北京市高碑店污水处理厂中水处理工艺最优运行的生产性试验研究

王东生 张建新 王洪臣 张胜海 葛永涛 王颖
（北京市高碑店污水处理厂）

1 概述

　　北京是一个严重缺水的城市，随着地下水的不断开采，造成水位不断下降，更加剧了水资源的短缺。解决水资源短缺的问题，已成为当务之急，而水资源的循环再利用是一项非常有发展前景的课题，它可以缓解水资源的短缺问题。水资源的循环再利用即是将生活污水及工业污水进行深度处理，使之达到一定的水质要求，处理后的出水用于灌溉、冲洗、景观等方面用水，可节省大量的自来水。为此，高碑店污水处理厂二期工程设计了中水区，将二沉出水再进行深度处理，处理后出水用于绿地、脱水机房冲洗水、景观用水及喷洒水等，为城市污水回用提供经验。

2　中水处理工艺流程介绍

　　高碑店污水处理厂二期中水区日处理能力为10000m³/日，二沉出水指标为BOD<20mg/l，SS<30mg/l，经中水区处理后的出水水质指标为BOD<10mg/l，SS<10mg/l，中水处理工艺是将二沉出水用泵提升至加药间，在加药间通过加药泵将混凝剂加入进水管道中，水药混合后在反应池进行充分混合絮凝，到达沉淀池后可沉淀的较大絮体沉淀下来，达到泥水分离的目的，上清液通过出水堰流至滤池，沉淀污泥定期排走。在滤池中通过砂滤将水中的SS进一步去除，滤后水进入清水池，通过泵送至各用水点。
　　该中水处理工艺流程如下：

3　调试控制过程

3.1目的
　　中水处理工艺控制的关键在于混凝剂的选型及投配率，确定斜板沉淀池的排泥周期和滤池的冲洗时间。只有正确的选择混凝剂，确定最佳投配率，同时根据来水水质调整投配率，选择斜板沉淀池的最佳排泥周期和滤池的冲洗时间，才能最大限度地降低中水处理成本，获得较好的出水水质，从而达到经济运行的目的。
3.2调试条件
　　根据本厂二沉出水水质及操作方便程度，我们首先选定了聚丙烯酰胺、聚合氯化铁（简称聚铁）、聚合氯化铝（简称聚铝）三种混凝剂作对比试验。考虑到小试与实际生产差别较大，采用中试的方法，即三种混凝剂经过一定浓度配比后，直接用于上机试验，通过对比进行最佳混凝剂选择。
　　聚丙烯酰胺、聚铁、聚铝三种混凝剂的试验条件基本一致，既进水水量Q＝10000m³/日＝416.7m³/h，每种混凝剂的投药量由低到高逐点渐进试验，当出水水质达到设计要求SS<10mg/l、BOD<10mg/l时，既为该种混凝剂的最佳加药量即最佳投配率。
　　斜板沉淀池排泥周期控制的调试条件是：进水水质为合格的二沉出水，即SS<30mg/l；BOD<20mg/l，斜板沉淀池的出水水质达到设计要求值，即SS<10mg/l；BOD<10mg/l，进水水量为设计流量Q＝10000m³/日，系统在最佳投配率的情况下，稳定运行。
　　滤池反冲洗时间的调试条件是：进水水量为Q＝10000m³/日，沉淀池出水水质达到设计要求，系统处于稳定连续运行状态。
3.3调试过程
　　（1）聚丙烯酰胺混凝剂的试验过程
　　将聚丙烯酰胺粉末溶解成5‰浓度的溶液，聚丙烯酰胺的设计投药浓度为10ppm，我们选择5ppm、10ppm、15ppm、20ppm、25ppm五种投配率进行对比试验，每种浓度的试验时间为2小时。试验结果如下：

水质指标

投配率

SS（mg/l） BOD（mg/l） COD（mg/l） 矾花尺寸及沉淀状况 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 5ppm 13.2 10.8 18% 12.4 10.2 18% 55 48 13% 小粒度不易沉 10ppm 13.4 8.4 37% 12.6 7.6 40% 54 41 24 中等粒度不易沉 15ppm 14.0 8.4 37% 12.6 7.6 40% 54 41 24 中等粒度不易沉 20ppm 13.8 10.5 24% 13.2 10.2 23% 56 45 20 中等粒度不易沉 25ppm 12.6 11.1 12% 11.5 10.4 9% 52 44 15 中大粒度松散不易沉

　　聚丙烯酰胺的投配率与SS、BOD、COD去除率关系曲线如下：

　　（2）聚铁混凝剂的试验过程

　　聚铁混凝剂的试验溶液浓度为20％，我们根据小试情况，选择聚铁的投配率为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm四种情况下进行试验，每种投配率的试验时间为2小时，试验结果如下：

