上海市某水廠排泥水處理應(yīng)急工程設(shè)計(jì)

張念琦

(上海韻水工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 201700)

水廠在水質(zhì)凈化過程中，會產(chǎn)生大量生產(chǎn)廢水，主要產(chǎn)生于常規(guī)處理工藝中的沉淀(澄清)和過濾環(huán)節(jié)，可占到總產(chǎn)水量的3%～7%[1]。原水中加入混凝劑后會形成絮凝顆粒，這些絮凝顆粒在沉淀(澄清)池中沉淀、在濾池中被截留，組成了排泥水的主要成分[2]。此外，預(yù)處理、深度處理過程中也會有排泥水產(chǎn)生。

若排泥水未經(jīng)處理直接排放到江河之中，其中的大量懸浮物(SS)、有機(jī)物等污染物會對水體產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，且凈水廠產(chǎn)生的大量含鋁污泥，排入水體后會危害水中生物，破壞水體生態(tài)平衡。另外，廢水中含有的泥沙容易抬高河床，嚴(yán)重影響江河的航運(yùn)能力及泄洪能力[3-5]。

為保護(hù)水域環(huán)境，根據(jù)環(huán)境保護(hù)部門要求，自來水行業(yè)的生產(chǎn)廢水須進(jìn)行處理，以達(dá)到有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)新建的大中型給水廠已按照環(huán)保要求配套了排泥水處理系統(tǒng)，而一些老水廠也正在進(jìn)行排泥水處理改造工程[6]。

1 水廠現(xiàn)狀

本項(xiàng)目水廠因預(yù)留土地性質(zhì)被改為農(nóng)用耕地，無法辦理規(guī)劃許可，原計(jì)劃排泥水處理系統(tǒng)建設(shè)推遲至2024年底完成。根據(jù)滬供水〔2019〕53號文件精神，自2019年12月1日起上海市各自來水廠需嚴(yán)格按照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/199—2018)[7]的要求，向非敏感水域直接排放水污染物執(zhí)行其二級標(biāo)準(zhǔn)。為確保該水廠排泥水處理工程項(xiàng)目投產(chǎn)前的生產(chǎn)廢水達(dá)標(biāo)排放，作為臨時過渡，擬在水廠內(nèi)尋找其他空余地塊，實(shí)施本水廠排泥水應(yīng)急處理工程。

水廠占地面積為98 000 m2，廠區(qū)呈L 形，分兩期建設(shè)。廠區(qū)南部東側(cè)于1995年投入運(yùn)行，建成取水泵房、生物接觸氧化池、折板絮凝平流沉淀池(下疊清水池)、均質(zhì)濾料濾池、二級泵房及加藥間等，供水能力為12萬m3/d。二期于2009年竣工通水，建成生物接觸氧化池、折板絮凝平流沉淀池(下疊清水池)、均質(zhì)濾料濾池，對一級泵房、二級泵房及鼓風(fēng)機(jī)房進(jìn)行擴(kuò)建，一、二期供水能力共計(jì)達(dá)到24萬m3/d。水廠現(xiàn)狀平面布置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀水廠平面布置Fig.1 Layout Plan of Existing WTP

水廠現(xiàn)有兩個水源，分別為大治河水源和青草沙水源，目前水廠日常采用青草沙水源，大治河水源為備用水源。水廠采用混凝-沉淀-過濾的傳統(tǒng)制水工藝。

青草沙原水(原水水質(zhì)不佳時可投加粉末活性炭吸附有害物質(zhì))通過泵送入生物接觸氧化池后，進(jìn)入折板絮凝平流沉淀池，沉淀池入口處投加次氯酸鈉進(jìn)行消毒并投入混凝劑進(jìn)行混合，隨后進(jìn)入折板絮凝池絮凝。絮凝形成的礬花在平流式沉淀池中依靠自重沉淀，從而去除水中的大顆粒雜質(zhì)，剩余的小顆粒雜質(zhì)則通過濾池的石英砂濾料過濾去除。過濾之后的水通過投加次氯酸鈉和硫酸銨進(jìn)行二次消毒后進(jìn)入清水池。水廠工藝流程如圖2所示。

圖2 水廠工藝流程Fig.2 Process Flow of WTP

項(xiàng)目實(shí)施前，該水廠暫無深度處理及污泥處理系統(tǒng)，排泥水未經(jīng)處理直接排放至青龍港。

2 方案比選

2.1 排泥水處理規(guī)模及水質(zhì)指標(biāo)

本次工程處理對象為沉淀池排泥水。水廠內(nèi)共有兩座12萬m3/d的平流沉淀池，排泥水量約為3 000 m3/d。作為應(yīng)急處理工程，本次設(shè)計(jì)僅考慮近期規(guī)模，故處理規(guī)模為3 000 m3/d。

