杭州西湖引配水工程除磷降氮工藝運(yùn)行優(yōu)化研究

吳偉

關(guān)鍵詞：絮凝沉淀；微生物濾池；調(diào)控；恒液位

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，西湖水體周邊旅游場(chǎng)所及匯水范圍內(nèi)街道目前均已完成“污水零直排建設(shè)”，外源輸入減少，2003年杭州市政府斥資近8000萬(wàn)元實(shí)施了西湖引配水工程，2015年在西湖引配水工藝中投入運(yùn)行國(guó)內(nèi)首座微污染地表水降氮處理工程。西湖引配水工程運(yùn)行以來(lái)，有一些對(duì)引配水凈水效益開(kāi)展的研究，但沒(méi)有針對(duì)工程運(yùn)行過(guò)程中存在工藝優(yōu)化方面的應(yīng)用研究，基于此，研究將針對(duì)引配水工程運(yùn)行過(guò)程中的不同情況，提出實(shí)用可行的最優(yōu)運(yùn)行程序。

1工程工藝

西湖引配水工程日引水量40萬(wàn)方，分別由玉皇沉淀池、赤山沉淀池引水30萬(wàn)方、10萬(wàn)方，研究所稱各項(xiàng)工藝均為玉皇沉淀池運(yùn)行工藝。為了引水流場(chǎng)分布均勻、水體交換充分、最大限度地發(fā)揮引水功效，依據(jù)引水模擬試驗(yàn)結(jié)果，工程在西湖的西面和南面共設(shè)6個(gè)進(jìn)水口，在湖的東面、北面設(shè)9個(gè)可控出水口，湖水經(jīng)出水口再下泄到市區(qū)河道。（見(jiàn)圖1）

1.1絮凝沉淀除磷工藝

西湖引配水工程由錢塘江原水經(jīng)引水管道輸送至引水預(yù)處理場(chǎng)，在特制混合管內(nèi)添加絮凝劑一聚合氯化鋁后，進(jìn)入混合反應(yīng)區(qū)?；旌戏磻?yīng)區(qū)內(nèi)的隔板為絮凝劑創(chuàng)造了良好的水解和聚合條件，從配水整流區(qū)出來(lái)的水流進(jìn)入沉淀區(qū)，水流自下而上進(jìn)入斜管，依靠重力作用泥水迅速分離，水中的泥沙絮凝體沿斜管壁下落至積泥區(qū)，由吸泥機(jī)定期排出池外，而清水則從溢流進(jìn)入集水區(qū)，通過(guò)集水槽和出水渠被送出池外。赤山沉淀池每日10萬(wàn)方引水也為同一類的絮凝沉淀除磷運(yùn)行工藝。（見(jiàn)圖2）

1.2微污染地表水降氮工藝

經(jīng)過(guò)絮凝沉淀的出水，呈現(xiàn)高錳酸鹽指數(shù)<4mg/L，總磷<0.03 mg/L，總氮<2.0 mg/L的“高氮低碳低磷”的微污染狀態(tài)。因引水預(yù)處理場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有足夠大的場(chǎng)地供微污染地表水降氮工藝運(yùn)行，所建造的降氮工藝樓只能滿足其中10萬(wàn)m³的出水進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過(guò)構(gòu)建反硝化生物濾池，利用填料掛膜并馴化反硝化菌形成填料-微生物復(fù)合凈化體系，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的沉淀池出水引入反硝化濾池中，并添加適量碳源物質(zhì)無(wú)水乙酸鈉，通過(guò)填料及填料表面微生物與來(lái)水的較短時(shí)間接觸，硝酸鹽氮被微生物異化還原轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，從水中逸出。（見(jiàn)圖3）

2工藝參數(shù)

2.1設(shè)計(jì)水量

設(shè)計(jì)處理水量為30萬(wàn)t/d，其中10萬(wàn)t經(jīng)過(guò)微污染地表水降氮處理。

2.2出水水質(zhì)