水质指标

投配率

SS（mg/l） BOD（mg/l） COD（mg/l） 矾花尺寸及沉淀状况 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 10ppm 15.4 11.2 27% 14.9 10.6 29% 54 45 11% 小颗粒基本可沉 20ppm 14.8 8.9 40% 14.5 8.5 41% 50 42 16% 中颗粒可沉 30ppm 14.2 7.8 45% 13.8 6.8 51% 52 40 23% 中大颗粒可沉 40ppm 14.6 8.8 40% 13.1 8.4 36% 48 44 8% 中大颗粒基本可沉

　　聚铁的投配率与SS、BOD、COD去除率关系曲线如下：
　　（3）聚铝混凝剂的试验过程
　　聚铝混凝剂的溶液浓度为30％，我们根据小试情况选择聚铝的投配率为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm四种情况下进行试验，每种投配率的试验时间为2小时，试验结果如下：

水质指标

投配率

SS（mg/l） BOD（mg/l） COD（mg/l） 矾花尺寸及沉淀状况 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 混凝前 混凝后 去除率 10ppm 15.5 10.8 30% 14.6 10.1 31% 55 45 18% 小颗粒基本可沉 20ppm 15.8 6.8 57% 14.7 6.8 54% 56 40 29% 中颗粒可沉 30ppm 14.7 5.2 65% 13.2 4.8 64% 52 32 38% 中大颗粒可沉 40ppm 15.2 6.7 56% 14.8 6.6 55% 54 41 24% 中大颗粒基本可沉

　　聚铝混凝剂投配率与SS、BOD、COD去除率关系曲线如下：

　　（4）根据来水SS确定投药量（投配率）
　　为了降低中水处理的运行成本，同时获得较好的出水水质，达到最佳经济运行目的，我们根据来水SS适时的调整聚铝的投配率，使之达到用药量最省。试验原理：在来水SS相对稳定的情况下，通过由低到高调整聚铝的加药量，当出水水质达到最佳时，即为该种SS浓度下聚铝的最佳投配率，不同来水SS浓度下试验结果如下：

投配率

来水SS

5ppm 10ppm 15ppm 20ppm 25ppm 30ppm 35ppm 40ppm 出水SS（mg/l） SS(mg/l) 5 (3.8) 4.0 4.2 4.5 4.8 5.0 5.5 6.0 10 5.8 (5.4) 6.0 6.4 6.8 7.2 7.8 8.2 15 11.2 8.8 7.6 (5.6) 6.4 7.3 8.9 10.8 20 14.5 12.2 11.0 9.0 8.8 (7.8) 9.2 9.8 25 15.1 12.1 9.9 9.6 9.2 8.4 (7.6) 8.9 30 17.3 13.2 11.2 9.9 9.6 9.2 8.9 (8.1)

　　注：括号中数值为最低出水SS值，对应投配率为最佳投配率。

　　通过试验发现聚铝投配率与来水SS有如下线型关系：

　　（5）进、出水水质比较
　　本中水处理工艺采用聚铝做为最佳混凝剂，并在最佳投配率30ppm的条件下稳定运行。为了更好的控制中水处理效果，我们对进、出水水质进行连续监测发现，当进水水质符合二沉出水指标即BOD<20mg/l，SS<30mg/l时，经中水处理后的出水水质全部达到设计要求。现抽取某个月的进、出水水质列表如下：

日期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 进水SS 16.2 15.1 13.2 11.7 14.8 12.6 15.3 14.5 10.7 11.4 出水SS 6.5 5.3 5.2 4.1 4.5 3.8 4.6 4.4 3.7 4.0 日期 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 进水SS 13.6 9.8 9.2 11.4 14.5 10.1 12.3 11.3 13.1 14.8 出水SS 4.8 3.4 3.0 3.9 5.1 3.5 4.3 4.1 4.6 5.2 日期 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 进水SS 11.5 12.7 11.2 13.4 14.6 10.3 10.5 11.0 11.6 12.2 出水SS 4.0 4.4 3.9 4.7 5.1 3.6 3.7 3.9 4.1 4.3

　　注：SS单位为mg/l

　　某月进、出水水质SS变化曲线图如下：

　　（6）斜板沉淀池排泥周期的试验过程
　　由于贮泥池体积较小，V＝80m³,斜板沉淀池每次的排泥时间不能超过2分钟，否则会造成贮泥间淹泡。为确定出沉淀池的最佳排泥周期，得到良好的出水水质，我们将排泥周期设定为：0.5h,1h,1.5h,2h,2.5h,3h,3.5h,4h进行试验，每个排泥周期的排泥时间均为2分钟。抽取每次排泥完毕时的泥样，测定其中的MLSS值，得到如下数据：

