水廠生產(chǎn)廢水回用和污泥處理工藝研究及應(yīng)用

戴仲怡， 劉 臣

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430010)

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水廠生產(chǎn)廢水回用和污泥處理工藝研究及應(yīng)用

戴仲怡， 劉 臣

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430010)

深圳市觀瀾茜坑水廠規(guī)模為30×104m3/d，龍華茜坑水廠規(guī)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(jié)約運(yùn)行成本以及維護(hù)管理方便，兩個(gè)水廠的生產(chǎn)廢水及污泥均集中在觀瀾茜坑水廠進(jìn)行回收與處理。經(jīng)兩年多的運(yùn)行，廢水及污泥回收與處理項(xiàng)目取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)生產(chǎn)廢水回收及污泥處理工藝、設(shè)計(jì)特點(diǎn)、運(yùn)行效果以及存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)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(jī)

1 概述

我國(guó)城鎮(zhèn)化正處于快速發(fā)展階段，城市節(jié)水對(duì)解決我國(guó)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(jié)水主要是生產(chǎn)廢水的減量化和安全回用，我國(guó)大多數(shù)以地表水為水源的城市水廠生產(chǎn)廢水占取水量的3%～7%[2]，若能將該部分水合理回收利用，節(jié)能減排，則會(huì)節(jié)約大量的寶貴水資源，極大地促進(jìn)水資源的循環(huán)利用和國(guó)家的可持續(xù)健康發(fā)展。

深圳市觀瀾茜坑水廠規(guī)模為30×104m3/d，深圳市龍華茜坑水廠規(guī)模為23×104m3/d，這兩個(gè)水廠為相鄰兩個(gè)街道的主力水廠，水源均采用東江水，備用水源為茜坑水庫(kù)水，原水水質(zhì)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)系Fig.1 Location of Guanlan Xikeng Waterworks and Longhua Xikeng Waterworks

為節(jié)約運(yùn)行成本以及維護(hù)管理方便，兩個(gè)水廠的生產(chǎn)廢水及污泥集中在觀瀾茜坑水廠進(jìn)行回收與處理，該項(xiàng)目目前已穩(wěn)定運(yùn)行兩年多，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 水廠生產(chǎn)廢水組成及水質(zhì)分析

觀瀾茜坑水廠與龍華茜坑水廠的生產(chǎn)廢水主要包括反應(yīng)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(gè)水廠日產(chǎn)水量5%左右，對(duì)這部分水進(jìn)行回用不僅可以節(jié)約水資源，降低水廠生產(chǎn)運(yùn)行成本，還可以減少生產(chǎn)廢水的排放量。

水廠生產(chǎn)廢水中濾池反沖洗水水質(zhì)較好，水量占日產(chǎn)水量2.5%左右，反應(yīng)沉淀池排泥水和脫水機(jī)壓濾水水質(zhì)相對(duì)較差，水量占日產(chǎn)水量2.5%左右。但受原水水質(zhì)、處理工藝、藥劑投加量等因素影響，生產(chǎn)廢水水質(zhì)不盡相同。水廠生產(chǎn)廢水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 水廠原水水質(zhì)及生產(chǎn)廢水水質(zhì)

續(xù)表1 (Continue)

根據(jù)水廠生產(chǎn)廢水水質(zhì)指標(biāo)分析，主要具有以下特點(diǎn)：

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

(2)濾池反沖洗廢水的濁度相對(duì)穩(wěn)定，且濁度相對(duì)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(yīng)沉淀池排泥水和壓濾水混合液的濁度遠(yuǎn)高于濾池反沖洗水，且含泥濃度較高，其水量與水質(zhì)隨原水水質(zhì)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(xì)菌總數(shù)高達(dá)數(shù)萬CFU/mL，是原水細(xì)菌總數(shù)的上千倍。

