中置式高密度沉淀池在低溫、低濁、高藻水源地的應(yīng)用
摘要：采用了新型中置式高密度沉淀池工藝，解決了配水不均、單池處理水量受限制、水流流向等問題，出水水質(zhì)更有保證；在中置式高密度沉淀池平均進(jìn)水濁度15.5NTU的情況下，得到了0.86NTU的出水濁度，去除率達(dá)到94%。在建設(shè)費(fèi)用方面，雖然比平流沉淀池要多增設(shè)回流泵、攪拌機(jī)等機(jī)械設(shè)備，但土建費(fèi)用省，占地面積較引進(jìn)的高密度沉淀池少10%~15%，較平流沉淀池少50%左右；單位造價(jià)較引進(jìn)的高密度沉淀池低20%左右，與平流沉淀池基本持平；藥劑成本與引進(jìn)的高密度沉淀池基本相同，較平流沉淀池低20%左右。即使不考慮節(jié)約土地的費(fèi)用，單項(xiàng)造價(jià)總投資可持平甚至略低于平流沉淀池。
關(guān)鍵詞：中置式高密度沉淀池 絮凝 濁度
一、引言
2006年國家標(biāo)準(zhǔn)委和衛(wèi)生部聯(lián)合發(fā)布了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）[1]強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是1985年首次發(fā)布后的第一次修訂，于2007年7月1日起實(shí)施。GB5749-2006水質(zhì)指標(biāo)由GB5749-1985的35項(xiàng)增加到106項(xiàng)，并對項(xiàng)目的限值有更嚴(yán)格的要求，如將濁度由原來的3NTU提高到1NTU，并明確是用戶水龍頭水質(zhì)，這就要求水廠出水濁度至少要控制在0.5NTU以內(nèi)。新的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行以后，水廠原有工藝處理效果在很多水質(zhì)指標(biāo)上已經(jīng)不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求。實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)最直接的難題是目前絕大部分供水企業(yè)的處理工藝跟不上。筆者主要以勝利油田民豐水廠為例，研究中置式高密度沉淀池工藝在低溫、低濁高藻水源地的應(yīng)用效果。
二、工程概況
1、工程現(xiàn)狀
勝利油田民豐水廠位于勝利油田基地北部，于1969年12月建成投產(chǎn)，是勝利油田最早的水廠。現(xiàn)有供水規(guī)模為9.5萬m3/d，水廠分為A、B兩套工藝，A工藝采用機(jī)械攪拌澄清池+普通快濾池的凈水工藝，處理能力為5.5萬m3/d；B工藝采用脈沖澄清池+虹吸濾池的凈水工藝，處理能力為4.0萬m3/d。
民豐水廠的原水取自民豐水庫，水庫原水TOC、CODMn等逐年升高，藻類個(gè)數(shù)更是由投產(chǎn)初期的百萬級上升到千萬級，高時(shí)達(dá)到14000萬個(gè)/L以上，給現(xiàn)有的常規(guī)水處理工藝帶來巨大壓力。水庫原水濁度偏低，在冬春兩季有4個(gè)多月的時(shí)間水庫原水濁度低于5NTU，夏季最高也不超過30NTU。
2、存在問題
通過加強(qiáng)管理，進(jìn)行增加斜管等小型技術(shù)改造，多年來出廠水濁度一般保持在2NTU以下。但是，對照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）對水質(zhì)的要求，現(xiàn)有的處理工藝無法使出廠水達(dá)標(biāo)，主要存在以下問題。
(1) 原水水質(zhì)惡化
由于勝利油田地處黃河的最下游，水質(zhì)隨著上游污染的加劇也越來越差，原水在全年的大部分月份均不同程度地受到上游一定程度的污染。
(2) 現(xiàn)狀工藝設(shè)施老化，技術(shù)落后
民豐水廠各構(gòu)筑物已使用近40年，池體變形、鋼構(gòu)件腐蝕、機(jī)械設(shè)備老化，難以達(dá)到原設(shè)計(jì)運(yùn)行效果。隨著水處理技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械攪拌澄清池、普通快濾池、脈沖澄清池、虹吸濾池技術(shù)已顯落后，自上世紀(jì)八十年代開始已基本被先進(jìn)的工藝所取代。
(3) 出水水質(zhì)無法滿足新的國家標(biāo)準(zhǔn)要求
上述兩大原因直接造成目前民豐水廠出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。
三、沉淀池工藝的選擇
