水廠生產廢水回用和污泥處理工藝研究及應用

戴仲怡， 劉 臣

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430010)

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水廠生產廢水回用和污泥處理工藝研究及應用

戴仲怡， 劉 臣

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430010)

深圳市觀瀾茜坑水廠規模為30×104m3/d，龍華茜坑水廠規模為23×104m3/d，兩水廠為同一水源，相距約1.2 km，高差約40 m，均采用“混合+絮凝+沉淀+過濾”的凈水處理工藝。為節約運行成本以及維護管理方便，兩個水廠的生產廢水及污泥均集中在觀瀾茜坑水廠進行回收與處理。經兩年多的運行，廢水及污泥回收與處理項目取得了很好的社會效益和經濟效益。本文對生產廢水回收及污泥處理工藝、設計特點、運行效果以及存在的問題進行了詳細介紹，其經驗可供相關工程參考。

廢水回收; 污泥處理; 高效濃縮池; 濾布走行式板框壓濾機

1 概述

我國城鎮化正處于快速發展階段，城市節水對解決我國水資源緊缺、保障城市供水安全方面具有非常重要的作用。水廠節水主要是生產廢水的減量化和安全回用，我國大多數以地表水為水源的城市水廠生產廢水占取水量的3%～7%[2]，若能將該部分水合理回收利用，節能減排，則會節約大量的寶貴水資源，極大地促進水資源的循環利用和國家的可持續健康發展。

深圳市觀瀾茜坑水廠規模為30×104m3/d，深圳市龍華茜坑水廠規模為23×104m3/d，這兩個水廠為相鄰兩個街道的主力水廠，水源均采用東江水，備用水源為茜坑水庫水，原水水質為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅱ類水質標準，年濁度為10～18 NTU,pH為6.5～6.8。水廠處理工藝均采用“混合+絮凝+沉淀+過濾”的凈水處理工藝。兩水廠相距約1.2 km，高差約40 m，如圖1所示。

圖1 觀瀾、龍華茜坑水廠位置關系Fig.1 Location of Guanlan Xikeng Waterworks and Longhua Xikeng Waterworks

為節約運行成本以及維護管理方便，兩個水廠的生產廢水及污泥集中在觀瀾茜坑水廠進行回收與處理，該項目目前已穩定運行兩年多，取得了很好的經濟效益和社會效益。

2 水廠生產廢水組成及水質分析

觀瀾茜坑水廠與龍華茜坑水廠的生產廢水主要包括反應沉淀池排泥水、濾池反沖洗廢水以及污泥脫水車間的壓濾水，占整個水廠日產水量5%左右，對這部分水進行回用不僅可以節約水資源，降低水廠生產運行成本，還可以減少生產廢水的排放量。

水廠生產廢水中濾池反沖洗水水質較好，水量占日產水量2.5%左右，反應沉淀池排泥水和脫水機壓濾水水質相對較差，水量占日產水量2.5%左右。但受原水水質、處理工藝、藥劑投加量等因素影響，生產廢水水質不盡相同。水廠生產廢水水質指標見表1。

表1 水廠原水水質及生產廢水水質

續表1 (Continue)

根據水廠生產廢水水質指標分析，主要具有以下特點：

(1)濾池反沖洗水、排泥水和壓濾水混合液的水質明顯劣于原水水質，不宜直接回用。

(2)濾池反沖洗廢水的濁度相對穩定，且濁度相對較低，排放量變化較小，含泥濃度低，一般含固率僅為0.02%～0.04%。

(3)反應沉淀池排泥水和壓濾水混合液的濁度遠高于濾池反沖洗水，且含泥濃度較高，其水量與水質隨原水水質的不同而有較大變化。

(4)沉淀池排泥水和壓濾水混合液中的細菌總數高達數萬CFU/mL，是原水細菌總數的上千倍。

3 水廠生產廢水回收及污泥處理工藝

根據對水廠生產廢水水質分析，濾池反沖洗水質雖然相對較好，但水質也差于原水水質，如直接回用對水廠運行沖擊較大，因此回用前需對該部分水進行相應處理。反應沉淀池排泥水和壓濾水混合液水質較差，如直接回用對水廠影響較大，因此必須處理后方可回用。