3 水廠生產(chǎn)廢水回收及污泥處理工藝

根據(jù)對(duì)水廠生產(chǎn)廢水水質(zhì)分析，濾池反沖洗水質(zhì)雖然相對(duì)較好，但水質(zhì)也差于原水水質(zhì)，如直接回用對(duì)水廠運(yùn)行沖擊較大，因此回用前需對(duì)該部分水進(jìn)行相應(yīng)處理。反應(yīng)沉淀池排泥水和壓濾水混合液水質(zhì)較差，如直接回用對(duì)水廠影響較大，因此必須處理后方可回用。

根據(jù)國(guó)內(nèi)水廠生產(chǎn)廢水回用情況，濾池反沖洗水經(jīng)沉淀1 h以上后水質(zhì)會(huì)明顯改善，基本與原水水質(zhì)相當(dāng)，可以回用。反應(yīng)沉淀池排泥水和壓濾水混合液水質(zhì)較差，無法直接回用。經(jīng)過對(duì)生產(chǎn)廢水水質(zhì)分析及論證，水廠生產(chǎn)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(jīng)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(jīng)高效濃縮池濃縮，上清液進(jìn)配水總井回用，污泥從底部抽升至脫水車間，經(jīng)板框脫水機(jī)脫水后形成泥餅外運(yùn)。

4 水廠生產(chǎn)廢水回收及污泥處理設(shè)計(jì)

生產(chǎn)廢水回收及污泥處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括濾池反沖洗回收水池、反應(yīng)沉淀池排泥水回收水池、高效污泥濃縮池、儲(chǔ)泥池以及污泥脫水車間等構(gòu)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(yīng)沉淀池排泥水回收水池，其中濾池反沖洗水經(jīng)過約2 h沉淀以后，上清液經(jīng)出水區(qū)提升至配水總井重新利用，底泥由刮泥機(jī)抽排至排泥水回收水池；排泥水則直接抽升進(jìn)入污泥濃縮池濃縮。

龍華茜坑水廠供水規(guī)模為23×104m3/d，設(shè)回收水池2座，分別回收濾池反沖洗水和反應(yīng)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(jī)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(shè)上清液回收水泵2臺(tái)，1用1備，單泵參數(shù)Q=450 m3/h，H=20 m，N=45 kW；為抽排池底污泥，設(shè)泵吸式刮泥機(jī)1臺(tái)，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(nèi)設(shè)潛水?dāng)嚢杵?臺(tái)，D=620 mm,n=480 rpm,N=5.5 kW。

觀瀾茜坑水廠供水規(guī)模為30×104m3/d，分二期建設(shè)，其中一期、二期工程分別設(shè)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(yīng)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(shè)計(jì)濾池反沖洗回收水池停留時(shí)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(shè)計(jì)濾池反沖洗回收水池停留時(shí)間為2.0 h。

每座反沖洗廢水回收水池設(shè)上清液回收水泵2臺(tái)，1用1備，單泵參數(shù)Q=400 m3/h，H=20 m,P=30 kW，設(shè)泵吸式刮泥機(jī)1臺(tái)，N=2.2×4 kW。排泥水回收水池設(shè)排泥水潛水提升泵2臺(tái)，1用1備，單泵參數(shù)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(nèi)設(shè)潛水?dāng)嚢杵?臺(tái)，D=620 mm,n=480 rpm，N=7.5 kW。

(2)污泥濃縮池

為改變傳統(tǒng)重力濃縮停留時(shí)間長(zhǎng)、沉淀效果差、上清液水質(zhì)差等特點(diǎn)，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(chǔ)上，發(fā)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(diào)出水堰版、集泥濃縮機(jī)等部件組成。廢水由進(jìn)水管進(jìn)入池體，在位于池體中間的進(jìn)水廊道內(nèi)向前側(cè)流動(dòng)，由導(dǎo)流板發(fā)射，再通過兩側(cè)的布水口進(jìn)入斜板。隨著水流向上流動(dòng)，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(jī)對(duì)污泥進(jìn)一步濃縮，污泥經(jīng)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(diào)出水堰匯集至出水槽，再由出水管排出。

