王東生 張建新 王洪臣 張勝海 葛永濤 王穎
（北京市高碑店污水處理廠）

1 概述

　　北京是一個嚴重缺水的城市，隨著地下水的不斷開采，造成水位不斷下降，更加劇了水資源的短缺。解決水資源短缺的問題，已成為當務之急，而水資源的循環再利用是一項非常有發展前景的課題，它可以緩解水資源的短缺問題。水資源的循環再利用即是將生活污水及工業污水進行深度處理，使之達到一定的水質要求，處理后的出水用于灌溉、沖洗、景觀等方面用水，可節省大量的自來水。為此，高碑店污水處理廠二期工程設計了中水區，將二沉出水再進行深度處理，處理后出水用于綠地、脫水機房沖洗水、景觀用水及噴灑水等，為城市污水回用提供經驗。

2　中水處理工藝流程介紹

　　高碑店污水處理廠二期中水區日處理能力為10000m³/日，二沉出水指標為BOD<20mg/l，SS<30mg/l，經中水區處理后的出水水質指標為BOD<10mg/l，SS<10mg/l，中水處理工藝是將二沉出水用泵提升至加藥間，在加藥間通過加藥泵將混凝劑加入進水管道中，水藥混合后在反應池進行充分混合絮凝，到達沉淀池后可沉淀的較大絮體沉淀下來，達到泥水分離的目的，上清液通過出水堰流至濾池，沉淀污泥定期排走。在濾池中通過砂濾將水中的SS進一步去除，濾后水進入清水池，通過泵送至各用水點。
　　該中水處理工藝流程如下：

3　調試控制過程

3.1目的
　　中水處理工藝控制的關鍵在于混凝劑的選型及投配率，確定斜板沉淀池的排泥周期和濾池的沖洗時間。只有正確的選擇混凝劑，確定最佳投配率，同時根據來水水質調整投配率，選擇斜板沉淀池的最佳排泥周期和濾池的沖洗時間，才能最大限度地降低中水處理成本，獲得較好的出水水質，從而達到經濟運行的目的。
3.2調試條件
　　根據本廠二沉出水水質及操作方便程度，我們首先選定了聚丙烯酰胺、聚合氯化鐵（簡稱聚鐵）、聚合氯化鋁（簡稱聚鋁）三種混凝劑作對比試驗。考慮到小試與實際生產差別較大，采用中試的方法，即三種混凝劑經過一定濃度配比后，直接用于上機試驗，通過對比進行最佳混凝劑選擇。
　　聚丙烯酰胺、聚鐵、聚鋁三種混凝劑的試驗條件基本一致，既進水水量Q＝10000m³/日＝416.7m³/h，每種混凝劑的投藥量由低到高逐點漸進試驗，當出水水質達到設計要求SS<10mg/l、BOD<10mg/l時，既為該種混凝劑的最佳加藥量即最佳投配率。
　　斜板沉淀池排泥周期控制的調試條件是：進水水質為合格的二沉出水，即SS<30mg/l；BOD<20mg/l，斜板沉淀池的出水水質達到設計要求值，即SS<10mg/l；BOD<10mg/l，進水水量為設計流量Q＝10000m³/日，系統在最佳投配率的情況下，穩定運行。
　　濾池反沖洗時間的調試條件是：進水水量為Q＝10000m³/日，沉淀池出水水質達到設計要求，系統處于穩定連續運行狀態。
3.3調試過程
　　（1）聚丙烯酰胺混凝劑的試驗過程
　　將聚丙烯酰胺粉末溶解成5‰濃度的溶液，聚丙烯酰胺的設計投藥濃度為10ppm，我們選擇5ppm、10ppm、15ppm、20ppm、25ppm五種投配率進行對比試驗，每種濃度的試驗時間為2小時。試驗結果如下：