根據國內水廠生產廢水回用情況，濾池反沖洗水經沉淀1 h以上后水質會明顯改善，基本與原水水質相當，可以回用。反應沉淀池排泥水和壓濾水混合液水質較差，無法直接回用。經過對生產廢水水質分析及論證，水廠生產廢水回收處理工藝采用沉淀池排泥水與濾池反沖洗水分開回收，濾池反沖洗水經沉淀后上清液直接回用，底泥抽排至排泥水回收水池；沉淀池排泥水、濾池底泥以及壓濾水經高效濃縮池濃縮，上清液進配水總井回用，污泥從底部抽升至脫水車間，經板框脫水機脫水后形成泥餅外運。

4 水廠生產廢水回收及污泥處理設計

生產廢水回收及污泥處理系統設計內容包括濾池反沖洗回收水池、反應沉淀池排泥水回收水池、高效污泥濃縮池、儲泥池以及污泥脫水車間等構筑物。工藝流程見圖2。

圖2 廢水回收及污泥處理流程Fig.2 Flow chart of wastewater recovery and sludge treatment

(1)回收水池

回收水池包括濾池反沖洗水回收水池和反應沉淀池排泥水回收水池，其中濾池反沖洗水經過約2 h沉淀以后，上清液經出水區提升至配水總井重新利用，底泥由刮泥機抽排至排泥水回收水池；排泥水則直接抽升進入污泥濃縮池濃縮。

龍華茜坑水廠供水規模為23×104m3/d，設回收水池2座，分別回收濾池反沖洗水和反應沉淀池排泥水，有效容積分別為3 000 m3和1 400 m3。濾池反沖洗水上清液由提升泵抽至該水廠配水總井回用，底泥由刮泥機抽排至排泥水回收水池，排泥水由DN250排泥管重力流入觀瀾茜坑水廠高效濃縮池濃縮處理。

反沖洗廢水回收水池設上清液回收水泵2臺，1用1備，單泵參數Q=450 m3/h，H=20 m，N=45 kW；為抽排池底污泥，設泵吸式刮泥機1臺，軌道中心距L=18 m，N=2.2×4 kW。防止排泥水沉淀，排泥水回收水池內設潛水攪拌器2臺，D=620 mm,n=480 rpm,N=5.5 kW。

觀瀾茜坑水廠供水規模為30×104m3/d，分二期建設，其中一期、二期工程分別設回收水廠各一座，每座分2格，分別收集濾池反沖洗水和反應沉淀池排泥水。一期工程回收水池平面尺寸為40.0 m×29.0 m，池深3.2 m，有效容積均為1800 m3，設計濾池反沖洗回收水池停留時間為2.3 h。二期工程回收水池平面尺寸為38.20 m×33.50 m，池深3.5 m，有效容積分別為2 600和1 600 m3，設計濾池反沖洗回收水池停留時間為2.0 h。

每座反沖洗廢水回收水池設上清液回收水泵2臺，1用1備，單泵參數Q=400 m3/h，H=20 m,P=30 kW，設泵吸式刮泥機1臺，N=2.2×4 kW。排泥水回收水池設排泥水潛水提升泵2臺，1用1備，單泵參數Q=110 m3/h,H=15 m,P=7.5 kW。為防止排泥水沉淀，在每座排泥水回收水池內設潛水攪拌器2臺，D=620 mm,n=480 rpm，N=7.5 kW。

(2)污泥濃縮池

為改變傳統重力濃縮停留時間長、沉淀效果差、上清液水質差等特點，本工程采用高效濃縮池。高效濃縮池是在普通斜板沉淀和重力濃縮池的基礎上，發展出來的一種新型高效濃縮池。

高效濃縮池由沉淀池體、斜板組件、集水槽、可調出水堰版、集泥濃縮機等部件組成。廢水由進水管進入池體，在位于池體中間的進水廊道內向前側流動，由導流板發射，再通過兩側的布水口進入斜板。隨著水流向上流動，其所含的固體顆粒沉淀在平行的斜板組件上，然后滑入池體下部，由污泥濃縮機對污泥進一步濃縮，污泥經濃縮后通過污泥出口排出。而其澄清液沿斜板上升，通過頂部的出水通路孔流入集水渠，然后通過可調出水堰匯集至出水槽，再由出水管排出。

污泥濃縮按兩個水廠集中處理設計，設計總規模為53×104m3/d。采用方形斜板連續式濃縮池，共設4座。濃縮池進泥量Q=8 000 m3/d，濃縮池尺寸為13.0 m×13.0 m,池深6.4 m，水深5.8 m，固體通量為38.4 kgDS/(m2·d)，斜板上升流速0.6 m/h，斜板垂直高度為2.2 m，傾角為60°，板距80 mm，斜板采用PVC材質。