除磷工藝出水水質(zhì)要求：懸浮物≤10 mg/L，總磷<0.05 mg/L，透明度>120 cm，濁度<7 NTU；降氮工藝出水水質(zhì)要求：總氮≤1.5 mg/L，去除率≥40%，化學(xué)需氧量≤20 mg/L。

3工藝運(yùn)行優(yōu)化建議

3.1進(jìn)水量的調(diào)控優(yōu)化

西湖引配水工程處理原水為錢塘江來(lái)水，錢塘江的水質(zhì)受潮汛影響因素大，水中泥沙含量波動(dòng)很大，濁度范圍為5～2500 NTU，原水含沙量不穩(wěn)定會(huì)對(duì)高效混凝沉淀池的運(yùn)行效果產(chǎn)生一定影響。

按進(jìn)水濁度及時(shí)調(diào)整進(jìn)水量有利于絮凝效果及設(shè)備運(yùn)行。進(jìn)水濁度大于1000 NTU時(shí)，每小時(shí)30萬(wàn)t/d的進(jìn)水量可最終產(chǎn)出大約15～20噸含水率為50%左右的濕泥，大量泥沙絮凝物就會(huì)堆積在池底，影響工程運(yùn)行。按實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)水濁度1000NTU時(shí)，應(yīng)先減少10萬(wàn)t/d的進(jìn)水量，觀察吸泥機(jī)及脫泥設(shè)備等運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如連續(xù)二至三小時(shí)設(shè)備還是滿負(fù)荷在運(yùn)轉(zhuǎn)，則再減少10萬(wàn)t/d的進(jìn)水量。原水濁度儀濁度指標(biāo)小于20 NTU時(shí)，原水中的雜質(zhì)顆粒物較少，絮凝混合反應(yīng)物就會(huì)存在不足，絮凝后懸浮物的重量會(huì)變輕，大量懸浮物穿過(guò)斜管隨水流出池外，可減少10萬(wàn)t/d的進(jìn)水量，降低運(yùn)行負(fù)荷，觀察出水?dāng)y帶懸浮物是否變少，如連續(xù)1～2小時(shí)出水仍有懸浮物，則再減少10萬(wàn)t/d的進(jìn)水量保證出水水質(zhì)。

3.2吸泥機(jī)運(yùn)行優(yōu)化

行車式吸泥機(jī)一般停駐在沉淀池的出水端，吸泥管一端伸人沉淀池池底，另一端伸入住滿水的水封箱內(nèi)，形似倒“U”，在沉淀池兩端來(lái)回行走吸泥。在吸泥機(jī)的運(yùn)行中，由于機(jī)器底部的吸泥口到不了池底最兩端的位置，造成兩端泥沙堆積，堆積到一定程度會(huì)出現(xiàn)坡面會(huì)塌陷，影響吸泥機(jī)的工作行程距離，吸泥機(jī)觸碰不到固定點(diǎn)位的行程檔位裝置，自動(dòng)吸泥將會(huì)停止。（見(jiàn)圖4）

由于原固定點(diǎn)位的行程檔位裝置僅有一個(gè)檔位塊焊接在鋼軌一側(cè)，如遇到吸泥機(jī)運(yùn)行觸碰不到固定點(diǎn)位的行程檔位裝置時(shí)，需要切割調(diào)整吸泥機(jī)與檔位塊的距離，重新焊接新的觸碰點(diǎn)。為了改進(jìn)這一運(yùn)行問(wèn)題，通過(guò)改變?cè)瓩n位裝置，將其拆分為二部分，水平部分與底板通過(guò)螺栓連接固定，垂直部分接觸吸泥機(jī)行程開(kāi)關(guān)。底板為長(zhǎng)1.5米*寬12厘米*厚1厘米的鋼板，鋼板上按每隔8厘米間距打二排長(zhǎng)圓孔φ10*30毫米，底板與吸泥機(jī)導(dǎo)軌一側(cè)電焊固定，檔位裝置的水平部分可以左右調(diào)整位置。檔位裝置的垂直部分支撐板中心位置打長(zhǎng)圓孔φ10*100毫米，可與水平部分用螺絲連接固定，檔位裝置可以上下調(diào)整高度。（見(jiàn)圖5）

