自来水厂排泥水处理污泥量的确定方法

简介： 实施自来水厂排泥水处理，首先需要确定自来水厂的污泥量，就此将污泥量分为排泥水量和干污泥量。排泥水量可根据沉淀池排泥运行方式和滤池反冲洗运行方式来确定。对于干污泥量的确定介绍了计算法和物料平衡分析法，物料平衡分析法可作为计算法的补充，对计算法的结果进行校核。
关键字：自来水厂 排泥水 污泥量 污泥处理
0　概述
　　自来水厂排泥水含有大量来自原水的污染物，排泥水直接排放，会对地表水体造成污染。随着经济的发展和人们环保意识的提高，我国自来水厂排泥水处理已经提上议事日程。
　　实施排泥水处理，首先必须确定合理的污泥量，因为污泥量的确定直接影响整个排泥水处理工程的设计规模，从而影响到设备配置和投资规模。自来水厂的污泥量受多种因素影响，包括原水水质、水处理药剂投加量、采用的净水工艺和排泥的方式等。污泥量确定包括两方面内容：一是排泥水总量，它决定浓缩池规模；二是总干泥量，确定污泥脱水设备的规模。
　　污泥量确定一般需要较长时间数据的统计结果，因此即使目前没有建设排泥水处理工程计划的自来水厂，着手进行有关水厂污泥产量资料的收集工作仍然是明智之举。
1　排泥水总量确定
　　排泥水总量可分为沉淀池(或澄清池，下同)排泥水量和滤池反冲洗废水量两部分。
　　通常可以认为自来水厂一泵房取水量和二泵房出水量之间的差值即为自来水厂排泥水的总量。但它不能分别确定出沉淀池排泥水量和滤池反冲洗废水量，且这一估算方法不够准确。
　　已投产的自来水厂，根据水厂的有关运行参数可以较准确地计算出沉淀池排泥水量和滤池反冲洗废水量。水厂沉淀池采用人工定时排泥，只需根据每天排泥次数、每次排泥历时和排泥流量以及沉淀池格数，就可以计算出沉淀池的排泥水量。同样道理，也可以根据滤池每天冲洗次数、每次冲洗历时、冲洗强度及单格滤池面积和格数，计算出滤池反冲洗废水量。如果沉淀池排泥和滤池反冲洗实现了自动化运行，则需要对水厂沉淀池排泥和滤池反冲洗进行现场观测，了解沉淀池排泥和滤池反冲洗流量、每次历时和统计每天排泥或冲洗的次数，然后进行计算。
　　尚未建成或仍处在设计阶段的自来水厂，沉淀池排泥水量和滤池反冲洗废水量可根据沉淀池排泥和滤池反冲洗的设计参数进行估算，也可以参照已建成投产的、条件相近的自来水厂实际运行资料进行估算。
　　排泥水总量的确定，最好能绘制出排泥水量在一天内的变化曲线。由于水厂沉淀池排泥和滤池反冲洗都是在较短的时间内完成，瞬间流量很大，绘出变化曲线，对确定排泥水截留池和浓缩池设计规模有很大帮助。
2　干污泥产量确定
2.1　计算法
　　根据投加混凝剂在混凝过程中的化学反应、原水中悬浮固体对污泥量的贡献及其它污泥成份的来源，可以近似地计算出干污泥的产量。当硫酸铝用作混凝剂时，化学反应可简化为：
Al2(SO4)3·14H2O+6HCO3-=
2Al(OH)3+6CO2+14H2O+3SO42-(1)
　　由式(1)可知，氢氧化铝是形成污泥的主要产物。根据方程式的计量关系，投加1 mg/L的Al2(SO4)3·14H2O大约会产生0.26 mg/L的氢氧化铝沉淀物。原水中的悬浮物因为在混凝过程中不发生化学变化，它将产生相同重量的干污泥。其它水处理中的添加物，如高分子絮凝剂或粉末活性炭，也可认为以1∶1的比例产生污泥。
　　根据以上分析，可以建立干污泥量的计算公式。同样的分析也适用于铁盐作混凝剂的净水工艺。
　　日本水道协会［1］推荐采用(2)式计算干污泥量：
S=Q(TE1+CE2)×10-6(2)
　　式中S--干污泥量，t/d；
Q--自来水厂净水量，m3/d；
T--原水浊度，NTU；
E1--原水浊度与SS的换算率；
C--铝盐混凝剂投加率(以Al2O3计)，mg/L；
E2--铝盐混凝剂(以Al2O3计)换算成干污泥量的系数，取1.53。
　　英国水研究中心［2］推荐用(3)式计算干污泥量：
　　S=2T+0.2C+1.53A+1.9F　　　　(3)
　　式中S--干污泥量,mg/L；
　　　　T--去除的原水浊度，NTU；
　　　　C--去除的原水色度，H；
A--铝盐混凝剂投加率(以Al2O3计)，mg/L；
F--铁盐混凝剂投加率(以Fe计)，mg/L。
　　美国Cornwell［3］推荐用(4)式和(5)式分别计算用铝盐和铁盐作混凝剂时的污泥产量：
　　 S= 8.34Q(0.26Al+SS+A)　　　　(4)
　　　　S= 8.34Q(1.9Fe+SS+A)　　　　(5)
　　式中S--干污泥量，lb/d(1 lb/d=0.453 6 kg/d)；
　　　　Q--自来水厂净水量，mgd(1 mgd=3.785×103 m3/d)；
　　　　Al--铝盐混凝剂投加率(以Al2(SO4)3·14H2O计)，mg/L；
　　　　Fe--铁盐混凝剂投加率(以Fe计),mg/L；
　　　　SS--原水总悬浮固体，mg/L；
　　　　A--水处理中其它添加剂，mg/L。
　　同时Cornwell推荐(6)式为原水浊度T与SS关系式：
　　SS=bT　　(6)
　　式中b--SS与浊度T的相关系数；
　　　 T--原水浊度，NTU。
　　Cornwell认为，在原水色度不高的情况下，b在0.7～2.2之间变化。综合以上3种计算公式，可知它们均出于同一思路，具有相似的形式，都要求测定原水浊度与SS的相关关系，这主要是因为SS的测定比较烦琐，自来水厂一般不对原水的SS做常规分析，而对原水浊度则有每天的记录。
2.2　混凝剂物料平衡分析法
　　该方法是根据自来水处理系统中混凝剂成份的物料平衡进行分析的。无论在净水过程中加入什么样的混凝剂，它在水处理系统中的物料进入和排出应该是平衡的。该法第一步，分析所用混凝剂中的铝(或铁)的实际含量，然后计算出净水过程中向原水加入铝(或铁)的投加率；第二步，获取自来水厂原水、沉淀池排泥水、滤池反冲洗废水和出厂水样品，并对这些样品进行铝(或铁)含量的分析；第三步，对排泥水平行样品进行总悬浮固体的分析。经过以上的分析，干污泥产量就可以计算出来。
　　例如，假设一个10万m3/d的自来水厂，由混凝剂投入原水的铝为5 mg/L，沉淀池排泥水分析测得总悬浮固体浓度为1.0%，其中铝的含量测得为400 mg/L。这里忽略原水、滤池反冲洗废水和出厂水中微量铝的影响，则每天加入净水系统的铝为： 10×104×103×5=5.0×108mg/d。
　　因为排泥水中含有400 mg/L的铝，则总排泥水量为1.25×106 L/d(5.0×108/400)或1250 m3/d，则干污泥量为1.25×104 kg/d(12.5 t/d)。
　　由于任何一种方法都难以准确地确定自来水厂的干污泥量，因此建议以两种方法所得到的结果进行相互校核。
3　原水浊度与SS相关性分析
　　计算法是应用较多的干污泥量确定方法，该方法需要确定原水浊度T与SS之间的相关关系。不同地域、不同水源及不同季节这个相关关系可能存在较大差异，因此建议每个自来水厂都对原水进行浊度T与SS相关关系的测定，测定的时间应尽可能长些，有一年以上的时间跨度。测定结果可以进行分月、分季度原水浊度T与SS相关关系分析。
　　Cornwell［4］列举了一个浊度T与SS相关关系的例子(见图1)。由图1可知，该测定结果有较强的相关性。

