工艺技术 探讨：水力不均对污水厂工艺运行的影响

在污水处理厂中，最经常见到的就是大量的水体流动，这些水体流动过程中，会产生很多与流动水体相关的力学现场，这是污水厂内的水力学的研究范畴，具体来说水力学的水动力学的范围，从学科划分上是水动力学，但是污水厂中，高层次的技术人员较少，完全理解水动力学的人员较少，对一些实际产生的工况就很难理解，特别是造成了工艺影响未能引起足够的注意。


水动力学研究的是液体在运动状态下的力学规律及其应用，主要探讨管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介质渗流的流动规律，以及流速、流量、水深、压力、水工建筑物结构的计算，以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪除涝、河道整治及港口工程中的水力学问题。由于污水厂中污水是在不断的流动过程中得到各级别的处理，因此了解一些简单的水动力学知识是有必要的。但是水力学的理论复杂，理解起来难度较大，实际应用更加困难，我们怎么在运行管理中理解水动力学因素的影响呢？

为了使大家易于理解，将从最为常见的水力不平衡问题来讨论水动力学在污水厂的运营管理中的应用，希望能通过简单的介绍，使大家意识在污水厂的工艺管理水力学因素影响，也是个抛砖引玉的作用。

一般污水厂都不是一条处理线，为了工艺稳定运行保证，污水厂都建设有多条处理线路，最少也要两条处理线路，两条处理线路就有配水不均衡问题，配水不均衡造成了工艺运行上出现很多问题。先举一个比较极端的例子，某污水厂在建设期间，受到环保工期的制约，在施工后期，工程进度快速推进，很多工程进度都在很混乱的情况完成了。两座二沉池从施工结束后，根据水量的增加情况，逐个投入运行，在单池运行，和双池负荷不满的运行工况下，并没有什么问题。

但是处理水量逐步达到设计负荷的80~90之后，运行人员发现两座系统的运行总有差别，污泥浓度和溶解氧等不论怎么调整，两条系统就是很难调整均衡，特别是二沉池，其中一座二沉池总是不如另一座二沉池配水充足，水力负荷一直不均衡，导致单池运行负荷一个过大，一个过小，活性污泥沉淀时间不均衡，导致出水中悬浮物较高，出水水质不稳定。反复进行了各个环节的检查，包括二沉池进水的分配，剩余污泥的排放阀门控制，回流污泥虹吸阀门的调整，二沉池水位高低的检测是否存在地基沉降不均衡等等。但是都找不到彻底解决的原因，导致两条线路的工艺均衡调整非常困难。

直到一次进行二沉池排水检修底部的吸泥喇叭方管过程中，发现在二沉池中心配水的管井上开的四个配水口上，有施工过程中水泥支模的模板竟然还未完全拆除，导致配水口被堵掉半个。这被堵的半个出水口，造成这个二沉池配水管道的阻力较大，导致曝气池出水配水向阻力小的二沉池流动，导致阻力小的二沉池水力负荷大，出水水质受到影响，工艺调整困难。进行了模板拆除后，两座二沉池水力分配均衡，工艺调整很快实现了平衡，保证了出水水质的稳定，这就是水力平衡在工艺管理中的作用。

再来举一个复杂的例子：某污水厂共有三条工艺处理线路，分两期建设，在三条线路中，第一和第二条线路为一期建设，第三为二期建设。三条线路合用一根主进水管，在各个线路上设有配水阀门，配水阀门较大，一般调好后就不再调整。一二线路合用一个污泥回流泵房和剩余污泥排放泵房，三线路单独设置一个污泥回流泵房和剩余污泥泵。一二系统的污泥通过一台回流泵回流到各自的回流管路中，通过阀门调控后进入到各自的厌氧选择区，和各自的进水都从厌氧选择区底部进水，但是有共用互通部分，三系统单独系统。其中沉砂池出水总管距离二号系统最近，生化池到二沉池之间有相互连通的管路，在管路上有控制阀门，长期处于关闭状态。三系统与一二系统无联通阀门。这么详细的介绍工艺线路，其实还远远不能说明现场的复杂程度。