根據(jù)該廠多年的運(yùn)行處理數(shù)據(jù)，可得出排泥水的設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)。處理后的排泥水排入廠區(qū)西側(cè)青龍港內(nèi)，故設(shè)計(jì)出水水質(zhì)應(yīng)符合上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/199—2018)中二級排放要求。本次要求檢測SS與污泥含水率兩個指標(biāo)，排泥水設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 排泥水設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Design Water Quality Indices of Sludge Wastewater Influent and Effluent

2.2 排泥水處理工藝比選

本工程針對傳統(tǒng)處理工藝(調(diào)節(jié)、濃縮、平衡等)、超磁分離水體凈化技術(shù)、砂泥分離裝置+泥水分離裝置組合工藝及高效組合澄清系統(tǒng)工藝4種方案進(jìn)行比選，對比情況如表2所示。

表2 排泥水處理工藝對比Tab.2 Comparison of Sludge Wastewater Treatment Processes

從可靠性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境因素等角度對處理工藝進(jìn)行比選分析：砂泥分離裝置+泥水分離裝置剩余污泥含水率低，但組合工藝維修率較高，運(yùn)行可靠性較差，且對環(huán)境衛(wèi)生造成影響較大；傳統(tǒng)處理工藝運(yùn)行穩(wěn)定，但施工周期長，且土建費(fèi)用較高，不經(jīng)濟(jì)；超磁分離水體凈化技術(shù)污染小，但目前還未普及使用且運(yùn)行管理較為復(fù)雜，設(shè)備投資較高；高效組合澄清系統(tǒng)工藝占地面積小，運(yùn)行管理簡單，技術(shù)可靠性強(qiáng)，雖處理后污泥含水率不如超磁分離水體凈化技術(shù)及砂泥分離裝置+泥水分離裝置組合工藝，但可通過后續(xù)添加污泥脫水工藝實(shí)現(xiàn)污泥含水率達(dá)標(biāo)。

經(jīng)過比選，本工程采用處理工藝為高效組合澄清系統(tǒng)工藝。

高效組合澄清系統(tǒng)是在當(dāng)前最先進(jìn)的加載沉淀池的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將化學(xué)混凝、機(jī)械攪拌、加載沉淀、斜管分離等各種有利于固液分離的技術(shù)進(jìn)行高度集成。完整的高效組合澄清系統(tǒng)包括進(jìn)出水管道系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、混凝反應(yīng)系統(tǒng)、絮凝反應(yīng)系統(tǒng)、沉淀系統(tǒng)、污泥回流系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等[8]。

排泥水經(jīng)提升泵送入混凝反應(yīng)池，與回流污泥充分反應(yīng)。混凝后污水進(jìn)入絮凝反應(yīng)區(qū)，在慢速攪拌器的作用下使藥劑與絮體充分混合形成大絮體。經(jīng)過絮凝反應(yīng)形成絮體的污水低速進(jìn)入澄清池，保證絮體不發(fā)生破損，之后進(jìn)入沉淀區(qū)，混凝絮體在此區(qū)域沉淀至池底。沉淀區(qū)的上部裝有斜管，主要作用是導(dǎo)流，避免水流橫向流動，減小橫向流對沉淀效果的影響。在斜管分離區(qū)，細(xì)微的絮體在斜管上進(jìn)一步去除，澄清后的上清液可直接排放。沉淀池底部為污泥區(qū)，中心泥斗中的污泥由污泥泵回流至介質(zhì)分離器回收介質(zhì)再至混凝反應(yīng)池，剩余污泥送至污泥脫水系統(tǒng)進(jìn)行處理。總流程如圖3所示。

圖3 高效組合澄清系統(tǒng)工藝流程Fig.3 Process Flow of High-Efficiency Comagnetic-Flo System

高效組合澄清系統(tǒng)對污水中SS等均有較高的處理效率，可得到較好的凈化效果。且其具有沉降速度快、施工周期短、占地面積小、自動化程度高、運(yùn)營管理方便等特點(diǎn)，有良好的的應(yīng)用前景[8]。

2.3 污泥泥質(zhì)及處理規(guī)模

給水廠污泥的無機(jī)物含量大，以含泥沙等無機(jī)成分的膠粒為主(占85%～90%)，含有黏土、腐殖質(zhì)以及其他懸浮或不溶于水的物質(zhì)，其基本理化性質(zhì)如表3所示。

表3 水廠排泥水中的組分Tab.3 Components in Sludge Wastewater

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50013—2018)規(guī)定，水廠排泥水處理系統(tǒng)的污泥處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模按處理干泥量確定，且設(shè)計(jì)處理干泥量應(yīng)滿足多年75%～95%日數(shù)的全量完全處理要求。本工程采取95%的保證率，設(shè)計(jì)處理干泥量按式(1)計(jì)算。

