強化混凝與濾布濾池組合工藝應(yīng)用于農(nóng)村河道水質(zhì)提升工程

楊曉雷， 趙明杰， 孫浩楠， 劉曉靜， 栗勇田，4

（1.保定市生態(tài)環(huán)境局淶源縣分局， 河北 保定 074300； 2.秦皇島天大環(huán)保研究院有限公司 河北省河道水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)重點實驗室， 河北 秦皇島 066000； 3.秦皇島市水污染監(jiān)測及治理工程技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066000； 4.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300072）

河道水環(huán)境綜合治理及長效保持是一項長期、復(fù)雜的系統(tǒng)工程［1-3］， 由于村鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施不完善， 農(nóng)業(yè)面源污染加劇， 黑臭水體治理后缺乏長效管護(hù)機制等原因， 導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化及藻類水華現(xiàn)象頻繁發(fā)生， 河道水質(zhì)易發(fā)生劇烈波動。 傳統(tǒng)的河道水質(zhì)提升技術(shù)包括調(diào)水工程、 原位生態(tài)修復(fù)以及人工曝氣充氧等方法［4-5］， 均有一定的凈化效果， 但也存在施工難度大、 污染物去除效率低、運行成本高等問題， 且難以在短期內(nèi)有效應(yīng)對斷面水質(zhì)超標(biāo)等突發(fā)情況， 因此， 采用因地制宜的工程技術(shù)措施， 及時高效地提升河道水質(zhì)， 極具現(xiàn)實意義。

新型物化水質(zhì)凈化技術(shù)主要是通過添加物理化學(xué)藥劑以及應(yīng)用新型水處理設(shè)備工藝實現(xiàn)高效的凈水功效， 如混凝沉淀、 加藥氣浮、 濾布濾池深度凈化等方法［6-8］， 因處理效率高、 出水水質(zhì)穩(wěn)定以及自動化程度高等優(yōu)勢， 在河道富營養(yǎng)化水體凈化工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。 本研究通過構(gòu)建異位凈化處理工程， 采用以強化混凝與濾布濾池為核心的組合工藝提升河道水質(zhì)， 介紹了組合工藝流程及相關(guān)設(shè)計參數(shù)， 并對實際運行效果及經(jīng)濟成本情況進(jìn)行考察與分析， 可為農(nóng)村河道水質(zhì)應(yīng)急保障與提升技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒與參考。

1 工程概況

飲馬河發(fā)源于盧龍縣雙望鎮(zhèn)， 昌黎縣境內(nèi)河段全長34 km， 流域面積為142.8 km2， 河水主要來自沿河多家農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)及集中式污水處理廠的排水。 近年來， 隨著企業(yè)及居民用水量升高， 污水處理廠常期超負(fù)荷運行， 加之工業(yè)園區(qū)排水系統(tǒng)的雨污混接及初雨徑流， 使得河道水體中污染物不斷累積， 尤其在夏秋季節(jié)， 河水中藻類及各類污染物濃度顯著升高， 造成下游出境斷面水質(zhì)連續(xù)超標(biāo)。

為保障飲馬河出境斷面水質(zhì)滿足《秦皇島市碧水保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》的相關(guān)要求， 當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門計劃在嚴(yán)格控源的基礎(chǔ)上， 通過工程措施在出境斷面上游合適位置新建攔水壩對河水進(jìn)行異位凈化后回補入河， 并在河岸及河面進(jìn)行生態(tài)修復(fù)， 減小面源污染的同時進(jìn)一步提高水體凈化能力， 本文就河道水體異位凈化工程的工藝設(shè)計、 水質(zhì)提升效果及運行情況進(jìn)行介紹與分析。

