緊湊型水廠排泥水處理設計應用

賴竺

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

過去認為給水廠產生的排泥水對環境造成的危害性較小，給水廠排泥水處理容易被忽略，大多數給水廠將排泥水直接排入附近水體，部分不存在適宜受納水體或產生排泥水量較大的水廠才考慮進行排泥水處理。但實際上給水廠沉淀池排泥水和濾池反沖洗水等自用水水量一般約占水廠總凈水量的4%～7%[1]，對水資源日益緊缺的現狀來說彌足珍貴，是不容放任流棄的水資源。隨著經濟的發展和人們環保意識的增強，國家對環境保護日益重視，除了新建水廠會考慮排泥水處理以外，一些有條件的水廠也陸續開始排泥水處理的改造項目。但對于目前大部分的排泥水處理建設項目用地均較為緊缺，尤其是改造項目，建設年代較久遠的水廠通常沒有給排泥水處理系統預留用地，從而導致排泥水處理工程改造十分困難。

針對該類型用地緊張的緊湊型給水廠排泥水處理，以廣州市某改造擴建水廠為例，開展排泥水改造工程設計，可為同類排泥水處理項目提供參考。

1 常規水廠排泥水處理系統

1.1 排泥水處理工藝流程

常規的排泥水處理工藝流程通常包括調節、濃縮及脫水3 道工藝[1]。

1.1.1 水量調節構筑物

給水廠沉淀池排泥及濾池的反沖洗水均為間歇性排放，而排泥水處理流程中濃縮及脫水均需要均勻進水，設置調節構筑物有助于均衡來水流量、適當調勻排泥水水質，起到緩沖作用。

1.1.2 濃縮

目前常用的幾類脫水機對進泥的含固率要求均不小于1.5%，而給水廠排泥水含固率通常在0.05%～0.5%，無法直接進入脫水機。為最大限度地提高排泥水含固率，以保證能達到脫水機的進泥要求，需要在脫水之前進行濃縮。目前常用的濃縮方式有重力濃縮、氣浮濃縮和機械濃縮3 種形式，通常能將排泥水的含固率濃縮至約3%，從而保證濃縮池的出泥滿足脫水機的技術要求。

1.1.3 脫水

脫水是降低排泥水中含固率的主要手段，脫水后泥餅含固率通常在20%～45%，這樣污泥的運輸以及儲存都會更加的便捷，同時處置污泥的費用也被大大降低。幾乎所有的給水廠中都不會設置污泥處理處置設施，廠內排泥水經處理后泥餅需外運處置，因此需要通過脫水大幅壓縮泥餅的體積，降低運輸成本以及滿足污泥處理廠對接收污泥的要求。

1.2 常規水廠污泥處理工藝參數選擇

（1）《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）對排泥水處理的相關參數規定如下[2]：①原水濁度設計取值應根據全量完全處理保證率達到75%～95%。②濃縮后污泥的含固率應滿足選用脫水機械的進泥濃度要求，且不低于2%。③固體通量、液面負荷宜通過沉降濃縮試驗，或按相似排泥水濃縮數據確定。當無試驗數據和資料時，輻流式濃縮池的固體通量可取干固體0.5～1.0kg/（m2·h），液面負荷不大于1.0m3/（m2·h）。

（2）部分已建給水廠工藝參數如表1 所示。

表1 部分水廠工藝參數

由于處理干泥量取決于水廠設計規模、原水濁度、加藥量等參數，干泥量是表示排泥水處理規模的重要參數，因此采用單位干泥量用地面積來表示排泥水處理構筑物所需占地面積大小。由于脫水機房占地面積主要取決于所采用的脫水工藝，故未納入用地面積指標估算。由表1 可知，除南洲水廠，其他水廠的單位干泥量用地面積基本接近，單位干泥量用地面積介于120～160m2/（t·d-1）。

2 廣州市某水廠排泥水系統設計案例

2.1 項目概況

2.1.1 項目簡介

該廠現狀為3 萬m3/d，本項目為改造擴建工程，廠區紅線占地面積約15335m2。擴建后供水總規模為15 萬m3/d，凈水主體工藝流程為絮凝沉淀—超濾膜—清水池，排泥采用虹吸排泥。沉淀池設兩座，排泥水總量為3546m3/d；膜池設14 格，沖洗廢水排放量4066m3/d、化學清洗廢水單次最大排放量450m3。

該廠現狀無排泥水處理設施，水廠凈水規模改造擴建的同時需配套同規模的排泥水處理系統。原水濁度計算取值按90%保證率時為73NTU，藥劑采用鋁鹽混凝劑，平均投加量為2mg/L，根據《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）[2]計算得排泥水總干泥量為17.73t/d，最終處理后外運泥餅含固率大于40%。

2.1.2 改造存在問題

（1） 建設用地不足。該廠的單位用地面積為0.1m2/（m3·d-1），用地標準僅為《城市給水工程規劃規范》（GB 50282—2016）[6]推薦值的18%，且廠區外圍周邊地塊均為基本農田，用地紅線無法外擴，屬于用地極其緊湊的給水廠。項目范圍內可供排泥水處理使用的地塊面積約為1800m2，單位干泥量用地面積約為102m2/（t·d-1），而按照常規水廠排泥水處理構筑物的計算并結合表1 中的案例參考，在保證泥水處理效果的前提下，至少需要約2900m2的用地面積，因此該廠可供排泥水處理的建設用地嚴重不足。

（2）調節構筑物需匹配膜池的排水。該廠的凈水主體工藝采用超濾膜工藝，不僅有常規的過濾沖洗廢水，還存在間歇性排放的化學清洗廢水，需進行中和處理。因此，在常規的排泥水處理構筑物基礎上，還需增設化學中和池，以供化學清洗廢水的處理。在該廠的排泥水設計中，如何平衡所需調節容積較大與用地不足之間的矛盾則是一個需要重點關注的問題。