污泥濃縮按兩個(gè)水廠集中處理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)總規(guī)模為53×104m3/d。采用方形斜板連續(xù)式濃縮池，共設(shè)4座。濃縮池進(jìn)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(zhì)。

斜板下部設(shè)濃縮機(jī)對(duì)濃縮區(qū)污泥進(jìn)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(jìn)一步強(qiáng)化濃縮效果，在濃縮池配水井內(nèi)增設(shè)1個(gè)PAM投加點(diǎn)，投加量采用0.5～1 mg/L，投加濃度采用0.1%，投加泵設(shè)在脫水車間，設(shè)螺桿泵2臺(tái)，1用1備，單泵參數(shù)Q=1 500 L/h，H=0.3 MPa，N=1.1 kW。

污泥經(jīng)濃縮池濃縮后，含水率降至約96%，污泥量為Q=650 m3/d，進(jìn)入脫水車間進(jìn)行脫水處理。

(3)儲(chǔ)泥池

設(shè)儲(chǔ)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(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)2臺(tái)，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(guān)鍵的設(shè)備為脫水設(shè)備，脫水設(shè)備要求脫水效果好、運(yùn)行穩(wěn)定、操作維護(hù)方便、投資省、運(yùn)行成本低。目前國(guó)內(nèi)脫水設(shè)備有帶式壓濾機(jī)、離心脫水機(jī)、疊螺式脫水機(jī)、板框壓濾機(jī)等。

帶式壓濾機(jī)電耗低，可連續(xù)運(yùn)行，但占地大、出泥含固率低、壓濾水水質(zhì)差、車間工作環(huán)境較差、需要連續(xù)加藥，一般用于小規(guī)模以及對(duì)含固率要求較低的水廠或污水廠。

離心脫水機(jī)運(yùn)行管理方便、占地小，操作維護(hù)方便、車間工作環(huán)境好。但電耗高、出泥含固率低，加藥量較大，壓濾水水質(zhì)較差。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用較廣。

疊螺式脫水機(jī)運(yùn)行管理方便、占地小，操作維護(hù)方便、車間工作環(huán)境好，電耗較低，出泥含固率比離心脫水機(jī)高，泥餅含固率一般能達(dá)到30%。但需要連續(xù)投加藥劑，壓濾水水質(zhì)較差。一般運(yùn)用于化工及小型污水廠脫水。

傳統(tǒng)板框壓濾機(jī)出泥含固率高，電耗較低，但占地大、設(shè)備多、藥劑投加量大，采用震動(dòng)卸料系統(tǒng)，需要人工輔助卸料，勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作間環(huán)境質(zhì)量及壓濾水水質(zhì)差。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用較多。

濾布走形式板框壓濾機(jī)自動(dòng)化程度高、脫水效果好、電耗低、操作間環(huán)境好、出泥含固率高，不投加藥劑可達(dá)到45%以上，壓濾水水質(zhì)好，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后一般可回用。但占地大、設(shè)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(xiàng)目采用脫水效率高、安全性好、故障率低、泥餅自動(dòng)剝落完全自動(dòng)操作的濾布走形式板框壓濾機(jī)。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(shè)3層，框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸為41.04 m×15.24 m?？偨ㄖ娣e2 000 m2，其中一層布置脫水輔助系統(tǒng)，包括污泥進(jìn)料系統(tǒng)、隔膜擠壓系統(tǒng)、濾布沖洗系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)以及污泥輸送系統(tǒng)等；2～3層布置濾布走形式板框壓濾機(jī)。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)總規(guī)模 53×104m3/d

總干污泥量 26 tDS/d

脫水機(jī)進(jìn)泥量 650 m3/d

脫水污泥進(jìn)料含固率 4%

設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間 16 h

泥餅含水率 ≤55%

進(jìn)料時(shí)間 10 min/批次

進(jìn)料壓力 0.5 MPa

隔膜擠壓時(shí)間 10 min/批次

隔膜擠壓壓力 1.5 MPa

批次運(yùn)行時(shí)間 30 min/批次(含濾布沖洗)