水質指標

投配率

SS（mg/l） BOD（mg/l） COD（mg/l） 礬花尺寸及沉淀狀況 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 5ppm 13.2 10.8 18% 12.4 10.2 18% 55 48 13% 小粒度不易沉 10ppm 13.4 8.4 37% 12.6 7.6 40% 54 41 24 中等粒度不易沉 15ppm 14.0 8.4 37% 12.6 7.6 40% 54 41 24 中等粒度不易沉 20ppm 13.8 10.5 24% 13.2 10.2 23% 56 45 20 中等粒度不易沉 25ppm 12.6 11.1 12% 11.5 10.4 9% 52 44 15 中大粒度松散不易沉

　　聚丙烯酰胺的投配率與SS、BOD、COD去除率關系曲線如下：

　　（2）聚鐵混凝劑的試驗過程

　　聚鐵混凝劑的試驗溶液濃度為20％，我們根據小試情況，選擇聚鐵的投配率為10ppm、20ppm、30ppm、40ppm四種情況下進行試驗，每種投配率的試驗時間為2小時，試驗結果如下：

水質指標

投配率

SS（mg/l） BOD（mg/l） COD（mg/l） 礬花尺寸及沉淀狀況 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 10ppm 15.4 11.2 27% 14.9 10.6 29% 54 45 11% 小顆粒基本可沉 20ppm 14.8 8.9 40% 14.5 8.5 41% 50 42 16% 中顆粒可沉 30ppm 14.2 7.8 45% 13.8 6.8 51% 52 40 23% 中大顆粒可沉 40ppm 14.6 8.8 40% 13.1 8.4 36% 48 44 8% 中大顆粒基本可沉

　　聚鐵的投配率與SS、BOD、COD去除率關系曲線如下：
　　（3）聚鋁混凝劑的試驗過程
　　聚鋁混凝劑的溶液濃度為30％，我們根據小試情況選擇聚鋁的投配率為10ppm、20ppm、30ppm、40ppm四種情況下進行試驗，每種投配率的試驗時間為2小時，試驗結果如下：

水質指標

投配率

SS（mg/l） BOD（mg/l） COD（mg/l） 礬花尺寸及沉淀狀況 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 10ppm 15.5 10.8 30% 14.6 10.1 31% 55 45 18% 小顆粒基本可沉 20ppm 15.8 6.8 57% 14.7 6.8 54% 56 40 29% 中顆粒可沉 30ppm 14.7 5.2 65% 13.2 4.8 64% 52 32 38% 中大顆粒可沉 40ppm 15.2 6.7 56% 14.8 6.6 55% 54 41 24% 中大顆粒基本可沉

　　聚鋁混凝劑投配率與SS、BOD、COD去除率關系曲線如下：

　　（4）根據來水SS確定投藥量（投配率）
　　為了降低中水處理的運行成本，同時獲得較好的出水水質，達到最佳經濟運行目的，我們根據來水SS適時的調整聚鋁的投配率，使之達到用藥量最省。試驗原理：在來水SS相對穩定的情況下，通過由低到高調整聚鋁的加藥量，當出水水質達到最佳時，即為該種SS濃度下聚鋁的最佳投配率，不同來水SS濃度下試驗結果如下：

投配率

來水SS

5ppm 10ppm 15ppm 20ppm 25ppm 30ppm 35ppm 40ppm 出水SS（mg/l） SS(mg/l) 5 (3.8) 4.0 4.2 4.5 4.8 5.0 5.5 6.0 10 5.8 (5.4) 6.0 6.4 6.8 7.2 7.8 8.2 15 11.2 8.8 7.6 (5.6) 6.4 7.3 8.9 10.8 20 14.5 12.2 11.0 9.0 8.8 (7.8) 9.2 9.8 25 15.1 12.1 9.9 9.6 9.2 8.4 (7.6) 8.9 30 17.3 13.2 11.2 9.9 9.6 9.2 8.9 (8.1)

