本發(fā)明專利涉及污水處理領(lǐng)域，特別涉及一種提升旋流沉砂池除砂效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

在污水廠中，固體無機(jī)顆粒進(jìn)入后續(xù)工藝會(huì)直接影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成設(shè)備及管道磨損，構(gòu)筑物及渠道淤砂等。通常需要設(shè)置沉砂裝置來去除污水中的泥沙，使后續(xù)設(shè)備及工藝順利進(jìn)行。旋流沉砂池因其占地面積小、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，常被選用。根據(jù)給排水設(shè)計(jì)規(guī)范，要求沉砂池對(duì)粒徑大于0.2mm，密度大于2.65m³的顆粒物穩(wěn)定去除。但是我國(guó)由于排水體制和土壤特性等，很多污水廠進(jìn)水中顆粒物大于0.2mm以上組分僅占一小部分，甚至小于0.1mm粒徑顆粒物占絕大部分，這些細(xì)微無機(jī)顆粒物進(jìn)入生化系統(tǒng)給其運(yùn)行帶來很多問題，

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利目的在于提供一種旋流沉砂池優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即對(duì)影響旋流沉砂池除砂效率，尤其是細(xì)微泥沙去除效率的各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，基于此優(yōu)化方法的參數(shù)能有效的提高旋流沉砂池總體除砂效能，并對(duì)污水中的細(xì)微砂礫有較好的強(qiáng)化去除效果。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種旋流沉砂池優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)包括如下步驟：

1、水工模型構(gòu)建：仿照污水廠旋流沉砂池，根據(jù)水力相似性準(zhǔn)則，按比例縮放，制得沉砂池模型。

2、單因素實(shí)驗(yàn)：以除砂效率為指標(biāo)，考察4個(gè)影響旋流沉砂池除砂效率的主要因素：旋流沉砂池停留時(shí)間、沉砂池?cái)嚢铇D(zhuǎn)速、攪拌槳槳葉安裝角度、攪拌槳距池體底部距離，分別固定其中的3個(gè)因素，變化另1個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，得出單因素對(duì)除砂效率的的變化水平的影響，并確定4個(gè)單因素的最佳值。

實(shí)驗(yàn)過程中先按照污水廠沉砂池進(jìn)水顆粒物粒徑分布配比，配置干燥石英砂，配砂在一定時(shí)間T內(nèi)通過漏斗均勻加入旋流沉砂池模型進(jìn)水渠道中，T由式(1)求得：

Q*T*SS*10^-3＝500 (1)

其中Q為不同停留時(shí)間下對(duì)應(yīng)的流量，L/min；SS為控制進(jìn)水固體懸浮物濃度，M為配置石英砂質(zhì)量，g。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集沉砂池模型集砂斗中砂于105℃烘干至恒重，冷卻稱重。實(shí)驗(yàn)結(jié)果考察去除率，去除效率％＝集砂斗砂重×100％/500。出砂顆粒物粒度分級(jí)利用70目和150目標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)篩分，體積平均粒徑利用BT-9300HT激光粒度儀測(cè)試。

3、Plackett-Burman設(shè)計(jì)試驗(yàn)(是一種篩選試驗(yàn))：在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)上述影響因素進(jìn)行篩選。每個(gè)因素分別取低(－1)和高(+1)兩個(gè)水平，共12個(gè)試驗(yàn)組合，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠性。評(píng)價(jià)各因素P值，確定影響除砂效率的主要因素，在下一步響應(yīng)面分析中，考察這些因素的最優(yōu)水平范圍。

4、響應(yīng)面分析：在Plackett-Burman試驗(yàn)基礎(chǔ)上，篩選出的主要影響因素，利用響應(yīng)面分析法對(duì)旋流沉砂池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用Box-Behnken(響應(yīng)面分析中的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法)設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不同模型擬合對(duì)比分析，確定影響旋流沉砂池除砂效率的因素的主次和交互作用，并對(duì)交互作用顯著的影響因素進(jìn)行沉砂池除砂效率的考察，確定最佳優(yōu)化參數(shù)。

對(duì)交互作用不顯著的影響因素進(jìn)行沉砂池除砂效率的考察，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。據(jù)前述，確定對(duì)除砂效率的影響最弱的影響因素參數(shù)為單因素實(shí)驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)，最終確定了除砂率最高時(shí)旋流沉砂池的優(yōu)化參數(shù)。

5、優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證：在此模型優(yōu)化參數(shù)條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，確定平均去除效率，確保相對(duì)偏差在5％以內(nèi)，則說明以上沉砂池優(yōu)化方法可行。

基于以上說明可見，本發(fā)明提供的一種旋流沉砂池優(yōu)化方法是通過各種實(shí)驗(yàn)對(duì)旋流沉砂池的各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，到達(dá)到對(duì)細(xì)微泥沙較好除砂效果，且使總體除砂效率較高。本發(fā)明優(yōu)化方法簡(jiǎn)單可靠，優(yōu)化參數(shù)易于實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化后旋流沉砂池總體除砂效率顯著提升，尤其是對(duì)于200μm以下細(xì)微泥沙的去除效果明顯提高。

