高效絮凝和浮選凈水設備在處理清淤底泥余水中的應用

羊樟發 舒曉明 張立峰 陳永飛 馬 莉

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.杭州永湛環境科技有限公司，浙江杭州 311121）

0.引言

河道底泥是河流營養物質循環的中心環節，同時也是營養物、持久性有機污染物、重金屬的主要聚集庫。即使外源污染得到有效控制，生物或物理因子等作用促使沉積物釋放仍有可能導致水體在相當長的時期內維持富營養化或水質繼續惡化等不良狀態[1-2]。環保清淤是治理城市河湖底泥的重要手段，但底泥處理過程中會分離出大量余水，余水中含有懸浮物、氨、磷、有機污染物及重金屬污染物等，如果余水得不到妥善處置，這些污染物將大部分黏附在懸浮顆粒上并隨余水排入受納水體中，造成受納水體的二次污染。因此，應采取必要的措施，利用一種快速、安全、有效的余水處理方法，加速余水中細顆粒的沉淀，以去除大部分污染物，保證余水達標排放。

某江支流進行環保清淤，帶水疏浚作業，通過管道吹填，經吹填場地沉泥后，底泥余水流進沉淀池初步沉淀，由于余水量大，沉淀時間短，余水經沉淀后依然渾濁。余水產生量量為80000m3/d，主要污染物成分為泥沙懸浮物，需要經過進一步處理后，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級B 標準，其中SS 限值為20mg/L。余水經處理達標后返還支流進行補水。

1.余水水量、水質、排放標準

該項目底泥處理過程中產生的余水約為80000m3/d，余水主要成分以粉粒懸浮物為主，自然沉降困難，具體分項設計水質數據及排放標準的主要指標詳如表1 所示。

表1 設計水質及污水排放標準

2.處理工藝

近年來，隨著大量污染物質被排放進入水體，使疏浚泥漿中細粘粒的有機質土含量不斷增高，這就很難實現在自然條件下的沉降[3]。金相燦等[4]在進行滇池草海底泥疏挖及處置中，余水自然沉淀時間大于48h 的條件下，余水才能達到排放要求。自然沉淀時間久，處理效率低，投資費用高。王琦等[5]向余水中均勻投加聚合氯化鋁（PAC），通過生物排泥、沉淀池、澄清池處理工藝后，余水排放水質達到《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）二級標準。蘇海龍等[6]通過投加絮凝劑，助濾劑，采用一體化設備處理泥餅和余水同樣達到處理要求。

本項目排放要求高，在此基礎上，通過投加聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺，經高效絮凝和浮選凈水設備進行余水處理，其主要技術為混凝和浮選。

2.1 技術原理

（1）混凝。以吸附電中和和吸附架橋為主要機理，天然高分子基絮凝劑以吸附架橋為主。結合形成帶有正電荷膠體與帶負電的泥沙膠粒相遇，失去了電荷的膠粒，聚結在一起，粒子越結越大，經過助凝劑的助凝形成較大的梵花絮體，固液分離去除。（2）浮選。采用回流加壓溶氣氣浮，通過對部分出水回流加壓，在加壓的情況下水中空氣溶解度大，能提供足夠的溶氣量，再通過突然減壓釋放，產生直徑小的微細氣泡，粒徑均勻，微氣泡上浮穩定，對液體擾動小，使水中的細小懸浮物黏附在空氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面，形成浮渣，刮除水面達到去除水中懸浮物，凈化水質的目的。

2.2 工藝流程

經吹填場初步沉淀后的余水，進入沉淀池繼續進行沉淀，經沉淀池去除比重較大的泥沙顆粒以后，沉淀池上清液通過提升泵提升至高效絮凝及浮選凈水設備，設備反應區投加藥PAC、PAM 藥劑進行混凝反應后，余水進入接觸室。在接觸室中，溶氣水在突然釋放的情況下，溶解在水中的空氣析出，形成大量的微氣泡群，同余水中經加藥后形成的絮凝懸浮物充分接觸，并在緩慢上升過程中吸附在絮集好的懸浮物中，使其密度下降而浮至水面成一層浮渣層，通過刮渣機刮出至溝渠進而進入浮渣池，再通過浮渣泵抽吸至吹填場，在浮渣池設置靜壓式液位計，控制浮渣抽吸泵啟停。凈水設備下層收集的清水通過出水區自流進入清水池，達標后返還河湖進行補水。余水處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 余水處理工藝流程框圖

2.3 平面布置

余水處理處理設施平面布置如圖2 所示。

圖2 余水處理設施平面布置圖

本項目平面布置為近三角形，主要水處理構筑物從南至北依次為沉淀池、高效絮凝及浮選凈水設備、清水池，使余水按照處理工藝流程從南至北依次通過各余水處理構筑物，并通過清水池排入自然水體。高效絮凝及浮選凈水設備的西側為浮渣池，東側為藥劑堆房。

2.4 主要建、構筑物及設計參數

（1）沉淀池。功能：利用重力沉降，去除比重較大的泥沙等顆粒。土工防滲結構，平均有效面積14000m2，池深5.3m，有效深4m，有效容積56000m3，停留時間16.8h，表面負荷0.238m3/h。設浮筒提升泵，將沉淀池上部水抽吸至高效絮凝及浮選凈水設備，浮筒提升泵啟停由設置于沉淀池的靜壓式液位計控制。

