三峽庫區某工業水廠生產廢水處理工程設計

蒲貴兵，王文蕾，呂波，尹洪軍

(重慶市市政設計研究院，重慶400020)

對于三峽庫區內的長江上游水廠，三峽蓄水后，受回水淤積影響，原水濁度有所降低，豐水期內濁度降至2 000～3 500 NTU。由于蓄水時間較短，不能單依據近年水質資料選擇設計濁度，還應合理進行調整；另一方面，長江原水濁度季節性變化較大，原水濁度的變化給水廠生產廢水工藝和處理設施的設計帶來巨大影響。現有文獻中凈水廠生產廢水的研究對象基本為長江中下游段水廠[1-2]，長江上游段水廠設計資料匱乏，也使得三峽庫區長江上游段凈水廠生產廢水處理設計的探討具有重大的現實意義。本文擬對水廠生產廢水處理工程實例進行分析，以期對今后的類似項目提供一定的參考。

1 生產廢水的性質

1.1 水廠現狀及存在的問題

該工業水廠以長江水為水源，經平流沉砂池、高效沉淀池凈化處理后作為工業園區的工業用水(主要使用用途為除鹽水、循環冷卻水和一般生產用水，要求供水水質濁度為5～20 NTU以下)。工程一期規模5.0 萬m3/d，二期新增規模5.0 萬m3/d，因此本次排泥水處理系統設計規模為10.0 萬m3/d。

該供水工程供水水質要求較低，采用沉砂-澄清池-接觸消毒的凈水工藝，無需過濾及深度處理。一期運行效果良好，二期沿用一期凈水工藝。高效沉淀池混凝劑選用堿式氯化鋁(固體)，設計最大投加率按20 mg/L，平均投加量10 mg/L，固體PAC的Al2O3含量約30%。

目前生產廢水直接排入長江，給水廠水源及長江水質帶來一定影響，且該影響隨著二期擴建工程的實施還將進一步增大。此外，大量生產廢水直接排放也導致源水取水量增大，導致生產成本增加，生產廢水處理迫在眉睫。

1.2 水廠生產廢水的性質

從水廠處理工藝來看，結合水廠實際情況，水廠生產廢水主要為沉淀池排泥水，其中的污染物主要有懸浮物、部分溶解物質及混凝劑組成的無機污染物[3-4]。它的主要成分是無機物(黏土等無機礦物顆粒、氫氧化鋁、氫氧化鐵等混凝劑水解產物)，也含有部分有機物(約占污泥重量的10%～15%，主要來自原水中的色度、浮游生物和藻類等動植物殘骸)，還含有一定的微生物等雜質。若不進行適當的處置，不但嚴重污染水體，而且浪費大量的水資源和能源[1]。在當前水資源嚴重緊缺，水環境污染日益嚴重的情況下，水廠生產廢水處理和污泥處置越來越受到人們的重視。

2 生產廢水處理工程設計

2.1 水廠原水設計濁度

根據水廠一期運行監測資料(見表1)，三峽工程蓄水前，該水廠長江取水斷面豐水期內濁度高達5 000～7 000 NTU，瞬時濁度甚至上萬；三峽蓄水以后，受回水淤積影響，原水濁度有所降低(見表2)，豐水期內濁度降至2 000～3 500 NTU。另一方面，江水在豐水期、平水期、枯水期水質濁度差異很大。由表2可知：原水高濁期為每年的5—9月(長江水汛期)，濁度約為1 000 NTU；低濁度期為1—4月及10—12月，濁度約為40 NTU。若按豐水期濁度對泥沙處理系統進行設計，會導致投資增大及設備閑置。因此，必須選擇合適的保證率進行設計[4]。

表1 三峽蓄水前長江水濁度統計表 NTU

圖1 2012年長江水濁度統計

按升序排列整理日監測數據，不同排泥水處理保證率下的濁度如表3所示。不同保證率下，濁度差異較大，本項目保證率按75%設計，近3年最高值為306 NTU。鑒于重慶三峽蓄水時間較短，尚缺乏長時間的江水濁度統計資料，故本項目設計時考慮一定的富余系數(按10%計)，最終確定原水濁度設計值為330 NTU。