改動(dòng)后的檔位裝置能夠方便快捷地在空間上前后左右上下都可以調(diào)整位置，水平位置有2米的操作調(diào)整距離來(lái)解決吸泥機(jī)被池底泥沙堆阻擋不能前行的問(wèn)題，檔位裝置左右上下的空間位置的調(diào)整，也能更好讓行程開(kāi)關(guān)觸碰點(diǎn)在檔位裝置最有效的范圍內(nèi)。

3.3藥劑投加的控制優(yōu)化

西湖引配水工程絮凝沉淀工藝采用藥劑為聚合氯化鋁，通過(guò)多次試驗(yàn)和長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行情況得出，聚合氯化鋁藥劑投加量不足，絮凝體小難以沉降，懸浮物會(huì)穿過(guò)斜管影響出水水質(zhì)，水體會(huì)呈現(xiàn)淡白色；投加過(guò)量，不僅運(yùn)行成本會(huì)增大，而且會(huì)發(fā)生絮凝顆粒和懸浮物“再穩(wěn)”現(xiàn)象，影響絮凝效果和出水的pH值，使水質(zhì)再次變得渾濁。在制配好比重為1.035左右的聚合氯化鋁藥劑后，需根據(jù)進(jìn)水濁度的大小來(lái)調(diào)整加藥量，進(jìn)水濁度在0～30 NTU，加藥流量控制在500 m³／h；進(jìn)水濁度在30～100 NTU，加藥流量控制在650 m³／h；進(jìn)水濁度在100～300 NTU，加藥流量控制在800 m³／h；進(jìn)水濁度在300～1000 NTU，加藥流量控制在1000m³／h；進(jìn)水濁度大于1000 NTU，加藥流量控制在1200 m³／h。

3.4脫氮工藝反沖洗優(yōu)化

由于機(jī)械截流以及絮凝作用的影響，在生物濾池運(yùn)行的過(guò)程中，膠體顆粒、懸浮物在濾料空隙積累、生物體增殖等都會(huì)引起生物膜的加厚，一系列問(wèn)題將導(dǎo)致濾料有效比表面積減小，降解效率降低。為有效更新生物膜，增加濾料間隙，提升降解效率，在降氮工藝運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)開(kāi)展反沖洗工作。

在西湖脫氮工藝運(yùn)行過(guò)程中，為優(yōu)化降氮工藝反沖洗步驟，將反沖洗分為三種情況：正常反沖洗，小洗和強(qiáng)制反洗，對(duì)反沖洗參數(shù)進(jìn)行細(xì)化。

正常反洗：第一步，單獨(dú)氣洗；第二步，氣水聯(lián)合沖洗；第三步，單獨(dú)水洗，反洗水流速60m³／h，反洗氣流速12 Nm³／h，每次反沖洗水量472.5m³，每天反洗次數(shù)5次，每天反沖洗水量2363 m³/d。

小洗：在兩次正常反洗之間，根據(jù)堵塞率或者水頭損失情況可以啟動(dòng)小洗，小洗可以采用單獨(dú)氣洗和單獨(dú)水洗相結(jié)合的方法。

在異常情況下，若出現(xiàn)濾料膨脹率太高、達(dá)到最大堵塞率等情況時(shí)，可以采取強(qiáng)制反洗。

3.5降氮工藝水力負(fù)荷的優(yōu)化控制

在生物濾池運(yùn)行過(guò)程中，濾池微生物與水體相互作用的反應(yīng)時(shí)間可以由水力負(fù)荷率的大小體現(xiàn)出來(lái)。較高的水力負(fù)荷可以促進(jìn)濾池內(nèi)基質(zhì)與生物量的均勻分布，也可以控制生物膜厚度，但水力負(fù)荷過(guò)高也會(huì)造成生物膜的流失，水力負(fù)荷過(guò)低又會(huì)帶來(lái)有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物不足的問(wèn)題，影響微生物生長(zhǎng)反應(yīng)，在不同溫度條件下改變水力負(fù)荷，運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