附圖說明

圖1為停留時(shí)間對(duì)除砂效率和渠道淤砂率的影響曲線圖

圖2為螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)去除效率的影響曲線圖

圖3為螺旋槳距池底距離對(duì)除砂效率的影響曲線圖

圖4為螺旋槳角度對(duì)除砂效率的影響曲線圖

圖5為停留時(shí)間和螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)除砂效率的影響圖

圖6為螺旋槳距池底距離和螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)除砂效率的影響圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施實(shí)例，對(duì)本發(fā)明專利做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

應(yīng)用本發(fā)明方法對(duì)某新建污水廠旋流沉砂池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提升細(xì)微泥沙除砂性能并顯著提高總體除砂性能。具體實(shí)施詳情如下：

1、水工模型構(gòu)建：

仿造某新建污水廠標(biāo)準(zhǔn)旋流沉砂池，根據(jù)水力相似性準(zhǔn)則，模型縮放比例Lr＝6，構(gòu)建模型進(jìn)行試驗(yàn)。模型具體尺寸為：池直徑0.833m；砂斗直徑0.250m；進(jìn)水渠道寬度0.200m；出水渠道寬度0.200m；出砂口直徑0.075m；砂斗高度0.350m；沉砂區(qū)設(shè)計(jì)水位0.303m；沉砂區(qū)高度0.450m；進(jìn)水渠高度0.333m；進(jìn)水渠長(zhǎng)度0.222m；進(jìn)水斜坡長(zhǎng)度0.450m；喉管前端高度0.188m；喉管后端高度0.133m；砂斗角度60°；進(jìn)水斜坡角度15°。

2、模擬實(shí)驗(yàn)操作：

實(shí)驗(yàn)前分析知該污水廠沉砂池進(jìn)水顆粒物粒徑82.36％小于212μm，52.81％小于106μm。按照此分布配比，70-500目(大于212μm)含量約為17.64％，70-150目(106～212μm)含量約29.55％，150-1000目(小于106μm)約占總量的52.81％，配置干燥石英砂500g作為進(jìn)水砂量進(jìn)行后續(xù)模擬實(shí)驗(yàn)。

待沉砂池模型穩(wěn)定運(yùn)行后，將500g配砂在一定時(shí)間T內(nèi)通過漏斗均勻加入旋流沉砂池模型進(jìn)水渠道中T由式(1)求得。

Q*T*SS*10^-3＝500 (1)

其中Q為不同停留時(shí)間下對(duì)應(yīng)的流量，L/min；SS為控制進(jìn)水固體懸浮物濃度，本實(shí)驗(yàn)為該污水廠進(jìn)水均值300mg/L。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集沉砂池模型集砂斗中砂于105℃烘干至恒重，冷卻稱重，計(jì)算去除率，去除效率％＝集砂斗砂重×100％/500。

單因素實(shí)驗(yàn)：

以除砂效率為指標(biāo)，進(jìn)行配水模擬實(shí)驗(yàn)，考察4個(gè)影響旋流沉砂池除砂效率的主要因素：砂池?cái)嚢铇D(zhuǎn)速、旋流沉砂池?cái)嚢铇獦~角度、攪拌槳槳葉距沉砂池池體底部距離、水力停留時(shí)間，得出各單因素對(duì)除砂效率的變化規(guī)律，并確定4個(gè)單因素的最佳值。

單因素試驗(yàn)采用的固定參數(shù)分別為：停留時(shí)間為40s，螺旋槳葉轉(zhuǎn)速為8r/min，螺旋槳葉距離池底為40mm，螺旋槳角度為60°。分別固定其中的3個(gè)因素，變化另1個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，因素變化范圍分別為：停留時(shí)間為20～60s，螺旋槳葉轉(zhuǎn)速為2～26(r/min)，槳葉距池底距離30～110(mm)，槳葉角度為15～75(°)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

考察去除率，出砂顆粒物粒度分級(jí)利用70目和150目標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)篩分，體積平均粒徑利用BT-9300HT激光粒度儀測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2、圖3、圖4。

單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于總除砂效率而言，最佳單因素條件分別為：停留時(shí)間為30s，螺旋槳葉轉(zhuǎn)速為8r/min，槳葉距池底距離為50mm，槳葉角度為30°。

Plackett-Burman設(shè)計(jì)試驗(yàn)：

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)上述影響因素進(jìn)行篩選。每個(gè)因素分別取低(－1)和高(+1)兩個(gè)水平，見表1，共12個(gè)試驗(yàn)組合。每個(gè)處理重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