不加藥脫水產(chǎn)泥率 4.0 kgDS/(m2·h)

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

5 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

觀瀾茜坑水廠和龍華茜坑水廠自生產(chǎn)廢水回收及污泥處理系統(tǒng)建成以來，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，具有以下特點(diǎn)：

(1)兩個(gè)大型水廠生產(chǎn)廢水和污泥集中處理，充分發(fā)揮水廠規(guī)模效應(yīng)，大大降低了水廠運(yùn)行費(fèi)用及管理成本。

(2)水廠生產(chǎn)廢水全部回收利用，真正實(shí)現(xiàn)了自來水廠生產(chǎn)廢水零排放。

(3)濾池反沖洗廢水與反應(yīng)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(zhì)達(dá)標(biāo)。

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

(5)采用濾布走行式板框壓濾機(jī)，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(fèi)用，特別是對(duì)污泥處置困難的地區(qū)具有較大優(yōu)勢(shì)。

(6)傳統(tǒng)板框壓濾機(jī)采用震動(dòng)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(jī)采用濾布運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行污泥卸料，無需人工操作，完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

6 運(yùn)行效果分析

水廠生產(chǎn)廢水回收及污泥處理系統(tǒng)于2014年5月建成投產(chǎn)使用，已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行2年多時(shí)間，兩個(gè)水廠每天生產(chǎn)廢水回收量約2.7×104m3/d，每年節(jié)約原水費(fèi)約960萬元(原水費(fèi)為0.97元/m3)，同時(shí)也降低了生產(chǎn)廢水排放量，取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。由于采用較先進(jìn)的廢水回收及污泥處理工藝和設(shè)備，生產(chǎn)廢水回收系統(tǒng)和污泥脫水系統(tǒng)除正常例行檢查外，不需要人工操作，完全實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制。

經(jīng)常規(guī)檢驗(yàn)，反沖洗水回收水池及高效濃縮池上清液濁度優(yōu)于原水濁度，其余水質(zhì)除錳的含量略超標(biāo)外，其余水質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，符合回用要求，水質(zhì)指標(biāo)見表2。

由于水廠原水水質(zhì)較好，且采用了先進(jìn)合理的廢水回收處理工藝，確保水廠出水水質(zhì)，自水廠生產(chǎn)運(yùn)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(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的要求。

表2 原水與回用水水質(zhì)比較

經(jīng)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(jī)不需要投加PAM藥劑，泥餅含水率約55%，降低了污泥外運(yùn)費(fèi)用。

7 存在的問題及建議

由于本項(xiàng)目實(shí)施過程中受客觀條件的限制，水廠生產(chǎn)廢水回收及污泥處理系統(tǒng)還存在不足之處，需要在今后工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中予以重視和完善。

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

(2)由于生產(chǎn)廢水水質(zhì)受原水水質(zhì)變化影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)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(zhì)，池頂應(yīng)采取防曬措施，防止PVC等塑料受陽(yáng)光直射，加速斜板老化。

(4)對(duì)江河原水以及藻類等有機(jī)物較少的湖泊水，采用濾布走行式板框壓濾機(jī)，無需投加絮凝藥劑；但對(duì)含藻類等有機(jī)物較高的湖泊水，應(yīng)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(jī)雖然比離心脫水機(jī)效果好，泥餅含固率高，但工程費(fèi)用較高，設(shè)備較大，維護(hù)量較大，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目具體情況合理選擇。

[1] 嚴(yán)煦世、范瑾初.給水工程(第四版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[2] 許嘉炯，鄭志民，許建華.關(guān)于自來水廠生產(chǎn)廢水的回用[J].凈水技術(shù)，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(jí)工程師， 注冊(cè)公用設(shè)備工程師(給水排水)， 主要從事市政給排水工程、環(huán)衛(wèi)工程設(shè)計(jì)及研究工作。E-mail：9317575@qq.com

2016-05-30