排泥周期（h） 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 MLSS（mg/l） 92 98 102 108 180 260 550 800

　　排泥周期与排泥效果的关系曲线如下：

　　（7）滤池反冲洗时间的试验过程
　　滤池的空气冲洗强度为15l/s.m2，水反冲洗强度为4l/s.m2，运行中发现在保证沉淀池出水水质的情况下，滤池的反冲洗周期为24小时。为确定最佳反冲洗时间，将反冲洗时间设定为5min，10min，15min，20min，25min，30min，35min，40min进行试验，抽取每次反冲洗完毕时的水样，测定其中的SS值，测定数据如下：

反冲洗时间（min） 5 10 15 20 25 30 35 40 SS（mg/l） 18 58 130 48 15 13.8 12.9 12.1

　　滤池反冲洗时间与冲洗出水SS关系图如下：

4　数据分析

4.1三种混凝剂的最佳投配率
　　（1）聚丙烯酰胺
　　从上述聚丙烯酰胺、聚铁、聚铝三组试验中发现，当聚丙烯酰胺的投配率为10ppm时，与二沉出水经混凝沉淀后，出水效果达到最佳，此时SS、BOD、COD三项指标的去除率也为最高，因此聚丙烯酰胺的最佳投配率为10ppm。而聚丙烯酰胺混凝剂与二沉出水进行混凝反应后，虽然能形成较大矾花，但形成的矾花不易沉淀，随出水流走，影响了对SS、BOD、COD的去除效果，满足不了出水水质的要求。
　　（2）聚铁
　　聚铁混凝剂投配率为30ppm时，与二沉出水经混凝沉淀后出水效果达到最佳，此时SS、BOD、COD三项指标的去除率为最高，因此聚铁混凝剂的投配率为30ppm。而聚铁混凝剂与二沉出水进行混凝反应后，虽然能很快形成较大矾花，同时矾花沉淀性能也较好，但由于聚铁使出水中带有明显的红褐色，影响了出水效果，达不到对出水水质的要求。
　　（3）聚铝
　　试验中发现，当聚铝混凝剂的投配率为30ppm时，与二沉出水经混凝沉淀后，出水效果达到最佳，此时SS、BOD、COD三项指标的去除率最高，因此聚铝的最佳投配率为30ppm。聚铝混凝剂与二沉出水混凝反应后，形成矾花大而迅速，矾花的沉淀性能较好，同时出水清澈，完全可以达到出水水质设计标准。
4.2三种混凝剂的综合分析
　　（1）混凝机理及特点
　　1）混凝机理
　　污水处理所用的药剂分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两大类，其中聚丙烯酰胺为有机絮凝剂，聚铁和聚铝为无机絮凝剂，两类混凝剂处理污水的作用机理有所不同。
　　有机絮凝剂的作用机理包括两个方面：一是其分子上带电的部位能中和污泥胶体颗粒所带的负电荷，使之脱稳；二是利用其高分子的长链作用把许多细小污泥颗粒吸附并缠绕在一起，结成较大颗粒。前一作用称为压缩双电层，后一作用称为吸附架桥。
无机混凝剂的作用机理：一方面混凝剂水解出一系列阳离子，可以中和胶体颗粒表面所带的负电荷；另一方面由于这些离子有很强的水化能力，能夺走胶粒周围的水分子，破坏水壳。通过以上两方面的作用，胶粒将失去原来的稳定性，相互之间发生凝聚，形成较大的矾花经沉淀去除。
　　2）特点
　　聚丙烯酰胺为有机高分子絮凝剂，常用于污泥调活，对温度及PH值适应范围比较广泛，对管道腐蚀性较小，但粘度较大，操作性较差。
　　聚合氯化铁是一种无机高分子混凝剂，易溶于水，矾花大而重，沉淀性能好，对温度和水质及PH值的适应范围宽，其最大缺点是有强腐蚀性，易腐蚀设备，且有刺激性气味，操作性较差。
　　聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂，对各种水质及PH值的适应性很强，矾花形成快，颗粒大而重，且由于投加量少，产泥量也少。同时聚合氯化铝对温度适应性也很强，使用、管理比较方便，对管道腐蚀性较小。
　　根据三种混凝剂的特点，从理论上分析，用聚合氯化铝较好。
　　（2）试验效果
　　从三组试验数据及曲线图中，我们发现，在同一投配率的情况下，聚铝对SS、BOD、COD的去除率是最高的，针对高碑店污水厂的二沉出水，宜选用聚合氯化铝为混凝剂。
　　（3）综合
　　在最佳投配率的条件下，三种混凝剂的各项指标比较：

