姜繼平，李玉立，王 鵬，王寶玉

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150090；2.南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東深圳 518055；3.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥 230051)

水廠排泥水包括沉淀池排泥水和濾池反沖洗水，約占水廠供水量的3%～8%，廢水中含有大量的懸浮物質(zhì)、膠體顆粒、泥沙和鋁鹽混凝劑產(chǎn)生的金屬氫氧化物[1-2]。目前大多數(shù)水廠都是未經(jīng)處理直接排入水體，不僅污染了周邊環(huán)境，還造成了水資源的浪費(fèi)。

北方寒冷地區(qū)凈水廠原水普遍具有一個(gè)低溫低濁期，在此期間內(nèi)排泥水黏度大，膠體顆粒水化膜厚度增加，布朗運(yùn)動減弱，顆粒間碰撞的機(jī)會降低，形成的絮體細(xì)小、松散，不易沉降[3-5]。為了實(shí)現(xiàn)北方寒冷地區(qū)水廠排泥水的回用，本文以磨盤山凈水廠低溫低濁期排泥水為研究對象，進(jìn)行氧化鈣與助凝劑A聯(lián)用強(qiáng)化混凝工藝研究和設(shè)計(jì)，對排泥水混凝過程進(jìn)行強(qiáng)化，強(qiáng)化膠體顆粒的脫穩(wěn)、碰撞和黏附，增加絮體礬花的密度[6-7]，實(shí)現(xiàn)了排泥水的泥水分離，并將上清液回用作為電廠用水。

1 水廠概述

磨盤山凈水廠原水來自磨盤山水庫，是典型的北方寒冷地區(qū)低溫低濁水，主要水質(zhì)參數(shù)如表1所示。水廠總設(shè)計(jì)供水量為90萬m3/d，分兩期建設(shè)，最大供水量為79萬m3/d，平均供水量為67萬m3/d。

表1 原水水質(zhì)參數(shù)Tab.1 Parameters of Raw Water Quality

水廠采用常規(guī)地面水處理工藝，投加的混凝劑為液體聚合氯化鋁，投藥量約為80 mg/L，工藝流程如圖1所示，其中每天產(chǎn)生的排泥水量占總供水量的3%～5%。

圖1 凈水廠工藝流程示意圖Fig.1 Flow Diagram of Treatment Process in WTP

2 排泥水處理工藝研究

2.1 試驗(yàn)方法

利用燒杯攪拌試驗(yàn)?zāi)M水廠的混凝工藝，排泥水取自磨盤山凈水廠，投加一定量的氧化鈣(CaO)并以220 r/min的轉(zhuǎn)速在六聯(lián)攪拌儀上攪拌10 min后，再投加一定量的助凝劑在一定的攪拌強(qiáng)度和時(shí)間下混合、反應(yīng)，然后將試樣倒入量筒中沉淀，每隔一段時(shí)間記錄對應(yīng)的泥水界面高度，靜態(tài)沉降1 h后，測定污泥的含固率。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 助凝劑的優(yōu)選

由于不同混凝劑[8-9]的作用機(jī)理和效果不同，通過考察不同助凝劑與氧化鈣聯(lián)用對排泥水的強(qiáng)化混凝效果，優(yōu)選最佳的助凝劑，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。 A1為陽離子型PAM，高分子有機(jī)絮凝劑，由陽離子單體(DM、DMC、DMDAAC、DMAEMA等)和丙烯酰胺共聚合生成，水解后表面帶有正電荷；A2為陰離子型PAM，高分子有機(jī)絮凝劑，由堿性基團(tuán)與丙烯酰胺共聚合生成，水解后表面帶有負(fù)電荷；A3為非離子型PAM，高分子有機(jī)絮凝劑，由丙烯酰胺共聚合生成，水解后呈中性；B1為聚合氯化鋁，鋁鹽混凝劑，水解過程難控制，易受鹽類影響；B2聚合硫酸鐵，鐵鹽混凝劑，水解后溶液泛黃，對出水水質(zhì)有一定影響。

