排泥水处理技术在闵行一水厂的应用

简介： 通过对污泥沉降特性研究，闵行一水厂排泥水处理采用收集、浓缩、平衡、投加聚丙烯酰胺(PAM)、离心机固液分离的工艺流程。浓缩池上清液能达标排放，离心机分离水的泥饼含固率≥40？PAM加注率0.8～1.5 kg/t干泥。研究表明，该工艺可作为黄浦江水系水厂排泥水处理工艺设计依据。
关键字：污泥处理 离心机固液分离 沉降特性
概述

　　上海市自来水闵行有限公司（以下简称闵行公司）原水取自黄浦江闵行江段，属黄浦江上游水源，取水口断面水质基本符合GB3838-88国家地面水环境质量Ⅲ类～Ⅳ类水体标准，属受轻度有机污染水体。因此保护闵行段水源水质对闵行公司显得尤为重要，它是闵行公司唯一的供水水源。
　　原上海市自来水公司，充分注意到在同一江段取原水净化成自来水后又将沉淀池排泥水回排到同一江段的不合理现象，早在1990年就曾组织科研人员对水厂排泥水的处理工艺进行了研究，通过调研初步掌握了水厂排泥水的特性、处理工艺及各类脱水机械性能等有关资料。
　　 1995年10月30日，上海市自来水公司联合同济大学、上海市环境科学研究院等单位在闵行一水厂实施排泥水处理工程生产性研究，为今后水厂排泥水处理推广应用提供经验和依据。
　　在国外，为了防止污染，都制定了相关法律，以保障人类社会的健康发展，促进水资源的可持续利用，保护生态环境的平衡。因此，世界发达国家都十分重视污泥处理与处置技术的研究和应用。日本近年来经脱水处理的排泥水占了80%以上。在日本，1976年就颁布法律，供水能力在1万m3/d以上的水厂必须对水厂排泥水进行处理，禁止直接排放河流，且必须对污泥泥饼进行无公害化处置。日本水厂的排泥水处理通常是将排泥水收集在污水池，然后用泵送入排泥水浓缩池，经自然沉降和浓缩使底部污泥含水率达98%～96%，然后用压力水泵将浓缩污泥送到加压脱水机（或不加压长时间脱水），从脱水机分离的泥饼含水率达65%。
　　国内由于经济和脱水设备等原因，水厂排泥水处理污泥处置研究和应用的起步较晚，投入也较少。随着人们对环保意识的增强和国家环保法律的颁布，全国主要城市自来水厂也开始重视对水厂排泥水进行处理和研究。
1　排泥水沉降特性试验
　　由于排泥水含固率的不均匀性，排泥水瞬时含固率在0.1%～2%之间波动，因此排泥水必须经过浓缩池沉降浓缩。在浓缩池底部形成平衡、均匀的浓缩污泥，再送入污泥脱水机械进行深度处理。所以，我们研究了不同含固率排泥水的污泥自然沉降特性和加注PAM高分子絮凝剂沉降特性，掌握其沉降速度（沉降时间）、压密点污泥浓度和固通量等规律。通过对排泥水沉降特性的试验，为排泥水污泥浓缩池的平面积和高度的设计提供依据，为脱水机械的选型提供参考。同时，我们还对排泥水的污泥和上清液进行成份分析，为上清液的外排和污泥处置提供依据。 从我们进行大量的沉淀池排泥水沉降试验结果分析：
　　(1)闵行一水厂沉淀池排泥水污泥沉降速率视排泥水含固率大小而定。随着排泥水含固率的逐渐增高，前3 h及8 h污泥沉降效率越来越低，同样，前3 h,8 h,24 h排泥水沉降污泥含固率浓缩倍数也越来越小。随排泥水污泥浓度的增高，排泥水的沉降污泥界面下降速率也逐步降低。