S0=(k1C0+k2D)×k0Q0×10-6

(1)

其中：S0——設(shè)計(jì)處理干泥量，t/d；

C0——原水設(shè)計(jì)渾濁度，NTU；

k1——原水設(shè)計(jì)渾濁度NTU與懸浮固體單位mg/L的換算系數(shù)，應(yīng)經(jīng)實(shí)測確定，一般天然水體中懸浮物固體含量與渾濁度的比值為0.5～2.0，本設(shè)計(jì)取1.0；

D——藥劑投加量，mg/L，當(dāng)投加幾種藥劑時，應(yīng)分別計(jì)算后疊加，本設(shè)計(jì)取10 mg/L；

k2——藥劑轉(zhuǎn)化成干泥量系數(shù)，當(dāng)投加幾種藥劑時，應(yīng)分別取不同的轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算后疊加，本設(shè)計(jì)取1.53；

Q0——水廠設(shè)計(jì)規(guī)模，m3/d；

k0——水廠自用水系數(shù)，取10%。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，該水廠95%保證率對應(yīng)的渾濁度工況為19.6 NTU。經(jīng)過計(jì)算，設(shè)計(jì)處理干泥量為9.21 t/d，考慮一定的富余量取10 t/d。

2.4 污泥處理工藝比選

排泥水處理系統(tǒng)中的核心設(shè)備是脫水機(jī)械，經(jīng)過脫水裝置后的污泥運(yùn)送至老港垃圾填埋場作為填埋覆蓋土。脫水機(jī)械可選的主流設(shè)備有帶式壓濾機(jī)、離心脫水機(jī)、板框壓濾機(jī)、疊螺脫水機(jī)等，現(xiàn)對幾種常用的脫水機(jī)械進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，如表4所示。

表4 脫水機(jī)械比選Tab.4 Comparison and Selection of Dewatering Machinery

由表4可知，帶式壓濾機(jī)造價最少，性價比最高，但其為半敞開式，衛(wèi)生條件較差，易損件多，故障較多，本項(xiàng)目設(shè)備占地緊湊，不適宜在本項(xiàng)目上使用。板框壓濾機(jī)脫水后污泥含水率最低，運(yùn)行穩(wěn)定，但在脫泥時需要人工輔助，且定期要更換濾布或沖洗，勞動強(qiáng)度及衛(wèi)生條件亦有一定的局限。離心脫水機(jī)避免了傳統(tǒng)污泥脫水工藝采用板框壓濾機(jī)和帶式壓濾機(jī)的不足，特別是在運(yùn)行管理、環(huán)境和占地上具有明顯的優(yōu)勢，但由于離心脫水機(jī)運(yùn)行過程中存在噪音大的問題，即便進(jìn)行相應(yīng)的隔音措施，其噪音污染亦存在一定的隱患。疊螺脫水機(jī)存在場地面積小、投資性價比高等特點(diǎn)，但疊螺機(jī)對大的硬質(zhì)顆粒進(jìn)行脫水時，硬質(zhì)顆粒會造成設(shè)備的劃傷甚至是變形，影響設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。臥螺脫水機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性好，工藝性強(qiáng)，但其分離的好壞，與物料性質(zhì)有很大關(guān)系。

綜上，考慮到本項(xiàng)目為應(yīng)急過渡項(xiàng)目，選用更符合本項(xiàng)目實(shí)際的疊螺脫水機(jī)。疊螺脫水機(jī)的污泥含水率能穩(wěn)定在75%左右，且避免了其余污泥脫水設(shè)備存在的問題，故本設(shè)計(jì)采用疊螺脫水機(jī)。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 總平面設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)期自來水廠排泥水永久性處理設(shè)施建設(shè)時，考慮排泥水處理水流的整體方向?yàn)樽阅舷虮保c現(xiàn)有凈水工藝流向保持一致。因此，與水廠遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)相結(jié)合，本工程應(yīng)急處理系統(tǒng)建于廠區(qū)西側(cè)綠地處。該處理系統(tǒng)由排泥水收集調(diào)節(jié)系統(tǒng)、高效組合澄清系統(tǒng)及污泥脫水儲存系統(tǒng)組成，包括收集池、調(diào)節(jié)池(原生物接觸氧化池)、高效組合澄清系統(tǒng)、加藥集裝箱、污泥儲罐、疊螺脫水機(jī)、污泥料倉等。其中，收集池建于最北側(cè)用于收集廠區(qū)排泥水；高效組合澄清系統(tǒng)及污泥脫水系統(tǒng)建于調(diào)節(jié)池西側(cè)區(qū)域。總圖布置方案如圖4所示。

