樂林生 陸在宏 鄒盛平
(上海市自來水公司)

　　摘要 針對黃浦江水系閔行水廠排泥水的處理，通過污泥沉降特性研究，采用收集、濃縮、平衡、投加聚丙烯酰胺(PAM)、離心機固液分離的工藝流程和PLC中央控制，提高了自動化程度。濃縮池上清液能達標排放，離心機分離水的泥餅含固率≥42%，PAM加注率1.0～1.5kg/t干泥。研究表明，該工藝可作為黃浦江水系水廠排泥水處理工藝設計依據。
　　關鍵詞 污泥處理 固液分離 沉降特性 污泥調理

　　自來水廠從污染較少的地方遠距離引水，雖然水質有所改善，但提高了制水成本。而自來水公司將未經處理的大量濾池反沖洗廢水和沉淀池排泥水直接排入江河，不僅導致航道淤積，還對水體環境造成一定程度的負面影響。因此，上海市自來水公司在閔行水廠(處理規模7×10⁴ t/d)進行了排泥水處理技術和工程生產性研究，投入運行后取得良好效果。

1 排泥水特性研究

1.1 原水濁度與SS的相關關系
　　污泥總量是以水中SS含量計算的，不同水源、不同季節(潮汐河流)的不同濁度都可能影響其與SS的相關關系。閔行水廠一車間1997年12月—1998年2月原水濁度與SS的關系見圖1。

　　經分析可知：?
　　① 測得的濁度：最高為80 NTU，最低為25 NTU，平均為42.3 NTU。
　　② 測得的SS值：最高為130 mg/L，最低為43 mg/L，平均為83.54 mg/L。
　　③ 從50個數據分析可得，濁度值低于60 NTU的占90%，經統計濁度與SS的相關關系方程為：

　　y＝2.154 8x-7.202 4
　　R²＝0.9571

　　④ 由于試驗過程中黃浦江上游閔行江段濁度低于80 NTU，而最大幾率在25～60 NTU之間，故高于60 NTU時與SS的相關關系有待于作進一步研究。
1.2 排泥水污泥總量估算
　　水廠排泥水中污泥總量的估算涉及到工程土建規模、脫水機械和機泵設備的容量配置，是確定工程規模和投資成本的重要依據。?
一車間排泥水污泥總量估算采用英國水處理研究中心《污泥處理指南》一書中提供的排泥水中污泥含量計算公式：

　　DS＝SS+0.2B+1.53C＝2A+0.2B+1.53C
　　式中　DS——水中干污泥含量，mg/L
?　　　　SS——原水中懸浮固體量，mg/L
　　　　?A——去除的濁度，NTU
　　　　?B——去除的色度
　　　　?C——投加的硫酸鋁(以氧化鋁計)

　　根據1994年—1996年原水濁度統計，預計干污泥量見表1。

　　水廠制水系數取1.07，一車間日處理水量：
　　Q＝6.67×10.4 m³/d×1.07=7.137×10⁴ m3/d
　　則平均日產干污泥量：
　　W＝71 370 m³/d×(167.6×10^-6 t/m³)=11.96 t/d
　　最低日產干污泥量W＝2.36 t/d
　　最高日產干污泥量W＝40.99 t/d
　　本項目以濁度＝80 NTU來考慮土建規模和設備容量的配置。

1.3 排泥水自然沉降特性
　　不同含固率排泥水的自然沉降特性見圖2。

　　由圖2可知，排泥水污泥在自然沉降過程中，污泥沉降速率隨時間的增長不斷減小，而且不同含固率的沉降特性明顯不同。含固率較低時，初始階段污泥沉降速度很快，較快到達壓密點，且在壓密點附近沉降曲線明顯轉折。隨著排泥水含固率的增高，污泥界面的下降速率越來越慢，歷時曲線逐步趨于平緩，壓密點不明顯。圖中各排泥水沉降時含固率的變化數據見表2。

　　由表2可知，3 h后的濃縮污泥和24 h后穩定污泥的含固率隨著排泥水初始含固率的升高而升高。經過3 h自然沉降，底部污泥含固率都達到4%以上，能滿足后續機械脫水設備要求。

