水廠排泥水處理系統全自動運行方法

饒明明，馮冰妍，潘鐵軍，賴源平，郭應健，鄒康兵

(1. 廣州市自來水有限公司，廣東廣州 510600；2. 廣東省超大型供水系統水質保障與安全輸配工程技術研究中心，廣東廣州 510600)

隨著社會對環保的日益重視，許多城市自來水廠為達到“零排放”的要求，都推進建設了排泥水處理系統，回收全部生產廢水。排泥水處理系統從沉淀池排泥水到堆場，其中任何一個環節出現問題都會影響整體。在實際生產運行中，由于各工藝系統協調運行控制不合理、備用能力不足、泥水濃度變化太大和脫水設備控制不當等因素，系統容易發生問題并導致排泥水處理系統失衡，甚至影響水質安全[1-3]。本文以北部水廠實現排泥水系統全自動穩定運行方法為案例，詳細介紹了排泥水系統各工藝協調自動控制的運行思路、控制目標和參數設置。

1 排泥水系統

廣州市北部水廠位于廣州市白云區石井鎮鴉崗村沙場路，總占地面積為499 000 m2，廠區總設計規模為150萬m3/d，一期規模為60萬m3/d，工藝按生物預處理、常規工藝處理、臭氧-活性炭、超濾膜等深度處理、排泥水處理等全流程工藝規劃，一期工程于2019年1月投產，已建設常規工藝、超濾膜及排泥水處理等工程。

北部水廠現有生產廢水排水系統為分流制排水系統，即砂濾池和超濾反沖洗水排入排水池并回收至原水前池利用，沉淀池排泥進水和少量的膜處理化學清洗排泥水進入排泥水處理系統處置。排泥水處理系統包括排泥水收集、濃縮、儲存平衡及脫水等工藝流程，采用的是離心機脫水工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 北部水廠排泥水處理系統工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Sludge Wastewater Treatment System in North WTP

1.1 排泥池

沉淀池排泥瞬時流量較大，且單次排泥過程中泥水濃度有變化。因此，設置排泥池的主要作用是調節水量及排泥水水質，使進入濃縮池的泥水流量和泥水濃度在合理范圍之內，有利于濃縮池的正常運行，從而確保濃縮池的濃縮效果。

北部水廠排泥池共2座，單座有效容積為1 800 m3，溢流水位為4.55 m。每座排泥池安裝1個液位計、4臺攪拌機和4臺潛水泵，單泵額定流量為125 m3/h。

1.2 濃縮池

自來水廠排泥水含固率一般很低，僅為0.05%～0.5%，需進行濃縮處理。濃縮的功能是提高泥水濃度，縮小泥水體積，減小后續處理設備處理規模。濃縮后的泥水通過重力流或者用泵輸送至平衡池。

北部水廠采用斜管濃縮池，共2座，每座分2格，單座設計流量為250 m3/h，固體通量為1.35 kg干泥/(m2·h)，每格濃縮池都安裝了上清液濃度計和底部泥水濃度計。濃縮池上清液回流至排水池，最終回流至前池并進入制水工藝。濃縮泥水經切削機切削后，通過泵輸送平衡池，單泵額定流量為32.5 m3/h。

每格濃縮池設藥劑投加混合池，可在混合池內投加PAM。正常情況下，濃縮池不需要投加絮凝劑來輔助濃縮，但如果濃縮池泥水流量過大或者泥水濃度太低，濃縮效果差會導致翻池，可投加PAM等助凝。但需要指出的是，最優方案是通過合理設置沉淀池排泥時間、利用排泥池調蓄和優化排泥池輸送泵運行來避免出現該情況。

1.3 平衡池

水廠原水渾濁度及取水量變化時，或對沉淀池等池體人工清洗時，濃縮池底部泥水水量和濃度也會發生較大變化。為了貯存濃縮污泥和緩沖污泥濃度波動，使脫水機均衡運行，在濃縮池和脫水機之間設置一定容積的平衡池。

北部水廠平衡池共2座，單座有效容積約為750 m3，裝有液位計和濃度計各1臺，池內設推流式攪拌機2臺，溢流水位為6.4 m。平衡池設備間裝有3臺脫水機輸送泵，由脫水機聯動控制啟停。

1.4 脫水機房

平衡池中的泥水需輸送至脫水機房進行脫水處理，以進一步降低出料含水率，便于搬運和最后處置。脫水機房主要包括PAM自動配藥裝置、離心脫水機、污泥螺旋輸送機、PLC控制系統等設備。脫水后泥餅通過螺旋輸送機儲存于堆放場，最終外運作為低洼池填埋土、垃圾場覆蓋土或作為建筑原料或摻加料等。