斜板下部設濃縮機對濃縮區污泥進行慢速攪拌，以提高濃縮效果。攪拌柵條高度為2.0 m，刮臂外緣線速度為0.6～1.5 m/min。

為進一步強化濃縮效果，在濃縮池配水井內增設1個PAM投加點，投加量采用0.5～1 mg/L，投加濃度采用0.1%，投加泵設在脫水車間，設螺桿泵2臺，1用1備，單泵參數Q=1 500 L/h，H=0.3 MPa，N=1.1 kW。

污泥經濃縮池濃縮后，含水率降至約96%，污泥量為Q=650 m3/d，進入脫水車間進行脫水處理。

(3)儲泥池

設儲泥池1座，平面尺寸為7.8 m×12.0 m，有效水深6.0 m，有效容積560 m3，為防止污泥沉積，設潛水攪拌機2臺，D=620 mm,n=480 rpm，N=5.0 kW。

(4) 污泥脫水車間

污泥脫水車間最關鍵的設備為脫水設備，脫水設備要求脫水效果好、運行穩定、操作維護方便、投資省、運行成本低。目前國內脫水設備有帶式壓濾機、離心脫水機、疊螺式脫水機、板框壓濾機等。

帶式壓濾機電耗低，可連續運行，但占地大、出泥含固率低、壓濾水水質差、車間工作環境較差、需要連續加藥，一般用于小規模以及對含固率要求較低的水廠或污水廠。

離心脫水機運行管理方便、占地小，操作維護方便、車間工作環境好。但電耗高、出泥含固率低，加藥量較大，壓濾水水質較差。目前國內運用較廣。

疊螺式脫水機運行管理方便、占地小，操作維護方便、車間工作環境好，電耗較低，出泥含固率比離心脫水機高，泥餅含固率一般能達到30%。但需要連續投加藥劑，壓濾水水質較差。一般運用于化工及小型污水廠脫水。

傳統板框壓濾機出泥含固率高，電耗較低，但占地大、設備多、藥劑投加量大，采用震動卸料系統，需要人工輔助卸料，勞動強度大、操作間環境質量及壓濾水水質差。目前國內運用較多。

濾布走形式板框壓濾機自動化程度高、脫水效果好、電耗低、操作間環境好、出泥含固率高，不投加藥劑可達到45%以上，壓濾水水質好，經簡單處理后一般可回用。但占地大、設備多、工程投資較大，一般用于大型水廠及污水廠。

為降低泥餅含水率以及壓濾水污染物濃度，本項目采用脫水效率高、安全性好、故障率低、泥餅自動剝落完全自動操作的濾布走形式板框壓濾機。脫水工藝流程見圖3。

圖3 污泥脫水工藝流程Fig.3 Flow chart of sludge dewatering

脫水車間共設3層，框架結構，平面尺寸為41.04 m×15.24 m。總建筑面積2 000 m2，其中一層布置脫水輔助系統，包括污泥進料系統、隔膜擠壓系統、濾布沖洗系統、空氣壓縮系統以及污泥輸送系統等；2～3層布置濾布走形式板框壓濾機。主要設計參數如下：

設計總規模 53×104m3/d

總干污泥量 26 tDS/d

脫水機進泥量 650 m3/d

脫水污泥進料含固率 4%

設計運行時間 16 h

泥餅含水率 ≤55%

進料時間 10 min/批次

進料壓力 0.5 MPa

隔膜擠壓時間 10 min/批次

隔膜擠壓壓力 1.5 MPa

批次運行時間 30 min/批次(含濾布沖洗)

不加藥脫水產泥率 4.0 kgDS/(m2·h)

為保證原水高藻類時的脫水效果，設計選用高分子PAM作為備用脫水助凝劑，配套設置助凝劑攪拌罐和藥劑投計泵。投加量采用1～3 mg/L，投加濃度采用0.1%，投加泵設在脫水車間，設螺桿泵2臺，1用1備，單泵參數Q=1 000 L/h，H=0.3 MPa，N=0.75 kW。