（2）高效絮凝及浮選凈水設備。功能：通過混凝、助凝及氣浮處理，去除余水中比重較輕，難以去除的懸浮物質。本高效絮凝及浮選凈水設備采用共聚絮凝及高流速氣浮的形式，共聚絮凝及高流速氣浮集反應與氣浮為一體，反應區采用隔板反應，水力攪拌代替傳統的攪拌機混合反應，隔倉為6 個，其中5 個為混凝區，充分生長絮體，最后1 個為助凝區，幫助絮體長大，并在氣浮接觸區與微小氣泡接觸，進一步共聚（微氣泡直接參與凝聚并和微絮粒共聚長大）生成為成熟絮體，進而進入到后續分離區，除接觸區設置溶氣釋放器之外，分離區的前端也設置了少量的溶氣釋放器，在分離區前端起進一步加強浮升、粘牢絮體的作用，利用高水平流速快速將牢固抱團絮體刮除分離區，進而快速地進行渣水分離，提高氣浮的處理水量，保持分離區高下向流速。

本高效絮凝及浮選凈水設備具有幾點優點：1）充分利用接觸區的共聚，延長助凝反應時間，額外增加接觸區的功效；2）分離區前端增設溶氣釋放，牢固抱團絮體，進一步減輕絮粒視密度，防止絮粒分離過程中下沉；3）反應區通過隔板強化紊流，提高流速進而達到水力攪拌效果，替代傳統機電設備攪拌，沒有機械攪拌能耗；4）水平流速高，依靠高水平流速，水位調節到位的情況下，上層浮渣可實現自動快速流到浮渣渠，減少浮渣在分離區的停留，減少跑渣的風險，間隔少運行甚至于可不運行刮渣機，運行成本省；5）分離區高下向流速，處理水量大；6）占地面積小，集成裝置化、模塊化應用具有較大的優勢。

本項目共設置4 套高效絮凝及浮選凈水設備，材質為：碳鋼防腐，單套設計流量為20000m3/d，單套設備由2 臺共聚高速氣浮設備組成，并聯運行，每1 套（2 臺）共用一套加壓溶氣系統和溶加藥系統。單臺共聚高速氣浮設備外形尺寸為：15.8m×4m×3m，由反應室和接觸室、分離室、出水室4 部分組成。

單臺共聚高速氣浮設計流量為10000m3/d，回流比30%，總水力停留時間25.367min，各內置單元設計參數如表2 所示。

表2 單臺共聚高速氣浮各內置單元設計參數

（3）清水池。功能：儲存余水處理系統產水，平衡產水量與排水量之間差值。混凝土結構，平均有效面積1000m2，池深4m，有效深3m，有效容積3000m3，停留時間0.9h。

（4）浮渣池。功能：收集儲存余水處理系統排出浮渣，并將浮渣均勻抽吸排至吹填場。鋼砼結構，池表面積178m2，池深3.3m，池容積587m3。設浮渣抽吸泵，將浮渣抽吸至吹填場，浮渣泵啟停由設置于浮渣池的靜壓式液位計控制。

（5）藥劑堆房。鋼結構，用于堆放余水處理藥劑，長度16m，寬度16m，高度5m。

3.運行調試

調試步驟，先設備單機調試，然后單元調試，最后再聯動調試，調試重點在于溶氣水生成系統和溶加藥系統的調整。在調試過程中，隨時監測運行情況，確定出最佳運行參數，確保溶氣反應效果及混凝絮凝反應效果。因為1套凈水系統由2 臺高速氣浮組成，所以具備測試單臺氣浮處理能力的條件，遂通過關小1 臺進水閥門，增大另1 臺進水閥門，測試結果單臺高速氣浮可以由10000m3/d 處理能力提升至15000m3/d，則分離區下向流速由13.16m/h提升至19.74m/h，考慮到單臺氣浮進出水管徑和集水系統管徑受限，限制了處理能力的再提升，當出水要求不是非常高，管路系統輸送余水量富余的情況下，分離區下向流速完全可以再提高，提高處理能力，實現氣浮的進一步高速化，進而可以減少投資和節省運行成本。

4.處理效果

該工程于2022 年2 月進入進水調試階段，每月均進行一次抽樣檢測。3 ～5 月期間，處理系統沉淀池進水、清水池出水水質情況如表3 和圖3 所示。

表3 處理進出水水質表（單位：mg/L）

圖3 處理進出水水質圖

由表3 和圖3 可以看出，進水水質波動較小，處理后出水懸浮物濃度控制指標能夠穩定達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級B 標準。

5.處理經濟指標

該工程總投資約700 萬元，運行階段，藥劑耗量如表4 所示。日常直接運行費用（電費、藥劑費）合計約0.199 元/m3余水，總運行成本詳細情況如表5 所示。

表4 藥劑消耗量表

表5 總運行成本

6.結語

（1）沉淀池-高效絮凝和浮選凈水設備-清水池工藝處理清淤底泥余水，在沉淀池平均水質為SS＜148mg/L 的情況下，出水水質為SS：13mg/L，SS 去除率達到90%以上，可達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級B 標準，廢水處理的基本費用（電費、藥劑費）為0.199元/m3余水。（2）本項目主要污染物為粉狀顆粒，經沉淀池將比較較大的顆粒物取出后，剩余懸浮物絮體較細，當污染物為有機物等時，形成的絮體較大，比重較輕時，高速氣浮下向流速會更高，可穩定在20m/h 以上。（3）高效絮凝和浮選凈水設備，因為室外布置且分離區面積較大，遇大風、大雨等不利天氣情況下，表面浮渣易受到波動下沉，影響出水水質。（4）對施工泥漿水、河湖水處理、黑臭水體、雨水等微污染水體治理時本工藝均有較好的應用效果。（5）高效絮凝和浮選凈水設備為成套裝備，可模塊化設計，制造具有施工周期短、施工簡便、運輸方便等優點。