佛山某水廠排泥水處理系統(tǒng)工況優(yōu)化及安全回用

馬宏銳

(瀚藍(lán)環(huán)境股份有限公司,廣東佛山 528247)

水廠絮凝池和沉淀池的排泥水在常規(guī)凈水工藝中占生產(chǎn)廢水總量的40%～60%。若排泥水不經(jīng)處理直接排放,將造成水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題,但直接回用存在較高的水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。2017年,國家明確提出要由“重水輕泥”向“泥水并重”轉(zhuǎn)變,環(huán)保部門加強(qiáng)了對水廠排泥水處理的管理,提高了水廠廢水水質(zhì)排放要求。魯彬等[2]研究表明污泥濃度、藥劑量和離心機(jī)運(yùn)行工況是影響污泥脫水的主要因素,并根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)離心機(jī)進(jìn)泥濃度不宜低于2%;劉楊等[3]根據(jù)小試試驗(yàn),表明聚丙烯酰胺(PAM)的投加量與排泥水濃度存在線性關(guān)系。離心機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性直接決定了回用水水質(zhì),但少有文獻(xiàn)直接報(bào)道離心機(jī)較優(yōu)運(yùn)行工況。本文介紹了佛山市某水廠選擇泥水分質(zhì)處理工藝對排泥水進(jìn)行處理及回用情況,總結(jié)了實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中離心機(jī)較優(yōu)工況及安全回用風(fēng)險(xiǎn),并提出相關(guān)優(yōu)化建議,為今后水廠水資源的可持續(xù)利用提供理論與技術(shù)借鑒。

1 排泥水處理的主要問題

水廠處理排泥水的流程一般為調(diào)節(jié)、濃縮、脫水、處置、回用,其中,脫水是采用機(jī)械脫水的辦法將泥水分離。目前,排泥水處理主要存在2個(gè)問題:一是確定不同進(jìn)泥濃度下離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的工況,二是生產(chǎn)廢水水質(zhì)是否可以回用。

1.1 確定離心機(jī)運(yùn)行主要參數(shù)

離心機(jī)轉(zhuǎn)速差是對離心機(jī)脫水效果影響較大的參數(shù)。離心機(jī)轉(zhuǎn)速差小,泥水停留時(shí)間長,出料速度慢[2],泥餅含水率低,但過低的差數(shù)會(huì)使離心機(jī)隨著污泥濃度的增加而發(fā)生堵料的現(xiàn)象。為了避免離心機(jī)堵塞,污泥濃度升高時(shí)需采取減少進(jìn)料量、提高差數(shù)等措施。離心機(jī)轉(zhuǎn)速差大,沉渣脫水時(shí)間短,會(huì)導(dǎo)致泥餅含水率增大,當(dāng)差數(shù)過大時(shí)還會(huì)增加離心液的含固率,影響回用水質(zhì)。雖然臥螺式離心機(jī)可一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)排渣功能,當(dāng)扭矩值達(dá)到限值后,設(shè)備會(huì)自動(dòng)降低進(jìn)泥量和進(jìn)藥量并增加差數(shù),待扭矩值降低后再正常運(yùn)行,但是這會(huì)使離心機(jī)長期處于不穩(wěn)定流量和差數(shù)狀態(tài),導(dǎo)致處理效果和能力不穩(wěn)定[4]。所以,確定不同進(jìn)泥濃度時(shí)離心機(jī)差數(shù)設(shè)置、進(jìn)料量、進(jìn)藥量是需要探究的重點(diǎn)。

1.2 了解實(shí)際水質(zhì)并確定回流比

排泥水富集了較多的微生物、有機(jī)物和關(guān)鍵重金屬指標(biāo),回用時(shí)會(huì)給水廠帶來一定的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。一些國家和地區(qū)為保障排泥水回用的安全性,會(huì)在回用前采取預(yù)處理措施,包括微濾、超濾或膜濾等。而對于無條件增加前處理設(shè)施的水廠來說,不能僅僅依靠小試試驗(yàn)的部分指標(biāo)表明安全性,需要明確回流水各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)富集程度、排泥水處理系統(tǒng)運(yùn)行情況和季節(jié)變化等因素對回流水的影響,最終結(jié)合原水水質(zhì)情況確定回流比。

