［J］.现代化工，2007（8）：55-58.

［3］ 刘红，等.悬浮污泥过滤技术应用于油田采出水处理［J］.油气田地面工程，2005（7）：22-23.

［4］ 文长明.散状物料气力输送和DCS 系统的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.