綜合分析民豐水廠存在的原水水質(zhì)惡化，現(xiàn)狀水處理設(shè)施老化，國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高等多方面問題，通過進(jìn)行多方案比較，最終選擇高密度沉淀池+均質(zhì)濾料濾池工藝，增加了助凝助濾系統(tǒng)，使出廠水的指標(biāo)達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。均質(zhì)濾料濾池工藝目前在國內(nèi)應(yīng)用比較成熟，具有截污能力強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定，氣水反沖均勻徹底等優(yōu)點(diǎn)，適用于各大、中型水廠。
高密度沉淀池是近幾來從國外引進(jìn)的新池型，國際水處理行業(yè)對新型高效沉淀技術(shù)的研究和應(yīng)用引起了較大關(guān)注[2][3]。目前，國內(nèi)應(yīng)用的高密度沉淀池有三種主流工藝，就民豐水廠改造工程各方面綜合比較如表1。
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根據(jù)以上幾種沉淀池型的比較，民豐水廠沉淀池采用由上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院開發(fā)設(shè)計(jì)的新型中置式高密度沉淀池。中置式沉淀池設(shè)機(jī)械混合、高效絮凝、斜管沉淀和池底連續(xù)濃縮機(jī)械排泥，底部積泥采用先進(jìn)的連續(xù)濃縮排泥設(shè)備。機(jī)械混合、絮凝設(shè)在沉淀池中部。
中置式沉淀池組合混合、絮凝、沉淀、污泥濃縮于一體，池體中間上部設(shè)置單元機(jī)械混合器和機(jī)械絮凝器；下部為各類管線走廊；池體兩側(cè)為絮凝過渡區(qū)、斜管分離區(qū)、集水區(qū)、污泥濃縮區(qū)；污泥回流和污泥排放泵，設(shè)在池體端頭。
四、工藝流程及設(shè)計(jì)參數(shù)
提升泵房出水進(jìn)入中置式高密度沉淀池，中置式高密度沉淀池出水進(jìn)入均質(zhì)濾料濾池。民豐水廠原水水質(zhì)見表2。
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兩座高密度沉淀池設(shè)計(jì)處理能力為6.0萬m3/d，對稱布置。提升泵房來水首先進(jìn)入中置式高密度沉淀池的混合區(qū)，混合區(qū)尺寸B×H=3.4m×3.4m，有效水深4.2m，停留時(shí)間為70s；然后由導(dǎo)流桶進(jìn)入絮凝區(qū)，絮凝區(qū)尺寸B×H=4.4m×4.4m，有效水深4.1m，停留時(shí)間為7.0min。絮凝區(qū)出水通過過渡沉淀區(qū)進(jìn)入斜管沉淀區(qū)，水流自下而上通過斜管后經(jīng)穿孔指形槽得到出水。斜管區(qū)分4格，單格尺寸為B×H=3.5m×16m，上升流速為3.23mm/s，總停留時(shí)間為52min。
中置式高密度沉淀池主要包括主池體，設(shè)置在主池體底部的濃縮排泥區(qū)，位于主池體上部的配水堰及擋板系統(tǒng)，與該配水堰及擋板系統(tǒng)連通的斜管區(qū)和矩形出水槽，在主池體外部設(shè)置污泥回流泵，連接到主池體排泥濃縮區(qū)并與外部連通的進(jìn)水管，其特征在于：混合攪拌機(jī)、絮凝攪拌機(jī)及附屬的不銹鋼筒體、刮泥機(jī)、斜管區(qū)和矩形出水槽均位于主池體內(nèi)，污泥管道連通污泥回流泵和進(jìn)水管及主池體下部濃縮排泥區(qū)。其中絮凝攪拌機(jī)和污泥回流泵由變頻電機(jī)控制；濃縮刮泥機(jī)底部帶有攪拌柵條。見圖1。
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五、運(yùn)行條件與控制
1、實(shí)現(xiàn)條件
中置式高密度沉淀池對原水水質(zhì)適應(yīng)性很強(qiáng)，尤其是對濁度的指標(biāo)，池內(nèi)回流污泥的濃度高達(dá)30000mg/L以上，原水濁度從幾十到幾百NTU對于沉淀池內(nèi)部回流污泥的濃度而言差別不大，通過加藥量及運(yùn)行參數(shù)的相應(yīng)變化可以保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因此原水水質(zhì)條件并不是制約其處理效果的主要工藝條件。根據(jù)對已有生產(chǎn)實(shí)例的調(diào)查研究，池體結(jié)構(gòu)精度、加藥量控制、攪拌提升機(jī)械設(shè)備工況調(diào)節(jié)、污泥排放時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間是決定工藝是否成功的關(guān)鍵。
2、加藥量控制
需投加混凝劑和助凝劑。混凝劑通常采用硫酸鋁、聚氯化鋁和聚氯化鋁鐵等常規(guī)投加藥劑，助凝劑通常采用聚丙烯酰胺等[4][5]。投加的混凝劑在池體內(nèi)與原水顆粒雜質(zhì)和池內(nèi)污泥充分接觸反應(yīng)，發(fā)揮其吸附橋架作用，投加量較普通平流沉淀池少；助凝劑對降低出水濁度效果顯著，但水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對水中丙稀酰胺單體有嚴(yán)格控制要求，因此需根據(jù)原水水質(zhì)和水量變化調(diào)整加藥量。