2.2 工藝設計

2.2.1 工藝流程

該廠排泥水處理系統主體工藝流程包括調節、濃縮、脫水，為保證排泥水的處理效果，通常來說這3 個步驟是環環相扣，緊密聯系的。而針對該廠要在極其有限的用地條件下滿足污泥外運的含固率要求，不壓縮處理工藝，主要考慮以下兩個設計思路。

（1）調節池采用合建式。針對沉淀池排泥水和膜池過濾沖洗廢水，考慮合并收集，設置一座合建式調節池，相對于分建式調節池，總面積減小。但從目前國內一些采用合建式調節池的水廠運行經驗來看，后續的濃縮池效果普遍不理想[7]，原因在于廢水合并收集，稀釋了沉淀池排泥水，導致濃縮池的入流量增大，液面負荷加大，要達到相同的濃縮效果，需增大濃縮池的面積和體積。

（2）采用分建式，調節濃縮池疊合布置。由于調節池合建仍然難以大幅壓縮排泥水處理系統整體的占地，為保證濃縮效果，調節池仍考慮采用分建式。在傳統排水調節池、污泥調節池和濃縮池分建的基礎上，采用調節池與濃縮池疊合布置的形式，并增加化學中和池，排水調節池、化學中和池、污泥調節池設計為全地埋式，上部疊合布置濃縮池。該方案優勢在于既沒有犧牲排泥水處理的效果，也能夠滿足現狀極有限的用地條件。

結合該廠的實際情況以及對排泥水出泥的要求，最終排泥水處理系統設計采用濃縮池與調節池疊合布置的形式，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 廣州市某水廠排泥水處理工藝流程

2.2.2 排水調節池

排水調節池主要接收來自膜池過濾沖洗廢水和污泥濃縮池上清液。為方便檢修和清洗，排水調節池分兩格，共用一格吸水井，單格尺寸L×B=6.5m×6m。設計容積Q 為537.93m3，有效水深為4.50m。為防止池內沉積，池內設攪拌器2 臺。

2.2.3 化學中和池

化學中和池主要接收來自膜池化學清洗廢水及稀釋漂洗排水。為方便檢修和清洗，化學中和池分兩格，共用一格吸水井，單格尺寸L×B=6.5m×5m。設計容積Q為479.43m3，有效水深為4.50m。為防止池內沉積，池內設攪拌器2 臺。

2.2.4 污泥調節池

污泥調節池主要接收沉淀池排泥水及脫水機分離液。該廠共設置1 座污泥調節池，為匹配上部濃縮池的土建結構，污泥調節池分3 格，其中兩格的尺寸分別為L×B=22m×7.85m，及一格L×B=22m×11.9m，3 格共用吸水井。設計容積Q 為3110.5m3，有效水深為4.50m。為防止池內沉積，每格池內均設攪拌器。

2.2.5 污泥濃縮池

該廠設計濃縮池2 座，單座直徑16m，濃縮時間5h，有效水深4.4m，濃縮后污泥含固率為3%。設計采用改良型重力濃縮池，內部鋪設斜管，固體通量2.2kg/（m2·h），設計最大液面負荷q=0.42m3/（m2·h），在保證液面負荷及處理效果滿足《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）[2]要求的同時，固體通量可做到規范推薦值的2 倍，有效壓縮濃縮池所需容積。

2.2.6 污泥平衡池及脫水機房

污泥經濃縮后含固率為3%，為保障污泥平衡池的運行安全，儲存時間取t=24h，本次設計平衡池為1 座2格，總尺寸4.7m×4.7m，有效水深4.4m。

綜合比選板框壓濾機、帶式壓濾機及離心脫水機，由于該廠污泥最終外運處置，希望能盡可能減少脫水污泥體積，以便降低運輸費用。而板框壓濾機出泥含固率在三者之中最高，故本次設計選用3 臺板框壓濾機，兩用一備，16h 工作，出泥泥餅含固率40%。

3 設計優化

該廠凈水主體工藝采用膜處理工藝，排放廢水較常規給水廠增加化學清洗廢水，需單獨處理。考慮廢水水質的多樣性，該廠排泥水系統采用分建式，分別設置排水調節池、化學中和池及污泥調節池以收集不同水質的廢水。為滿足用戶對外運污泥的含固率要求，設計采用板框壓濾機進行脫水處理，前端配套污泥調節池、濃縮池及平衡池，構成完整的全流程排泥水處理系統。

該廠排泥水系統設計最突出的問題在于對排泥水處理的高要求與建設用地極度有限之間的矛盾。針對這一問題，結合場地條件及高程關系，將調節、濃縮的土建構筑物集成化疊合布置，下層布置兩類調節池及化學中和池，上層布置污泥濃縮池，廢水進入該系統后，僅需從調節池至濃縮池提升一次，濃縮池上清液出水可利用重力排放。同時，該方案大幅壓縮了整個處理系統所需的占地面積，實現了在極度有限的用地條件下對排泥水的全流程處理，最終出泥泥餅含固率達到40%。

4 結語

廣州市某水廠用地極其緊湊，相對于常規的排泥水處理系統，還需增加化學中和池，且用戶對污泥出泥含固率要求較高。經過綜合比選采用分建式排泥水處理系統，系統處理構筑物包括排水調節池、化學中和池、污泥調節池、濃縮池、平衡池、脫水機房等，通過將調節、濃縮池疊合布置，既有效地利用了高程關系，又大幅減少占地面積，確保了在有限的用地條件下完成排泥水處理系統的設計，可為我國用地條件有限的緊湊型水廠排泥水處理設計提供參考。