2 設(shè)計水質(zhì)和水量

通過分析近年飲馬河昌黎縣域出境點斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知， 河水在6 ～8 月份污染最為嚴(yán)重，為劣Ⅴ類水質(zhì)， 指標(biāo)波動較大的主要污染物為COD 和TP， 其中COD 質(zhì)量濃度最高為73.60 mg／L， 年平均值為38.30 mg／L， TP 質(zhì)量濃度最高為1.96 mg／L， 年平均值為0.65 mg／L， NH3-N 質(zhì)量濃度較穩(wěn)定， 最高為1.74 mg／L， 年平均值為1.09 mg／L。 此外， 為保證河流景觀功能并滿足后續(xù)生態(tài)修復(fù)要求， 還需控制水體濁度， 根據(jù)飲馬河水質(zhì)現(xiàn)狀及工程目標(biāo)， 異位凈化工程出水COD、 NH3-N和TP 水質(zhì)指標(biāo)執(zhí)行GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)， 出水濁度執(zhí)行GB／T 18921—2019《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》中的景觀濕地環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)， 具體指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality

根據(jù)河道現(xiàn)場條件， 綜合考慮治理效果及占地、 后期管理、 能源及交通等因素， 確定選取出境監(jiān)測斷面上游2.5 km 處北岸為旁路異位凈化點位，設(shè)計處理水量為1×104m3／d。 攔水壩建成后， 在壩前取水提升至岸上， 并利用集中凈化設(shè)施對水體中特征污染物進(jìn)行處理， 達(dá)標(biāo)后排入下游河道。

3 河道水質(zhì)提升工藝

3.1 工藝流程

根據(jù)飲馬河水文特點， 河道清淤和疏浚涉及工程量大， 且難以短期內(nèi)提升河水水質(zhì)。 針對夏秋季節(jié)河水水體COD 及TP 濃度較高， 同時考慮控制水體濁度的需求， 工程采用強化混凝沉淀法結(jié)合濾布濾池深度凈化工藝提升河道水質(zhì)， 工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程Fig. 1 Process flow

河水經(jīng)進(jìn)水渠自流進(jìn)入集水泵井， 通過配套機械格柵攔截分離出大塊懸浮物及漂浮物， 然后提升至旋流分離系統(tǒng)中， 通過砂水分離器將顆粒粒徑較大的泥沙分離外運處理， 設(shè)置前端水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)監(jiān)測進(jìn)水中污染物超標(biāo)情況， 依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)向河水中定量投加高效復(fù)合混凝藥劑， 在沉砂器中充分混合后， 通過布水裝置進(jìn)入斜管沉淀池進(jìn)行絮凝沉降， 去除大部分膠體、 絮凝物及吸附在上面的有機物和氮磷， 同時通過復(fù)合藥劑的氧化還原作用可去除部分溶解性有機物［9］。 沉淀池出水經(jīng)溢流堰自流進(jìn)入濾布濾池， 通過固定在支架上的微孔濾布， 將固體懸浮物截留在濾布纖維外側(cè)， 可進(jìn)一步去除水體中的懸浮雜質(zhì)及氮磷， 降低有機污染物濃度［10］，過濾液通過中空管收集后由溢流槽排出濾池， 經(jīng)出水渠自流排放回河道中。 當(dāng)濾布上污泥不斷積累，致使池內(nèi)液位上升到設(shè)定值后， PLC 控制開啟反抽吸泵及傳動裝置進(jìn)行反清洗。 沉淀池產(chǎn)生的污泥經(jīng)底部排泥管送至板框壓濾機進(jìn)行污泥脫水， 壓濾液和濾布濾池反洗水回流至前端處理， 泥餅富含氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)， 經(jīng)好氧發(fā)酵后可外運用于園林綠化及土壤改良等。

3.2 工藝技術(shù)特點

（1） 處理效率高、 處理量大。 高效復(fù)合混凝藥劑是由混凝劑、 助凝劑、 耦合劑、 氧化劑等多種成分復(fù)合而成的液體制劑， 能夠加速絮體產(chǎn)生及沉降， 同時通過化學(xué)反應(yīng)降低有機污染物濃度； 旋流分離系統(tǒng)集成了藥劑混合攪拌、 河水沉砂和砂水分離等多項功能于一體， 能夠減小后續(xù)沉淀及過濾處理的負(fù)荷， 工藝總處理時間不超過15 min， 此外，多臺設(shè)備并聯(lián)運行可以滿足更大處理量的需求。

