自来水厂排泥水处理技术的若干问题探究

许建华
(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)

　　提要：自来水厂的排泥水处理工作应从对具体水厂的排泥水水质特性分析出发，注意自来水厂污泥和污水厂污泥之间的本质差别。本文探讨研究了自来水厂排泥水处理技术的若干问题，诸如：如何正确确定自来水厂的污泥干固体产量？如何减少自来水厂沉淀池的排泥水水量？为什么要设置污泥调蓄均衡池？等等。

　　随着我国对环境保护和整治力度的不断加强，许多省市的环保部门近年来积极督促各地自来水公司在扩建、新建自来水厂的同时，要筹措资金同步实施水厂的排泥水处理工程。1996年以来，石家庄、北京、上海和深圳等城市先后建成投产了几个水厂的排泥水处理工程，开始了我国自来水厂排泥水处理的起步阶段。
　　自来水厂排泥水不经处理就直排江河湖泊等水体，成为水体的重要污染源，淤积抬高河床，影响江河的航运和行洪排涝能力。我国是水资源紧缺的国家，水资源是制约国民经济可持续发展的重要物质条件。努力搞好自来水厂排泥水处理工程，在改善水环境的同时，还可回收利用占水厂供水量2～4%左右的水量，一定程度上缓解水资源紧缺的矛盾。我国近2800个城市自来水厂今后如陆续着手建设排泥水处理工程，将可能涉及数百亿元巨额基建投资的能否合理使用，能否相应实现预期的工程效应和环境效益的重大现实问题。
　　结合几年来在自来水厂排泥水处理科研工作和工程实践中的一些经验、教训和体会，联系在国内、外一些自来水厂和污水厂的污泥处理工程参观调研过程中的收获、心得和思考，对自来水厂排泥水处理技术的若干问题提出如下看法和建议，供我国自来水厂排泥水处理工程建设和研究工作参考。

1.自来水厂排泥水处理工程设计规模如何合理取值问题

　　自来水厂排泥水处理工程设计工作中，除了必须切实掌握水厂的混凝沉淀池排泥水日产水量、滤池冲洗废水的日产水量和单格滤池一次冲洗废水量外，更重要的是必须对水厂污泥干固体日产量设计规模进行合理取值，它直接影响污泥脱水机械等的选型配置、有关设备和构筑物的配备和设计，直接影响整个排泥水处理和污泥处置的工程投资和今后工程正常合理运行的可能性。
　　水厂排泥水中的污泥干固体含量，由净水过程中截留去除的原水中泥沙、腐殖质、藻类等悬浮杂质和水厂投加的混凝剂、助凝剂等二部分组成，前者占主要比重。
　　水厂的日常水质检测项目中，与原水中悬浮杂质含量密切相关的主要是原水浑浊度NTU值。测定水的浑浊度NTU值的浊度仪是基于测定光源通过被测水的散射光强弱的光学仪器，能有效检测水中主要属胶体粒径范围的杂质颗粒。由于不同水源水中的悬浮杂质颗粒大小组成和形状各不相同，因此各种水源水的浊度NTU值大小并不一定可按某固定比值直接换算成反映水中悬浮杂质浓度SS值(mg/L)的大小。因此取用不同水源水的水厂在进行排泥水处理工程设计之前，一般应先对全年不同时段的水源水取样进行浑浊度NTU值和原水中悬浮固体量SS值的一系列同步检测对比。所获大量数据进行数学回归和相关分析，得出NTU与SS值之间的相关关系，再联系水源具体情况和近年原水浊度资料的概率统计分析等，可合理确定该水厂排泥水处理工程污泥干固体量DS的日处理规模。若不能认真根据当地水源水质实际情况得出可靠的NTU:SS的相关值，则估算的水厂排泥水处理工程的干污泥DS日处理规模量可能与实际相差甚远，甚至可能差一、二倍以上！严重影响工程建设的合理性.
　　我国不少城市自来水厂已将建设排泥水处理工程提上议事日程，建议在日常检测原水浊度NTU值的同时，进行一些原水悬浮固体SS值的对比检测，及早作好这项影响工程设计规模的前期准备工作。