　　注：括號中數值為最低出水SS值，對應投配率為最佳投配率。

　　通過試驗發現聚鋁投配率與來水SS有如下線型關系：

　　（5）進、出水水質比較
　　本中水處理工藝采用聚鋁做為最佳混凝劑，并在最佳投配率30ppm的條件下穩定運行。為了更好的控制中水處理效果，我們對進、出水水質進行連續監測發現，當進水水質符合二沉出水指標即BOD<20mg/l，SS<30mg/l時，經中水處理后的出水水質全部達到設計要求。現抽取某個月的進、出水水質列表如下：

日期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 進水SS 16.2 15.1 13.2 11.7 14.8 12.6 15.3 14.5 10.7 11.4 出水SS 6.5 5.3 5.2 4.1 4.5 3.8 4.6 4.4 3.7 4.0 日期 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 進水SS 13.6 9.8 9.2 11.4 14.5 10.1 12.3 11.3 13.1 14.8 出水SS 4.8 3.4 3.0 3.9 5.1 3.5 4.3 4.1 4.6 5.2 日期 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 進水SS 11.5 12.7 11.2 13.4 14.6 10.3 10.5 11.0 11.6 12.2 出水SS 4.0 4.4 3.9 4.7 5.1 3.6 3.7 3.9 4.1 4.3

　　注：SS單位為mg/l

　　某月進、出水水質SS變化曲線圖如下：

　　（6）斜板沉淀池排泥周期的試驗過程
　　由于貯泥池體積較小，V＝80m³,斜板沉淀池每次的排泥時間不能超過2分鐘，否則會造成貯泥間淹泡。為確定出沉淀池的最佳排泥周期，得到良好的出水水質，我們將排泥周期設定為：0.5h,1h,1.5h,2h,2.5h,3h,3.5h,4h進行試驗，每個排泥周期的排泥時間均為2分鐘。抽取每次排泥完畢時的泥樣，測定其中的MLSS值，得到如下數據：

排泥周期（h） 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 MLSS（mg/l） 92 98 102 108 180 260 550 800

　　排泥周期與排泥效果的關系曲線如下：

　　（7）濾池反沖洗時間的試驗過程
　　濾池的空氣沖洗強度為15l/s.m2，水反沖洗強度為4l/s.m2，運行中發現在保證沉淀池出水水質的情況下，濾池的反沖洗周期為24小時。為確定最佳反沖洗時間，將反沖洗時間設定為5min，10min，15min，20min，25min，30min，35min，40min進行試驗，抽取每次反沖洗完畢時的水樣，測定其中的SS值，測定數據如下：