2 排泥水處理工藝

　　經一車間排泥水沉降特性試驗和污泥粒徑大小測試，確定工藝流程如圖3。

　　從圖3可以看到，水廠排泥水處理工藝流程主要由五部分組成：截留池、濃縮池、污泥平衡池、聚合物投加系統、離心機脫水機房。本流程系統有2個物料進口，即截留池的排泥水進口和高分子絮凝劑PAM加注口；有2個物料出口，即濃縮池上清液排放口和螺旋輸送器的泥餅出口。離心機分離水回收至排泥水截留池。
2.1 沉淀池排泥水的收集
　　經沉淀池排泥水量實測，沉淀池兩旁虹吸排泥管全開時排出量為3 680 m³/d，平均為150 m³/h。沉淀池排泥水收集主要由虹吸式吸泥機或經穿孔排泥管排出，靠重力流向截留池。截留池直徑D＝8 m,池深H＝4.8 m，有效調節容積為100 m³。池內裝有攪拌機(到達一定水位開始攪拌)以防止污泥沉淀。截留池出水選用兩臺潛水泵提升(一用一備)，其中一臺由變頻控制并能相互切換，Q＝37.5～150 m³/h，揚程H＝93.1 kPa。截留池內安裝液位儀，控制攪拌機的開啟和傳送水位信號至PLC控制中心。潛水泵出口處安裝電磁流量儀，既可現場觀測，又可傳送信號至PLC控制中心。
2.2 排泥水的濃縮
　　污泥濃縮池為地面式現澆鋼筋混凝土結構，長8.0 m，寬5.9 m，深5.4 m，設計流量160 m³/h，設計輸出污泥濃度≥5% DS，進入濃縮池排泥水濃度≤1% DS。污泥濃縮池底部設有刮泥機一臺，用于收集底部濃縮污泥。
　　污泥濃縮池的主要處理部分是斜板濃縮裝置。共有斜板228塊，斜板高h＝2m，長L＝2.5m，寬B＝1m，傾角θ＝53°，斜板間距d＝8cm。
　　其有效沉淀面積為：

　　A＇=(dsinθ+Lcosθ)nB=(0.08×0.8+2.5×0.6)×228×1=356m²

　　折算成同等高度的平流式沉淀池，其相對停留時間為：

　　T＇=A＇h/Q_max＇=356×2/150=4.75h

　　從上述計算中可以看出，濃縮池的相對停留時間大于3 h，能滿足濃縮要求。
　　排泥水濃縮池擔負著雙重使命，即清濁分流。當底部污泥濃度計測得含固率達到一定控制指標時，通過PLC接受一定信號，指令污泥切割機和污泥泵開啟，將污泥排入平衡池，當污泥濃度低于某一數值時，PLC指令污泥切割機和污泥泵停止工作。
　　隨著截留池排泥水不斷進入濃縮池，其上清液不斷外排。對污泥濃縮池進行了連續測試，測試結果見圖4。
　　從所獲得的18個SS及相關數據分析，濃縮池排出上清液中SS平均濃度為61.6 mg/L，最大值為77 mg/L。在進水水質平穩運行情況下，上清液中的SS濃度有下降趨勢，最低可達17 mg/L，表明連續穩定運行有利于提高濃縮池的清污分離效果。測定結果也完全符合設計要求。

