自來水廠排泥水處理污泥量的確定方法

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簡介： 實施自來水廠排泥水處理，首先需要確定自來水廠的污泥量，就此將污泥量分為排泥水量和干污泥量。排泥水量可根據(jù)沉淀池排泥運行方式和濾池反沖洗運行方式來確定。對于干污泥量的確定介紹了計算法和物料平衡分析法，物料平衡分析法可作為計算法的補充，對計算法的結果進行校核。
關鍵字：自來水廠 排泥水 污泥量 污泥處理

0　概述

　　自來水廠排泥水含有大量來自原水的污染物，排泥水直接排放，會對地表水體造成污染。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高，我國自來水廠排泥水處理已經(jīng)提上議事日程。

　　實施排泥水處理，首先必須確定合理的污泥量，因為污泥量的確定直接影響整個排泥水處理工程的設計規(guī)模，從而影響到設備配置和投資規(guī)模。自來水廠的污泥量受多種因素影響，包括原水水質、水處理藥劑投加量、采用的凈水工藝和排泥的方式等。污泥量確定包括兩方面內容：一是排泥水總量，它決定濃縮池規(guī)模；二是總干泥量，確定污泥脫水設備的規(guī)模。

　　污泥量確定一般需要較長時間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果，因此即使目前沒有建設排泥水處理工程計劃的自來水廠，著手進行有關水廠污泥產(chǎn)量資料的收集工作仍然是明智之舉。

1　排泥水總量確定

　　排泥水總量可分為沉淀池(或澄清池，下同)排泥水量和濾池反沖洗廢水量兩部分。

　　通?？梢哉J為自來水廠一泵房取水量和二泵房出水量之間的差值即為自來水廠排泥水的總量。但它不能分別確定出沉淀池排泥水量和濾池反沖洗廢水量，且這一估算方法不夠準確。

　　已投產(chǎn)的自來水廠，根據(jù)水廠的有關運行參數(shù)可以較準確地計算出沉淀池排泥水量和濾池反沖洗廢水量。水廠沉淀池采用人工定時排泥，只需根據(jù)每天排泥次數(shù)、每次排泥歷時和排泥流量以及沉淀池格數(shù)，就可以計算出沉淀池的排泥水量。同樣道理，也可以根據(jù)濾池每天沖洗次數(shù)、每次沖洗歷時、沖洗強度及單格濾池面積和格數(shù)，計算出濾池反沖洗廢水量。如果沉淀池排泥和濾池反沖洗實現(xiàn)了自動化運行，則需要對水廠沉淀池排泥和濾池反沖洗進行現(xiàn)場觀測，了解沉淀池排泥和濾池反沖洗流量、每次歷時和統(tǒng)計每天排泥或沖洗的次數(shù)，然后進行計算。

　　尚未建成或仍處在設計階段的自來水廠，沉淀池排泥水量和濾池反沖洗廢水量可根據(jù)沉淀池排泥和濾池反沖洗的設計參數(shù)進行估算，也可以參照已建成投產(chǎn)的、條件相近的自來水廠實際運行資料進行估算。

　　排泥水總量的確定，最好能繪制出排泥水量在一天內的變化曲線。由于水廠沉淀池排泥和濾池反沖洗都是在較短的時間內完成，瞬間流量很大，繪出變化曲線，對確定排泥水截留池和濃縮池設計規(guī)模有很大幫助。

2　干污泥產(chǎn)量確定

2.1　計算法

　　根據(jù)投加混凝劑在混凝過程中的化學反應、原水中懸浮固體對污泥量的貢獻及其它污泥成份的來源，可以近似地計算出干污泥的產(chǎn)量。當硫酸鋁用作混凝劑時，化學反應可簡化為：

Al₂(SO₄)₃·14H₂O+6HCO₃^-=

2Al(OH)₃+6CO₂+14H₂O+3SO₄^2-(1)

　　由式(1)可知，氫氧化鋁是形成污泥的主要產(chǎn)物。根據(jù)方程式的計量關系，投加1 mg/L的Al₂(SO₄)₃·14H₂O大約會產(chǎn)生0.26 mg/L的氫氧化鋁沉淀物。原水中的懸浮物因為在混凝過程中不發(fā)生化學變化，它將產(chǎn)生相同重量的干污泥。其它水處理中的添加物，如高分子絮凝劑或粉末活性炭，也可認為以1∶1的比例產(chǎn)生污泥。