图1　Cornwell的原水浊度T与SS相关关系
　　图2和图3分别是作者对上海市A水厂和B水厂原水浊度T与SS相关性分析的结果，从图中可以看出，自来水厂原水浊度T和SS有较好的相关性。

　　图2　上海市A水厂原水浊度T与SS相关关系

图3　上海市B水厂原水浊度T与SS相关关系
　　从以上图中可以看出，不同水源水的相关关系存在较大差别。实际上，即使在同一水源，不同季节测定的相关关系也可能会有变化。
　　在测定浊度T与SS相关关系时，原水SS的测定必须认真仔细。因为部分滤纸能滤过的颗粒在混凝时则能够从水中去除，因此有条件的地方应采用0.45 μm的滤膜代替滤纸进行过滤，以提高测定的准确性。有很多水厂的原水浊度T和SS都很低(如湖泊、水库水)，为了提高测定的准确性，SS测定时需要采集1 L甚至几L水样进行过滤。各自来水厂可以通过摸索后确定实际测定的水样量。
　　如果原水的色度很高，对污泥产量会存在影响。因为大多数原水的色度在滤纸过滤时不会被截留，而在水处理工艺中色度会被混凝、沉淀、过滤工艺去除，形成色度的物质也会存在于污泥中。在这种情况下，计算干污泥量时应考虑色度的影响。
4　自来水厂排泥水处理干污泥量设计值的选取
　　自来水厂干污泥产量随原水浊度、处理水量、混凝剂投加率变化，因此水厂的干污泥产量是一个变量。那么，选择怎样的干污泥产量设计值才是经济合理的呢?
　　一般可以用两种方法来确定自来水厂干污泥量设计值。一种方法是目前设计单位常采用的，就是通过试验分析原水浊度T和SS的相关关系，通过资料分析确定原水浊度的设计值和混凝剂投加率设计值，再结合水厂规模，根据计算公式算出干污泥量设计值。用原水浊度最大值和混凝剂最大投加率对设计值进行最不利情况校核。例如：试验得出B水厂原水浊度T与SS 的相关关系为：y=0.6x，考虑一定的安全系数，取浊度T和SS的比值为1∶1。该水厂原水浊度和混凝剂投加率分析分别见图4和图5。

