設計案例 | 上海市某自來水廠排泥水應急處理工程設計
水廠在水質凈化過程中，會產生大量生產廢水，主要產生于常規處理工藝中的沉淀（澄清）和過濾環節，可占到總產水量的3%~7%。原水中加入混凝劑后會形成了絮凝顆粒，這些絮凝顆粒在沉淀（澄清）池中沉淀、在濾池中被截留，組成了排泥水的主要成分。此外，預處理、深度處理過程中也會有排泥水產生。
若排泥水未經處理直接排放到江河之中，其中的大量懸浮物（SS）、有機物等污染物會對水體產生嚴重的污染，且凈水廠產生的大量含鋁污泥，排入水體后會危害水中生物，破壞水體生態平衡。另外，廢水中含有的泥沙容易抬高河床，嚴重影響江河的航運能力及泄洪能力。
為保護水域環境，根據環境保護部門要求，自來水行業的生產廢水須進行處理，以達到有關排放標準。目前，國內新建的大中型給水廠已按照環保要求配套了排泥水處理系統，而一些老水廠也正在進行排泥水處理改造工程。
1 水廠現狀
本項目水廠因預留土地性質被改為農用耕地，無法辦理規劃許可，原計劃排泥水處理系統建設推遲至2024年底完成。根據滬供水[2019]53號文件精神，自2019年12月1日起上海市各自來水廠需嚴格按照《污水綜合排放標準》（DB 31/199—2018）的要求，向非敏感水域直接排放水污染物執行其二級標準。為確保該水廠排泥水處理工程項目投產前的生產廢水達標排放，作為臨時過渡，擬在水廠內尋找其他空余地塊，實施本水廠排泥水應急處理工程。
水廠共占地面積為98 000 m2，廠區呈L形，分兩期建設。廠區南部東側于1995年投入運行，建成取水泵房、生物接觸氧化池、折板絮凝平流沉淀池（下疊清水池）、均質濾料濾池、二級泵房及加藥間等，供水能力為12萬m3/d。二期于2009年竣工通水，建成生物接觸氧化池、折板絮凝平流沉淀池（下疊清水池）、均質濾料濾池，對一級泵房、二級泵房及鼓風機房進行擴建，一、二期供水能力共計達到24萬m3/d。水廠現狀平面布置如圖1所示。
圖1 現狀水廠平面布置
水廠現有水源兩個，分別為大治河水源和青草沙水源，目前水廠日常采用青草沙水源，大治河水源為備用水源。水廠采用混凝-沉淀-過濾的傳統制水工藝。
青草沙原水（原水水質不佳時可投加粉末活性炭吸附有害物質）通過泵送經過生物接觸氧化池，進入折板絮凝平流沉淀池，沉淀池入口處投加次氯酸鈉進行消毒并投入混凝劑進行混合，隨后進入折板絮凝池絮凝。絮凝形成的礬花在平流式沉淀池中依靠自重沉淀，從而去除水中的大顆粒雜質，剩余的小顆粒雜質則通過濾池的石英砂濾料過濾去除。過濾之后的水通過投加次氯酸鈉和硫酸銨進行二次消毒后進入清水池。水廠工藝流程如圖2所示。
項目實施前，該水廠暫無深度處理及污泥處理系統，排泥水未經處理直接排放至青龍港。
2 方案比選
2.1 排泥水處理規模及水質標準
本次工程處理對象為沉淀池排泥水。水廠內共有兩座12萬m3/d的平流沉淀池，排泥水量約3 000 m3/d。作為應急處理工程，本次設計僅考慮近期規模，故處理規模為3 000 m3/d。
根據該廠多年的運行處理數據，可得出排泥水的設計進水水質。處理后的排泥水排入廠區西側青龍港內，故設計出水水質應符合上海市地方標準《污水綜合排放標準》（DB 31/199—2018）中二級排放要求。本次要求檢測SS與污泥含水率兩個指標，排泥水設計進出水水質指標如表1所示。
2.2 排泥水處理工藝比選
本工程針對傳統處理工藝（調節、濃縮、平衡等）、超磁分離水體凈化技術、砂泥分離裝置+泥水分離裝置組合工藝及高效組合澄清系統工藝4種方案進行比選，對比情況如表2所示。
