喀斯特地区污水含砂量高 工艺这样优化！
导 读：为明确我国喀斯特地区的污水含砂特征，指导该区域除砂工艺的设计与运行，选取位于喀斯特典型城市贵阳市的三座污水处理厂针对性地开展相关试验。结果表明：试验地区污水含砂特征主要受喀斯特地貌、排水体制、降雨及土壤侵蚀等因素影响，具体表现为旱季进水含砂量高，雨季进水含砂量增幅高且粗砂含量高，砂有机物含量偏低。该区域曝气沉砂池各参数最佳范围分别为气水比0.1~0.15、单位池长曝气量1.5~3.0 L/(m·s)、水力停留时间10~15 min。喀斯特地区曝气沉砂池应向着延长水力停留时间、降低气水比的方向定制化设计。此外，曝气量的设计宜参照单位池长曝气量，实际运行宜参照气水比。
引用本文：侯锋，周晓,王洪臣,等. 喀斯特地区污水含砂特征及除砂工艺优化研究［J］. 给水排水，2023，49（5）：25-31.
0►引 言
喀斯特地貌是我国五大造型地貌之一，占国土总面积的30%以上，其中以云贵高原为中心、分布于滇桂黔的西南喀斯特地区是我国喀斯特区主要的集中连片分布区域。西南喀斯特地区历来存在植被覆盖量少、石漠化、生态系统脆弱等突出环境问题，而且由于地下岩溶侵蚀导致排水管网损坏、水土地表流失及地下漏失、城区排水系统以合流制为主等原因，该区域“污水携砂”问题历来较为严重。在城镇污水处理过程中，砂的去除主要依靠各类形式的沉砂池，其目标去除对象由《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）规定为比重2.65、粒径200μm以上的砂粒。然而，传统除砂系统不仅对200μm以上砂粒去除效果一般，对于设计范围外细砂的去除效果更差，大多数污水处理厂长期受砂的困扰，产生了包括机械设备磨损、池体构筑物泥砂淤积、活性污泥MLVSS/MLSS显著降低、污水处理系统效率低、污泥产生量增加等在内的诸多问题，这些问题在喀斯特区域尤为突出，严重影响了该区域污水处理厂的稳定运行。
污水处理厂进水含砂特征影响着除砂工艺设计合理性与污水厂运行稳定性，然而目前对于喀斯特地区污水含砂特征的相关研究还较少，同时也缺乏针对该区域污水厂除砂系统的优化研究。为此，以中国典型喀斯特城市——贵阳市为代表，选取该市城区的三座污水处理厂为研究对象，考察喀斯特地区山地城市污水含砂特征，总结影响曝气沉砂池运行效果的主要因素，以期为该区域除砂工艺的设计与运行提供参考。
1►材料与方法
1.1 研究对象概况
三座试验污水处理厂分别位于贵阳市南明区、白云区及乌当区，区域内喀斯特面积比例高于90%。试验污水处理厂及其配套除砂系统的相关信息见下表1。由于贵阳市2010年后新建的污水处理厂绝大部分采用曝气沉砂池进行除砂，因此本文主要以A厂、B厂配套的曝气沉砂池为研究对象，开展除砂效果影响因素分析与优化研究。
表1 污水处理厂及除砂系统概况
1.2 砂样采集方法
众多研究表明，现有除砂工艺能够有效去除的最小粒径为100~200μm，何强等建议以粒径≥100μm细砂去除率来衡量沉砂池的除砂效果，Brian等则以≥50μm砂含量对位于美国弗吉尼亚州的五座污水处理厂除砂系统进行了评价。可以发现，就污水处理厂除砂系统而言，考察粒径＜50μm砂的特征及去除效果意义不大。为此，本文主要针对粒径≥50μm砂开展相关研究。采用图1所示的采样装置进行砂样采集，装置有效容积为170L，通过控制进水负荷实现≥50μm砂的有效沉淀与收集。实际采样时考虑生活污水“轻砂现象”，
图1 采样装置
控制进水流量≤1.0m³/h，对应进水负荷≤3.0m/h。此外，还需保证采样时间≥1.0h，使采样体积达1.0m³以上，降低偶然误差。现场采样时，选取混合状态良好的点位作为砂样采集点。采样完成后，静置30min以上保证采集装置内砂粒全部沉降，排空上清液后使用50μm不锈钢标准筛收集底部沉淀砂样。
