緊湊型水廠排泥水處理設(shè)計(jì)應(yīng)用

賴竺

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

過去認(rèn)為給水廠產(chǎn)生的排泥水對(duì)環(huán)境造成的危害性較小，給水廠排泥水處理容易被忽略，大多數(shù)給水廠將排泥水直接排入附近水體，部分不存在適宜受納水體或產(chǎn)生排泥水量較大的水廠才考慮進(jìn)行排泥水處理。但實(shí)際上給水廠沉淀池排泥水和濾池反沖洗水等自用水水量一般約占水廠總凈水量的4%～7%[1]，對(duì)水資源日益緊缺的現(xiàn)狀來說彌足珍貴，是不容放任流棄的水資源。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，除了新建水廠會(huì)考慮排泥水處理以外，一些有條件的水廠也陸續(xù)開始排泥水處理的改造項(xiàng)目。但對(duì)于目前大部分的排泥水處理建設(shè)項(xiàng)目用地均較為緊缺，尤其是改造項(xiàng)目，建設(shè)年代較久遠(yuǎn)的水廠通常沒有給排泥水處理系統(tǒng)預(yù)留用地，從而導(dǎo)致排泥水處理工程改造十分困難。

針對(duì)該類型用地緊張的緊湊型給水廠排泥水處理，以廣州市某改造擴(kuò)建水廠為例，開展排泥水改造工程設(shè)計(jì)，可為同類排泥水處理項(xiàng)目提供參考。

1 常規(guī)水廠排泥水處理系統(tǒng)

1.1 排泥水處理工藝流程

常規(guī)的排泥水處理工藝流程通常包括調(diào)節(jié)、濃縮及脫水3 道工藝[1]。

1.1.1 水量調(diào)節(jié)構(gòu)筑物

給水廠沉淀池排泥及濾池的反沖洗水均為間歇性排放，而排泥水處理流程中濃縮及脫水均需要均勻進(jìn)水，設(shè)置調(diào)節(jié)構(gòu)筑物有助于均衡來水流量、適當(dāng)調(diào)勻排泥水水質(zhì)，起到緩沖作用。

1.1.2 濃縮

目前常用的幾類脫水機(jī)對(duì)進(jìn)泥的含固率要求均不小于1.5%，而給水廠排泥水含固率通常在0.05%～0.5%，無法直接進(jìn)入脫水機(jī)。為最大限度地提高排泥水含固率，以保證能達(dá)到脫水機(jī)的進(jìn)泥要求，需要在脫水之前進(jìn)行濃縮。目前常用的濃縮方式有重力濃縮、氣浮濃縮和機(jī)械濃縮3 種形式，通常能將排泥水的含固率濃縮至約3%，從而保證濃縮池的出泥滿足脫水機(jī)的技術(shù)要求。

1.1.3 脫水

脫水是降低排泥水中含固率的主要手段，脫水后泥餅含固率通常在20%～45%，這樣污泥的運(yùn)輸以及儲(chǔ)存都會(huì)更加的便捷，同時(shí)處置污泥的費(fèi)用也被大大降低。幾乎所有的給水廠中都不會(huì)設(shè)置污泥處理處置設(shè)施，廠內(nèi)排泥水經(jīng)處理后泥餅需外運(yùn)處置，因此需要通過脫水大幅壓縮泥餅的體積，降低運(yùn)輸成本以及滿足污泥處理廠對(duì)接收污泥的要求。

1.2 常規(guī)水廠污泥處理工藝參數(shù)選擇

（1）《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）對(duì)排泥水處理的相關(guān)參數(shù)規(guī)定如下[2]：①原水濁度設(shè)計(jì)取值應(yīng)根據(jù)全量完全處理保證率達(dá)到75%～95%。②濃縮后污泥的含固率應(yīng)滿足選用脫水機(jī)械的進(jìn)泥濃度要求，且不低于2%。③固體通量、液面負(fù)荷宜通過沉降濃縮試驗(yàn)，或按相似排泥水濃縮數(shù)據(jù)確定。當(dāng)無試驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料時(shí)，輻流式濃縮池的固體通量可取干固體0.5～1.0kg/（m2·h），液面負(fù)荷不大于1.0m3/（m2·h）。

（2）部分已建給水廠工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 部分水廠工藝參數(shù)

由于處理干泥量取決于水廠設(shè)計(jì)規(guī)模、原水濁度、加藥量等參數(shù)，干泥量是表示排泥水處理規(guī)模的重要參數(shù)，因此采用單位干泥量用地面積來表示排泥水處理構(gòu)筑物所需占地面積大小。由于脫水機(jī)房占地面積主要取決于所采用的脫水工藝，故未納入用地面積指標(biāo)估算。由表1 可知，除南洲水廠，其他水廠的單位干泥量用地面積基本接近，單位干泥量用地面積介于120～160m2/（t·d-1）。