2 項(xiàng)目概況和試驗(yàn)方法

2.1 項(xiàng)目概況

佛山市某水廠制水規(guī)模為5×105m3/d,通常滿負(fù)荷運(yùn)行,原水取自北江主干流,原水水質(zhì)基本滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2020年—2022年,90%以上的時(shí)間原水渾濁度≤30 NTU。因排泥水的含固率通常遠(yuǎn)高于反沖洗水的含固率,本水廠選用沉淀池排泥水和濾池反沖洗水分開處理的工藝,水處理工藝如圖1所示。排泥水進(jìn)入重力濃縮池濃縮后,底泥與適量的PAM經(jīng)離心機(jī)脫水成為泥餅,外運(yùn)制磚。濃縮池上清液和濾池反沖洗廢水匯入集水池后,按一定比例與水廠的原水進(jìn)行混合處理,離心機(jī)分離液進(jìn)入排泥池進(jìn)行循環(huán)。污泥脫水設(shè)備采用2臺(tái)LCW600臥螺離心機(jī),按照每天16 h連續(xù)運(yùn)行設(shè)計(jì),每臺(tái)最大運(yùn)行干污泥量為1.2 t DS/h,通常情況下1用1備。離心機(jī)主機(jī)頻率為30 Hz、轉(zhuǎn)速為1 680 r/min,副機(jī)頻率為44 Hz、轉(zhuǎn)速為1 296 r/min。

圖1 排泥水處理工藝

2.2 試驗(yàn)方法

在生產(chǎn)試驗(yàn)中,先改變離心機(jī)泵的給定頻率,記錄對應(yīng)的加料流量及加藥流量,明確離心機(jī)設(shè)置方式。離心機(jī)副機(jī)力矩值和離心機(jī)分離液是判斷離心機(jī)運(yùn)行狀態(tài)好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。為優(yōu)化離心機(jī)運(yùn)行工況,開展了一系列生產(chǎn)試驗(yàn),當(dāng)離心機(jī)處于不同進(jìn)泥濃度時(shí),通過改變離心機(jī)差數(shù)、進(jìn)料泵頻率和加藥泵頻率調(diào)節(jié)進(jìn)料量、加藥量,保證在不同進(jìn)泥濃度下離心機(jī)副機(jī)力矩值在20～30 N·m、離心機(jī)分離液的含固率在0.03%～0.05%,并檢測不同情況下污泥含水率。當(dāng)離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后,每天(持續(xù)檢測1年)對反沖洗水、濃縮池上清液、集水池回流液、離心液和原水的52項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測。渾濁度轉(zhuǎn)化為懸浮物(SS)的系數(shù):取全年不同時(shí)段的原水,對渾濁度和SS進(jìn)行同步檢測對比,進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析。

2.3 檢測項(xiàng)目及方法

污泥濃度、泥餅含水率和離心液含固率采用重量法檢測;原水和生產(chǎn)廢水按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的推薦方法檢測,具體為基本項(xiàng)目(24項(xiàng))、補(bǔ)充項(xiàng)目(5項(xiàng))、特定項(xiàng)目(前20項(xiàng)及丙烯酰胺、釩、鈦、鉈);出廠水按照《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 感官性狀和物理指標(biāo)》(GB/T 5750.4—2006)進(jìn)行檢測。渾濁度采用哈希2100 N濁度儀檢測,SS采用重量法檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況

3.1.1 離心機(jī)進(jìn)料、進(jìn)藥流量與泵給定頻率的關(guān)系

整理機(jī)器日常運(yùn)行數(shù)據(jù),作進(jìn)料量、進(jìn)藥量與離心機(jī)給定頻率的關(guān)系圖,如圖2(a)、圖2(b)所示。確定離心機(jī)進(jìn)料給定頻率、加藥給定頻率與進(jìn)料流量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)對應(yīng)流量與給定頻率呈線性正相關(guān),根據(jù)曲線可確定任意流量時(shí)所需設(shè)置的給定頻率。