　　(2)闵行一水厂沉淀池排泥水外排频率受智能化污泥检测仪控制，污泥停留在沉淀池底时间较长，污泥中有机物明显发酵，使污泥颜色变黑。因此排泥水经自然沉降后，上清液浊度很高，3 h后上清液最高浊度达200 NTU，最低也达30 NTU。闵行一水厂排泥水处理工程实施以后，排泥水经浓缩后的上清液不回收利用，在排放时达到废水排放标准。
2　排泥水处理污泥药剂选择
2.1　污泥处理药剂选择原则
　　(1)聚合物必须为可溶性，并且能吸附在悬浮颗粒上。
　　(2)吸附是不可逆的，并在短时间内完成。
　　(3)要产生最大絮粒，最大沉降容量，最好过滤性，最小残留浊度。
　　(4)选择高分子量的聚合物，分子量越高，架桥能力越强，污泥颗粒形成的絮粒越大。
　　(5)选择溶解时间短、丙烯酰胺单体含量少的絮凝剂。
　　(6)货源稳定、价格低廉、安全无毒。
2.2　PAM样品性能测试
　　由于絮凝剂机理研究还不很清楚，加上絮凝体的复杂性和各地污泥的特性不一样，因此对高分子絮凝剂的使用缺乏理论指导，只能用试验方法逐个筛选，以求得到最佳品种和最佳加注量。我们首先进行实验室选择，然后在现场进行生产性试验。在进行实验室筛选过程中，首先掌握PAM絮凝剂产品性能数据。
2.3　污泥脱水药剂选择结果
　　从试验结果分析：
　　(1)闵行一水厂排泥水浓缩污泥脱水药剂聚丙烯酰胺阳离子和阴离子都可用，固液分离效果好。
　　(2)阳离子PAM，阴离子PAM加注率基本上在0.56%～1.39%絮凝效果都很好，形成上清液浊度基本相同，固液分离效果好。考虑价格因素，选用阴离子PAM。
　　(3)非离子PAM，随着加注量的增大到1.39%以后，矾花程度和上清液浊度都很好，但加注量不很经济。
3　水厂排泥水污泥总量估算
　　在水厂排泥水处理工程中，污泥总量的估算是十分关键的工作。因为它涉及到排泥水处理工程的土建结构规模大小，脱水机械和泵等设备的配置。因此，掌握原水浊度（SS悬浮物）、色度、混凝剂以及聚丙烯酰胺投加量来估算排泥水污泥总量，对确定排泥水处理工程有着直接而重大的意义。
3.1　原水浊度设计取值
　　排泥水悬浮物总量的确定需要一年四季对进水厂原水悬浮固体跟踪测试。由于水厂化验室未进行这项测试，但对原水中浊度一年四季进行了测定，因此在设计中以三年的原水浊度进行统计，取出现90%以上的浊度概率作为原水浊度设计取值，另外10%的浊度概率可以通过排泥水处理工程中污泥平衡池对污泥总量平衡，利用脱水机，泵机调配等措施来达到削峰填谷的目的。这样能最大限度节约投资，降低设备装备容量。
3.2　排泥水污泥总量估算
　　闵行一水厂排泥水污泥总量估算采用英国水处理研究中心《污泥处理指南》一书中提供的排泥水中污泥含量计算公式：
　　DS=SS+0.2B+1.53C=XA+0.2B+1.53C
　　式中DS -- 水中干污泥含量，mg/L；
　　　　　SS--原水中悬浮物固体量，mg/L；
　　　　A--去除的浊度，NTU；
　　　　B--去除的色度，度；
　　　　C--投加的硫酸铝(以氧化铝计)量，mg/L。
　　式中SS值可以通过浊度值测定寻求相关比值(X)代入公式计算。

① 斜板浓缩池2组 ② 浓缩池污泥切割机 2台(1用1备) ③ 浓缩池污泥泵 2台(1用1备) ④ 污泥平衡池1座

⑤ 离心机进泥泵2台(1用1备) ⑥ 离心机2台(1用l备) ⑦ PAM配制装置2台(1用1备) ⑧ PAM计量加注泵 2台(1用1备)