（2） 工藝自動化程度高， 出水穩(wěn)定。 本工程由主控室的PLC 系統(tǒng)對處理過程實時監(jiān)控， 自動采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)及設(shè)備運行情況， 并對各處理單元電機啟停進(jìn)行全過程控制。

（3） 工程占地小， 建設(shè)周期短。 相比傳統(tǒng)混凝沉淀及人工濕地等水質(zhì)提升工藝， 該組合工藝流程短， 附屬設(shè)備少， 通過合理布設(shè)能夠有效節(jié)約占地面積。 主要處理單元多為成套設(shè)備現(xiàn)場拼裝， 大幅減少了土建工程內(nèi)容， 縮短了建設(shè)周期。

4 主要處理單元及設(shè)計參數(shù)

（1） 集水泵井。 采用地下砼結(jié)構(gòu)， 尺寸為6.6 m×6.3 m， 有效水深4.0 m。 設(shè)置提升水泵2 臺， 1用1 備， 流量為480 m3／h， 揚程為15 m， 功率為45 kW； 不銹鋼格柵網(wǎng)1 套， 柵條間隙為10 mm；電動葫蘆1 套， 起重量為2 t， 起吊高度為6 m， 電機功率為3.4 kW。

（2） 旋流分離系統(tǒng)。 旋流分離系統(tǒng)設(shè)計流量為1×104m3／d， 主要由藥劑投加裝置、 沉砂裝置及砂水分離裝置3 部分組成。 高效混凝藥劑投加裝置2套， 藥劑投加量為50 mg／L， 設(shè)置有效容積為10 m3的加藥桶2 座， PE 材質(zhì)； 配套攪拌機2 臺， 單臺功率為1.1 kW； 加藥計量泵2 臺， 單臺最大流量為500 L／h， 揚程為30 m， 功率為0.75 kW。 氣提式旋流沉砂器1 臺， 箱體直徑為3.8 m， 有效水深3.2 m， 箱體及配套攪拌、 氣提裝置均為不銹鋼材質(zhì)， 電機功率為2.2 kW， 風(fēng)機功率為2.2 kW。砂水分離器1 臺， 槽體為不銹鋼材質(zhì)， 直徑為0.3 m， 葉片為高強度合金鋼材質(zhì)， 直徑為0.26 m， 功率為0.37 kW。

（3） 斜管沉淀池。 碳鋼防腐結(jié)構(gòu)， 平面尺寸為14.0 m×6.0 m， 池體總高為4.0 m。 池體沿縱向分為清水區(qū)、 斜管區(qū)、 布水區(qū)及積泥區(qū)。 清水區(qū)上升流速為2 mm／s， 設(shè)計面積為60 m2， 高度為1.2 m；斜管區(qū)采用蜂窩六角形斜管， 斜管長1 000 mm，厚0.4 mm， 內(nèi)徑為30 mm， 安裝水平傾角為60°，設(shè)計沉淀時間為7 min； 布水區(qū)高度為1.0 m， 采用側(cè)面進(jìn)水， 進(jìn)口處設(shè)置整流格柵； 積泥區(qū)排泥斗高度為0.8 m， 污泥經(jīng)池底排泥通道采用虹吸式機械排泥。

（4） 濾布濾池。 碳鋼結(jié)構(gòu)， 內(nèi)涂環(huán)氧樹脂防腐， 尺寸為7.3 m × 2.5 m × 3.0 m， 單套處理量為1.5×104t／d。 設(shè)置高效纖維濾盤16 片， 轉(zhuǎn)盤直徑為2 000 mm， 材質(zhì)為聚脂支撐及尼龍纖維濾布，空心轉(zhuǎn)軸采用不銹鋼焊接而成， 中空管既可輸送清水又可帶動濾盤旋轉(zhuǎn)， 驅(qū)動電機功率為1.1 kW，反沖洗泵流量為50 m3／h， 功率為2.2 kW。 配套電氣系統(tǒng)由電控箱、 PLC、 液位監(jiān)測等電控元件組成， 用于控制反洗過程， 調(diào)整反洗間隔。