2 廣州市某水廠排泥水系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

2.1 項(xiàng)目概況

2.1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該廠現(xiàn)狀為3 萬m3/d，本項(xiàng)目為改造擴(kuò)建工程，廠區(qū)紅線占地面積約15335m2。擴(kuò)建后供水總規(guī)模為15 萬m3/d，凈水主體工藝流程為絮凝沉淀—超濾膜—清水池，排泥采用虹吸排泥。沉淀池設(shè)兩座，排泥水總量為3546m3/d；膜池設(shè)14 格，沖洗廢水排放量4066m3/d、化學(xué)清洗廢水單次最大排放量450m3。

該廠現(xiàn)狀無排泥水處理設(shè)施，水廠凈水規(guī)模改造擴(kuò)建的同時(shí)需配套同規(guī)模的排泥水處理系統(tǒng)。原水濁度計(jì)算取值按90%保證率時(shí)為73NTU，藥劑采用鋁鹽混凝劑，平均投加量為2mg/L，根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）[2]計(jì)算得排泥水總干泥量為17.73t/d，最終處理后外運(yùn)泥餅含固率大于40%。

2.1.2 改造存在問題

（1） 建設(shè)用地不足。該廠的單位用地面積為0.1m2/（m3·d-1），用地標(biāo)準(zhǔn)僅為《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》（GB 50282—2016）[6]推薦值的18%，且廠區(qū)外圍周邊地塊均為基本農(nóng)田，用地紅線無法外擴(kuò)，屬于用地極其緊湊的給水廠。項(xiàng)目范圍內(nèi)可供排泥水處理使用的地塊面積約為1800m2，單位干泥量用地面積約為102m2/（t·d-1），而按照常規(guī)水廠排泥水處理構(gòu)筑物的計(jì)算并結(jié)合表1 中的案例參考，在保證泥水處理效果的前提下，至少需要約2900m2的用地面積，因此該廠可供排泥水處理的建設(shè)用地嚴(yán)重不足。

（2）調(diào)節(jié)構(gòu)筑物需匹配膜池的排水。該廠的凈水主體工藝采用超濾膜工藝，不僅有常規(guī)的過濾沖洗廢水，還存在間歇性排放的化學(xué)清洗廢水，需進(jìn)行中和處理。因此，在常規(guī)的排泥水處理構(gòu)筑物基礎(chǔ)上，還需增設(shè)化學(xué)中和池，以供化學(xué)清洗廢水的處理。在該廠的排泥水設(shè)計(jì)中，如何平衡所需調(diào)節(jié)容積較大與用地不足之間的矛盾則是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

2.2.1 工藝流程

該廠排泥水處理系統(tǒng)主體工藝流程包括調(diào)節(jié)、濃縮、脫水，為保證排泥水的處理效果，通常來說這3 個(gè)步驟是環(huán)環(huán)相扣，緊密聯(lián)系的。而針對(duì)該廠要在極其有限的用地條件下滿足污泥外運(yùn)的含固率要求，不壓縮處理工藝，主要考慮以下兩個(gè)設(shè)計(jì)思路。

（1）調(diào)節(jié)池采用合建式。針對(duì)沉淀池排泥水和膜池過濾沖洗廢水，考慮合并收集，設(shè)置一座合建式調(diào)節(jié)池，相對(duì)于分建式調(diào)節(jié)池，總面積減小。但從目前國(guó)內(nèi)一些采用合建式調(diào)節(jié)池的水廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，后續(xù)的濃縮池效果普遍不理想[7]，原因在于廢水合并收集，稀釋了沉淀池排泥水，導(dǎo)致濃縮池的入流量增大，液面負(fù)荷加大，要達(dá)到相同的濃縮效果，需增大濃縮池的面積和體積。

（2）采用分建式，調(diào)節(jié)濃縮池疊合布置。由于調(diào)節(jié)池合建仍然難以大幅壓縮排泥水處理系統(tǒng)整體的占地，為保證濃縮效果，調(diào)節(jié)池仍考慮采用分建式。在傳統(tǒng)排水調(diào)節(jié)池、污泥調(diào)節(jié)池和濃縮池分建的基礎(chǔ)上，采用調(diào)節(jié)池與濃縮池疊合布置的形式，并增加化學(xué)中和池，排水調(diào)節(jié)池、化學(xué)中和池、污泥調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)為全地埋式，上部疊合布置濃縮池。該方案優(yōu)勢(shì)在于既沒有犧牲排泥水處理的效果，也能夠滿足現(xiàn)狀極有限的用地條件。

結(jié)合該廠的實(shí)際情況以及對(duì)排泥水出泥的要求，最終排泥水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用濃縮池與調(diào)節(jié)池疊合布置的形式，具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 廣州市某水廠排泥水處理工藝流程

2.2.2 排水調(diào)節(jié)池

排水調(diào)節(jié)池主要接收來自膜池過濾沖洗廢水和污泥濃縮池上清液。為方便檢修和清洗，排水調(diào)節(jié)池分兩格，共用一格吸水井，單格尺寸L×B=6.5m×6m。設(shè)計(jì)容積Q 為537.93m3，有效水深為4.50m。為防止池內(nèi)沉積，池內(nèi)設(shè)攪拌器2 臺(tái)。