5 主要設計特點

觀瀾茜坑水廠和龍華茜坑水廠自生產廢水回收及污泥處理系統建成以來，運行穩定，效果良好，具有以下特點：

(1)兩個大型水廠生產廢水和污泥集中處理，充分發揮水廠規模效應，大大降低了水廠運行費用及管理成本。

(2)水廠生產廢水全部回收利用，真正實現了自來水廠生產廢水零排放。

(3)濾池反沖洗廢水與反應沉淀池排泥水及壓濾水采用不同工藝分開回收處理，有效降低了回收水污染物濃度，確保水廠出水水質達標。

(4)高效污泥濃縮池具有污泥含固率高、上清液水質好等特點，較傳統重力濃縮池效率大大提高。

(5)采用濾布走行式板框壓濾機，正常情況不需要投加任何藥劑，泥餅含固率高，降低了水廠污泥處置費用，特別是對污泥處置困難的地區具有較大優勢。

(6)傳統板框壓濾機采用震動卸料，卸料效果較差，需要人工輔助卸料。而濾布走行式板框壓濾機采用濾布運動的方式進行污泥卸料，無需人工操作，完全實現全自動控制。

6 運行效果分析

水廠生產廢水回收及污泥處理系統于2014年5月建成投產使用，已連續穩定運行2年多時間，兩個水廠每天生產廢水回收量約2.7×104m3/d，每年節約原水費約960萬元(原水費為0.97元/m3)，同時也降低了生產廢水排放量，取得了很好的社會效益和經濟效益。由于采用較先進的廢水回收及污泥處理工藝和設備，生產廢水回收系統和污泥脫水系統除正常例行檢查外，不需要人工操作，完全實現了全自動控制。

經常規檢驗，反沖洗水回收水池及高效濃縮池上清液濁度優于原水濁度，其余水質除錳的含量略超標外，其余水質指標均優于《地表水環境質量標準》Ⅲ類水質標準，符合回用要求，水質指標見表2。

由于水廠原水水質較好，且采用了先進合理的廢水回收處理工藝，確保水廠出水水質，自水廠生產運行以來，出廠水最高濁度為0.32 NTU，最低濁度為0.07 NTU，平均濁度為0.12 NTU，平均出水pH值為7.2，出廠水其余各項指標均優于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的要求。

表2 原水與回用水水質比較

經高效濃縮池濃縮后的污泥含固率為3%～4%，采用濾布走行式板框壓濾機不需要投加PAM藥劑，泥餅含水率約55%，降低了污泥外運費用。

7 存在的問題及建議

由于本項目實施過程中受客觀條件的限制，水廠生產廢水回收及污泥處理系統還存在不足之處，需要在今后工程設計和建設中予以重視和完善。

(1)由于本水廠原水水質較好，壓濾水水質符合回用要求，因此實現了水廠生產廢水零排放。如果原水水質較差，特別是存在隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲等致命微生物風險的原水，建議不要回用污泥壓濾水。

(2)由于生產廢水水質受原水水質變化影響較大，設計時應考慮應急排放措施。

(3)如果污泥濃縮池上部斜板采用VPC等塑料材質，池頂應采取防曬措施，防止PVC等塑料受陽光直射，加速斜板老化。

(4)對江河原水以及藻類等有機物較少的湖泊水，采用濾布走行式板框壓濾機，無需投加絮凝藥劑；但對含藻類等有機物較高的湖泊水，應考慮投加PAM等絮凝藥劑，以確保污泥脫水效果。

(5)濾布走行式板框壓濾機雖然比離心脫水機效果好，泥餅含固率高，但工程費用較高，設備較大，維護量較大，工程設計時應結合項目具體情況合理選擇。

[1] 嚴煦世、范瑾初.給水工程(第四版)[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[2] 許嘉炯，鄭志民，許建華.關于自來水廠生產廢水的回用[J].凈水技術，2003，22(1)：32-34.

Research and application of wastewater reuse and sludge treatment process in waterworks

Dai Zhongyi, Liu Chen

(CentralandSouthernChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430010,China)

The Guanlan Xikeng Waterworks with a capacity of 300 000 m3/d and the Longhua Xikeng Waterworks with a capacity of 230 000 m3/d in Shenzhen City, which are using a same water sources. The two waterworks are 1.2 km apart approximately, height difference of about 40 m, the water treatment process are mixed+flocculation+sedimentation+filtration. In order to save operation cost and to be convenient for maintenance and management, the production wastewater and sludge were combined for the water recycling and treatment in Guanlan Xikeng. It has been in operation for more than two years and achieved good social and economic benefits. The production wastewater recovery and sludge treatment process, design features, operation effects and the existing problems were introduced in detail here, so as to provide reference for relative projects.

wastewater recovery; sludge treatment; high efficiency concentration tank; plate and frame filter press cloth movement

X703

B

1673-9353(2016)05-0029-05

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.007

戴仲怡(1975- )， 男， 高級工程師， 注冊公用設備工程師(給水排水)， 主要從事市政給排水工程、環衛工程設計及研究工作。E-mail：9317575@qq.com

2016-05-30