⑨ 螺旋式输送器 两条系统 ⑩ 刮泥机 2套 ⑾ 潜水搅拌机 1-2台 ⑿ 污泥潜水泵 2台(1用1备)

图1　闵行一水厂排泥水处理工艺流程
　　关于浊度与SS值相关关系，不同水源、不同季节（潮汐河流）、不同浊度范围，都可能与SS值有不同的相关关系。我们在实验室对NTU值与SS值进行了大量的相关比对，根据浊度值与SS值统计：1个NTU值相当于1.398 39 mg/L SS值，因此在估算污泥总量时采用浊度值比SS值为1∶1.97。闵行一水厂设计污泥量为12 t/d。
4　排泥水处理工艺流程
　　根据闵行一水厂排泥水实际情况，闵行一水厂生产能力为67 000 m3/d，其排泥水处理选用了高效率的脱水机械以及PLC自动化控制系统(见图1)。
　　从图1可以看到，水厂排泥水处理工艺流程主要由五部分组成：①排泥水收集池；② 排泥水浓缩池；③污泥平衡池；④聚合物投加系统；⑤离心机脱水机房和污泥泵房。本流程系统有两个物料进口，即收集池的排泥水进口和高分子絮凝剂PAM一个加注口；有两个物料出口，即排泥水浓缩池上清液排放进稳压井回用口和螺旋输送器的泥饼（含固率≥30%）出口。
　　排泥水收集池。收集沉淀池排泥水。
　　污泥浓缩池。污泥浓缩的目的是使水厂排泥水的含水率得到一定程度的降低，从而降低排泥水后续处理设施的基本建设费用和运行费用。
　　浓缩污泥平衡池。它是水厂排泥水处理工艺单元不可缺少的构筑物，也是实施排泥水处理工程自动化的关键所在。
　　浓缩污泥脱水。本工程方案采用卧螺离心机。离心机型号DSNX-4550，处理能力Q=12 m3/h，2台（ 1用1备）。
　　脱水后的污泥由螺旋输送器送至污泥堆场，待装车外运。脱水机分离出的分离水回流到排泥水收集池。
　　本工艺流程的最大特点在于整个生产流程能实现自动化运行管理，其次是整个生产过程安全卫生。工艺流程中的排泥水收集池和污泥平衡池的容量能充分满足物料进出量的平衡，经处理后的排泥水上清液能最大限度地将水资源得到再利用或符合水源保护区排放标准。
5　水厂排泥水处理经济成本核算
　　对于给水厂排泥水处理，首先经处理后的浓缩池排放水要符合国家环保部门颁布的排放标准，外运填埋符合环境要求。其次排泥水处理工艺合理，设备先进，运行管理方便，自动化控制程度高，力求投资及运行成本低，使有限的经济投入产生最大的经济效益。运行成本由人工费、水电费、药剂费、设备检修费、泥饼运输费、管理费、折旧费等7项指标构成，闵行一水厂排泥水处理成本折算见表1。
6　结论与讨论
　　(1)通过闵行一水厂排泥水沉降特性试验和污泥粒径分布测试，对排泥水处理工艺选择进行反复论证，确定采用排泥水自动收集、高效斜板浓缩、投加PAM药剂调制、离心机脱水的自动化控制的工艺运行方法。研究结果认为工艺流程合理，设计先进，占地面积小，运行管理方便，固液分离效果好，泥饼含固率高，分离水清，污泥回收率高。该研究成果可作为示范工程，具有推广价值，为今后黄浦江水系水厂排泥水处理工艺设计、设备选型、仪表配制及运行模式提供了科学依据。
　　 表1　闵行一水厂排泥水处理成本核算