2.合理进行平流式沉淀池机械排泥，减少排泥水水量消耗

　　我国许多自来水厂的平流式沉淀池机械排泥，实行定时启动吸泥机械沿池长全程吸除池底积泥的自动排泥方式。由于平流沉淀池的池底沉泥主要集中在近絮凝池的前端1/3左右沉淀池池长范围，因此沉淀池后端2/3池长范围排出的泥水往往含固率很低，导致水厂平流沉淀池的排泥水量消耗较多，实施水厂排泥水处理时就会相应增加排泥水处理成本。
　　为了减少不必要的排泥水量消耗，必须通过合理排泥来提高沉淀池排泥水的整体含固率。建议将平流式沉淀池的机械排泥方式由人工或自动定时启动沿整个池长全程排泥方式，改为按池底积泥规律实行智能化自动分段有效排泥的方式。具体做法是：在吸泥机下端离池底适当高度处设置超声波污泥界面监测仪，当沉淀池前端1/3池长处池底积泥达一定厚度时，污泥界面监测仪自动启动吸泥机吸除前端1/3池长范围的池底积泥；沉淀池后端2/3池长范围因积泥较少，可设定在前端1/3池长范围吸泥机自动按泥位启动吸泥往返二或三个排泥行程后，再沿整个沉淀池长度全程运行排泥一次。这样的智能化自动分段排泥方式可显著减少排泥水量，节水节能，还能相应减少排泥水调节池、浓缩池等的基建和运行费用。智能化排泥的排泥间隔时间受制于前端池底积泥厚度的设定控制，应以防止积泥时间过长可能招致池底泥质腐化、影响沉淀池水质为度。

3.沉淀池排泥水和滤池冲洗废水的合并处理或分别处理问题

　　各自来水厂的排泥水处理系统可能各有不同，但根本区别在于将沉淀池排泥水和滤池冲洗废水二类排泥水合并一起处理还是分别处理的二种选择。二类排泥水合并处理或分别处理的工艺流程示意图分别参见图1(a)或图1(b)。

　　自来水厂的沉淀池(或澄清池)排泥水中的悬浮杂质含固率一般均高于0.3%，比滤池冲洗废水的含固率高二、三十倍以上；如实行沉淀池智能化合理排泥，则排泥水含固率可能达1％左右。自来水厂每天的滤池冲洗废水水量，一般又明显多于沉淀池排泥水水量。因此若将沉淀池排泥水和滤池冲洗废水如图1(a)所示的合并处理工艺一起进同一调节池，虽可比图1（b）所示的分别处理工艺省却了废水调节池，减少了基建投资和占地，但沉淀池排泥水却被滤池冲洗废水极度稀释，非常不利于其后的浓缩池的污泥浓缩效果，浓缩池也因处理水量大、浓缩效果差而需增加基建投资和占地。因此水厂排泥水处理一般宜采用二类排泥水分别处理的工艺流程，废水调节池中的水质、水量集中匀化后的滤池冲洗废水，一般可以用水泵输往絮凝沉淀池前作原水使用；也可将废水调节池底沉积集中的沉泥液用泵打入浓缩池浓缩，其余大量废水用泵输至絮凝沉淀池前作原水用。

4.排泥水浓缩池的池型和设计构造注意要点

　　自来水厂沉淀池(或澄清池)的排泥水含固率一般均低于1％，需经浓缩池进行重力式固液分离，排除上清液，缩小污泥体积后，再将浓缩池污泥送往后续工艺进行污泥脱水。通常要求浓缩池的底流排出的浓缩污泥含固率达3％～4%左右，以满足后续污泥脱水机械高效率进行污泥脱水的需要。
　　连续流的重力式排泥水浓缩池有多种不同池型和构造形式，总起来可归纳为一般的排泥水浓缩池和设有斜板的排泥水浓缩池二类。我国许多自来水厂目前面临为应对微污染原水增设水质生物预处理和深度处理工艺及新建排泥水处理系统等基建改造任务，用地紧张是许多水厂存在的现实困难。浓缩池是排泥水处理系统中占地面积较大的构筑物，设有斜板的排泥水浓缩池可有效提高浓缩过程中的固体通量，从而显著减少浓缩池面积。
　　由于自来水厂的污泥与污水厂的污泥在有机成分的比例、污泥内容组成、污泥比重和性质等均有根本区别，因此这二类污泥的浓缩池在固体通量和固形物在浓缩池中的平均停留时间等设计参数应迥然不同。取不同水源水的自来水厂，由于原水中的悬浮杂质的颗粒组成分布和水中藻类含量等不同，也影响各自来水厂排泥水中的固体颗粒沉速和固液分离性能等，因此在设计确定取不同水源水的水厂排泥水浓缩池面积前，一般应进行合适的沉淀池排泥水静态沉降试验、甚至动态沉降试验，以取得较确切的浓缩池固体通量等设计参数。
　　水厂排泥水在浓缩池中的颗粒沉降，是具有一定絮凝作用的拥挤沉降过程，排泥水从浓缩池液面以下一定深度进入池中进行浓缩。斜板浓缩池不能采用下向流方式进行固液分离，要用侧向流与上向流相结合的方式进行排泥水的固液分离浓缩过程。
　　为了有效促进浓缩池中污泥颗粒之间的均匀絮凝结大，浓缩池下部应设置与池底刮泥装置组装的缓慢搅拌污泥的直杆搅拌装置。

