林元昆 廖建勝 郭婧 吳亨 張思 黃萍 葉浩然 劉亞妮

（溫州杭鋼水務(wù)有限公司，浙江溫州 325000）

1 引言

隨著城市化發(fā)展進程不斷推進，現(xiàn)有建設(shè)用地的價值提升以及周邊生態(tài)環(huán)境的改善和優(yōu)化成為制約城市化發(fā)展的瓶頸。2020 年5 月8 日，浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布了《關(guān)于進一步加強城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)管理工作的指導意見》［1］，文件中指出用地緊張的發(fā)達市縣，2020 年6 月30 日之后立項建設(shè)5 萬t/d 以上規(guī)模的城市污水處理廠原則上要采取地埋式建設(shè)模式。地埋式建設(shè)模式與傳統(tǒng)污水廠的建設(shè)模式相比較，在建設(shè)費用上會提高1/3～1/2［2］，但在占地方面能節(jié)約1/3～1/2。并且出于對節(jié)省空間的考慮，地埋式污水廠在工藝選擇上一般會采用占地少、短流程、高效果的工藝類型，比如雙層二沉池、高效沉淀池、纖維濾池以及反硝化濾池等。其中，高效沉淀池作為污水深度處理的重要工藝，因為在去除總磷、穩(wěn)定出水等方面較為優(yōu)異，所以被各大污水廠廣泛運用。高效沉淀池根據(jù)其混凝技術(shù)不同可分為砂混凝、磁混凝和傳統(tǒng)混凝等。雖然新興的混凝技術(shù)在沉降效果、沉降時間上有巨大的優(yōu)勢，但是砂礫、磁粉等重介質(zhì)的帶入容易磨損設(shè)備，甚至回收不徹底的砂礫和磁粉會改變剩余污泥的性質(zhì)，對后期污水處理設(shè)施穩(wěn)定運行和污泥安全處置帶來不確定性。因此，高負荷、藥耗低、運行穩(wěn)定、出水水質(zhì)好的傳統(tǒng)高效沉淀池仍將是今后污水處理廠深度處理的技術(shù)首選。本文以某40 萬t/d 的半地埋城鎮(zhèn)污水廠高效沉淀池的實際運行情況作為案例，分析研究高效沉淀池穩(wěn)定運行的不確定因素，并且從回流污泥、泥層高度、反應(yīng)池濁度、聚合氯化鋁（PAC）投加量和聚丙烯酰胺陰離子（PAM－）的投加量等維度去優(yōu)化高效沉淀池工藝參數(shù)，實現(xiàn)降低藥耗、穩(wěn)定運行的目的。

2 某半地埋城鎮(zhèn)污水處理廠高效沉淀池的運行現(xiàn)狀

某半地埋城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計總規(guī)模為40 萬t/d，污水處理工藝采用“粗格柵＋細格柵＋曝氣沉砂池＋A2O 生化池＋雙層二沉池＋高效沉淀池＋濾布濾池＋紫外消毒”處理工藝，原設(shè)計尾水執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準，但于2020 年1 月1 日開始按照清潔排放標準控制，其中出水總磷排放指標從0.5 mg/L 提升至0.3 mg/L。該廠8 號高效沉淀池的混合池、絮凝池和斜管沉淀池的設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計見表1。經(jīng)過計算得到混合池池容為50.59 m3，絮凝池池容為570.83 m3，斜管沉淀池池容為1 631.25 m3，設(shè)計上升流速為3.5 mm/s。其中，該廠污水處理量的總變化系數(shù)Kz 為1.3，計算得到8 號高效沉淀池最大單池處理量為2 708.3m3/h，混合池停留時間為1.12 min，絮凝池停留時間為12.6 min，沉淀區(qū)上升流速為4.5 mm/s。

表1 某污水廠8 號高效沉淀池參數(shù)

2020 年1—5 月該廠的污水處理量情況統(tǒng)計見表2。從表2 中得到：（1）1 月、2 月該廠日均污水處理量相對較少，3 月之后污水處理量相對較為充足，根據(jù)該污水廠地域的降雨量會隨著季節(jié)變化推斷該污水廠的污水處理量也會隨著季節(jié)變化而變化。（2）經(jīng)過計算得到目前該廠最高污水處理負荷為設(shè)計負荷的106.0%，最低為57.4%，并且該廠每月的日平均污水處理量波動較大，結(jié)合當?shù)氐臍夂蜃兓闆r推斷降雨是引起該廠污水日平均處理量波動的主要原因。