北部水廠脫水能力對應一期60萬m3/d的供水規模，安裝3臺脫水機，單臺脫水機最高處理量為35～40 m3/h，最大可處理干固體負荷為1 kg DS/h。脫水系統通過PLC聯動控制進料、加藥、螺旋輸送機、離心機，實現一步化啟停控制。

1.5 暫存池

脫水過程中產生的分離液排至暫存池，通過液位控制，到達一定液位輸送回排泥池，實現零排放。含有高分子絮凝劑成分的分離液經排泥池再回流到濃縮池進行循環處理，也有利于提高排泥水的濃縮效果。

2 排泥水系統運行存在的普遍問題

雖然近幾年多數自來水廠都建設了排泥水處理系統，但是實際生產運行中要做到系統長期穩定運行和保證出料泥餅質量，實現零排放，存在較多問題。主要有以下幾點原因。

(1)原水渾濁度變化幅度較大，導致系統處理負荷變化較大

北部水廠原水取自佛山市三水區下陳水道，2019年原水平均渾濁度如表1所示。

表1 北部水廠2019年原水月平均渾濁度Tab.1 Monthly Average Turbidity of Raw Water in North WTP in 2019

由表1可知，北部水廠原水渾濁度變化范圍較大，最高月平均渾濁度為全年平均渾濁度的3倍，和渾濁度最低月相差19倍。高濁水期間甚至出現連續半個月日均渾濁度在200 NTU以上。原水渾濁度的大幅變化必然導致排泥水系統泥水量及濃度出現較大波動，排泥水系統負荷變化較大，控制不好易影響到正常運行。

(2)排泥水處理系統整體備用能力不足

國內多數水廠的排泥水處理系統都是隨著環保要求提高而后期建設的，受建設用地等影響，構筑物及設備的備用安全系數不高。排泥水處理系統從沉淀池排泥水到脫水機出料泥餅堆場，其中任何一個環節出現問題都會影響整體，導致系統失衡。另一方面，對于江河水為水源的自來水廠，原水渾濁度變化較大，如果連續幾天出現渾濁度洪峰，負荷持續增大，處理和調節能力不夠可能導致整個系統失衡。例如脫水機備用能力不足，連續高濁水或脫水設備維修期間，無法及時處理泥水，濃縮池、平衡池泥水濃度升高，而平衡池泥水濃度升高后又反過來影響脫水機的泥水處理量下降，形成惡性循環并導致系統失衡。

(3)平衡池污泥濃度變化過大，難以實時跟進調節脫水機，調節不及時或調節不當易導致脫水機堵塞，或出料質量差

目前,國內的脫水成套設備基本都能夠做到PAM自動配藥，PLC聯動控制進泥、加藥、螺旋輸送機、離心脫水機運行，實現一步化啟停脫水系統。一定范圍內，若運行中平衡池泥水濃度升高，實際進料負荷超過了脫水設備的可接納干固體負荷指標，這時要及時降低進泥量，觀察效果，待效果穩定后，繼續嘗試PAM流量控制到最經濟投加量。反之，當泥水濃度降低時，要逐漸增加進料泥水量，同期配合加藥泵流量調整。實際運行中，若脫水機進料泥水濃度變化幅度較大，難以實時跟進調整脫水機工況，且調整不當易造成堵塞停機或出料質量差。

若進料泥水濃度過高或過低，超過脫水設備調節能力，會直接影響處理效果和處理效率。

(4)平衡池泥水濃度控制不穩定

部分水廠因運行人員經驗不足、運行方法不當、缺少濃度計等儀表、平衡池容積小調節能力小等原因，濃縮池、平衡池泥水濃度變化較大，在10 000～100 000 mg/L(即含固率1%～10%)，影響到脫水機的正常運行。部分水廠運行人員未意識到平衡池濃度對脫水機穩定運行的重要性，總是通過調節脫水機來應對變化，此時易發生故障。

(5)濃縮池上清經常液濃度過高，出現“翻池”現象

部分水廠濃縮池運行中經常出現“翻池”現象，上清液高濁水回流至制水工藝前端，對制水工藝造成了沖擊，對水質安全構成一定隱患。主要原因有：①未及時抽走濃縮池底部污泥，造成翻池；②濃縮池進水流量嚴重超負荷，泥水濃縮時間不足而翻池。因此，需要合理調節設備運行，避免造成“翻池”現象。

3 排泥水系統全自動運行方法

3.1 核心思路

通過沉淀池排泥車、排泥池、濃縮池、平衡池互相配合、協調控制，快速響應排泥量變化，能適用于不同時期的原水渾濁度變化情況，達到精準控制平衡池泥水濃度的目標。脫水設備長期穩定運轉在設定的最優工況，并通過脫水機開機臺數及時應對負荷變化。同時，以自動控制代替人工操作，使指令執行更及時、準確，目標控制更加精準，系統運行更加穩定。