　　根據(jù)以上分析，可以建立干污泥量的計算公式。同樣的分析也適用于鐵鹽作混凝劑的凈水工藝。

　　日本水道協(xié)會［1］推薦采用(2)式計算干污泥量：

S=Q(TE₁+CE₂)×10^-6(2)

　　式中S--干污泥量，t/d；

Q--自來水廠凈水量，m³/d；

T--原水濁度，NTU；

E₁--原水濁度與SS的換算率；

C--鋁鹽混凝劑投加率(以Al₂O₃計)，mg/L；

E₂--鋁鹽混凝劑(以Al₂O₃計)換算成干污泥量的系數(shù)，取1.53。

　　英國水研究中心［2］推薦用(3)式計算干污泥量：

　　S=2T+0.2C+1.53A+1.9F　　　　(3)

　　式中S--干污泥量,mg/L；

　　　　T--去除的原水濁度，NTU；

　　　　C--去除的原水色度，H；

A--鋁鹽混凝劑投加率(以Al₂O₃計)，mg/L；

F--鐵鹽混凝劑投加率(以Fe計)，mg/L。

　　美國Cornwell［3］推薦用(4)式和(5)式分別計算用鋁鹽和鐵鹽作混凝劑時的污泥產(chǎn)量：

　　 S= 8.34Q(0.26Al+SS+A)　　　　(4)

　　　　S= 8.34Q(1.9Fe+SS+A)　　　　(5)

　　式中S--干污泥量，lb/d(1 lb/d=0.453 6 kg/d)；

　　　　Q--自來水廠凈水量，mgd(1 mgd=3.785×10³ m³/d)；

　　　　Al--鋁鹽混凝劑投加率(以Al₂(SO₄)₃·14H₂O計)，mg/L；

　　　　Fe--鐵鹽混凝劑投加率(以Fe計),mg/L；

　　　　SS--原水總懸浮固體，mg/L；

　　　　A--水處理中其它添加劑，mg/L。

　　同時Cornwell推薦(6)式為原水濁度T與SS關系式：

　　SS=bT　　(6)

　　式中b--SS與濁度T的相關系數(shù)；

　　　 T--原水濁度，NTU。

　　Cornwell認為，在原水色度不高的情況下，b在0.7～2.2之間變化。綜合以上3種計算公式，可知它們均出于同一思路，具有相似的形式，都要求測定原水濁度與SS的相關關系，這主要是因為SS的測定比較煩瑣，自來水廠一般不對原水的SS做常規(guī)分析，而對原水濁度則有每天的記錄。

2.2　混凝劑物料平衡分析法

　　該方法是根據(jù)自來水處理系統(tǒng)中混凝劑成份的物料平衡進行分析的。無論在凈水過程中加入什么樣的混凝劑，它在水處理系統(tǒng)中的物料進入和排出應該是平衡的。該法第一步，分析所用混凝劑中的鋁(或鐵)的實際含量，然后計算出凈水過程中向原水加入鋁(或鐵)的投加率；第二步，獲取自來水廠原水、沉淀池排泥水、濾池反沖洗廢水和出廠水樣品，并對這些樣品進行鋁(或鐵)含量的分析；第三步，對排泥水平行樣品進行總懸浮固體的分析。經(jīng)過以上的分析，干污泥產(chǎn)量就可以計算出來。

　　例如，假設一個10萬m³/d的自來水廠，由混凝劑投入原水的鋁為5 mg/L，沉淀池排泥水分析測得總懸浮固體濃度為1.0%，其中鋁的含量測得為400 mg/L。這里忽略原水、濾池反沖洗廢水和出廠水中微量鋁的影響，則每天加入凈水系統(tǒng)的鋁為： 10×10⁴×10³×5=5.0×10⁸mg/d。

　　因為排泥水中含有400 mg/L的鋁，則總排泥水量為1.25×10⁶ L/d(5.0×10⁸/400)或1250 m³/d，則干污泥量為1.25×10⁴ kg/d(12.5 t/d)。