圖2 (a)離心機(jī)進(jìn)料量與進(jìn)料給定頻率的關(guān)系和(b)離心機(jī)進(jìn)藥量與進(jìn)藥給定頻率的關(guān)系

3.1.2 進(jìn)泥濃度對離心機(jī)參數(shù)設(shè)置的影響

整理離心機(jī)進(jìn)泥濃度不同時(shí),不同差數(shù)下離心機(jī)力矩正常、產(chǎn)泥含水率小于70%、離心液含固率在0.03%～0.05%的數(shù)據(jù),分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)后結(jié)果如表1和圖3所示。離心機(jī)的進(jìn)料流量和投藥量需要隨污泥濃度的升高而降低,同時(shí)需要增加PAM濃度。當(dāng)污泥質(zhì)量濃度增大至40 g/L時(shí),為避免副機(jī)力矩較大、污泥堵塞、軸溫過高等問題導(dǎo)致離心機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn),需相應(yīng)增大離心機(jī)差數(shù)設(shè)置。當(dāng)污泥質(zhì)量濃度在80 g/L左右時(shí),離心機(jī)進(jìn)料流量僅為15 m3/h。離心機(jī)進(jìn)泥濃度過高會(huì)使處理泥水速度較慢,同時(shí)加大機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷,加速葉片磨損。結(jié)果表明,設(shè)定投藥程序時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮排泥水的流量和濃度兩個(gè)因素。在實(shí)際生產(chǎn)中還需根據(jù)自身離心機(jī)較優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài),結(jié)合原水情況調(diào)節(jié)排泥方式和濃縮池運(yùn)行方式,保證離心機(jī)處理合適濃度的污泥。

表1 不同進(jìn)泥濃度時(shí)離心機(jī)差數(shù)設(shè)置

圖3 不同進(jìn)泥濃度時(shí)離心機(jī)進(jìn)料流量和加藥濃度

3.1.3 泥餅含水率與進(jìn)泥濃度的關(guān)系

當(dāng)離心機(jī)處于較優(yōu)運(yùn)行工況時(shí),檢測不同進(jìn)泥濃度時(shí)的泥餅含水率,結(jié)果如圖4所示。離心機(jī)在其較優(yōu)運(yùn)行工況運(yùn)行穩(wěn)定前提下,進(jìn)泥濃度越高,泥餅的含水率越低,當(dāng)進(jìn)泥質(zhì)量濃度在35 g/L以上時(shí),泥餅含水率可小于60%。

圖4 泥餅含水率與進(jìn)泥濃度的關(guān)系

3.1.4 藥耗與進(jìn)泥濃度的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同進(jìn)泥濃度時(shí)離心機(jī)藥耗情況,結(jié)果如圖5所示,在離心機(jī)較優(yōu)工況下,單位干固量藥耗隨著進(jìn)泥濃度的升高而降低,當(dāng)進(jìn)泥質(zhì)量濃度大于15 g/L時(shí),平均藥耗小于4 kg/(t DS)。建議實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)泥質(zhì)量濃度高于15 g/L,否則會(huì)造成處理效率過低,產(chǎn)生過高的藥耗。當(dāng)平衡池污泥質(zhì)量濃度低于15 g/L時(shí)停止制泥,下次制泥前需先開啟平衡池?cái)嚢杵?～10 min后再啟動(dòng)離心機(jī)。PAM濃度對離心機(jī)運(yùn)行影響較大。由于PAM易吸潮結(jié)塊,結(jié)塊后的PAM會(huì)黏結(jié)在沖溶系統(tǒng)進(jìn)料口處,影響PAM配比濃度。日常可采用濁度法[5]定期檢測PAM濃度,以便及時(shí)清理泡藥機(jī),保證PAM濃度正常。