3.2 排泥池優化控制

運行控制思路及目標：(1)通過容積調節，平流沉淀池單次排泥過程中的排泥水能夠得到一定程度混合，使輸送到濃縮池的泥水濃度在合理范圍之內；(2)利用排泥池容積，合理開啟輸送泵臺數，調節進濃縮池泥水量，使其盡量不超過設計負荷的20%；(3)合理控制沉淀池排泥水量，防止集中大量排泥水造成溢流。

自動化運行方法如下。

(1)北部水廠4個沉淀池排泥車合理間隔運行，以防集中運行造成排泥池溢流，PLC控制排泥車運行時間分別設置為1∶00、8∶00、14∶00、20∶00。

(2)豐水期沉淀池排泥水濃度高，一般排泥1 d 1次，而枯水期一般2 d 1次，實際排泥次數根據原水渾濁度調整。

(3)單次排泥約為90 min，排泥水量約為1 600 m3，排泥池容積能滿足單次排泥水量。為了使排泥水濃度得到有效混合，且盡量控制濃縮池進水量不超過設計負荷。根據潛水泵單性能(單泵額定功率為125 m3/h)，通過PLC控制合理開停泵，參數如表2所示。

表2 北部水廠單座排泥池潛水泵自動開停控制參數Tab.2 Parameters of Automatic Start-Stop Control of Submersible Pump in Single Sludge Tank of North WTP

由表2可知，當沉淀池排泥一段時間后，排泥池液位達到2.5 m后才開啟第1臺泵，使排泥水濃度得到混合調節；后續正常排泥的情況下，排泥池液位不超過4 m，單座排泥池基本處于1～2臺泵的運行狀態，使濃縮池進水量在保持在合理范圍內。

(4)為保護攪拌機運行安全和避免臨界液位頻繁啟停，設置自動開啟液位為1.6 m，自動停止液位為1.5 m。

3.3 濃縮池控制方法

控制思路及目標：(1)定時開啟濃縮底液輸送泵，并通過濃縮池底液濃度自動控制濃縮底液輸送泵停泵；(2)濃縮池底液停泵濃度可以手動輸入，或根據平衡池泥水濃度反饋自動給定；(3)通過設置輸送泵啟動時間間隔，以應對不同時期泥水處理量變化，保持濃縮池底液濃度和平衡池濃度控制在目標濃度范圍內；(4)設置平衡池高液位保護，以防平衡池溢流。

通過合理控制，既能及時將達到濃度的泥水輸送至平衡池，又能確保平衡池濃度在控制范圍內。

自動化運行方法如下。

(1)定時(1～2 h)開啟4個濃縮池的切削機和輸送泵，并開始檢測底液濃度，如果連續1 min低于設定值，則停止運行；未達到條件，則繼續運行，直到符合條件為止。4個濃縮池可單獨控制。

(2)設定連續1 min低于設定值的原因有3點:一是由于底液濃度計安裝于濃縮池出液管上，泥水未流動前數據反映的不是濃縮池底部泥水濃度，需開泵一定時間后，數據才趨于正常；二是避免濃度計數據跳動導致誤操作；三是定時讓濃縮池出液管道液體流動，防止管道堵塞。

(3)不同時期輸送泵設置不同的間隔啟動時間。根據北部水廠實際運行經驗，一般豐水期，泥水處理量較大，濃縮池底泥濃度上升快，設定為1 h啟動1次，及時將底液抽走；枯水期2 h啟動1次即可；原水渾濁度長期低于10 NTU，可設置3～4 h啟動1次。通過合理設置間隔時間，確保單次抽去平衡池的泥水平均濃度范圍不至于偏離設置濃度太大。

(4)每次開泵前，檢測平衡泥水池濃度，然后按表3自動給定濃縮池底液輸送泵停泵濃度。

表3 北部水廠濃縮池底泥濃度Tab.3 Concentration of Sediment in Thickening Tank of North WTP

由表3可知，當平衡池泥水濃度高的時候，給定的濃縮池停泵濃度低，會逐漸將平衡池泥水濃度降低；當平衡池泥水濃度低的時候，給定的濃縮池停泵濃度高，將平衡池濃度升高。通過反饋控制，使平衡池濃度變化控制在37 000 mg/L左右。