1.3 指标测试方法
主要测试指标包括污水含砂量及其有机物含量、砂粒径分布及其含量、采样装置收集效率，具体方法如下：
（1）污水含砂量及其有机物含量：参照多位学者的测试方法并加以改进。首先采用蒸馏水分散收集的砂样，防止砂样板结，然后在103~105℃下烘干至恒重，并在马弗炉中550~600℃下灼烧1.5~2h，最后分别计算得到污水含砂量、砂有机物含量。
（2）砂粒径分布及其含量：经烘干灼烧后的砂样采用标准筛网（355μm、200μm、100μm、50μm）筛分分级，逐级称量筛上物重量，并计算得出不同粒径范围砂的质量占比及含量。为保证测试准确性，测试过程中使用的标准筛网符合《试验筛技术要求和检验第1部分：金属丝编织网试验筛》（GB/T 6003.1-2012）的相关要求。
（3）采样装置效率测试：采用50μm标准筛收集出水中的砂样，并根据式（1）计算总体收集效率和各级粒径收集效率。测试结果见图2，采样装置平均收集效率为97.8%，其中＞355μm、200~355μm砂的收集效率超98%，100~200μm、50~100μm砂的收集效率超95%，表明采样装置在进水负荷≤3.0m/h的条件下可有效收集50μm以上砂粒，满足采样测试要求。
式中η——采样装置收集效率；
C0——采样装置沉淀砂样对应的含砂量；
Ceff——出水含砂量。
图2 采样装置对各级粒径砂的收集效率
2►结果与分析
2.1 试验地区污水含砂特征
试验地区污水含砂量及其有机物含量见表2。整体来看，三座污水处理厂的进水含砂量均高于行业平均水平7.6 g/m³，且其有机物含量普遍偏低，不仅低于国内文献报道的平均水平58%，而且远低于国外文献报道60%~80%的正常范围。由于三座试验污水厂分别位于南明区、白云区及乌当区，区域内喀斯特地貌面积比例超90%以上，而西南喀斯特地区特有的地表地下双层水文地质结构，易导致石漠化、水土地表流失及地下漏失等问题发生，使得区域内河湖水、地下水及雨水等外水的含砂量本底值较高，进而导致试验对象进水含砂量高、有机物含量较低的特征。
表2 试验地区污水含砂量及砂有机物含量
注：①根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）计算得出，平均含砂量0.03 L/m³，相对密度1.5，含水率60%，有机物含量以参考文献均值计。
进一步测试了试验地区污水中砂的粒径分布情况，见图3。三座试验污水厂砂的粒径分布较为相似，具体表现为进水砂的粒径构成以≥200μm粗砂为主，且≥355μm砂占比相对较高。三座污水处理厂服务范围内规划排水体制均为雨污分流制，然而由于山地城市建设密度大、喀斯特地貌管网施工难度大等现实问题，贵阳市管网现实存在雨污分流不彻底的通病。对于A污水厂及C污水厂而言，由于其沿河截污沟输送距离长、运营年限长，沟内可能存在不同程度的破损，为河湖水、雨水等外水中携带的粗砂进入污水收集系统提供了入口，而雨污水长期冲刷截污沟也易产生大颗粒粗砂。此外，由于试验对象服务范围内部分老旧小区仍为雨污合流制系统，存在管网混接、错接及破损问题，同时喀斯特地貌特有的地下岩溶侵蚀作用会进一步加剧排水管网的破损问题。研究对象中的B污水厂，由于其建设年代较新，雨污分流建设相对完善，排水管网缺陷问题相对较少，且该厂采用沿河截污沟输送污水，因此污水中粗砂含量相对较低。
图3 试验地区污水中不同粒径砂的质量分布