從表1不同運(yùn)行情況得知，保證碳源條件充足（C/N =6：1）的前提下，濾池反沖洗狀態(tài)一致，低溫狀態(tài)下，低水力負(fù)荷運(yùn)行有利于反硝化運(yùn)行，硝態(tài)氮的去除率能達(dá)到要求；高水力負(fù)荷運(yùn)行，膜上微生物不活躍且反應(yīng)時(shí)間短，基本上沒(méi)有進(jìn)行反硝化作用。在常溫狀態(tài)下，低水力負(fù)荷和高水力負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，出水溶解氧均能控制在1mg/L以下，能給反硝化保證了無(wú)氧的環(huán)境，硝態(tài)氮去除率能保證在40%以上，出水COD_cr一般都低于15 mg/L。

3.6降氮工程進(jìn)水分配井防跌水系統(tǒng)優(yōu)化

降氮工藝溢流井底部連接管道直通濾池，水在溢流井內(nèi)從上至下是跌落式的，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入反硝化濾池的水體溶解氧遠(yuǎn)大于反硝化要求的水體無(wú)氧或者低氧的條件，進(jìn)而加大碳源投放量；水體跌落會(huì)導(dǎo)致七個(gè)溢流井的液位不同，進(jìn)而導(dǎo)致出水水流流速不一，增大去濾池之間運(yùn)行差異；同時(shí)溢流井上下端落差較大，水流跌落聲音可以到50～60分貝音量，存在噪音污染。

以設(shè)定的上位機(jī)目標(biāo)液位值5.2米為主的工作原則，系統(tǒng)控制圍繞PLC接收到反饋溢流井超聲波液位計(jì)液位信號(hào)，進(jìn)行判斷識(shí)別，然后內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算后輸出控制閥島，隨時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度大小，使之實(shí)際液位值始終在設(shè)定的液位值上限位至下限位的范圍內(nèi)工作，趨向于目標(biāo)值，達(dá)到恒液位的控制效果。如果配水井底部進(jìn)水變大，溢流口流量也變大，設(shè)定液位值不變，液位會(huì)不斷升高，系統(tǒng)根據(jù)一定的時(shí)間內(nèi)判斷，將進(jìn)水管道閥門(mén)開(kāi)度開(kāi)大，溢流井底部出水加快，溢流井液位下降指至液位接近目標(biāo)值，系統(tǒng)以恒液位工作，溢流井不產(chǎn)生跌水狀態(tài)。

4結(jié)論

錢塘江原水濁度在100～300 NTU時(shí)，加藥流量控制在800m₃／h可保證絮凝沉淀效果。通過(guò)改進(jìn)吸泥機(jī)檔位裝置，保證行程開(kāi)關(guān)碰觸點(diǎn)在檔位裝置有效范圍內(nèi)，可解決吸泥機(jī)軌道兩端易造成泥沙堆積的問(wèn)題。通過(guò)生物濾池進(jìn)行反硝化，在反沖洗過(guò)程中應(yīng)細(xì)化反沖洗順序及流速。冬季水力負(fù)荷小于1.4m³／m²？ h，春秋季水力負(fù)荷小于3.1m³／m²·h，硝態(tài)氮的去除率能達(dá)到要求；夏季，低水力負(fù)荷和高水力負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，硝氮去除率均可達(dá)40%以上。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以設(shè)定的上位機(jī)目標(biāo)液位值5.2米為主的工作原則，系統(tǒng)控制圍繞PLC接收到反饋溢流井超聲波液位計(jì)液位信號(hào)，進(jìn)行判斷識(shí)別，然后內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算后輸出控制閥島，隨時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度大小，保證系統(tǒng)以恒液位工作，溢流井不產(chǎn)生跌水狀態(tài)。