反沖洗時間（min） 5 10 15 20 25 30 35 40 SS（mg/l） 18 58 130 48 15 13.8 12.9 12.1

　　濾池反沖洗時間與沖洗出水SS關系圖如下：

4　數據分析

4.1三種混凝劑的最佳投配率
　　（1）聚丙烯酰胺
　　從上述聚丙烯酰胺、聚鐵、聚鋁三組試驗中發現，當聚丙烯酰胺的投配率為10ppm時，與二沉出水經混凝沉淀后，出水效果達到最佳，此時SS、BOD、COD三項指標的去除率也為最高，因此聚丙烯酰胺的最佳投配率為10ppm。而聚丙烯酰胺混凝劑與二沉出水進行混凝反應后，雖然能形成較大礬花，但形成的礬花不易沉淀，隨出水流走，影響了對SS、BOD、COD的去除效果，滿足不了出水水質的要求。
　　（2）聚鐵
　　聚鐵混凝劑投配率為30ppm時，與二沉出水經混凝沉淀后出水效果達到最佳，此時SS、BOD、COD三項指標的去除率為最高，因此聚鐵混凝劑的投配率為30ppm。而聚鐵混凝劑與二沉出水進行混凝反應后，雖然能很快形成較大礬花，同時礬花沉淀性能也較好，但由于聚鐵使出水中帶有明顯的紅褐色，影響了出水效果，達不到對出水水質的要求。
　　（3）聚鋁
　　試驗中發現，當聚鋁混凝劑的投配率為30ppm時，與二沉出水經混凝沉淀后，出水效果達到最佳，此時SS、BOD、COD三項指標的去除率最高，因此聚鋁的最佳投配率為30ppm。聚鋁混凝劑與二沉出水混凝反應后，形成礬花大而迅速，礬花的沉淀性能較好，同時出水清澈，完全可以達到出水水質設計標準。
4.2三種混凝劑的綜合分析
　　（1）混凝機理及特點
　　1）混凝機理
　　污水處理所用的藥劑分為無機絮凝劑和有機絮凝劑兩大類，其中聚丙烯酰胺為有機絮凝劑，聚鐵和聚鋁為無機絮凝劑，兩類混凝劑處理污水的作用機理有所不同。
　　有機絮凝劑的作用機理包括兩個方面：一是其分子上帶電的部位能中和污泥膠體顆粒所帶的負電荷，使之脫穩；二是利用其高分子的長鏈作用把許多細小污泥顆粒吸附并纏繞在一起，結成較大顆粒。前一作用稱為壓縮雙電層，后一作用稱為吸附架橋。
無機混凝劑的作用機理：一方面混凝劑水解出一系列陽離子，可以中和膠體顆粒表面所帶的負電荷；另一方面由于這些離子有很強的水化能力，能奪走膠粒周圍的水分子，破壞水殼。通過以上兩方面的作用，膠粒將失去原來的穩定性，相互之間發生凝聚，形成較大的礬花經沉淀去除。
　　2）特點
　　聚丙烯酰胺為有機高分子絮凝劑，常用于污泥調活，對溫度及PH值適應范圍比較廣泛，對管道腐蝕性較小，但粘度較大，操作性較差。
　　聚合氯化鐵是一種無機高分子混凝劑，易溶于水，礬花大而重，沉淀性能好，對溫度和水質及PH值的適應范圍寬，其最大缺點是有強腐蝕性，易腐蝕設備，且有刺激性氣味，操作性較差。
　　聚合氯化鋁是一種無機高分子混凝劑，對各種水質及PH值的適應性很強，礬花形成快，顆粒大而重，且由于投加量少，產泥量也少。同時聚合氯化鋁對溫度適應性也很強，使用、管理比較方便，對管道腐蝕性較小。
　　根據三種混凝劑的特點，從理論上分析，用聚合氯化鋁較好。
　　（2）試驗效果
　　從三組試驗數據及曲線圖中，我們發現，在同一投配率的情況下，聚鋁對SS、BOD、COD的去除率是最高的，針對高碑店污水廠的二沉出水，宜選用聚合氯化鋁為混凝劑。
　　（3）綜合
　　在最佳投配率的條件下，三種混凝劑的各項指標比較：

項目

名稱

最佳投配率 去除率（％） 沉淀效果 處理成本（分/噸） SS BOD COD 聚丙烯酰胺 10 37 40 24 中大顆粒不易沉 50 聚鐵 30 45 51 23 中大顆粒易沉 9 聚鋁 30 65 64 38 中大顆粒易沉 6