试验期间，A厂经历了2次降雨，降雨分级为大雨和暴雨，B厂经历了4次降雨，降雨分级为3次中雨、1次大雨。在降雨开始后1~2 h内分别检测了两厂进水含砂量及粒径分布，见图4、图5。可以发现，降雨后两厂进水含砂量均有显著升高，A厂进水含砂量升高至36.4g/m³，增幅为2.6倍，B厂则升高至37.5g/m³，增幅高达3.9倍，两厂进水含砂量增幅远高于已有的研究报道。此外，两厂进水中粗砂占比也显著升高，B厂粗砂占比升高尤为显著，200μm以上砂占比从旱季时的52.1%升高至77.2%，A厂进水粗砂占比也有一定程度的提升，200μm以上砂占比从79.4%升高至88.5%。由于喀斯特地区土壤侵蚀和地表冲刷会造成土壤泥沙颗粒发生迁移，并最终通过管网缺陷进入污水收集系统，且喀斯特区域产流产沙量与径流量大小、降雨历时及降雨强度等呈正相关。因此，当雨季污水厂进水流量显著增加时，管网中沉积的砂粒更易随雨污混合水进入厂内。相关研究表明，喀斯特地区侵蚀泥沙中200~2 000μm颗粒含量通常会随降雨强度的增加而增加，这可能是导致降雨时进水中粗砂含量显著升高的主要原因。
图4 降雨期间污水含砂量
图5 降雨期间污水中不同粒径砂的质量分布
总体而言，试验地区的污水含砂特征可以概括为“两高一低”，即旱季时进水含砂总量高，雨季时进水含砂量增幅高且进水粗砂含量高，有机物含量总体偏低。该区域地形地貌、排水体制、降雨及土壤侵蚀等因素共同导致了其特殊的污水含砂特征，其中喀斯特地区特殊的地貌是区域污水含砂的主要来源，河湖水、雨水及地下水等外水是污水中砂粒的重要载体，而雨污合流及管网缺陷导致的外水入流入渗是泥砂迁移的重要途径。
图6 不同气水比各级粒径砂的去除效果
2.2 曝气沉砂池运行效果影响因素
2.2.1 气水比
曝气沉砂池中砂的去除效果主要受停留时间和曝气量的影响，其中停留时间影响池体截留沉速及水平流速，曝气量则影响池内横向循环流动的强度。实际生产中，通过调节曝气强度来影响横向循环流动强度以优化曝气沉砂池的除砂效果是常用的调控方法。为探明不同气水比对曝气沉砂池除砂效果的影响，明确喀斯特地区曝气沉砂池最佳气水比范围，以A、B两厂为代表开展气水比优化试验，不同气水比各级粒径砂的去除效果见图6。
随着气水比的增加，试验污水厂曝气沉砂池对各级粒径砂粒的去除率均呈现下降趋势。A厂总体去除率由气水比为0.3及0.2时的46.3%、48.1%，提升至气水比为0.15及0.1时的94.5%、90.4%；B厂总体去除率由气水比为0.3及0.2时的64.6%、78.2%，提升至气水比为0.15及0.1时的93.0%、87.6%。此外，气水比为0.1及0.15时的各级粒径砂粒的去除率较为接近，且均明显优于气水比为0.2、0.3的工况。不同气水比条件下≥200μm粗砂的去除率较为接近，即气水比在合理范围内时对粗砂去除率的影响较小。总体而言，喀斯特地区曝气沉砂池对于200μm以上砂粒的去除效果较好，去除率普遍超过了80%。这是因为喀斯特地区砂有机物含量较低，单侧曝气产生的横向环流对于沉降速度较大的粗砂影响较小。
气水比的改变对＜200μm细砂的去除率影响较大。随着气水比的增加，粒径越小的砂粒，其去除率降低越明显。以A污水厂为例，气水比为0.3时曝气沉砂池对100~200μm砂粒的去除率仅为4.9%，远低于气水比为0.15时的90.6%。这是因为单位池长上的曝气量过高，曝气对于水体及细微砂粒的扰动已超过其横向环流对于细砂去除效果的提升，试验中观察到曝气沉砂池整体呈现为以紊流为主的曝气状态，过量曝气使得底部已沉积的细微砂粒重新进入到水流中，导致沉砂池对细砂的去除率急剧降低。此外，由于B污水厂曝气沉砂池的停留时间（HRT=15min）较A污水厂（HRT=5.5min）更长，因此调整气水比对各级粒径砂去除效果的影响弱于A厂。