從可靠性、經濟性及環境因素等角度對處理工藝進行比選分析：砂泥分離裝置+泥水分離裝置剩余污泥含水率低，但組合工藝維修率較高，運行可靠性較差，且對環境衛生造成影響較大；傳統處理工藝運行穩定，但施工周期長，且土建費用較高，不經濟；超磁分離水體凈化技術污染小，但目前還未普及使用且運行管理較為復雜，設備投資較高；高效組合澄清系統工藝占地面積小，運行管理簡單，技術可靠性強，雖處理后污泥含水率不如超磁分離水體凈化技術及砂泥分離裝置+泥水分離裝置組合工藝，但可通過后續添加污泥脫水工藝實現污泥含水率達標。
經過比選，本工程采用處理工藝為高效組合澄清系統工藝。
高效組合澄清系統是基于當前最先進的加載沉淀池的基礎上進行改進，將化學混凝、機械攪拌、加載沉淀、斜管分離等各種有利于固液分離的技術進行高度集成。完整的高效組合澄清系統包括進出水管道系統、加藥系統、混凝反應系統、絮凝反應系統、沉淀系統、污泥回流系統及控制系統等。
排泥水經提升泵送進入混凝反應池，與回流污泥充分反應。混凝后污水進入絮凝反應區，在慢速攪拌器的作用下使藥劑與絮體充分混合形成大絮體。經過絮凝反應形成絮體的污水低速進入澄清池，保證絮體不發生破損，之后進入沉淀區，混凝絮體在此區域沉淀至池底。沉淀區的上部裝有斜管，主要作用是導流，避免水流橫向流動，減小橫向流對沉淀效果的影響。在斜管分離區，細微的絮體在斜管上進一步去除，澄清后的上清液可直接排放。沉淀池底部為污泥區，中心泥斗中的污泥由污泥泵回流至介質分離器回收介質至混凝反應池，剩余污泥送至污泥脫水系統進行處理。總流程如圖3所示。
高效組合澄清系統對污水中SS等均有較高的處理效率，可得到較好的凈化效果。且其具有沉降速度快、施工周期短、占地面積小、自動化程度高、運營管理方便等特點，有良好的的應用前景。
2.3 污泥泥質及處理規模
給水廠污泥的無機物含量大，以含泥沙等無機成分的膠粒為主（占85%~90%），含有黏土、腐殖質以及其他懸浮或不溶于水的物質，其基本理化性質如表3所示。
根據《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）規定，水廠排泥水處理系統的污泥處理系統設計規模按處理干泥量確定，且設計處理干泥量應滿足多年75%~95%日數的全量完全處理要求。本工程采取95%的保證率。
根據實測數據，該水廠95%保證率對應的渾濁度工況為19.6 NTU。經過計算，設計處理干泥量為9.21 t/d，考慮一定的富余量取10 t/d。
2.4 污泥處理工藝比選
排泥水處理系統中的核心設備是脫水機械，經過脫水裝置后的污泥運送至老港垃圾填埋場作為填埋覆蓋土。脫水機械可選的主流設備有帶式壓濾機、離心脫水機、板框壓濾機、疊螺脫水機等，現對幾種常用的脫水機械進行技術經濟比選，如表4所示。
由表4可知，帶式壓濾機造價最少，性價比最高，但其為半敞開式，衛生條件較差，易損件多，故障較多，本項目設備占地緊湊，不適宜在本項目上使用。板框壓濾機脫水后污泥含水率最低，運行穩定，但在脫泥時需要有人輔助，且定期要更換濾布或沖洗，勞動強度及衛生條件亦有一定的局限。離心脫水機避免了傳統污泥脫水工藝采用板框壓濾機和帶式壓濾機的不足，特別是在運行管理、環境和占地上具有明顯的優勢，但由于離心脫水機運行過程中存在噪音大的問題，即便進行相應的隔音措施，其噪音污染亦存在一定的隱患。疊螺脫水機存在場地面積小、投資性價比高等特點，但疊螺機對大的硬質顆粒來進行脫水時，硬質顆粒會造成設備的劃傷甚至是變形，影響設備運行穩定性。臥螺脫水機運行穩定性好，工藝性強，但其分離的好壞，與物料性質有很大關系。
綜上，考慮到本項目為應急過渡項目，選用更符合本項目實際的疊螺脫水機。疊螺脫水機的污泥含水率能穩定在75%左右，且避免了其余污泥脫水設備存在的問題，故本設計采用疊螺脫水機。
3 工程設計
3.1 總平面設計