圖5 藥耗與進(jìn)泥濃度的關(guān)系

3.2 生產(chǎn)廢水安全回用

3.2.1 生產(chǎn)廢水水質(zhì)總體情況

生產(chǎn)中對原水和生產(chǎn)廢水的水質(zhì)進(jìn)行長期監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)廢水的溶解氧、氨氮、總氮、總磷(以P計(jì))、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、鉛、汞、五日生化需氧量(BOD5)、糞大腸菌群、鐵、錳和丙烯酰胺的含量較原水中的含量均有所增加。其中,總磷、鉛、糞大腸菌群主要在離心液中富集;氨氮主要是在離心液、濃縮池上清液中超標(biāo);汞含量在濃縮池上清液、反沖洗水中濃縮2～3倍,在離心液中濃縮4～5倍;鐵和錳主要在反沖洗水、壓濾液中濃縮2～3倍。回用時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注生物、有機(jī)物和關(guān)鍵重金屬指標(biāo)所造成的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。為避免對水廠生產(chǎn)負(fù)荷沖擊過大,降低出廠水水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),回用前根據(jù)生產(chǎn)廢水水質(zhì)數(shù)據(jù)與原水水質(zhì)數(shù)據(jù),計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)濃縮倍數(shù)及回流后水質(zhì)滿足GB 3838—2002中Ⅱ類水源要求下的理論可回流最大回流比,最終確定回流比控制在6%以內(nèi)。濃縮池上清液和反沖洗水由集水池的潛水泵24 h連續(xù)均勻地提升至配水井回用。每天00:00—06:00原水流量約為6 000 m3/h,回流流量為300 m3/h;06:00—24:00原水流量約為10 000 m3/h,回流流量為600 m3/h。水廠日排泥水量為1 728～5 184 m3,日反沖洗水量為4 684～6 245 m3,日生產(chǎn)廢水總量為6 412～13 350 m3,廢水回用率達(dá)95%以上。

3.2.2 渾濁度影響

渾濁度不單純是感官性狀指標(biāo),還直接反映水中非溶解性指標(biāo)及微生物指標(biāo)的去除情況[6]。根據(jù)日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)總結(jié),濃縮池、離心機(jī)較好運(yùn)行狀態(tài)時(shí),濃縮池上清液渾濁度小于50 NTU,壓濾水含固率在0.03%～0.05%,渾濁度小于200 NTU。每年雨季會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的原水渾濁度在500 NTU以上的高渾濁度期,排泥水量增多,受排泥處理系統(tǒng)規(guī)模限制,排泥水沉淀不及時(shí),會(huì)出現(xiàn)回流水質(zhì)渾濁度過高的異常情況(表2),進(jìn)而增加藥耗及生產(chǎn)負(fù)荷,引起污泥處理惡性循環(huán),且難以回用。根據(jù)水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)顯示,原水中的砷會(huì)經(jīng)過混凝沉淀進(jìn)入排泥水,再經(jīng)排泥水濃縮脫水后最終進(jìn)入污泥中,若排泥水未經(jīng)充分沉淀直接回流會(huì)導(dǎo)致泥餅中砷的累積,進(jìn)而影響泥餅資源化利用。水廠在生產(chǎn)中通過設(shè)定濾前水渾濁度≤2 NTU、出廠水渾濁度≤0.2 NTU的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)來監(jiān)控和降低回流的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

表2 生產(chǎn)廢水渾濁度

3.2.3 藻類影響

夏季回流時(shí)需特別注意藻類對生產(chǎn)的影響。氣溫升高、降雨量偏少、水體流動(dòng)性差等自然因素下,原水水體藻類含量不斷增加,水廠會(huì)相應(yīng)調(diào)整制水工藝,如加大投礬投加量、縮短排泥周期、加大反沖洗頻率等。此時(shí),會(huì)增加排泥系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷。當(dāng)PAM投加量不變時(shí),產(chǎn)泥含水量會(huì)略微升高。經(jīng)沉降停留的濃縮池上清液、離心液呈綠色,藻類數(shù)量明顯升高,對各類水中的藻類及葉綠素檢測結(jié)果如表3所示。反沖洗水、濃縮池上清液、離心液的藻類含量分別是原水藻類的8.5、18.3、47.5倍。在保持原生產(chǎn)工藝不變的情況下,水廠以5%回流比回流時(shí)的濾前水藻類數(shù)量明顯高于無回流水回流時(shí)的濾前水,但對濾后水和出廠水的藻類含量無明顯影響,同時(shí)測得濾后水、出廠水微囊藻毒素的質(zhì)量濃度均小于0.000 4 mg/L。當(dāng)氣溫高于25 ℃,回流時(shí)需密切關(guān)注濾前水藻類情況,必要時(shí)需增大前加氯量。