上述试验可知，喀斯特地区曝气沉砂池的最佳气水比范围为0.1~0.15。值得注意的是，2021年新发布的《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）（以下简称《标准》）将曝气量的设计口径由气水比变更为了单位池长曝气量。按照新规定核算的喀斯特地区曝气沉砂池的单位池长曝气量最佳范围为1.5~3.0 L/(m·s)，不仅与《标准》规定的5.0~12.0 L/(m·s)存在差异，与国内众多学者的研究成果也存在差异。《标准》中单位池长曝气量的制定主要参考了美国、日本等地的设计规范，然而由于喀斯特地区特殊的污水含砂特征，该区域污水中砂表面附着的有机物含量显著低于国内外平均水平，因此砂的沉降速度更大，相对较低的曝气量更有利于砂、尤其是细砂的沉降。曝气沉砂池的去除效果除了与曝气量有关外，还与进水流量变化导致的水平流速、截留沉速有关，因此单纯采用单位池长曝气量进行调控优化不能反应进水流量变化对除砂效率的影响。由于气水比在实际运行时更具可操作性，因此曝气沉砂池的曝气量宜以单位池长曝气量设计，而实际运行则宜以气水比为参照。
此外，本次试验发现200μm以上粗砂是该区域雨季进水含砂量增加的主要来源，虽然此部分砂粒具有良好的沉降性能而较易被去除，但实际设计时仍应考虑雨季含砂量增加带来的停留时间不足、排砂系统堵塞等潜在隐患。
2.2.2 水力停留时间
在上述最优气水比条件下，进一步考察了不同水力停留时间对粗砂及细砂去除效果的影响，见图7。可以发现，曝气沉砂池的除砂效率与水力停留时间成正比，且水力停留时间对200μm以上粗砂去除率的影响较小，对200μm以下细砂去除率的影响则较大。虽然延长水力停留时间有利于提高去除效率，但过长的水力停留时间（≥15min）对去除率的提升效果有限。试验表明，喀斯特地区曝气沉砂池的最优水力停留时间范围为10~15min，高于《标准》“宜大于5min”的新规定，与德国对于曝气沉砂池的要求接近（旱季20min，雨季10min）。
图7 水力停留时间对去除效果的影响
2.2.3 有机物含量
试验地区进水砂附着的有机物含量对去除效果的影响见图8。可以发现，曝气沉砂池的除砂效率与砂附着有机物含量成反比，且砂附着有机物含量对粗砂去除率的影响较小，对细砂去除率的影响则较大。生活污水的“轻砂现象”可能是导致上述差异的主要原因。该现象指生活污水中的脂肪、油脂等有机物包裹无机砂粒，使其表观密度降低（典型密度为1 300kg/m³），进而导致沉降速度低于理论值的现象。粒径较大的粗砂与有机物结合产生的“轻砂”密度相对较低，且粒径改变不大，其“行为粒径”与“净砂粒径”接近，因而粗砂去除率受有机物含量的影响较小。然而，进水中有机物更易与细微砂粒结合，形成密度显著变轻、体积显著变大但沉降速度更小的“轻砂”，从而导致细砂去除率的降低。对于喀斯特地区污水厂而言，可以通过观察砂水分离器出砂性状以及定期检测砂有机物含量的方式来明确气水比的调控时机，并通过适当提升曝气量的方式将包裹砂粒的有机物洗去，以达到提高细砂去除率的目的。
图8 砂附着的有机物含量对去除效果的影响
3►结论
受喀斯特地区特殊地貌、排水体制、降雨及土壤侵蚀等的影响，试验地区污水含砂特征主要表现为“两高一低”，即旱季时进水含砂总量高，雨季时进水含砂量增幅高且进水粗砂含量高，砂有机物含量总体偏低。
试验地区曝气沉砂池的最佳气水比范围为0.1~0.15，对应单位池长曝气量为1.5~3.0 L/(m·s)。该区域曝气沉砂池曝气量的设计宜参照单位池长曝气量进行，而实际运行则宜以气水比为参照。
延长水力停留时间有利于提高曝气沉砂池对各级粒径砂粒的去除，当水力停留时间超过15min时，延长水力停留时间对去除效果的提升有限。喀斯特地区曝气沉砂池的最优水力停留时间范围应为10~15min。
曝气沉砂池的设计应注重对细砂去除效果的整改提升。对于喀斯特地区这类污水含砂量高、砂附着有机物含量低的地区，曝气沉砂池应向着延长水力停留时间、降低气水比的方向定制化设计。
微信对原文有修改。原文标题：喀斯特地区污水含砂特征及除砂工艺优化研究；作者：侯锋、周晓、王洪臣、干里里、刘莹、庞洪涛、曹效鑫；作者单位：国投信开水环境投资有限公司、北京智宇天成设计咨询有限公司、中国人民大学环境学院。刊登在《给水排水》2023年第5期。