表3 不同保證率下的濁度 NTU

2.2 排泥水處理規模

S=[(K1(C0-Ce)+K2D)×k0Q×10-6

式中：C0為原水濁度設計取值，NTU，本項目取330；Ce為沉淀池出水濁度設計取值，NTU，本項目取5；K1為原水濁度與懸浮物SS(單位mg/L)的換算系數，根據實測，約為1∶1；D為藥劑投加量(20 mg/L)；K2為藥劑轉化成泥量的系數，由于無實驗值，本文取1.0；Q為原水流量(單位m3/d)，取10×104m3/d；k0為自用水系數，不考慮廢水回收，取1.05；S為干泥量(單位t/d)，經計算得干泥量S=36.23 t/d。

沉淀池排泥水含水率一般為99%～99.6%，本項目沉淀池排泥水含水率取99.3%，脫水機分離液Q2取沉淀池排泥水的10%，則本項目排泥水處理規模Q=1.1S/(1-w)=5 693 m3/d。

2.3 水廠生產廢水設計進出水水質

由于本水廠原水為長江水(重慶段)，其主要以無機物為主，除濁度外，其余指標均優于GB 3838—2002地面水環境質量標準中Ⅲ類水體水質要求；因此，本水廠生產廢水處理的重點為濁度的去除，原水經高效沉淀池處理后，生產廢水處理的重點即轉化為排泥水中無機懸浮物(SS)的去除，SS的合理設計取值受原水水質、生產廢水處理保證率等的影響。

結合水廠現狀運行資料、GB 50013—2006室外給水設計規范以及生產廢水處理的環評要求，在滿足生產廢水處理保證率的要求下，本項目出水執行GB 8978—1996污水綜合排放標準一級標準。

綜上所述，本項目生產廢水的設計進出水水質為：進水SS 6 364 mg/L(生產廢水處理保證率為75%)；出水SS≤70 mg/L。

2.4 排泥水處理工程工藝設計

2.4.1 處理工藝

水廠不設濾池，沒有反沖洗廢水，主要生產廢水來源為高效沉淀池排泥水。擬采用調節池+重力濃縮池+板框壓濾脫水的組合工序對生產廢水進行處理，工藝流程如圖2所示。

圖2 排泥水處理工程工藝流程

2.4.2 含水率與處理規模

本項目各處理單元的處理規模如表4所示。

表4 各處理單元工程規模

2.4.3 調節池

調節池的作用主要是收集沉淀池的排泥水，在池內均質均量化，調節池須安裝潛水攪拌機。考慮到工藝水頭的需求，在池內設潛水泵，以恒定流量向濃縮池投配污泥。設定報警和停機水位，通過液位計聯動輸出控制水泵開啟。沉淀池排泥按1～3次/天進行。

設置1座調節池，有效容積為3 500 m3，結合排泥水可利用場地的實際情況，調節池設置為異形，并設有溢流管，超負荷水量經溢流后，經廠區雨水管排入附近水體。池內安裝2臺潛水攪拌機，功率為7.5 kW，潛水泵的設計流量為400 m3/h，單臺流量200 m3/h，H=13.5 m，P=15 kW，共3臺，2臺用1臺備。

2.4.4 重力濃縮池

調節池來水的平均含固率為0.6%，其要求是將污泥的含固率從0.6%濃縮到2%～3%。本項目采用連續流重力濃縮池，其設計負荷和出泥濃度由污泥的性質和后續脫水方法決定。本項目污泥脫水擬采用板框壓濾脫水，要求濃縮池出水含固率在2%以上，本次設計濃縮池出水含固率為2.5%。

設置2座濃縮池，對稱鋼混結構，直徑18 m，有效水深5.1 m，液面負荷為0.08(低濁期)～0.55 m3/m2·h(高濁期)，固通量10.71(低濁期)～71.75 kgds/d·m2(高濁期)。