表3 回流生產(chǎn)廢水對藻類的影響

3.2.4 回流情況總結(jié)

回流后出廠水各項(xiàng)指標(biāo)均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)要求及水廠內(nèi)控指標(biāo),其中鐵、錳、鋁、鉛、汞等重金屬及消毒副產(chǎn)物含量未見明顯增加。日回流水量為4 400～11 200 m3,按制水量為50萬m3計(jì)算,節(jié)約用水0.88%～2.24%。目前運(yùn)行情況及出廠水指標(biāo)均正常,但回用水仍存在有機(jī)物污染風(fēng)險(xiǎn)、重金屬富集風(fēng)險(xiǎn)及生物污染風(fēng)險(xiǎn),需控制回流比,定期對回用水進(jìn)行檢測,嚴(yán)格控制出廠水渾濁度。日常需重點(diǎn)關(guān)注回流水渾濁度、嗅和味、重金屬情況;高氣溫及原水低渾濁度時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注回流水藻類情況;原水高渾濁度期時(shí)需對回流水及出廠水的鋁含量重點(diǎn)關(guān)注。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

(1)排泥水處理系統(tǒng)一般根據(jù)水廠泥水平衡和最大干固量設(shè)計(jì)構(gòu)筑物尺寸及確定設(shè)備型號(hào)。設(shè)計(jì)前建議根據(jù)水廠原水泥沙性質(zhì),建立符合自身水廠水質(zhì)的渾濁度與SS的關(guān)系,避免統(tǒng)一將1.1作為渾濁度與SS值比值關(guān)系而導(dǎo)致設(shè)計(jì)規(guī)模偏小的情況。表4為長期對該水廠原水渾濁度和SS試驗(yàn)檢測,得出的原水渾濁度與SS的關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮超高原水渾濁度及最大排泥水量等極端情況,設(shè)置合理的應(yīng)急排放系統(tǒng)。

表4 渾濁度與SS值的關(guān)系

(2)建議日后設(shè)計(jì)集水池時(shí),將其分為進(jìn)水格和供水格2格,沉淀后的濃縮池上清液和反沖水由集水槽流入另一格回用,底泥則抽至濃縮池處理。集水池單格調(diào)節(jié)水量按照濃縮池上清液溢流量和兩格濾池反沖洗水量之和計(jì)算,從而進(jìn)一步降低回流水渾濁度,提高回流水水質(zhì)。

5 總結(jié)

(1)離心機(jī)進(jìn)泥質(zhì)量濃度不宜低于15 g/L,否則處理效率過低。當(dāng)原水渾濁度高、排泥濃度過高時(shí),需適當(dāng)增加排泥次數(shù),減少排泥水的污泥濃度,使離心機(jī)進(jìn)泥質(zhì)量濃度在15～50 g/L,以提高運(yùn)行效率。

(2)生產(chǎn)實(shí)踐證明,回流比控制在6%以內(nèi)可減少回用帶來的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn),但回用后仍需長期關(guān)注微生物、有機(jī)物和關(guān)鍵重金屬指標(biāo)所造成的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)在運(yùn)行中需定期采用濁度法檢測PAM濃度,減少因沖融系統(tǒng)堵塞導(dǎo)致PAM濃度配置有誤情況的發(fā)生。

(4)運(yùn)行中在避免集中排泥的同時(shí),需根據(jù)集水池水位調(diào)整反沖和排泥時(shí)間,避免因排泥水溢流或沉淀時(shí)間不夠而產(chǎn)生影響回流水質(zhì)的問題,科學(xué)地做好反沖水量和排泥水水量的分配工作。