表2 2020 年1—5 月某污水廠污水處理量變化 m3

3 高效沉淀池穩(wěn)定運行的影響因素分析

3.1 進水量

進水量變化是城鎮(zhèn)污水廠高效沉淀池穩(wěn)定運行的首要限制因素。第一，水量變化會直接影響污水在生化段內(nèi)的停留時間（HRT），影響生化段出水總磷的去除效果，進而提高了高效池進水總磷濃度；第二，水量變化影響泥水在二沉池的分離效果，不足的HRT 容易引起二沉池飄泥，導致高效池進水懸浮物（SS）變高；第三，水量變化會影響高效池各個階段的混合效果和HRT，進而影響高效池自身對總磷、SS的處理效果；第四，進水量變化對高效池泥位具有沖擊作用，容易導致高效池泥層高度變高而出現(xiàn)飄泥現(xiàn)象。

3.1.1 進水量對高效沉淀池HRT 的影響分析

結(jié)合HRT 的計算公式：HRT＝V/Q（h），分析單池進水量在1 196～2 208 m3/h 范圍內(nèi)HRT 的變化，通過計算得到表3。從表3 中發(fā)現(xiàn)，混合池HRT 在1.37～2.54 min，絮凝池HRT 在15.51～28.64 min，斜管沉淀池HRT 在44.33～81.84 min。其中，混合池的HRT 影響PAC 的混合效果和總磷去除率，絮凝池的HRT 影響絮凝效果和絮體大小，斜管沉淀池HRT 影響絮體的沉降效果。因此，當HRT 縮短時，應(yīng)盡量提高混凝池的攪拌速率，避免混合不均勻的情況，同時適當加大絮凝劑的投加量以及絮凝池的攪拌速率。

表3 水流量對高效沉淀池停留時間的影響

3.1.2 進水量對絮體臨界沉速的影響分析

用混凝劑處理SS 含量在200～250 mg/L 以內(nèi)的渾濁水時，絮體特定沉速為0.35～0.45 mm/s［3］。根據(jù)某污水廠斜管的管徑為DN 50，傾角為60°，通過公式U0=0.119 5×V/sin60°［4］（U0為絮體臨界沉速，V 為沉淀池上升流速）計算得到表4。 由表4 可以發(fā)現(xiàn)，當進水量變大時，上升流速、絮體臨界沉速會跟著變大，當水量達到2 083 m3/h 時，絮體臨界沉速為0.483 mm/s，大于絮體的特定沉速。因此，沉淀池在高負荷運行條件下，絮體更加容易發(fā)生飄泥現(xiàn)象。

表4 進水量與斜管上升流速、絮體臨界沉速的關(guān)系 mm/s

3.1.3 進水量對混凝反應(yīng)條件的影響分析

3.1.3.1 人為因素

某污水廠加藥裝置設(shè)計時未安裝藥劑投加量與進水量的聯(lián)動調(diào)節(jié)功能，僅僅依靠運行人員的判斷，只能實現(xiàn)加藥粗放式控制。因此當進水量發(fā)生變化而不能及時調(diào)整加藥量時，會導致藥劑量偏離最佳的反應(yīng)條件，進而降低高效沉淀池處理效果。

3.1.3.2 反應(yīng)時間

時間是反應(yīng)階段的重要影響因素之一。混合池進行快速混合，理論停留時間控制在0.5～1.0 min［5］，在該區(qū)域完成PAC 藥劑的快速混合。絮凝反應(yīng)區(qū)進行慢速混合，停留時間20～25 min，完成絮凝反應(yīng)。但從表3 中可以發(fā)現(xiàn)，滿負荷情況下絮凝反應(yīng)的時間僅為16.44 min，較短的反應(yīng)時間會影響泥團絮凝和沉降效果，因此該廠的絮凝時間表現(xiàn)不足，需要通過其他途徑來提高絮凝效果。

3.1.4 進水量對高效沉淀池泥層高度的影響分析

控制高效沉淀池工藝參數(shù)不變，觀察進水量對高效沉淀池泥層高度的影響，結(jié)果見表5。通過表5可以看到，隨著進水量變大，高效沉淀池泥層高度越高，原因推斷為較大的水流更加容易對池底的泥位產(chǎn)生沖擊導致泥層變高。