　　图4　B水厂原水浊度统计分析结果

图5　B水厂混凝剂投加率统计分析结果
　　从图4可以看出，B水厂原水浊度主要分布在20～75 NTU之间，其中在40～45 NTU之间出现的概率最高。从累积概率曲线看，浊度65 NTU以下占近80%。因此取65 NTU作为浊度设计值。从图5可以看出，该厂混凝剂投加率主要在12～14 mg/L之间，投加率16 mg/L以下的累积概率在75%左右，因此取16 mg/L作为混凝剂投加量设计值。由于该厂是以Al2(SO4)3·18H2O计量混凝剂投加率，它与Al(OH)3的化学计量关系为0.234。另外，该厂去除色度约10 度，水处理规模为40万m3/d，根据以上数据可以计算该厂干污泥量的设计值：
S =4.0×10 8×(0.234×16+65×1+10×0.2)÷1.0×109
=28.3 t/d
　　该厂原水浊度最大值为109 NTU，混凝剂最大投加率为29.8 mg/L，则最大干污泥产量：
Smax =4.0×10 8×(0.234×29.8+109×1+10×0.2)÷1.0×109
=47.2 t/d
　　　如果以28.3 t/d设计脱水设备，每天运行1班，则增加1班就可满足处理最大日污泥量的要求。
　　选取干污泥量设计值的另一种方法是根据水厂每天的处理水量、原水平均浊度及当天的混凝剂投加率，计算出每天的干污泥产量。然后对一定时间内日干污泥产量进行统计分析，就可以得到：平均每天的干污泥产量；最高日的干污泥产量；出现概率最高的干污泥产量范围。
　　如果脱水设备正常情况下每天运行1班，则干污泥产量设计值可以依据以下原则选取：
　　(1)该设计值必须大于平均每天的干污泥产量；
　　(2)该设计值要大于最高日干污泥产量的1/3；
　　(3)该设计值应不小于概率最高的干污泥日产量范围。
　　依据这三条原则确定的干污泥量设计值，当干污泥产量在最大概率的污泥日产量以下时，可以使污泥脱水在正常运行模式下完成。当干污泥产量超 过设计值时，可以通过以下途径解决：
　　(1)增加污泥脱水设备运行班次，直至每天24 h运行；
　　(2)通过排泥水处理工艺系统的平衡调节池贮存过量的污泥。
　　例如B水厂日干污泥产量分析见图6，其平均干污泥产量为12.66 t/d，最大干污泥产量为30.94 t/d。　

　　图6　B水厂干污泥日产量分析结果
　　从图6可以看出，该厂干污泥日产量出现概率最高为8～10 t/d，有90%的概率是在18 t/d以下，如果选取18 t/d作为干污泥日产量的设计值完全符合上述选取原则，也可以满足处理要求。需要说明的是，以上所举两例，前一种方法计算干污泥量时每天的处理水量是以40万m 3/d进行计算的，后一种方法是以每天实际处理水量来进行计算的，由于实际处理水量不到40万m3/d，因此两者所选取的值差别较大。比较以上两种方法所得到的结果可知，前一种方法偏于安全。
　　上述方法确定的干污泥量设计值，既能保证排泥水处理的正常运转，又充分考虑了利用排泥水处理运行模式可挖掘的潜力，是经济可行的选取方法。
5　结论
　　(1)实施自来水厂排泥水处理工程，确定经济合理的污泥产量十分重要。
　　(2)污泥量确定包括排泥水量和干污泥产量，排泥水量决定排泥水处理工程中浓缩池规模，干污泥量则决定脱水设备规模。
　　(3)排泥水量需根据自来水厂沉淀池排泥方式和滤池反冲洗方式确定，相对较容易。
　　(4)干污泥量可用计算法和物料平衡分析法进行确定，其中计算法使用较多。建议用两种方法所得到的结果进行相互校核。
　　(5)计算法要求分析自来水厂原水浊度T与SS的相关性。研究表明，同一水源浊度T与SS均有一定的相关性，但不同水源间这一相关关系差别较大，因此每一水厂都应进行原水浊度T与SS相关性的分析。
　　(6)干污泥量设计值的选取有两种方法，一种方法是先选取原水浊度的混凝剂投加率的值，然后进行计算获得；另一种方法是先计算出一定时间范围内水厂每天的干污泥产量，然后分析得出干污泥产量设计值。前一种方法偏安全。
　　参考文献
1　日本水道协会.水道设施设计指南·解说.1990
2　英国水研究中心.九十年代污泥处理手册.1992
3　Cornwell D A. Management of Water Treatment Plant Sludges.In:Sludge and Its Ultimate Disposal,Ann Arbor Science,1981