由表2可知，投加B1和B2后形成的絮體礬花細(xì)小，SV分別為98.08%和98.46%，其對排泥水的混凝效果沒有明顯的強(qiáng)化作用。3種不同類型的助凝劑A強(qiáng)化效果優(yōu)劣依次為：A2>A1>A3，A2強(qiáng)化混凝效果最好，為最佳的助凝劑。

為進(jìn)一步確定助凝劑A的投加量，考察了A投加量對排泥水混凝效果的影響，如圖2所示。由圖2可知，混凝效果隨A投加量的增大而變好，投加量為30 mg/L時(shí)，沉降1 h后泥水界面的體積為78 mL，投加量40 mg/L時(shí)為75 mL，改善程度在30mg/L基礎(chǔ)上提高幅度有限。這是由于當(dāng)A投加量過少時(shí)，不足以將膠體顆粒連接起來，形成的絮體礬花細(xì)??；而投加量過多時(shí)，反而產(chǎn)生了膠體保護(hù)作用，使膠體顆粒因高分子的阻礙而無法聚集，導(dǎo)致濃縮污泥黏度大[10]。

研究表明[11-12]，A單體具有潛在的致癌性和神經(jīng)毒性，水廠在實(shí)際回用中需要考慮A單體的安全性問題。以A投加量為30 mg/L計(jì)算，得知水中A單體含量為0.05 μg/L，符合我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中出水A單體含量不得高于0.5 μg/L的要求。因此，既為達(dá)到良好的混凝沉降效果，又考慮到A單體回用安全性，確定A投加量為30 mg/L。

表2 投加不同助凝劑的排泥水沉降試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of Sedimentation Experiments with Different Coagulant Aid Dosing

圖2 不同投加量條件下排泥水沉降曲線Fig.2 Sludge Sedimentation Curve at Different Dosages

2.2.2 CaO投加量的影響

低溫低濁期排泥水在混凝過程中絮體礬花密度小、結(jié)構(gòu)松散，會出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，CaO可以對排泥水進(jìn)行調(diào)質(zhì)，增加絮體結(jié)構(gòu)的密度，解決礬花上浮問題。圖3反映了CaO投加量對排泥水混凝性能的影響，可以看出污泥沉降性能隨著CaO投加量增大而變好，當(dāng)CaO投藥量為300 mg/L時(shí)，SV和含固率分別為30.38%和0.5%。但是，隨著CaO投加量增大，水溶液堿性也變強(qiáng)，A水解產(chǎn)生的陰離子型水解聚合物會對絮凝產(chǎn)生阻礙作用，同時(shí)PAC水解析出，上清液呈淡黃色，濁度升高[13]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中選擇CaO投加量為300 mg/L較合適。

圖3 CaO投加量對混凝效果的影響Fig.3 Influence of CaO Dosage on Coagulation Effect

2.2.3 水溫的影響

在北方寒冷地區(qū)，水溫[14-15]是影響排泥水混凝沉降的重要因素之一。為確定合適的溫度值，考察了水溫對排泥水混凝性能的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：溫度為5 ℃時(shí)，排泥水沉降效果最差；隨著水溫升高，SV總體呈下降趨勢，含固率呈上升趨勢，混凝沉降效果變好。當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)，排泥水的SV是30.38%，含固率是0.48%，較5 ℃時(shí)分別提高了21.0%和26.3%，因此水溫以15 ℃為宜。

圖4 水溫對排泥水濃縮沉降性能的影響Fig.4 Effect of Water Temperature on Sludge Sedimentation Performance

2.2.4 粒徑分析

采用激光粒度分析儀對排泥水顆粒粒徑進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：未經(jīng)處理的排泥水中90%的顆粒粒徑在40 μm以下，粒徑大于60 μm的污泥占不到5%，表面積平均粒徑為13.19 μm；強(qiáng)化混凝處理后，排泥水污泥顆粒粒徑大多都分布在40～160 μm，表面積平均粒徑為61.99 μm，顆粒粒徑大于60 μm的污泥占75%，說明CaO與A聯(lián)用增大了污泥顆粒的粒徑，達(dá)到了強(qiáng)化混凝的目的。

圖5 排泥水中顆粒粒徑分布圖Fig.5 Particle Size Distribution of Sludge

3 排泥水處理工藝設(shè)計(jì)