2.3 污泥平衡池
　　斜板濃縮后的污泥經安裝在管道上的污泥切割機(用于打碎顆粒較大的固體，保護后續處理設備的安全)由三臺偏心螺旋泵(兩用一備)送至污泥平衡池。為防止污泥沉降，平衡池內設有攪拌機一臺，轉速480 r/min。此外，還安裝了液位儀(控制攪拌機的啟動和停止)和污泥濃度計(作為脫水機污泥處理量和PAM加注量的依據)等在線控制檢測儀表。
2.4 離心機脫水
　　一車間的原水取自黃浦江上游，濁度較高，約70～80 NTU，在水處理過程中投加硫酸鋁等混凝劑。據測定，污泥中SiO₂含量達50%以上，Al₂O₃含量在17%～20%左右，有機成分灼燒減量為10%～13%。污泥中無機成分含量高，無明顯的親水性，污泥離心脫水較容易。根據排泥水污泥顆粒粒徑大小的分析，選用DSNX—4550離心機作為固液分離主要脫水機械。
　　DSNX—4550離心脫水機進泥含固率4%時處理量15 m³/h，進泥含固率5%時處理量12 m³/h,轉筒Ø 450/266 mm，轉筒長度與直徑比為4.17，錐角為10°，離心機最大轉筒速度3 250 r/min，工作速度2 600、2 900 r/min。
　　影響污泥離心脫水效果的因素很多，歸納起來有如下三種，即：不可調節機械因素；可調節機械因素；工藝因素。要使離心機能達到預期的固液分離效果，在確定機械型號(不可調節機械因素)之后，可以調整“可調節機械因素”。如改變離心機轉筒速度，調節G的作用力，使分離因數增大，有利于固液分離；反之，減小轉筒速度使分離因素減小，則不利于固液分離。但是，過分增大轉筒速度，必定增大機器的磨損，產生大的噪音。
　　選擇不同的擋板來調節液體水位(池子深度)，可使分離水達到最佳清澈度和泥餅最佳干燥度之間的平衡。總的來說，當整個液體半徑減小時，分離水變得更加透明，泥餅含水率增高。又如：轉速差越大；污泥在離心機內停留時間越短，泥餅含水率就越高，分離水含固率就可能越大；反之，轉速差越小，污泥在離心機內停留時間越長，固液分離越徹底，但必須防止污泥堵塞。總之，可利用轉速差進行自動調節以補償進料中變化的固體含量。
　　此外，還可以調整工藝因素。當污泥性質已經確定時，可以改變進料投配速率，減少投配量利于固液分離；增加絮凝劑加注率，可以加速固液分離速度，并使分離效果好。
2.5 工藝的自動化控制
　　項目進行過程中，對如何自動控制整個系統進行了研究，提出了可行的自控模式，使系統在PLC中央控制下達到無人自動運行的程度。
　　針對圖3工藝，實現自動運行主要解決如下幾個問題：
　　① 排泥水截留池自動控制?
　　控制輸送泵、攪拌器的開停。?
　　② 自動排放濃縮池的底部濃縮污泥?
　　利用濃度計測定值的上下限控制濃縮池排放污泥泵的開停，達到污泥排放自控。?
　　③ 平衡池污泥液位控制?
　　控制攪拌器、濃縮池排放污泥泵、離心機進泥污泥泵的開停以達到平衡池不溢出，不排空。?
　　④ 自動配制PAM溶液和自動投加藥量?
　　對離心脫水機的PAM加注進行自動控制。根據離心脫水機進泥量和平衡池污泥濃度指示值控制加藥量。?
　　⑤ 當某泵發生故障時，切換備用泵以保證系統繼續運行。?
　　⑥ 協調排泥水處理工程整個系統的運行?
　　采用SLC 500小型可編程控制器作為中央控制，可使控制靈活、顯示直觀、設置簡便、操作容易。

3 運行結果

　　采用離心機對水廠排泥水濃縮污泥進行固液分離，需選擇最佳工藝參數。研究了進入離心機的濃縮污泥含固率的要求范圍，進料量(裝機容量)，最大產量，離心機差速、轉速，不同類型聚丙烯酰胺(PAM)加注率、投加濃度對離心機脫水后的污泥含固率、分離水SS值和回收率的影響。
3.1 陽離子型PAM 加注率
　　陽離子PAM加注率與污泥回收率、泥餅含固率的關系見圖5。從中可以得出如下結論：

　　① 在一定的產量下，當PAM加注率＞0.1%時，隨PAM加注率的增加，污泥回收率也增加；當PAM加注率為0.1%時，污泥回收率即可達到99%。
　　② PAM加注率為0.08%～0.16%時均可保證離心機出泥含固率≥43%。
　　③ 使用陽離子型PAM處理后分離水色度(目測)較低，脫色效果較佳。
3.2 陰離子型PAM加注率
　　陰離子型PAM加注率與污泥回收率、泥餅含固率的關系見圖6。從中可以得出如下結論：