遠期自來水廠排泥水永久性處理設施建設時，考慮排泥水處理水流的整體方向為自南向北，與現有凈水工藝流向保持一致。因此，與水廠遠期設計相結合，本工程應急處理系統建于廠區西側綠地處。該處理系統由排泥水收集調節系統、高效組合澄清系統及污泥脫水儲存系統組成。包括收集池、調節池（原生物接觸氧化池）、高效組合澄清系統、加藥集裝箱、污泥儲罐、疊螺脫水機、污泥料倉等。其中，收集池建于最北側用于收集廠區排泥水；高效組合澄清系統及污泥脫水系統建于調節池西側區域。總圖布置方案如圖4所示。
3.2 處理工藝設計
間歇性排放的沉淀池排泥水匯集于收集池內，通過泵提升后進入調節池中，對水量和水質做適當調整均化后，進入高效組合澄清系統進行進一步處理。處理后的水經過取樣排放池進行連續監測后，利用廠區原有排放口排放進入青龍港河道內。處理后的污泥進入污泥儲罐后由污泥泵打入疊螺脫水機進行機械脫水處理，最后對脫水污泥進行外運處置。排泥水處理流程如圖5所示，高效組合澄清系統及污泥脫水系統平面布置圖分別如圖6所示。
3.3 主要工藝參數
3.3.1 收集池
收集池采用鋼結構，分兩格，池體通過兩根連通管串聯運行。單池設計L=12.0 m，B=3.0 m，有效水深H=3.5 m，總高度H=4.0 m，總有效容積為252 m3。
3.3.2 調節池（原生物接觸氧化池）
調節池利用廠區內現有廢棄的生物接觸氧化池進行改造。利用兩格池體進行調節，現對調節池的容積進行復核計算。單個調節池L=12 m，B=8 m，有效水深為5.45 m，兩格總池容為1 046.4 m3。產生的排泥水量為3 000 m3/d，調節時間與排泥時間匹配，取調節時間為7.2 h，故選取的生化池改造為調節池，池容滿足要求。
3.3.3 高效組合澄清系統
高效組合澄清系統采用一體化撬裝式，布置于地面上，池體及框架采用碳鋼防腐材質，尺寸為10.6 m×3.5 m×3.0 m。
3.3.4 取樣排放池
在河道排放口前設置1座取樣排放池，滿足排泥水出水需滿足24 h連續監測的環保要求。設計尺寸為3.2 m×1.2 m×2.2 m，采用鋼砼結構。
3.3.5 污泥儲罐高效澄清系統產生的污泥進入污泥儲罐進行儲存及加藥攪拌。污泥儲罐主體結構采用PP材質。設計2座，單座容積為20 m3。
3.3.6 疊螺脫水機
水廠產生的絕干污泥量為10 tDS/d，故脫水機總處理絕干污泥能力要求為10 tDS/d，單臺疊螺脫水機絕干污泥處理能力為500 kg DS/h，故本次設計采用兩臺疊螺脫水機，運行時間為10 h。
3.3.7 污泥料倉
污泥料倉采用碳鋼防腐結構，外部尺寸為7.0 m×5.8 m×6.0 m，料倉出料后直接卸料至車內運輸至廠外。
4 結語
（1）本工程土建外圍配套總投資為*.29萬元，設備采用租賃形式（租期為54個月），租賃費用為*萬元，則土建外圍配套總投資+設備租賃費=*.29萬元。設備運維費單價為*.14萬元/月，不列入本項目中。
（2）本工程采用一體化集裝箱式高效組合澄清系統及污泥脫水系統技術路線，經專家確認合理可行。項目施工完成以來，設備運行效果良好，可有效應急處置本項目水廠沉淀池排泥水，確保出水水質達到《污水綜合排放標準》（DB 31/199—2018）和泥餅含水率要求。
（3）排泥水處理工藝方案采用高效組合澄清系統工藝，環境衛生好、占地面積小、施工周期短，貼合水廠現狀環境要求高、預留排泥水應急處理場地面積小及施工時間緊湊的特點。且運行管理簡單、運行費用低，后期在人力及物力方面節約大量費用。
（4）本工程中，沉淀池至收集池的重力流管道作為長久設施建設，在設計時已考慮富余量，可在后期該水廠排泥水永久性處理工程建成后繼續利用。
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