（5） 污泥脫水系統(tǒng)。 濃縮后污泥量為30 m3／d，含水率為97%～98%。 設(shè)置螺桿泵1 臺用于污泥提升， 流量為20 m3／h， 功率為5.5 kW； 廂式壓濾機1 臺， 機身尺寸為4.8 m×1.5 m×1.5 m， 單臺處理量為2.5 m3／h， 過濾壓力為1 MPa， 壓濾面積為50 m2， 主機功率為1.5 kW， 脫水后泥餅含水率為70%， 通過配套皮帶輸送系統(tǒng)送至卸料區(qū)后定期外運處理。

（6） 在線監(jiān)測及控制系統(tǒng)。 在進(jìn)出水口配置多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)1 套， 電流為4 ～ 20 mA，精密度為±5%， 2 路信號輸出； 配套UPS 電源及數(shù)采儀， 滿足設(shè)備3 h 以上用電量。 電磁流量計8臺， 測量范圍為5～2 500 m3／h， 測量精度為±0.5%，采用316 電極， 分體式， 防護(hù)等級為IP68。 PLC控制柜1 套， 殼體防護(hù)等級IP56。

5 工程運行效果

2020 年初， 該工程項目正式投入使用， 穩(wěn)定運行3 個月后， 7 月～9 月對系統(tǒng)進(jìn)出水口進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測， 采樣頻率為4 次／月， 具體指標(biāo)見表2。

表2 實際進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 2 Actual influent and effluent water quality

由表2 可見， 在河水污染較嚴(yán)重的夏秋季節(jié)，原水中各污染物指標(biāo)波動較大。 通過采用強化混凝沉淀與濾布濾池深度過濾工藝進(jìn)行岸上異位凈化后， 出水COD、 NH3-N、 TP 和濁度的平均去除率分別為50.54%、 11.02%、 80.17% 和88.94%， 出水水質(zhì)均達(dá)到設(shè)計要求。 該組合工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定， 對TP 和濁度具有明顯的去除效果， 而對COD的去除率高于常規(guī)混凝沉淀法［11］， 說明河道水體中非溶解性有機物占比較高， 強化混凝過程對水中溶解性有機物也具有一定的去除效果。 該工程根據(jù)受污染河段的治理需求針對性地采用物化水質(zhì)凈化工藝， 因此對水體中NH3-N 的去除效果有限，若河水中NH3-N 濃度超過設(shè)計進(jìn)水指標(biāo)， 可通過在現(xiàn)有工藝后增加穩(wěn)定塘或人工濕地等方式進(jìn)行深度降解［12］。

6 經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)

該工程占地面積約為1 200 m2， 總投資1 032.3萬元。 運行費用主要包括電費、 藥劑費、 人工費以及檢修維護(hù)費用等， 其中， 該工程的總運行功率為68.47 kW， 噸水平均耗電費用為0.13 元， 噸水藥劑費用為0.20 元， 噸水人工費用為0.03 元， 噸水平均維護(hù)費用為0.02 元， 工程總運行成本為0.38元／m3。

7 結(jié)語

根據(jù)某農(nóng)村河道夏秋季節(jié)水質(zhì)特點及治理要求， 采用旁路處理的方式， 將以強化混凝與濾布濾池為核心的組合工藝應(yīng)用于河道水質(zhì)提升工程， 對水體中COD 的去除率達(dá)到50% 以上， 對TP 和濁度的去除率均達(dá)到80% 以上， 出水主要污染物指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)， 河水的感官品質(zhì)顯著提升。 該工程占地面積小， 建設(shè)周期短， 凈化效果穩(wěn)定， 運行過程自動化程度高， 成套設(shè)備維護(hù)簡單方便， 運行成本僅為0.38 元／m3， 具有良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益， 可為類似河道水質(zhì)凈化工程的設(shè)計、 建設(shè)和運行提供參考和借鑒。