　　由于任何一種方法都難以準確地確定自來水廠的干污泥量，因此建議以兩種方法所得到的結果進行相互校核。

3　原水濁度與SS相關性分析

　　計算法是應用較多的干污泥量確定方法，該方法需要確定原水濁度T與SS之間的相關關系。不同地域、不同水源及不同季節(jié)這個相關關系可能存在較大差異，因此建議每個自來水廠都對原水進行濁度T與SS相關關系的測定，測定的時間應盡可能長些，有一年以上的時間跨度。測定結果可以進行分月、分季度原水濁度T與SS相關關系分析。

　　Cornwell［4］列舉了一個濁度T與SS相關關系的例子(見圖1)。由圖1可知，該測定結果有較強的相關性。

圖1　Cornwell的原水濁度T與SS相關關系

　　圖2和圖3分別是作者對上海市A水廠和B水廠原水濁度T與SS相關性分析的結果，從圖中可以看出，自來水廠原水濁度T和SS有較好的相關性。

　　圖2　上海市A水廠原水濁度T與SS相關關系

圖3　上海市B水廠原水濁度T與SS相關關系

　　從以上圖中可以看出，不同水源水的相關關系存在較大差別。實際上，即使在同一水源，不同季節(jié)測定的相關關系也可能會有變化。

　　在測定濁度T與SS相關關系時，原水SS的測定必須認真仔細。因為部分濾紙能濾過的顆粒在混凝時則能夠從水中去除，因此有條件的地方應采用0.45 μm的濾膜代替濾紙進行過濾，以提高測定的準確性。有很多水廠的原水濁度T和SS都很低(如湖泊、水庫水)，為了提高測定的準確性，SS測定時需要采集1 L甚至幾L水樣進行過濾。各自來水廠可以通過摸索后確定實際測定的水樣量。

　　如果原水的色度很高，對污泥產(chǎn)量會存在影響。因為大多數(shù)原水的色度在濾紙過濾時不會被截留，而在水處理工藝中色度會被混凝、沉淀、過濾工藝去除，形成色度的物質也會存在于污泥中。在這種情況下，計算干污泥量時應考慮色度的影響。

4　自來水廠排泥水處理干污泥量設計值的選取

　　自來水廠干污泥產(chǎn)量隨原水濁度、處理水量、混凝劑投加率變化，因此水廠的干污泥產(chǎn)量是一個變量。那么，選擇怎樣的干污泥產(chǎn)量設計值才是經(jīng)濟合理的呢?

　　一般可以用兩種方法來確定自來水廠干污泥量設計值。一種方法是目前設計單位常采用的，就是通過試驗分析原水濁度T和SS的相關關系，通過資料分析確定原水濁度的設計值和混凝劑投加率設計值，再結合水廠規(guī)模，根據(jù)計算公式算出干污泥量設計值。用原水濁度最大值和混凝劑最大投加率對設計值進行最不利情況校核。例如：試驗得出B水廠原水濁度T與SS 的相關關系為：y=0.6x，考慮一定的安全系數(shù)，取濁度T和SS的比值為1∶1。該水廠原水濁度和混凝劑投加率分析分別見圖4和圖5。

　　圖4　B水廠原水濁度統(tǒng)計分析結果

圖5　B水廠混凝劑投加率統(tǒng)計分析結果

　　從圖4可以看出，B水廠原水濁度主要分布在20～75 NTU之間，其中在40～45 NTU之間出現(xiàn)的概率最高。從累積概率曲線看，濁度65 NTU以下占近80%。因此取65 NTU作為濁度設計值。從圖5可以看出，該廠混凝劑投加率主要在12～14 mg/L之間，投加率16 mg/L以下的累積概率在75%左右，因此取16 mg/L作為混凝劑投加量設計值。由于該廠是以Al₂(SO₄)₃·18H₂O計量混凝劑投加率，它與Al(OH)₃的化學計量關系為0.234。另外，該廠去除色度約10 度，水處理規(guī)模為40萬?m³/d，根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計算該廠干污泥量的設計值：