　　從比較中可以發現，在最佳投配率的條件下，聚鋁對SS、BOD、COD的去除率最高，形成的礬花沉淀效果最好，處理成本最低。
4.3來水SS與投配率關系（線性方程）
　　從來水SS與聚鋁投配率的線性關系中我們可以看出，當來水SS為5mg/l時，最佳投配率為5ppm，SS：投配率＝1；當來水SS濃度為10mg/l時，最佳投配率為10ppm，SS：投配率＝1；…… 當來水SS為30mg/l時，最佳投配率為40ppm，SS：投配率＝0.75。從以上關系中可以發現來水SS與投配率存在以下線性關系：
　　　　y＝0.9x
　　其中：y——來水SS（mg/l）
　　　　　x——投配率（ppm）
4.4斜板沉淀池排泥周期的確定
　　從排泥周期與排泥效果的關系曲線中可以發現，隨著排泥周期的延長，每個排泥周期排泥完畢后泥樣的MLSS值逐漸升高，當排泥周期為2小時為曲線趨勢的分界點，如果延長排泥周期，會造成沉淀池排泥不徹底，影響出水水質，故斜板沉淀池的最佳排泥周期為2小時。
4.5濾池反沖洗時間的確定
　　從濾池反沖洗時間與出水SS關系曲線中可以發現，反沖洗初期，5－15分鐘內，反沖洗出水的SS急劇增至最大，說明沖洗初期，濾層中大部分的SS被沖洗出來，當沖洗時間達到25分鐘后，出水SS值為15mg/l,其后曲線趨于平緩，濾層中SS已基本沖洗干凈，已達到反沖洗效果，因此濾池的反沖洗時間為25分鐘。

5　經濟效益分析

　　（1）同等去除效率下，三種混凝劑成本比較，用聚鋁比聚丙烯酰胺每年可節約266.45萬元，比用聚鐵每年可節約3.65萬元，數據分析如下表。
　　（2）按照線性關系來指導投配率，比用固定投配率30ppm可節約資金30％，按每天10000m³/日處理能力計，每年可節約資金7萬元。

名稱 SS去除率 投配率（ppm） 水量（m³/日） 成本（分/噸） 全年費用（萬元） 聚丙烯酰胺 30% 15 10000 75 273.75 聚鐵 30% 10 10000 3 10.95 聚鋁 30% 10 10000 2 7.3

　　（3）與設計相比，原設計采用的混凝劑為聚丙烯酰胺，設計最佳投配率為10ppm，按每天10000m³/日處理能力計，每年用藥費用為182.5萬元；用聚鋁做混凝劑，試驗中發現最佳投配率為30ppm，按每天10000m³/日處理能力計，每年用藥費用為21.9萬元；從對比中可以發現，用聚鋁比用聚丙烯酰胺每年可節約費用160.6萬元，分析數據證明用聚鋁優于原設計方案。

6　結論

　　（1）高碑店污水處理廠中水處理工藝宜選用聚鋁為最佳混凝劑，當二沉出水SS值為10－20mg/l時，最佳投配率應控制在20－30ppm。
　　（2）由于二沉出水中SS值主要為有機活性污泥，故BOD、COD值與之有關，這一點從試驗數據中也可看出，去除了SS，意味著去除相當BOD、COD。從我們調試結果看，SS值與投配率存在線性關系，其線性方程為： y＝0.9x ,其中：y――來水SS（mg/l）、x――投配率（ppm）。我們以線性方程來指導日常的生產運行。
　　（3）通過選擇最佳混凝劑（聚鋁）及用線性方程來指導運行，每年可節約資金167.6萬元。
　　（4）當進水水質指標為：SS<30mg/l,BOD<20mg/l，聚鋁投配率為最佳投配率30ppm時，斜板沉淀池的排泥周期為2小時。
　　（5）當運行水量為Q＝10000m³/d，沉淀池出水水質穩定，濾池的反沖洗時間為25分鐘。
　　（6）高碑店污水處理廠中水處理工藝自1999年11月份投入生產性運行，每天處理10000m³二級出水，經連續監測，處理后出水連續達標，即滿足BOD<10mg/l,SS<10mg/l的設計要求，同時對N、P等污染物也有一定的去除效果，出水水質良好。經處理后的中水用于污水廠的綠化、沖洗、噴灑及景觀用水。該中水處理工藝按處理能力10000m³/d計，一年可節約自來水365萬m³，節約大量的水資源，該工藝使污水循環再利用變為現實。通過生產性實驗，我們認為該工藝比較適應中小型（小于10萬m³/d）中水處理廠的需要，具有較好的推廣價值。