运　　　算	说　　　明
A.工资福利费 E1=40 000×10 =400 000元/a	(1)排泥水处理工程设5班3运转共5人， 　　并设班长、替班、电工、机工、清洁工各1人，合计10人。 (2)年工资福利费40 000元/(a·人)。
B.电费、水费 E2 =0.75×50×24×365+15×1.80×365 =338 355元/a	(1)考虑设备24 h运行，平均电耗50 kW (2)考虑基本电费和工业动力费不等因数故总电费按0.75元/(kW·h)计 (3)自来水用量为15 m3/d，工业水价1.10元/m3，排水费0.70元/m3， 　　合计1.80元/m3
C.药剂费 E3= 0.04×1.5×6000×365=131400元/a	(1)设平均干泥6 t/d，SS 80 mg/L 　　(71370 m3/d×80×10-6t/m3=6 t/d) (2) 根据试验推荐阴离子，投加量按1.5%计算。 (3)阴离子PAM价格40元/kg。
D.检修费 E4=17540000元×1% =175400元/a	(1)本项目概算投资1 754万元。 (2)检修费按工程投资费1%提取。
E.污泥外运费 E5=40×6×2.5×365 =219000元/a	(1)目前污泥委托闵行渣土所外运。 (2)外运污泥含固率约60%。 (3)污泥外运价格为80元/m3，40元/t。 (5)折算每t干污泥为2.5t湿泥。
F.其他含税行政管理费 E6=（E1+E2+E3+E4+E5）×10% =106706元/a	(1)本项费用E1～E5费用之和乘10%为E6费用。
年总成本费 S =E+K×n =2016333元≈202万元	(1)E=E1+E2+E3+E4+E5+E6。 (2)K为工程投资总造价1754万元。 (3) n值按公司统一固定资产折旧率3.68%计。
平均制水成本=S/V V =年制水总量×85%=20 693 675 m3 S/V=202万元/20693675 m3≈0.097元/m3	(1)闵行一水厂制水能力为66700 m3/d。 (2)年制水总量按制水能力的85%计算。

　注：①平均制水成本未将土地征用费计算在内；
②建设水厂排泥水工程投资贷款费用未将利率偿还计算在内。

　　(2)离心脱水机可作为上海黄浦江水系水厂排泥水固液分离首选脱水机械：密封运行，操作方便，自如调节差速，出泥含固率高，环境卫生，药耗量低，对进泥含固率要求幅度宽，分离水质好。
　　(3)斜板浓缩池在水厂排泥水处理中是必不可少的构筑物。合理的设计，能缓解进浓缩池排泥水浓度的波动，能确保上清液外排水质量达到环保排放标准。
　　(4)本工程主要运行参数。浓缩池上清液SS小于70 mg/L；浓缩池浓缩污泥可自动控制在含固率3％～13％；每台离心机产干泥量400～1 200 kg/h；离心机进行固液分离，药剂PAM投加量0.8～1.5kg/t干泥，聚丙烯酰胺阴离子型和阳离子型都能适合离心机固液分离；离心机处理浓缩污泥，污泥回收率在99％以上，分离水SS≤400 mg/L。
　　(5)闵行一水厂排泥水处理系统采用PLC中央控制，配有污泥浓度计、流量仪、液位仪、液位开关等在线自动跟踪监测仪表，用变频方式实施对泵流量控制，用小型荧屏作为终端显示屏，方便管理人员查看整套系统运行状况和随时设置运行参数，达到排泥水处理整套系统在高度自动化情况下正常运行。
　　(6)水厂排泥水处理的实施，虽然增加了自来水的运行成本，但是环境工程的实施有利于水资源的综合利用，有利于走可持续发展的道路，有利于水环境质量的提高。该工程的实施，可以减少排泥水直接排入黄浦江所造成对水环境的负面影响。从长远观点来看，有利于自来水公司水质进一步提高，并能带来潜在的社会效益和环境放益。