5.污泥调蓄均衡池的设置问题

　　自来水厂的污泥浓缩池排出的含固率3％～4％左右的浓缩污泥，一般直接被输至污泥脱水机房进行机械脱水。1998年建成投产的上海闵行一水厂的排泥水处理系统，首次在污泥浓缩池和污泥离心脱水机房之间设置了一座起调节匀化浓缩污泥的量和质作用的污泥调蓄均衡池。
　　污泥脱水机械从维持较高的机械运行功效和出泥含固率较高(自来水厂污泥脱水后的泥饼含固率一般要求达35％以上，以满足脱水污泥的外运处置需要)，要求进脱水机的浓缩污泥含固率能基本稳定。同时从各台污泥脱水机的运行工序调节(如板框压滤机清除泥饼和冲洗滤布)和机械维修等，也要求浓缩污泥供应量能基本稳定。设置适当池容的污泥调蓄均衡池能满足这些需求，特别是对供水量规模较大的水厂或使用周期性间歇运作的板框压滤污泥脱水机的水厂。

6.聚丙烯酰胺的合理选型问题

　　为了改善自来水厂污泥的脱水性能，浓缩污泥进行污泥机械脱水前一般均匀加入适量的有机高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)来降低污泥比阻，使其易于脱水。聚丙烯酰胺有阴离子型、阳离子型和非离子型三类，应从技术和经济方面综合衡量，通过试验合理筛选各水厂较适合的PAM类型和品牌。
　　污水厂的污泥中以含有机成分的亲水性胶质微粒为主，胶粒Zeta电位负电性较强，污泥进行机械脱水时一般先加入适量的阳离子型PAM，起胶粒的电性中和及微粒间架桥絮凝作用，使污泥容易脱水。自来水厂的污泥以含泥沙等无机成分的胶粒为主，且在水厂净水过程中已加过铝盐或铁盐混凝剂，胶粒Zeta电位负电性明显降低，因此自来水厂浓缩污泥在脱水前加入适量PAM主要从促使泥粒间架桥絮凝和降低污泥比阻的调理作用考虑。实验室小试和水厂生产性试验均证实：阴离子型PAM与阳离子型PAM在投加率相近(阳型投加率一般略高于阴型)情况下，均能起理想的基本类同的降低污泥比阻和达到离心机脱水污泥含固率35%以上的良好效果(仅在污泥脱水后分离液的浊度上，用阳离子型PAM的分离液浊度较低)。由于阳离子型PAM的单位重量商品价格约比阴离子型PAM高1倍左右，因此自来水厂污泥脱水的PAM调理剂宜选用丙烯酰胺单体含量低于0.05%的高分子量阴离子型PAM。非离子型PAM因溶解速度慢，一般不用于污泥调理。

7.污泥脱水机械的选型问题

　　自来水厂的污泥脱水机械，目前主要采用的有带式压滤机、膜式板框压滤机和离心脱水机三种类型。加入适量PAM等化学调理剂的水厂浓缩污泥经脱水机械脱水后的泥饼运出厂外进行填地、作垃圾填埋场覆盖材料或资源化利用等处置。
　　三类污泥脱水机械的基本特点分别简述如下：
　　1) 带式压滤机
　　带式压滤机可连续自动化运行，进行污泥压滤脱水工作的同时，进行滤布的连续用水冲洗。设备投资较少，能耗较低，噪声小，但污泥脱水过程中的污泥截留率较低，机房水、气环境较差，脱水污泥的含固率较低，脱水设备占地较大。较小干泥量的水厂可考虑选用。
　　2) 板框压滤机
　　目前推广应用新型的膜式板框压滤机。对进泥含固率要求较低，一般2％～3％即可；而出泥含固率高于带式压滤机和离心脱水机，可减少脱水泥饼的外运处置费用。运行过程是周期性地泵入污泥压滤和脱除泥饼的间歇过程；根据滤布堵塞情况，一定的运行周期后冲洗滤布一次，整个操作过程较繁杂。个别滤布或橡胶隔膜损坏易及时更换后恢复正常运行。设备投资大，占地大，噪声较小。
　　3) 离心脱水机
　　离心脱水机可连续自动化运行，设备效率高，占地小，管理方便，机房环境清洁，是近几年推广应用较快的污泥脱水机。主要缺点是噪声大，离心机高速旋转，旋转叶片等部件要求耐磨性强，以延长使用寿命。离心机制造材质和加工精度要求严格，以保障长期自动连续稳定运行。设备投资较大。
　　污泥脱水机械选型时，应结合水厂规模、场地条件、管理条件和污泥性质等实际情况，主要从设备运行可靠性、系统自动化程度、污泥脱水效果、建设投资和处理成本等方面综合考虑进行合理选型，并注意PAM溶投设备、污泥浓缩池、脱水机和脱水污泥传输设备等相关设备的相互配套协调和稳定运行的可能性。