表5 進水量對高效沉淀池泥位的影響

3.2 高效沉淀池污泥

3.2.1 剩余污泥量

某半地埋城鎮(zhèn)污水廠高效沉淀池設(shè)計PAC 投加量為40～50 mg/L，PAM－投加量為1.0 mg/L，單池剩余污泥排放量為206.15 m3/d，根據(jù)剩余污泥含水率99.0%計算，得到干泥產(chǎn)量為2.06 t/d。然而，實際上該廠高效沉淀池投加有效鋁含量為10%時PAC 為70 mg/L，PAM－投加量為0.75 mg/L，2020 年3—6 月雙層二沉池出水SS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。由表6 得到該廠高效沉淀池SS 凈去除量約為10 mg/L。當該廠污水處理量在40 萬t/d 的情況下，總磷的去除量按0.8 mg/L 計算，則每日高效沉淀池的干泥產(chǎn)量通過物料守恒定律可以獲得，高效沉淀池剩余污泥量的計算公式為：

高效沉淀池剩余污泥=

（SS進水-SS出水）×Q進水量+M總磷去除+M有效鋁+MPAM-

根據(jù)上述計算得到，該廠高效沉淀池實際污泥產(chǎn)量為7.42 t/d，遠遠大于設(shè)計干泥產(chǎn)量2.06 t/d 的標準。其中，二沉池出水SS 可以占高效沉淀池剩余污泥產(chǎn)量的54%。因此，剩余污泥量除了受回流污泥量、加藥量的影響外，受到二沉池出水SS 影響較大。當剩余污泥無法順利排出系統(tǒng)時，還會引起反應(yīng)池污泥濃度的升高，斜管沉淀池甚至會出現(xiàn)飄泥現(xiàn)象。

表6 2020 年3—6 月某污水廠二沉池及高效池出水SS 情況 mg/L

3.2.2 反應(yīng)池污泥與總磷去除率的關(guān)系

取高效池沉淀后的污泥作為回流污泥開展燒杯實驗。實驗條件設(shè)置為：（1）PAC 投加量為60 mg/L，攪拌時間為5 min；（2）PAM－投加量為0.8 mg/L，攪拌時間為5 min；（3）對照組控制回流污泥的投加量為5～50 mL。通過實驗得到表7，從表7 中可以得到當反應(yīng)池污泥的濁度從23.3 NTU 提高到82.5 NTU 時，總磷的去除率從66.99%提高到了90.29%。

表7 高效反應(yīng)池污泥濁度與總磷去除率的關(guān)系

同時繪制反應(yīng)池污泥濁度與總磷去除率的關(guān)系圖見圖1。由圖1 得到在條件不變的情況下，總磷的去除率隨著污泥濁度提高而提高，當濁度達到56.3 NTU 后，總磷去除效果增速變緩。

圖1 高效反應(yīng)池污泥濃度與總磷去除率的關(guān)系

3.3 高效池泥位

3.3.1 泥位對斜管沉淀池的影響

泥位的高低會直接影響斜管沉淀池的有效池深。某污水廠斜管沉淀池液位高度為7.25 m，進水口液位深度為3.35 m。隨著泥位變高，沉淀區(qū)的有效池容變小，水流更加容易對底泥沖擊，導致惡化飄泥。斜管沉淀池理論設(shè)計HRT 一般為30～60 min［6］，而不同的HRT 會影響污泥沉降完成情況。從表8 中可以得到，當泥位在3.0 m 時，HRT 縮短到了27.5 min，小于30 min 的設(shè)計最低參考標準。

表8 設(shè)計水量下泥層高度對斜管沉淀池HRT 的影響

3.3.2 回流泵開啟頻率對泥層高度的影響

通過調(diào)節(jié)回流泵的頻率，待穩(wěn)定后觀察現(xiàn)場高效沉淀池泥層高度的變化和反應(yīng)池污泥濁度，結(jié)果見表9。從表9 中可以得到，當調(diào)節(jié)高效沉淀池回流泵頻率從10 Hz 至50 Hz，反應(yīng)池污泥濁度呈上升趨勢，但沉淀池泥層高度變化不大。

表9 回流泵功率與泥層高度的關(guān)系

3.4 藥劑

混凝反應(yīng)條件的影響因子有很多，比如進水的總磷濃度、HRT、反應(yīng)池污泥濃度、PAC 投加量、PAM－投加量等。其中，藥劑投加量因為條件可控，所以是高效沉淀池工藝參數(shù)優(yōu)化的首選。