圖4 排泥水處理系統(tǒng)平面布置Fig.4 Layout Plan of Sludge Wastewater Treatment System

3.2 處理工藝設(shè)計(jì)

間歇性排放的沉淀池排泥水匯集于收集池內(nèi)，通過泵提升后進(jìn)入調(diào)節(jié)池中，對水量和水質(zhì)做適當(dāng)調(diào)整均化后，進(jìn)入高效組合澄清系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。處理后的水經(jīng)過取樣排放池進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測后，利用廠區(qū)原有排放口排入青龍港河道內(nèi)。處理后的污泥進(jìn)入污泥儲罐后由污泥泵打入疊螺脫水機(jī)進(jìn)行機(jī)械脫水處理，最后對脫水污泥進(jìn)行外運(yùn)處置。排泥水處理流程如圖5所示，排泥水收集池、高效組合澄清系統(tǒng)及污泥脫水系統(tǒng)平面布置分別如圖6及圖7所示。

圖5 排泥水處理流程Fig.5 Process Flow of Sludge Wastewater Treatment System

圖6 收集池平面布置Fig.6 Layout Plan of Collection Tank

3.3 主要工藝參數(shù)

3.3.1 收集池

收集池采用鋼結(jié)構(gòu)，分兩格，池體通過兩根連通管串聯(lián)運(yùn)行。單池設(shè)計(jì)L=12.0 m，B=3.0 m，有效水深H=3.5 m，總高度H=4.0 m，總有效容積為252 m3。

3.3.2 調(diào)節(jié)池(原生物接觸氧化池)

調(diào)節(jié)池利用廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有廢棄的生物接觸氧化池進(jìn)行改造。利用兩格池體進(jìn)行調(diào)節(jié)，現(xiàn)對調(diào)節(jié)池的容積進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。單個調(diào)節(jié)池L=12 m，B=8 m，有效水深為5.45 m，兩格總池容為1 046.4 m3。產(chǎn)生的排泥水量為3 000 m3/d，調(diào)節(jié)時間與排泥時間匹配，取調(diào)節(jié)時間為7.2 h，故選取的生化池改造為調(diào)節(jié)池，池容滿足要求。

3.3.3 高效組合澄清系統(tǒng)

高效組合澄清系統(tǒng)采用一體化撬裝式，布置于地面上，池體及框架采用碳鋼防腐材質(zhì)，尺寸為10.6 m×3.5 m×3.0 m。

3.3.4 取樣排放池

在河道排放口前設(shè)置1座取樣排放池，滿足排泥水出水需24 h連續(xù)監(jiān)測的環(huán)保要求。設(shè)計(jì)尺寸為3.2 m×1.2 m×2.2 m，采用鋼砼結(jié)構(gòu)。

3.3.5 污泥儲罐

高效澄清系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥進(jìn)入污泥儲罐進(jìn)行儲存及加藥攪拌。污泥儲罐主體結(jié)構(gòu)采用PP材質(zhì)。設(shè)計(jì)兩座，單座容積為20 m3。

3.3.6 疊螺脫水機(jī)

水廠產(chǎn)生的絕干污泥量為10 t DS/d，故脫水機(jī)總處理絕干污泥能力要求為10 t DS/d；單臺疊螺脫水機(jī)絕干污泥處理能力為500 kg DS/h，故本次設(shè)計(jì)采用兩臺疊螺脫水機(jī)，運(yùn)行時間為10 h。

3.3.7 污泥料倉

污泥料倉采用碳鋼防腐結(jié)構(gòu)，外部尺寸為7.0 m×5.8 m×6.0 m，料倉出料后直接卸料至車內(nèi)運(yùn)輸至廠外。

4 結(jié)語

(1)本工程采用一體化集裝箱式高效組合澄清系統(tǒng)及污泥脫水系統(tǒng)技術(shù)路線，經(jīng)專家確認(rèn)合理可行。項(xiàng)目施工完成以來，設(shè)備運(yùn)行效果良好，可有效應(yīng)急處置本項(xiàng)目水廠沉淀池排泥水，確保出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/199—2018)和泥餅含水率要求。

(2)排泥水處理工藝方案采用高效組合澄清系統(tǒng)工藝，環(huán)境衛(wèi)生好、占地面積小、施工周期短，貼合水廠現(xiàn)狀環(huán)境要求高、預(yù)留排泥水應(yīng)急處理場地面積小及施工時間緊湊的特點(diǎn)。且運(yùn)行管理簡單、運(yùn)行費(fèi)用低，后期在人力及物力方面節(jié)約大量費(fèi)用。

(3)本工程中，沉淀池至收集池的重力流管道作為長久設(shè)施建設(shè)，在設(shè)計(jì)時已考慮富余量，可在后期該水廠排泥水永久性處理工程建成后繼續(xù)利用。