项目

名称

最佳投配率 去除率（％） 沉淀效果 处理成本（分/吨） SS BOD COD 聚丙烯酰胺 10 37 40 24 中大颗粒不易沉 50 聚铁 30 45 51 23 中大颗粒易沉 9 聚铝 30 65 64 38 中大颗粒易沉 6

　　从比较中可以发现，在最佳投配率的条件下，聚铝对SS、BOD、COD的去除率最高，形成的矾花沉淀效果最好，处理成本最低。
4.3来水SS与投配率关系（线性方程）
　　从来水SS与聚铝投配率的线性关系中我们可以看出，当来水SS为5mg/l时，最佳投配率为5ppm，SS：投配率＝1；当来水SS浓度为10mg/l时，最佳投配率为10ppm，SS：投配率＝1；…… 当来水SS为30mg/l时，最佳投配率为40ppm，SS：投配率＝0.75。从以上关系中可以发现来水SS与投配率存在以下线性关系：
　　　　y＝0.9x
　　其中：y——来水SS（mg/l）
　　　　　x——投配率（ppm）
4.4斜板沉淀池排泥周期的确定
　　从排泥周期与排泥效果的关系曲线中可以发现，随着排泥周期的延长，每个排泥周期排泥完毕后泥样的MLSS值逐渐升高，当排泥周期为2小时为曲线趋势的分界点，如果延长排泥周期，会造成沉淀池排泥不彻底，影响出水水质，故斜板沉淀池的最佳排泥周期为2小时。
4.5滤池反冲洗时间的确定
　　从滤池反冲洗时间与出水SS关系曲线中可以发现，反冲洗初期，5－15分钟内，反冲洗出水的SS急剧增至最大，说明冲洗初期，滤层中大部分的SS被冲洗出来，当冲洗时间达到25分钟后，出水SS值为15mg/l,其后曲线趋于平缓，滤层中SS已基本冲洗干净，已达到反冲洗效果，因此滤池的反冲洗时间为25分钟。

5　经济效益分析

　　（1）同等去除效率下，三种混凝剂成本比较，用聚铝比聚丙烯酰胺每年可节约266.45万元，比用聚铁每年可节约3.65万元，数据分析如下表。
　　（2）按照线性关系来指导投配率，比用固定投配率30ppm可节约资金30％，按每天10000m³/日处理能力计，每年可节约资金7万元。

名称 SS去除率 投配率（ppm） 水量（m³/日） 成本（分/吨） 全年费用（万元） 聚丙烯酰胺 30% 15 10000 75 273.75 聚铁 30% 10 10000 3 10.95 聚铝 30% 10 10000 2 7.3

　　（3）与设计相比，原设计采用的混凝剂为聚丙烯酰胺，设计最佳投配率为10ppm，按每天10000m³/日处理能力计，每年用药费用为182.5万元；用聚铝做混凝剂，试验中发现最佳投配率为30ppm，按每天10000m³/日处理能力计，每年用药费用为21.9万元；从对比中可以发现，用聚铝比用聚丙烯酰胺每年可节约费用160.6万元，分析数据证明用聚铝优于原设计方案。

6　结论

　　（1）高碑店污水处理厂中水处理工艺宜选用聚铝为最佳混凝剂，当二沉出水SS值为10－20mg/l时，最佳投配率应控制在20－30ppm。
　　（2）由于二沉出水中SS值主要为有机活性污泥，故BOD、COD值与之有关，这一点从试验数据中也可看出，去除了SS，意味着去除相当BOD、COD。从我们调试结果看，SS值与投配率存在线性关系，其线性方程为： y＝0.9x ,其中：y――来水SS（mg/l）、x――投配率（ppm）。我们以线性方程来指导日常的生产运行。
　　（3）通过选择最佳混凝剂（聚铝）及用线性方程来指导运行，每年可节约资金167.6万元。
　　（4）当进水水质指标为：SS<30mg/l,BOD<20mg/l，聚铝投配率为最佳投配率30ppm时，斜板沉淀池的排泥周期为2小时。
　　（5）当运行水量为Q＝10000m³/d，沉淀池出水水质稳定，滤池的反冲洗时间为25分钟。
　　（6）高碑店污水处理厂中水处理工艺自1999年11月份投入生产性运行，每天处理10000m³二级出水，经连续监测，处理后出水连续达标，即满足BOD<10mg/l,SS<10mg/l的设计要求，同时对N、P等污染物也有一定的去除效果，出水水质良好。经处理后的中水用于污水厂的绿化、冲洗、喷洒及景观用水。该中水处理工艺按处理能力10000m³/d计，一年可节约自来水365万m³，节约大量的水资源，该工艺使污水循环再利用变为现实。通过生产性实验，我们认为该工艺比较适应中小型（小于10万m³/d）中水处理厂的需要，具有较好的推广价值。