一种通沟污泥砂多级气水剪切清洗与旋流分离方法及系统

本发明属于排水污泥处理，具体涉及一种通沟污泥砂多级气水剪切清洗与旋流分离方法及系统。

背景技术：

1、通沟污泥是城镇排水管道、检查井、泵站及沉砂池清掏过程中产生的含砂固液混合物，其中通常含有砂粒、细泥、腐殖质、有机碎屑、油脂、胶质物质、纤维类杂质及其他悬浮物。由于砂粒表面常附着有机物、油脂、胶质及细泥，若仅进行重力沉降或普通砂水分离，附着物会随砂粒进入底流，导致回收砂含有机物较高、产生明显异味，并增加后续处置负荷。

2、现有技术中，已提出多种用于通沟污泥中砂粒清洗及分离的装置和方法。例如，中国实用新型专利cn201999839u公开了一种旋流式通沟污泥淘洗分离装置，中国发明专利cn102603131b进一步公开了相关装置及污泥淘洗预处理方法，二者均通过接泥搅拌槽内的周边进水、中心集水、搅拌和锥形底排砂形成池体尺度的旋流淘洗与沉降分流。中国发明专利cn102351390b公开了一种污泥高效旋流除砂装置，采用筒体切向进料和螺旋导流板，通过旋流作用破坏砂粒表面的有机包覆。中国发明专利cn104211273b公开了由格栅水洗预处理、浆液池、水力旋流器和脱水筛组成的处理链。中国实用新型专利cn216039178u公开了由污泥储池、破碎机、洗涤转鼓、旋流洗砂用砂水分离器、污水处理、磁分离和污泥脱水构成的系统。

3、在国外，日本特许jph078833a公开了一种砂粒清洗机，通过多个清洗筒、螺旋叶片和洗砂回流进行离心清洗。美国专利us6921489b2公开了一种曝气沉砂池，将曝气旋流区与斜板澄清区组合并设置内回流。美国专利us7067065b2公开了涡流沉砂收集器与机械螺旋输砂结构。

4、然而，上述现有技术仍然存在以下不足：

5、第一，无论是池体尺度的旋流淘洗，还是单体筒式旋流除砂，清洗过程多在单一设备或单一池体内完成。当砂粒表面附着物较多、污染较重时，单级清洗难以充分去除附着层；若简单延长单台设备的停留时间，则会导致设备体积过大、处理能力下降，且停留时间与清洗效果之间缺乏可量化的设计依据。

6、第二，水力旋流器虽能实现砂水分离，但其主要作用是按密度和粒径进行分级，不能替代砂粒表面附着物的清洗。若未经充分清洗即直接进入旋流器，底流回收砂中仍会夹带较多有机物。同时，若清洗过程中夹带的气泡未予去除即进入旋流器，气泡会扰动旋流器内部流场，影响分离的稳定性和分级精度。

7、第三，现有技术中，清洗强度、清洗级数、停留时间等参数多依据经验确定，难以根据进料性质的变化进行灵活、量化的调节，导致对不同来源、不同污染程度的通沟污泥适应性不足。

8、因此，亟需开发一种清洗级数可调、剪切强度可控、清洗与分离功能解耦的通沟污泥砂处理方法，以兼顾砂粒清洗效果、旋流分离精度与工况适应性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种通沟污泥砂多级气水剪切清洗与旋流分离方法及系统，旨在实现通沟污泥中砂粒表面附着物的高效剥离与砂-轻质物的分质回收，并提高设备对进料性质的适应性和分离效果的稳定性。

2、一方面，本发明提供了一种通沟污泥砂多级气水剪切清洗与旋流分离方法，采用如下的技术方案：

3、一种通沟污泥砂多级气水剪切清洗与旋流分离方法，包括以下步骤：

4、1）提供泥砂水混合液；

5、2）使所述泥砂水混合液进入由至少一根立式筒式气洗柱构成的气水剪切清洗段，所述立式筒式气洗柱的下部设置切向进料口，上部设置出料口，柱内设置扰流结构，柱底部设置曝气装置；泥砂水混合液由切向进料口进入柱内并向上流动，曝气装置向柱内通入气体；