3、污泥排放時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間
隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，原水中的污泥不斷在池體內(nèi)富集，如不排放則會造成泥面上升繼而影響出水效果，若排放過多則會降低池體內(nèi)回流污泥的濃度，影響接觸絮凝的效果也會影響出水水質(zhì)。因此必須嚴(yán)格控制排放的時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間。通過運(yùn)行時(shí)間掌握其中規(guī)律，對于保證出水濁度和污泥濃縮效果具有重要意義。
4、混合攪拌機(jī)
葉輪設(shè)在水下，電機(jī)和齒輪箱設(shè)在水面上，通過攪拌軸連接（見圖2）。通過水下高速攪拌，使投加的混凝劑與原水充分混合，達(dá)到擴(kuò)散和均勻混合的目的。轉(zhuǎn)速一般為100~150r/min，均勻度達(dá)95%以上。
5、絮凝攪拌機(jī)及附屬導(dǎo)流筒體
葉輪和導(dǎo)流筒體設(shè)在水下，電機(jī)和齒輪箱設(shè)在水面以上，通過攪拌軸連接（見圖3）。通過水下低速絮凝攪拌，使經(jīng)投加混凝劑、助凝劑和回流污泥的原水充分凝聚。轉(zhuǎn)速一般為30~70r/min，可變頻調(diào)速。導(dǎo)流筒體直徑配合絮凝攪拌機(jī)的能力和要求。
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6、污泥回流泵
采用污泥泵，安裝在池體外污泥泵房內(nèi)（見圖4）。將池體下部濃縮污泥送入混合室和原水進(jìn)行混合，當(dāng)池體污泥積累過多時(shí)，將污泥排出池外。污泥回流泵能力按照設(shè)計(jì)水量的10%配置，采用變頻調(diào)速電機(jī)，可根據(jù)實(shí)際水量和水質(zhì)條件調(diào)節(jié)回流量。
六、結(jié)果與討論
1、運(yùn)行結(jié)果
中置式高密度沉淀池目前宜用于城市大中型給水系統(tǒng)中，對土地資源緊張，征地費(fèi)用較高，原水水質(zhì)變化較大，出水水質(zhì)要求高，廠區(qū)生產(chǎn)污泥有濃縮脫水要求的地區(qū)尤為適用，今后還將進(jìn)一步向城市污水處理、工業(yè)廢水處理等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展。
勝利油田民豐自來水廠改建工程設(shè)計(jì)處理水量6萬m3/d，已于2008年9月投入使用，其運(yùn)行條件如下：單池進(jìn)水流量為3萬m3/d，沉淀區(qū)溢流率為11.6m/h，混凝劑投加量為25~50mg/L，助凝劑投加量0.08~0.1mg/L，進(jìn)水濁度12.0~15.7NTU。與引進(jìn)的其他高密度沉淀池相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊合理且簡單，占地面積節(jié)約10%~15%，與其后的均質(zhì)濾料濾池工藝相結(jié)合，取得了較好的處理效果，見圖5。
由圖中可以看出出水濁度在運(yùn)行初期有些波動，但穩(wěn)定運(yùn)行后平均出水濁度為0.86NTU，達(dá)到的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足了生活飲用水水質(zhì)。中置式高密度沉淀池出水經(jīng)均質(zhì)濾料濾池過濾后，出水平均濁度達(dá)到0.32NTU左右，去除效果明顯。
2、結(jié)論
(1) 中置式高密度沉淀池高效地利用池體體積，將混合、絮凝、沉淀的常規(guī)工藝和污泥濃縮工藝集中在一個(gè)構(gòu)筑物中，省去了污泥濃縮池，省去了排泥水處理中的濃縮工藝過程，提高了工效。
(2) 中置式高密度沉淀池排泥含固率可達(dá)3%以上，遠(yuǎn)高于平流沉淀池0.6%~1%的水平，故排泥水量相當(dāng)于平流沉淀池的20%~30%，減量化效果明顯，節(jié)約水資源和濃縮提升電耗，再加上污泥回流使混凝劑充分發(fā)揮作用所減少的藥耗，使該池型在節(jié)約能源和降低原材料消耗方面效益顯著。
(3) 在經(jīng)濟(jì)效益方面，同等規(guī)模的情況下中置式高效沉淀池占地面積和造價(jià)等指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)高效澄清池和平流沉淀池。根據(jù)初步估算：占地面積較引進(jìn)的高密度沉淀池少10%~15%，較平流沉淀池少50%左右；單位造價(jià)較引進(jìn)的高密度沉淀池低20%左右，與平流沉淀池基本持平；藥劑成本與引進(jìn)的高密度沉淀池基本相同，較平流沉淀池低20%左右。
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