S =4.0×10 8×(0.234×16+65×1+10×0.2)÷1.0×10⁹

=28.3 t/d

　　該廠原水濁度最大值為109 NTU，混凝劑最大投加率為29.8 mg/L，則最大干污泥產(chǎn)量：

S_max =4.0×10 8×(0.234×29.8+109×1+10×0.2)÷1.0×10⁹

=47.2 t/d

　　　如果以28.3 t/d設計脫水設備，每天運行1班，則增加1班就可滿足處理最大日污泥量的要求。

　　選取干污泥量設計值的另一種方法是根據(jù)水廠每天的處理水量、原水平均濁度及當天的混凝劑投加率，計算出每天的干污泥產(chǎn)量。然后對一定時間內日干污泥產(chǎn)量進行統(tǒng)計分析，就可以得到：平均每天的干污泥產(chǎn)量；最高日的干污泥產(chǎn)量；出現(xiàn)概率最高的干污泥產(chǎn)量范圍。

　　如果脫水設備正常情況下每天運行1班，則干污泥產(chǎn)量設計值可以依據(jù)以下原則選?。?

　　(1)該設計值必須大于平均每天的干污泥產(chǎn)量；

　　(2)該設計值要大于最高日干污泥產(chǎn)量的1/3；

　　(3)該設計值應不小于概率最高的干污泥日產(chǎn)量范圍。

　　依據(jù)這三條原則確定的干污泥量設計值，當干污泥產(chǎn)量在最大概率的污泥日產(chǎn)量以下時，可以使污泥脫水在正常運行模式下完成。當干污泥產(chǎn)量超 過設計值時，可以通過以下途徑解決：

　　(1)增加污泥脫水設備運行班次，直至每天24 h運行；

　　(2)通過排泥水處理工藝系統(tǒng)的平衡調節(jié)池貯存過量的污泥。

　　例如B水廠日干污泥產(chǎn)量分析見圖6，其平均干污泥產(chǎn)量為12.66 t/d，最大干污泥產(chǎn)量為30.94 ?t/d。　?

　　圖6　B水廠干污泥日產(chǎn)量分析結果

　　從圖6可以看出，該廠干污泥日產(chǎn)量出現(xiàn)概率最高為8～10 t/d，有90%的概率是在18 t/d以下，如果選取18 t/d作為干污泥日產(chǎn)量的設計值完全符合上述選取原則，也可以滿足處理要求。需要說明的是，以上所舉兩例，前一種方法計算干污泥量時每天的處理水量是以40萬m ³/d進行計算的，后一種方法是以每天實際處理水量來進行計算的，由于實際處理水量不到40萬m³/d，因此兩者所選取的值差別較大。比較以上兩種方法所得到的結果可知，前一種方法偏于安全。

　　上述方法確定的干污泥量設計值，既能保證排泥水處理的正常運轉，又充分考慮了利用排泥水處理運行模式可挖掘的潛力，是經(jīng)濟可行的選取方法。

5　結論

　　(1)實施自來水廠排泥水處理工程，確定經(jīng)濟合理的污泥產(chǎn)量十分重要。

　　(2)污泥量確定包括排泥水量和干污泥產(chǎn)量，排泥水量決定排泥水處理工程中濃縮池規(guī)模，干污泥量則決定脫水設備規(guī)模。

　　(3)排泥水量需根據(jù)自來水廠沉淀池排泥方式和濾池反沖洗方式確定，相對較容易。

　　(4)干污泥量可用計算法和物料平衡分析法進行確定，其中計算法使用較多。建議用兩種方法所得到的結果進行相互校核。

　　(5)計算法要求分析自來水廠原水濁度T與SS的相關性。研究表明，同一水源濁度T與SS均有一定的相關性，但不同水源間這一相關關系差別較大，因此每一水廠都應進行原水濁度T與SS相關性的分析。

　　(6)干污泥量設計值的選取有兩種方法，一種方法是先選取原水濁度的混凝劑投加率的值，然后進行計算獲得；另一種方法是先計算出一定時間范圍內水廠每天的干污泥產(chǎn)量，然后分析得出干污泥產(chǎn)量設計值。前一種方法偏安全。

　　參考文獻

1　日本水道協(xié)會.水道設施設計指南·解說.1990
2　英國水研究中心.九十年代污泥處理手冊.1992
3　Cornwell D A. Management of Water Treatment Plant Sludges.In:Sludge and Its Ultimate Disposal,Ann Arbor Science,1981