6、多根立式筒式气洗柱串联运行时，上游立式筒式气洗柱的上部出料口通过级间连接管与下游立式筒式气洗柱的下部切向进料口连通；所述气水剪切清洗段分为至少一个清洗级，每个清洗级包含至少一根立式筒式气洗柱；

7、3）将末级立式筒式气洗柱排出的泥砂水混合液进行脱气稳流处理；

8、4）将经脱气稳流处理后的泥砂水混合液切向送入至少一级水力旋流器，砂粒由水力旋流器的底流排砂口排出，轻质有机物、细泥及悬浮物由水力旋流器的溢流口排出。

9、优选的，所述立式筒式气洗柱的总数量为1-5根，单根柱体的有效工作高度为3-6m，内径为0.20-0.40m；

10、同一清洗级内的多根立式筒式气洗柱并联运行，不同清洗级之间串联运行；串联运行时，总名义水力停留时间为各串联立式筒式气洗柱名义水力停留时间之和，范围为10-150s。

11、优选的，泥砂水混合液进入各立式筒式气洗柱的入口平均流速为0.5-1.5m/s，单根立式筒式气洗柱的名义水力停留时间为10-30s。

12、优选的，同一清洗级内的多根立式筒式气洗柱共用进料总管和出料总管，级内名义水力停留时间按单一并联支路的流量和有效容积确定。

13、优选的，所述扰流结构为螺旋扰流导流板，所述螺旋扰流导流板为2-4条，沿立式筒式气洗柱内壁圆周方向均匀布置，板高为15-30mm、板厚为4-8mm、螺旋角为15-50°；所述螺旋角为导流板螺旋线切线与柱体轴线的夹角。

14、优选的，所述脱气稳流处理采用下向流斜板或斜管脱气稳流装置，泥砂水混合液沿斜板间或斜管内向下流动，夹带的气泡逆向上浮并由装置顶部排出；按斜板或斜管的有效投影分离面积计算，表面负荷为0.1-3.6mm/s，板或管净间距为25-50mm。

15、优选的，所述水力旋流器的直径为0.40-1.00m，入口平均流速为0.2-1.2m/s，名义水力停留时间为30-300s；

16、所述水力旋流器采用单级布置或由两级以上水力旋流器串联布置。

17、优选的，各清洗级的立式筒式气洗柱采用独立的供气支路供气，各供气支路的气水比独立控制在0.05-0.30；

18、所述气水比为标准状态下进入该级的气体体积流量与通过该级的液相支路体积流量之比。

19、优选的，根据进料含砂量、砂粒粒径分布、清洗后出料的灼烧减量、浊度或悬浮物浓度中的一种或多种指标，调节投入运行的立式筒式气洗柱数量、各级并联柱数、入口平均流速、曝气量、总水力停留时间以及水力旋流器的入口流量或进出口压差。

20、一方面，本发明还提供了一种通沟污泥砂多级气水剪切清洗与旋流分离系统，采用如下技术方案：

21、一种通沟污泥砂多级气水剪切清洗与旋流分离系统，包括气水剪切清洗段、脱气稳流装置和至少一级水力旋流器；

22、所述气水剪切清洗段包含至少一根立式筒式气洗柱，所述立式筒式气洗柱的下部设置切向进料口，上部设置出料口，柱内设置扰流结构，柱底部设置曝气装置；多根立式筒式气洗柱串联运行时，上游立式筒式气洗柱的上部出料口通过级间连接管与下游立式筒式气洗柱的下部切向进料口连通；所述脱气稳流装置的入口与末级立式筒式气洗柱的出料口连通；所述水力旋流器的切向入口与所述脱气稳流装置的出料口连通，水力旋流器设置有底流排砂口和溢流口。