在运行中，由于城市发展变化，部分企业受到环境发展的需要，从城市搬迁出去，导致进水量低于往年，在进水量发生变化之后，发现二系统的污泥浓度总是很低，由于一二系统的污泥回流是合用一个污泥泵池，但是一系统的污泥浓度却比较高，特别是早晨的枯水期，二系统的二沉池液位下降也明显低于一，三系统的二沉池液位。另外就是二号系统的缺氧区内的推进器损坏，起吊需要停水进行，一直未能开展，导致缺氧区内有污泥堆积。由于这个厂的进水中氨氮，总氮浓度较高，各个系统的污泥浓度的合理控制是保证各系统出水氨氮和总氮稳定的前提，由于污泥浓度的问题，二系统的出水中氨氮，总氮总是远远高于一、三系统。在冬季气温较低的情况下，二系统的低浓度就严重影响了出水水质的达标，有时甚至造成超标出水。为此运行人员查找了很多方面，也做了很多整改，但是收效都不明显。

后来经过整体的分析和查找，发现该厂自从处理水量下降后，日夜间进水量变化较大，污水提升泵的运行是通过变频器和液位连锁的控制方式，夜间水位较低的工况下，会出现水泵变频自动停止。但是由于回流系统在夜间为了保持各自生化系统的稳定，各自系统的回流泵不会停止运行，回流泵会不断地将二沉池的沉淀污泥回流到各自厌氧选择池内。在日间正常进水的情况下，各自系统进水，回流都沿着正常的管路流动，保持着各个系统的稳定。但是到了夜间进水停了以后，进水管路没有进水后，回流泵开启，各自的系统主要依靠回流泵来保持水体流动。

由于二系统的管路从设计路线上是直线系统，而缺氧区内堆积的活性污泥造成了二系统的厌氧选择区水位较高，在单独回流的情况下，就会出现二系统的回流量大，厌氧选择区液位高。此时会出现回流污泥通过空余的进水管路进入到液位较低一、三系统内，造成二系统的回流污泥大量流失到一三系统内，造成了二系统污泥浓度下降，二沉池液位下降等等情况。分析出原因后，对一二系统的回流管路进行了改造，一二系统的回流管路彻底分离开，各自通过回流泵进行回流，这样就完全避免了系统之间的干扰，使三个系统的工艺得到了有效的控制。

通过上述的两个例子，我们看到水力学因素在工艺管理中，特别是工艺异常情况下的水力学判断，也是很重要的。污水厂的内的运行管理人员应该认真研究自己厂内的复杂的地下管网部分，以便在各种运行工况下，能够依据复杂的地下管网的交叉互通的特性，来判断出工艺异常的原因。

水力学因素在工艺运行的环节中还存在很多地方都有应用，这一期我们再来讨论几个例子，首先来看一个D型滤池的例子：

一般在污水厂的深度处理单元会采用各种形式的滤池，比如转盘滤池，滤布板框滤池，V型砂滤池，D型滤池等等，这些滤池一般都以两个或两个以上，根据污水厂的水量，越大的水量滤池越多，越多的滤池就带来一个问题配水不均衡的问题，由于滤池本身对过滤水量有一定的要求，因此配水不均衡会出现很大的问题。

某厂采用的是D型滤池，一共采用是四组滤池，四组滤池呈一线布置，各组滤池的配水通过配水阀门来调整，总的进水阀门在四组滤池的中间位置，大约在2，3的滤池之间，偏2#滤池一侧，初期自控冲洗流程结束以后，各组进水阀门都全部开启。在运行一段时间后，发现2，3号滤池的过滤效果和过滤时间都比1，4号要差了很多，打开D型滤池上层滤板以后，发现2、3号的内部的彗星滤料堵塞板结远远高于1，4号。由于2，3号过滤时间短，自控系统根据运行时间调控的反冲洗频次和周期，在一定时间内，2，3号已经堵塞，1，4号还未堵塞，自控系统还没有精确判断出不同的堵塞的冲洗时间，各池的冲洗的时间一致，这样就出现了1，4号堵塞不严重，冲洗后就干净，2，3号堵塞严重，冲洗难干净，这样造成2，3号越来越不干净，最后导致2，3号的滤池堵塞严重，这也使得各组滤池滤料寿命不均衡，更换频次增加，影响工艺运行成本。