2.2.3 化學(xué)中和池

化學(xué)中和池主要接收來自膜池化學(xué)清洗廢水及稀釋漂洗排水。為方便檢修和清洗，化學(xué)中和池分兩格，共用一格吸水井，單格尺寸L×B=6.5m×5m。設(shè)計(jì)容積Q為479.43m3，有效水深為4.50m。為防止池內(nèi)沉積，池內(nèi)設(shè)攪拌器2 臺(tái)。

2.2.4 污泥調(diào)節(jié)池

污泥調(diào)節(jié)池主要接收沉淀池排泥水及脫水機(jī)分離液。該廠共設(shè)置1 座污泥調(diào)節(jié)池，為匹配上部濃縮池的土建結(jié)構(gòu)，污泥調(diào)節(jié)池分3 格，其中兩格的尺寸分別為L(zhǎng)×B=22m×7.85m，及一格L×B=22m×11.9m，3 格共用吸水井。設(shè)計(jì)容積Q 為3110.5m3，有效水深為4.50m。為防止池內(nèi)沉積，每格池內(nèi)均設(shè)攪拌器。

2.2.5 污泥濃縮池

該廠設(shè)計(jì)濃縮池2 座，單座直徑16m，濃縮時(shí)間5h，有效水深4.4m，濃縮后污泥含固率為3%。設(shè)計(jì)采用改良型重力濃縮池，內(nèi)部鋪設(shè)斜管，固體通量2.2kg/（m2·h），設(shè)計(jì)最大液面負(fù)荷q=0.42m3/（m2·h），在保證液面負(fù)荷及處理效果滿足《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）[2]要求的同時(shí)，固體通量可做到規(guī)范推薦值的2 倍，有效壓縮濃縮池所需容積。

2.2.6 污泥平衡池及脫水機(jī)房

污泥經(jīng)濃縮后含固率為3%，為保障污泥平衡池的運(yùn)行安全，儲(chǔ)存時(shí)間取t=24h，本次設(shè)計(jì)平衡池為1 座2格，總尺寸4.7m×4.7m，有效水深4.4m。

綜合比選板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)及離心脫水機(jī)，由于該廠污泥最終外運(yùn)處置，希望能盡可能減少脫水污泥體積，以便降低運(yùn)輸費(fèi)用。而板框壓濾機(jī)出泥含固率在三者之中最高，故本次設(shè)計(jì)選用3 臺(tái)板框壓濾機(jī)，兩用一備，16h 工作，出泥泥餅含固率40%。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

該廠凈水主體工藝采用膜處理工藝，排放廢水較常規(guī)給水廠增加化學(xué)清洗廢水，需單獨(dú)處理?？紤]廢水水質(zhì)的多樣性，該廠排泥水系統(tǒng)采用分建式，分別設(shè)置排水調(diào)節(jié)池、化學(xué)中和池及污泥調(diào)節(jié)池以收集不同水質(zhì)的廢水。為滿足用戶對(duì)外運(yùn)污泥的含固率要求，設(shè)計(jì)采用板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水處理，前端配套污泥調(diào)節(jié)池、濃縮池及平衡池，構(gòu)成完整的全流程排泥水處理系統(tǒng)。

該廠排泥水系統(tǒng)設(shè)計(jì)最突出的問題在于對(duì)排泥水處理的高要求與建設(shè)用地極度有限之間的矛盾。針對(duì)這一問題，結(jié)合場(chǎng)地條件及高程關(guān)系，將調(diào)節(jié)、濃縮的土建構(gòu)筑物集成化疊合布置，下層布置兩類調(diào)節(jié)池及化學(xué)中和池，上層布置污泥濃縮池，廢水進(jìn)入該系統(tǒng)后，僅需從調(diào)節(jié)池至濃縮池提升一次，濃縮池上清液出水可利用重力排放。同時(shí)，該方案大幅壓縮了整個(gè)處理系統(tǒng)所需的占地面積，實(shí)現(xiàn)了在極度有限的用地條件下對(duì)排泥水的全流程處理，最終出泥泥餅含固率達(dá)到40%。

4 結(jié)語

廣州市某水廠用地極其緊湊，相對(duì)于常規(guī)的排泥水處理系統(tǒng)，還需增加化學(xué)中和池，且用戶對(duì)污泥出泥含固率要求較高。經(jīng)過綜合比選采用分建式排泥水處理系統(tǒng)，系統(tǒng)處理構(gòu)筑物包括排水調(diào)節(jié)池、化學(xué)中和池、污泥調(diào)節(jié)池、濃縮池、平衡池、脫水機(jī)房等，通過將調(diào)節(jié)、濃縮池疊合布置，既有效地利用了高程關(guān)系，又大幅減少占地面積，確保了在有限的用地條件下完成排泥水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可為我國(guó)用地條件有限的緊湊型水廠排泥水處理設(shè)計(jì)提供參考。