　　① 在一定的產量下，當PAM加注率>0?08%時，隨PAM加注率的增加，污泥回收率也增加；當PAM加注率為0.08%時，污泥回收率即可達到99%。
　　② PAM加注率為0.08%～0.23%時均可保證離心機出泥含固率≥42%。
　　③ 使用陰離子型PAM處理后分離水色度(目測)較高，脫色效果不佳。
3.3 進泥流量和產量
　　進泥流量和產量與污泥回收率、泥餅含固率的關系見圖7。

　　從圖7中可以得出以下結論：?
　　① 在產量達1 248 kg/h，進泥流量達 16 m³/h的情況下，仍可取得良好的處理效果。通常運行條件為產量640 kg/h，進泥流量10m³/h。
　　② 進泥流量范圍為6～16 m³/h情況下，污泥回收率均在98%以上，泥餅含固率≥42%。
3.4 進泥濃度對泥餅含固率的影響
　　進泥濃度與污泥回收率、泥餅含固率的關系見圖8。

　　從圖8中可以得出以下結論：?
　　離心機對進泥濃度的要求不高，在3%～6.5%范圍內均可保證較高的污泥回收率(≥98.9%)和泥餅含固率(≥43%)。
3.5 離心機差速對泥餅含固率的影響
　　差速對泥餅含固率和分離水SS值的影響見圖9。從中可以得出以下結論：
　　① 差速范圍在7～11 r/min時，泥餅含固率均大于44%，分離水SS值為166～218 mg/L。但當差速高達12 r/min時，污泥含固率降低，僅為39%；分離水SS值較高。
　　② 差速基本上對泥餅含固率影響不大，但應視進泥濃度和裝機容量選擇相應差速。進泥量大時，差速太小可能堵塞離心機；差速太大，出泥泥餅含固率會降低。

3.6 運行工藝參數
　　從工程運行結果可得出閔行水廠一車間排泥水處理離心機運行最佳工藝參數。
　　① 進離心機濃縮污泥濃度：3%～7%；
　　② 對PAM藥劑來說，陽離子型和陰離子型都可用；
　　③ PAM加注率為1.0～1.5 kg/t干泥；
　　④ PAM儲液配制濃度：陽離子型0.5%，陰離子型0.3%；
　　⑤ PAM投加濃度：0.2%；
　　⑥ 離心機轉速：2 600 r/min和2900 r/min；
　　⑦ 離心機差速：5～12 r/min。
　　離心機在上述工藝參數情況下，對水廠排泥水進行處理，可以得出如下結論：
　　① 陽離子PAM加注率為0.1%～0.15%(kg/t干泥)時，污泥回收率＞99%，泥餅含固率≥43%；
　　② 陰離子PAM加注率為0.08%～0.15%(kg/t干泥)時，污泥回收率＞99%，泥餅含固率≥42%；
　　③ 投加陽離子時，分離水佳；投加陰離子時，分離水色度較差。

4 結論

　　① 閔行水廠排泥水處理工藝選擇合理，設計先進，占地面積小，運行管理方便，固液分離效果好，泥餅含固率高，分離水清，污泥回收率高。
　　② 離心脫水機可作為上海黃浦江水系水廠排泥水固液分離首選脫水機械，其密封運行，操作方便，自動調節差速，出泥含固率高，環境衛生，耗藥量低，對進泥含固率要求幅度寬，分離水質好。?
　　③ 合理設計斜板濃縮池，能緩解進濃縮池排泥水濃度的波動，確保上清液外排水質量達到環保排放標準。?
　　④ 本工程主要運行參數：?
　　濃縮池上清液SS＜100 mg/L；
　　濃縮污泥可自動控制在含固率3%～13%；
　　離心機產干泥量400～1 200 kg/(h·臺)；
　　離心機進行固液分離，藥劑PAM投加量在1.0～1.5 kg/t干泥，聚丙烯酰胺陰離子型和陽離子型都能適合離心機固液分離污泥調制藥劑；
　　離心機處理濃縮污泥，污泥回收率在99%以上，分離水SS值≤400 mg/L。

參考文獻

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