表1 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素編碼及水平

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值見表2。

表2 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

分析結(jié)果由表3可知，主效應(yīng)P值<0.0001，表明Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素在所選取的水平范圍內(nèi)對(duì)沉砂池模型除砂效率影響顯著，同時(shí)決定系數(shù)R²＝0.9948，校正R²＝0.9918，說明回歸模型有效，同時(shí)變異系數(shù)2.54％<10％，精密度42.050>4，說明試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠。

由表3還可以看出，停留時(shí)間(P<0.0001)，螺旋槳轉(zhuǎn)速(P＝0.0015<0.01)，螺旋槳高度(P＝0.0018<0.01)是影響除砂效率的主要因素，所以在下一步的響應(yīng)面分析中，重點(diǎn)考察這3個(gè)因素的最優(yōu)水平范圍，螺旋槳葉角度影響不顯著(P＝0.2792>0.05)，采用單因素試驗(yàn)結(jié)果的最佳條件30°。

表3 Plackett-Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)方差分析結(jié)果

注：*0.01<P<0.05表示差異性顯著；**P<0.01表示差異性極顯著。

響應(yīng)面分析：

在Plackett-Burman試驗(yàn)基礎(chǔ)上，篩選出的主要因素，利用響應(yīng)面分析法對(duì)旋流沉砂池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用Design Expert8.0.5b軟件，采用Box-Behnken建立3因素3水平數(shù)學(xué)模型，水平及編碼如表4。

表4響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素編碼及水平

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

利用Design Expert8.0.5b軟件對(duì)表4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不同模型擬合對(duì)比分析結(jié)果見表5，結(jié)果表明采用多元二次回歸擬合模型效果合理，經(jīng)回歸擬合后，得到砂的總?cè)コ?Y)為響應(yīng)值的回歸方程為(2)：

Y＝-123.99256+9.99342A+1.02829B-0.074601C-0.043621AB+0.017913BC-0.13008A² (2)

模型的方差分析及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示，通過方差分析可知，模型P＜0.0001，極顯著；模型決定系數(shù)R²＝0.9700，校正決定系數(shù)R²＝0.9519，表明模型可以解釋95.19％的響應(yīng)變化，模型擬合度高；失擬項(xiàng)P＝0.064＞0.05不顯著，模型的變異系數(shù)CV＝3.82％＜10％，精密度值為22.699＞4，表明實(shí)驗(yàn)的可信度和精確度高。

由表6還知，根據(jù)P值由小到大，各因素除砂效率的影響主次順序?yàn)椋和Ａ魰r(shí)間＞槳葉距池底距離＞槳葉轉(zhuǎn)速。雖然轉(zhuǎn)速對(duì)除砂效率的影響不顯著，但是停留時(shí)間和轉(zhuǎn)速對(duì)除砂效率的交互作用(AB)對(duì)除砂效率的影響顯著。螺旋槳葉轉(zhuǎn)速和槳葉距池底距離對(duì)去除效率的交互作用(BC)不顯著。

響應(yīng)曲面圖可以直觀的顯示因素間的交互作用，圖5為在螺旋槳葉距池底距離固定為70mm條件下，沉砂池停留時(shí)間和螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)沉砂池除砂效率的影響。從圖中可以看出螺旋槳葉轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間的交互作用顯著，與方差分析結(jié)果一致。

圖6顯示了在停留時(shí)間固定為40s條件下，螺旋槳距池底距離和螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)沉砂池除砂效率的影響?？梢钥闯雎菪龢~轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間的交互作用不明顯，與方差分析結(jié)果一致。

模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明最佳組合因素水平為：停留時(shí)間為35.06s、螺旋槳轉(zhuǎn)速為20r/min、槳葉距池底距為70mm，理論去除效率可達(dá)76.31％。

表5R²綜合分析

表6二次多項(xiàng)式回歸模型方差分析

注：*0.01<P<0.05表示差異性顯著；**P<0.01表示差異性極顯著。

優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證：

在此模型預(yù)測(cè)結(jié)果條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，平均去除效率為72.68％，相對(duì)偏差在5％以內(nèi)，說明以上沉砂池優(yōu)化方法可行。

進(jìn)一步用通過激光粒度儀和標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)，測(cè)試最優(yōu)條件下進(jìn)水和排砂的體積平均粒徑和粒徑分布，結(jié)果顯示進(jìn)水顆粒物體積平均徑為139.41μm，排砂體積平均徑為215.59μm；大于212μm顆粒物去除效率可達(dá)99.95％，106-212μm顆粒物去除效率可達(dá)92.00％，小于106μm顆粒物去除效率為49.39％，可以看出，沉砂池此優(yōu)化條件下可以穩(wěn)定去除大于106μm顆粒物，對(duì)于小于106μm顆粒物也有相當(dāng)去除效果。達(dá)到增強(qiáng)旋流沉砂池整體除砂效率的同時(shí)，提高對(duì)細(xì)微砂礫的去除的設(shè)計(jì)目的。