3.1 干污泥量的計(jì)算

干污泥量的確定直接影響了排泥水處理系統(tǒng)中單元的設(shè)計(jì)規(guī)模和工程投資預(yù)算。水廠不同季節(jié)原水濁度和色度存在一定的差異，選擇合適的濁度和色度作為設(shè)計(jì)值，采用《給水排水設(shè)計(jì)手冊》(第3冊)推薦的方法[16]計(jì)算干污泥量，如式(1)。

TDS=Q(S+0.2C+1.53A+1.9F+P+L)×10-6

(1)

其中：TDS—干污泥量，t/d；

Q—設(shè)計(jì)水量，m3/d；

S—懸浮固體，NTU(當(dāng)缺乏懸浮固體數(shù)據(jù)時(shí)，可近似取2倍濁度，濁度取5 NTU)；

C—原水色度，度(取C=40度)；

A—鋁鹽混凝劑的投加量，mg/L(以氧化鋁計(jì))；

F—鐵鹽混凝劑的投加量，mg/L(以鐵計(jì))；

P—粉末活性碳的投加量，mg/L；

L—石灰的投加量，mg/L。

干污泥量的計(jì)算應(yīng)符合《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2006)提出的排泥水處理系統(tǒng)規(guī)模應(yīng)按滿足全年75%～95%日數(shù)的完全處理要求，考慮水廠的自用水系數(shù)為5%，計(jì)算得TDS為13.8 t/d。

3.2 排泥水總量的確定

凈水廠設(shè)2座凈水間，每座凈水間設(shè)4個(gè)單獨(dú)運(yùn)行的凈水系列，沉淀池設(shè)計(jì)排泥水量Q為110 m3/h，排泥周期為3～4 h；24格濾池分為4組，每組6格，單格濾池設(shè)計(jì)水量為804.69 m3/h，反沖洗濾池的周期為36 h。根據(jù)水廠實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)查計(jì)算得出水廠每天產(chǎn)生的排泥水量約為3萬t，反沖洗水量為1萬t。

3.3 工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)磨盤山凈水廠排泥水處理工藝時(shí)，充分考慮到凈水廠已建的調(diào)節(jié)池和污泥處理系統(tǒng)，在滿足排泥水上清液回用的要求下，盡可能利用凈水廠已有的構(gòu)筑物，節(jié)省工程投資。排泥水處理工藝流程(參考)如圖6所示。

圖6 排泥水處理工藝流程圖Fig.6 Flow Diagram of Sludge Wastewater Treatment Process

沉淀池排泥水和濾池反沖洗水采用合建式收集系統(tǒng)[17-21]，濾池反沖洗水和沉淀池排泥水一起進(jìn)入調(diào)節(jié)池，投加CaO和助凝劑A后在隔板絮凝池進(jìn)行混凝濃縮，在平流沉淀池進(jìn)行泥水分離，污泥進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)，脫水后制成泥餅外運(yùn)，上清液經(jīng)處理后回用給凈水廠附近的電廠，作為電廠的冷卻循環(huán)水，實(shí)現(xiàn)排泥水的回用。

4 結(jié)論

(1)CaO與助凝劑A聯(lián)用工藝能明顯強(qiáng)化低溫低濁期排泥水的混凝沉降性能， SV達(dá)到29.62%，污泥含固率由原來的0.1%提高至0.51%。

(2)A投加量、CaO投加量和水溫對排泥水混凝濃縮效果有明顯影響，其中：最佳的A投加量為30 mg/L，CaO投加量為300 mg/L，最適水溫為15 ℃。

(3)排泥水的混凝沉降效果與污泥顆粒粒徑直接相關(guān)，顆粒粒徑越大，沉降效果越好，經(jīng)CaO和A調(diào)質(zhì)后的污泥平均粒徑為61.99 μm，粒徑大于60 μm的污泥占75%，較原水有了明顯改善。

(4)確定了凈水廠產(chǎn)生的干污泥量和排泥水量，在凈水廠現(xiàn)有構(gòu)筑物基礎(chǔ)上，建立了排泥水回用工程的工藝流程，為下一步工程施工設(shè)計(jì)提供參考。