具體操作方法為：(1)定時開啟4個濃縮池底液輸送泵之前，先獲取平衡池濃度(可2個池數據平均，也可以選取某一個池的數據)，然后對應表3給定這次周期的濃縮池停泵濃度；(2)為防止平衡池溢流，設定平衡池保護液位，即平衡池液位達到6 m時停止運行泵，直至液位降至5.5 m后再重啟自動運行；(3)設備運行故障或超負荷等原因，導致了濃縮池翻池現象，為預防對制水工藝造成水質問題，設置濃縮池上清液質量濃度超過50 mg/L報警。

3.4 平衡池控制方法

平衡池泥水濃度為受控目標，數據反饋作為濃縮池底液輸送泵控制依據；平衡池液位作為控制脫水機開停的依據。為保護池底攪拌機，攪拌機開液位設置為1.3 m，停液位設置為1.2 m。

3.5 脫水系統控制方法

控制思路及目標：(1)在平衡池泥水濃度穩定的情況下，脫水設備能夠長期穩定運行，且出料泥餅、分離液質量好；(2)PLC控制脫水設備一步化啟停，運轉于設定的最優工況；(3)根據平衡池液位變化，通過自動啟停脫水機臺數，以匹配處理泥水量變化。

自動化運行方法如下。

(1)在排泥水系統調試期間對脫水機性能進行深入測試，若脫水機進泥濃度在37 000 mg/L左右，進料量設置為28～30 m3/h。通過合理設置脫水機主機轉速、扭矩、PID調節等參數，做到長期穩定運行，泥餅含固率可穩定在30%以上。此時，脫水機處理干固體負荷在設備理論設計負荷的90%左右。PAM投加量的設置以滿足泥餅干度要求和分離液質量要求情況下，控制藥耗在經濟范圍。

(2)根據平衡池液位，自動啟停脫水機等設備；平衡池液位取2個池平均數，也可以選取某一個池的數據。該液位可根據豐水期、枯水期的實際情況做調整，相比枯水期，豐水期泥量多，建議脫水機開機液位設置較低，快速處理泥水，以應對突然出現的原水渾濁度洪峰。開停參數如表4所示。

表4 北部水廠脫水機自動開停液位參數Tab.4 Parameters of Automatic Start-Stop Liquid Level of Dehydrator in North WTP

(3)若出現原水渾濁度連續多日偏高，造成平衡池泥水濃度升高，脫水機副機扭矩升高的情況，脫水機進入堵轉預處理程序，設定自動降低脫水機進料量，從而降低處理干固體負荷，脫水機系統會通過PID自動調節扭矩回歸到正常運轉狀態。若情況有改善，會重新逐漸加大進料量至設定量。

(4)由于自來水排泥水以泥沙等無機物為主，性質穩定，脫水機參數一般無需調整。若因藻類高、投加活性炭等短期影響污泥性質，需合理調節主機轉速、PAM投加量等參數，以確保泥餅質量。

3.6 暫存池控制方法

通過浮球液位開關控制水泵開啟，自動將分離液輸送至排泥池。

3.7 連續原水渾濁度洪峰的應對措施

進入汛期，可能出現連續原水渾濁度洪峰的情況，若超過脫水機的處理及排泥水系統的調儲能力，不能及時處理濃縮后的泥水，會導致濃縮池和平衡池泥水濃度升高，形成惡性循環并造成系統失衡。應對方法有如下幾種：(1)若條件允許，應通過增加脫水機設備及平衡池等池體容積，提高污泥處理能力或調儲能力；(2)將濃縮后的泥水排至臨時晾曬儲存池，待泥量下降后再抽回處理；(3)調節脫水機運行，通過適當降低泥餅含固率，增大脫水機進料量至最大量，盡量處理更多的泥水，直至系統正常，但短期泥餅含固率低將增大干泥處置費用；(4)在不影響制水水質的前提下，少部分濃縮池不抽泥，直接翻池回流至制水工藝，根據脫水機能力處理大部分濃縮池，以確保排泥水系統的穩定及脫水機長時間高負荷運行。

3.8 運行效果

北部水廠采用該技術方法，并逐步改進參數設置，經3個月的效果觀察，當原水渾濁度為0～100 NTU，平衡池污泥濃度能夠始終控制在34 000～40 000 mg/L，為設置目標值的±3 000 mg/L。在控制好污泥濃度的基礎上，脫水機運行簡單易操作，泥餅質量好且穩定。

4 結論

北部水廠排泥水系統投產運行后，根據實際生產和設備性能情況，在實踐中總結和研究出該全自動運行方法。該方法適用于不同時期的原水渾濁度變化，以控制平衡水濃度為主要目標，使脫水機運行在最優工況；不僅大大減輕運行維護工作強度，而且系統運行更加穩定，出料泥餅質量好，大幅減少干泥處置費用。這套經驗方法可復制，為其他自來水廠的排泥水系統穩定運行并實現自動化運行提供有效的借鑒。