23、综上所述，本发明包括以下有益技术效果：

24、1、本发明将通沟污泥砂的处理过程划分为前后衔接的气水剪切清洗段和旋流离心分离段，使砂粒表面附着物的剥离与轻重介质的分离分别在各自最优的流场条件下完成。清洗段中，底部曝气装置产生的上升气泡、切向进料形成的向上螺旋旋流、砂粒自身翻滚碰撞以及螺旋扰流导流板产生的边界摩擦共同构成气-水-砂三相剪切清洗区，在该区域内砂粒表面的有机物、油脂、胶质和细泥被逐级剥离。脱离后的轻质组分随液相进入末端的水力旋流器，由溢流排出，而清洗后的清洁砂则由底流回收。对比例中的对照试验结果充分验证了上述效果：在相同液相水力条件和累计停留时间下，无曝气对照组的灼烧减量降低率为60.0%，而采用分级曝气的试验组灼烧减量降低率达到91.0%，提高了31个百分点。上述结果表明，本发明通过三相剪切清洗区的构建，能够将砂粒灼烧减量降低率提升至90%以上，有效解决了回收砂因有机物残留而产生异味、增加后续处置负荷的问题。

25、2、本发明允许采用1-5根立式筒式气洗柱按串联、并联或串并联方式灵活组合，每一根气洗柱均独立形成一个完整的下进上出螺旋清洗路径，各柱的有效容积和名义水力停留时间可分别计算。串联运行时，上游气洗柱的出料经级间连接管进入下游气洗柱的下部切向进料口，使混合液在每一级中重新获得完整的螺旋上升清洗路径，从而在保持单柱尺寸合理的前提下，通过增加串联级数延长累计清洗时间。依据方法实施例的计算，当两柱串联时，单柱名义停留时间约为20.0s，串联总名义停留时间约为40.0s。通过调节串联柱数、各级入口流速和曝气量，串联总名义水力停留时间可在10-150s范围内灵活设定。这使得清洗强度具备了可量化设计、可运行调节的工程属性，可根据不同来源通沟污泥的含砂量、粒径分布和污染程度灵活匹配清洗参数，克服了单一池体或单台设备适应性不足的缺陷。

26、3、本发明在气水剪切清洗段与水力旋流器之间设置了独立的下向流斜板或斜管脱气稳流装置。该装置利用液相下行、气泡上浮的逆向运动原理，使清洗出料中夹带的气泡在斜板或斜管表面聚并后上浮至顶部集气空间并经自动排气阀排出，同时通过均匀布水区和适宜的表面负荷控制，保证了进入水力旋流器的液相流态稳定。经脱气稳流处理后，连续60s内流量相对设定值的偏差不超过±5%，旋流入口压力相对设定值的波动不超过±10%。测试例的脱气效率测试结果表明，在下向流斜板或斜管脱气稳流装置表面负荷为0.1-3.6mm/s、板或管净间距为25-50mm的条件下，脱气效率可达85%以上。这一中间环节有效避免了清洗段残留气泡进入水力旋流器后因气相可压缩性和气泡滑移导致的流场扰动，使水力旋流器内部的离心分离场保持稳定，从而提高了底流砂回收率和溢流跑砂率的控制精度。

27、4、本发明各级立式筒式气洗柱采用相互独立的供气支路，各支路的气水比可在0.05-0.30范围内独立调节，且可根据上游与末级出料的灼烧减量、浊度或悬浮物浓度分别调节各支路的气体流量，实现上游较强曝气以剥离松散附着物、下游补充曝气以完成深度清洗的分级供气策略，在保证清洗效果的同时减少了末端过量夹气，降低了脱气负荷。同时，运行过程中可根据进料含砂量、砂粒粒径分布、清洗后出料的灼烧减量、浊度或悬浮物浓度中的一种或多种指标，调节投入运行的立式筒式气洗柱数量、各级并联柱数、入口平均流速、曝气量、总水力停留时间以及水力旋流器的入口流量或进出口压差。这种多参数协同调节机制使得本发明能够适应通沟污泥来源复杂、水质波动大的实际工况，提高了系统的运行稳定性和经济性。