这种情况究竟是如何出现的呢？经过长时间的观察后，发现由于D型滤池总进水管在2，3号之间，距离1，4号较远，这样水力条件就有了差异，2，3号水力条件优势，就造成了日常配水水量远远高于1，4号，使其过滤的水量在同样的运行时间内大于1，4号，导致2，3号的使用寿命，堵塞情况都远远大于1，4号，这样就出现了上述情况。为了避免出现这种情况，厂内通过调整各组滤池的进水阀门的机械限位，使各组阀门的闸板阀完全开启度都不一致，通过阀门开启度平衡了由于流道远近造成的水力条件不均匀，这就是水力不平衡通过阀门控制实现均匀运行的一个案例。

接下来再看一个曝气管路互相影响的一个例子。在某污水厂设计有5台罗茨风机，这五台风机各自对应的出风管出来后，汇总到一个总出风管内，然后通过总管输送到曝气池的各个支管内。在实际运行中发现，处于中间位置的一台风机在别的风机运行时，总是无法启动，一启动就有高压报警，电流过大导致风机跳闸，反复查风机的电机，轴承，风叶部分都查不出特别的问题。

后来发现在其他风机停运期间，处于中间位置的风机就能启动，后来分析就是在其他风机运行期间，其他风机的排出的气体在总管里流动时，具有很高的压力，在这种情况下，中间的风机启动期间，逆止阀两侧受力均衡，风机这边出风压力就会升高到大于自身的报警压力，导致风机内压力憋高，最终导致风机跳闸。为了避免这种情况，后来在风机主管内对中间风机沿着空气流动方向设置了一小段引流管，这样中间风机启动后，来自其他风机的风压就会小很多，逆止阀就会顺利打开，会使风机顺利启动投入运行。




再来举一个曝气池的风量均衡问题。曝气池底部的曝气管路分布的面比较广，覆盖的池体比较多，如果在曝气干管路上没有考虑设计末端曝气管路的沟通，使曝气风量在各个点位的曝气压力都比较均衡的话，就会出现在曝气末端的曝气管路出现曝气量极小，造成溶解氧充入不足，导致曝气池各点的生物反应条件不一致，在工艺运行中，实际的进水量的变化，回流量的变化又会影响曝气池的液位高低，导致各个曝气池的内出风压力不同，在曝气敢管末端就会出现曝气不足，为了保证曝气末端的溶解氧，就需要增开风机，增加曝气风量，导致了能耗上升，造成了成本的支出的上升。

继续讨论一个曝气池里的曝气管路的问题，我们知道曝气管路上安装了各种曝气头，但是曝气头的安装过程中的不恰当，导致曝气头安装位置处漏水，混合液进入到曝气池支管内，这部分混合液在曝气池的支管内，对支管内的通过管径减少了一部分，导致这部分的曝气管路的管路阻力大于其他部分的管路阻力，同时部分混合液内的污泥还会附着在曝气头内壁，阻塞了曝气头上的微孔，导致气体出风阻力增加。在这样的阻力环境下，气体通过时就会选择其他路径，造成这部分的支管上曝气头鼓风气量减少，造成区域曝气不均衡。因此一般在曝气支管上都会设置淤积水排出阀门引出到曝气池表面，将曝气支管内的积水排出，避免造成管内阻力不均衡。

其实在污水厂中还有很多这种利用水力学原理进行设计和工艺管理，但是往往运行人员已经进行了，却没有意识到这是因为水力学原理才使工作这样进行的，希望通过这两篇文章的讨论，能引起更多的运行人员关注水力学原理在污水厂的实际的运行管理中的应用，学习和掌握一定的水力学知识，使运行管理更科学，也更加轻松，能把复杂的运行工况清晰简单起来，实现更优质的工艺管控。