3.4.1 PAC 投加量對總磷去除量的影響分析

開展關(guān)于PAC 投加量對總磷去除量的影響實驗，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表10。

表10 PAC 投加量對總磷去除量的影響分析實驗 mg/L

同時繪制PAC 投加量與總磷凈去除量的關(guān)系圖，見圖2。

圖2 PAC 投加量對總磷去除量的影響趨勢

通過表10 以及圖2 可以發(fā)現(xiàn)，總磷凈去除量隨著PAC 投加量的增加呈拋物線增長，但PAC 有效利用率逐漸下降。在確保出水總磷0.3 mg/L 達標排放時，PAC 投加量應(yīng)控制在80 mg/L 左右效益最高。

3.4.2 PAM－對絮凝效果的影響分析

PAM－作為一種高分子的絮凝劑，它有利于高效沉淀池污泥的絮凝沉降。但是投加量過大不僅提高成本，還會對后續(xù)處理設(shè)備帶來不良影響，如引起濾布濾池堵塞、紫外消毒效果不佳以及濾布老化等問題。因此，開展不同PAM－的投加量對污泥沉降時間及絮凝效果的影響實驗得到表11 和圖3。通過表11和圖3 可以發(fā)現(xiàn)：（1）投加PAM－少量時，泥位相對偏低，但沉降時間延長，水質(zhì)變差；（2）投加PAM－過量時，泥位、水質(zhì)以及成團沉降時間變化不大，但藥劑成本提高；（3）投加PAM－在0.8～1.0 mg/L 時，絮凝效果最佳，且絮體較大、水質(zhì)清澈、成團沉降時間短，經(jīng)濟效益最高。

表11 PAM－投加量對污泥沉降的實驗

PAM-投加量與污泥成團沉降時間的關(guān)系見圖3。

圖3 PAM-投加量與污泥成團沉降時間的關(guān)系

4 結(jié)論

高效沉淀池穩(wěn)定運行的影響因素有很多，本文分別通過對高效沉淀池的進水量、高效沉淀池污泥以及藥劑展開分析研究，得出以下幾點結(jié)論：

（1）污水處理量對高效沉淀池的影響主要表現(xiàn)在HRT、絮體臨界沉速、反應(yīng)條件以及對泥位的影響。HRT 直接影響高效沉淀池的混合時間、混凝時間和沉降時間；絮體臨界沉速變大，容易引起斜管沉淀池出現(xiàn)飄泥狀況；高效沉淀池反應(yīng)條件控制主要受人為因素和反應(yīng)時間影響；當泥位受水流沖擊時，容易導致泥層變高，局部飄泥等。由于該廠污水處理量受降雨量的影響較大，因此可以根據(jù)季節(jié)和天氣情況設(shè)定合理的階段進水時間，以保證水量的穩(wěn)定。同時，通過自控手段實現(xiàn)污水處理量與藥劑投加量之間的智能調(diào)節(jié)。

（2）高效沉淀池污泥的不穩(wěn)定因素有：由于二沉池出水SS 不穩(wěn)定導致高效沉淀池反應(yīng)池污泥濃度和剩余污泥量的不可控性；不同的反應(yīng)池污泥濃度對絮凝效果和總磷去除具有差異性。高效沉淀池泥位會影響斜管沉淀池的有效容積和HRT。回流污泥量對高效沉淀池泥位影響較弱，但會影響反應(yīng)池的污泥濁度和總磷去除率。因此，控制好二沉池出水SS、剩余污泥排放量對高效沉淀池污泥量的穩(wěn)定極為重要，并且合理的反應(yīng)池污泥濃度可以有效提高高效沉淀池總磷的去除率。

（3）藥劑的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在PAC 藥效和PAM－藥效上。PAC 投加量對總磷去除率呈拋物線關(guān)系遞增，但投加量越低時PAC 的有效利用率越高。PAM－投加量對泥位以及沉降效果具有一定影響，一方面PAM－投加量較少時會降低泥位，但沉降效果變差；另一方面PAM－投加量越大時絮體越大、沉降時間越短，但泥位會相對較高。因此，根據(jù)高效沉淀池進水總磷濃度以及反應(yīng)池的污泥濃度設(shè)置合理的PAC 投加量以及PAM－投加量，可以有效降低藥劑成本。

總之，為了達到高效沉淀池穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗的目的，需要控制穩(wěn)定的進水、合理的反應(yīng)池污泥濃度以及最適宜的藥劑投加比。