2.4.5 隔膜壓濾脫水間

1)設計參數。

污泥產生工藝水廠沉淀池排泥水污泥種類及主要成分無機污泥及藥劑污泥污泥前處理情況已經過濃縮工作方式16 h/d污泥溫度<50 ℃pH6～9進泥含水率<97.5 %泥餅含水率≤70%進濕污泥量1 606 m3/d(4臺)出泥餅量≤134 m3/d隔膜壓濾機臺數4臺工作頻率4 h/次,4次/d,沖洗水供水要求壓力0.2 MPa,流量>20 m3/h供電要求380 V/4P/3?/50 Hz壓縮空氣要求360 NL/min,>1.0 MPa過濾面積/m22 230.56尺寸18.85×20.4×16.0(雙層框架結構)

2)設備技術參數和性能描述。

本項目的主要設備有隔膜壓濾機、污泥進料泵、空壓機、沖洗水泵、沖洗水箱以及控制箱等。主要設備的型號規格見表5。工作前將濾布套在濾板上，然后操作壓濾機，按下壓緊按鈕，驅動壓緊桿，將壓緊板緊緊地壓緊濾板，卸泥工序及反沖洗可自動完成，沖洗頻率也可以根據實際情況調整，可以每次清洗或者定時清洗。

表5 主要設備一覽表

3)加藥設計。

為了改善自來水廠污泥的脫水性能，濃縮污泥進行污泥機械脫水前一般均勻加入適量的聚丙烯酰胺(PAM)來降低污泥比阻，使其易于脫水。

水廠的污泥中以無機沙礫及含有機成分的親水性膠質微粒為主，膠粒Zeta電位負電性較強；但由于水廠凈水過程中已加過鋁鹽或鐵鹽混凝劑，膠粒Zeta電位負電性明顯降低。實驗室小試和水廠生產性試驗均證實[4]：陰離子型PAM與陽離子型PAM在投加率相近(陽型投加率一般略高于陰型)的情況下，均能達到基本類同地降低污泥比阻和脫水污泥含固率30%以上的良好效果。由于陽離子型PAM的單位重量商品價格比陰離子型PAM高1倍左右，因此自來水廠污泥脫水的PAM調理劑宜選用丙烯酰胺單體含量低于0.05%的高分子量陰離子型PAM。本次設計采用陰離子PAM，投加點設在脫水機前。低濁期投加按0.5 kg/t(DS)計，高濁期投加按2.5 kg/t(DS)計。藥劑投加均采用隔膜式計量泵或螺桿式計量泵，設置4臺，單機2 000 L/h，H=20 m，功率P=1.5 kW，加藥裝置均設在脫水機房內。

3 經濟效益分析

工程總投資1 442.4萬元，第1部分工程費用(建安費)1 124.12萬元，第2部分工程費用(其他費用)206.61萬元，預備費用106.46萬元。

原水平均濁度約為246 mg/L，自用水系數為1.05。本工程實施后全年可減少排入長江的絕干污泥量為1.000 28萬t，具有巨大的環境效益。全年減少直接從長江提水量約200萬m3，大大節約了水廠的運行成本。

4 結論

1)三峽庫區長江上游段水廠在三峽蓄水前后和不同季節內濁度變化較大，確定排泥水處理工程的設計方法及參數具有較大的工程意義。

2)本工程排泥水處理保證率為75%，考慮10%的富余系數，確定原水設計濁度330 NTU，計算干泥量為36.23 t/d，濕泥量為5 693 m3/d。

3)采用調節、重力濃縮及板框壓濾脫水組合工序對排泥水進行處理，能有效地降低泥餅的含水率，減少排入長江的絕干污泥量為1.000 28萬t/年，有效地保護了三峽庫區的水環境。

4)由于本項目排泥水處理是按原水高濁期(75%保證率)進行設計，而實際運行中，全年大多數時候原水處于低濁期；因此，壓濾脫水間在運行過程中應根據原水濁度情況進行調整。

[1]周華, 陳衛, 孫敏, 等. 南京城市給水廠排泥水節水潛力分析[J]. 給水排水, 2009,35 (11): 18-21.

[2]張怡, 張玉先, 李憲立, 等. 長江水源水廠排泥水處理研究[J]. 給水排水, 2007,33(1):18-22.

[3]許嘉炯. 凈水廠生產排泥水處理工藝研究與設計[J]. 給水排水, 2011, 37(1): 34-38.

[4]何純提. 凈水廠排泥水處理[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2006：89-90.