净水厂污泥处理调节构筑物设计探讨

何纯提

　　【摘要】 本文主要论述净水厂污泥处理调节构筑物的作用、形式；调节构筑物设计的基本思路。
　　【关键词】 污泥处理 调节 排水池 排泥池 分建式 合建式

　　污泥处理流程大致分为调节、浓缩、脱水、处置四道基本工序。净水厂的污泥处理可根据污泥的特性及各水厂的具体情况由全部和部份工序组成。本文就调节工序中的有关问题进行论述。

1 调节功能分析

　　各种生产废水一般水质、水量变化较大，为了减少冲击负荷对处理工艺的不良影响，可用调节池对水质进行均和，对水量加以调节。
　　调节池的型式和容量的大小，随生产废水的特点和对调节的要求的不同而异。如果生产废水的水质变化不大，对处理没有影响，而只需要在水量上有所贮存，这时只需要设置有足够容量的水池，作为水量调节之用，贮存盈余，补充短缺，使后续处理设备在运行时间内能够得到均衡的进水量，保证进常工作。因此水量调节池，在设计上只考虑足够的池容，而不拘形状，也勿需特殊设备。
　　如果水质也有很大变化，则为了使生产废水在水质浓度和组份上的变化得到均衡，减轻由于水质变化对处理设备的冲击影响，不仅要设置足够容积的调节池，而且在水池构造和功能上还需考虑达到在水池调节周期内不同时间进出水水质均和的措施，以便使在不同时段流入池内的生产废水都能达到完全混合的要求。目前在调节池内使废水完全混合的措施有空气搅拌、机械搅拌，水泵强制循环等几种方式。
　　净水厂污泥处理的对象是净水厂生产构筑物排出的生产废水，主要是沉淀池排泥，滤池反冲洗水。其成份是原水中悬浮物质的大部份，溶解物质的一部分和混凝剂形成的矾花。在质的组成上，不会有太大的区别，只是浓度上有变化，因此净水厂污泥处理调节工序以水量调节为主。由于沉淀池排泥和滤池反冲洗排水是间断的，如一些沉淀池间隔几小时排一次泥，一次延续几分钟或十几分钟；滤池也是间断反冲洗；因此其量和质是不稳定的，如果沉淀池排泥和滤池反冲洗水直接进入浓缩池，浓缩池接受脉冲负荷的冲击，严重影响浓缩效果。为了尽可能使浓缩池的负荷均匀连续，因此，有必要对沉淀池排泥和滤池反冲洗排水做暂时的存留以对其量和质进行调节。以缓解和消除冲击负荷对浓缩的不良影响。
　　调节设备的功能除了均质均量的功能外，目前已扩展到其它功能领域，如净化功能，浓缩功能等，使一池多用，成为一个具有多功能的处理构筑物。
　　在净水厂污泥处理构筑物中，调节构筑物有两个，调节沉淀池排泥的叫排泥池；调节滤池反冲洗排水的叫排水池（也称回流水池）。一般滤池反冲洗排水浊度较低，可直接作为原水回用，目前国内许多大中型水厂都建有回收滤池反冲洗水的设备。
　　为了使排水池和排泥池具有调节作用，排水池和排泥池应具有一定的容积，以对其量进行调节；如果还需要达到匀质作用，排水池和排泥池在其构造上和设备上有其一定要求，如在池中加机械搅拌或水泵强制循环，石家庄润石水厂在调节池进口处加了潜水搅拌机，使池内污泥处于悬浮状态，达到匀质目的。
　　前面提到，调节设备的功能现已扩展到其它功能领域。为了充分利用排水泥和排泥池的池容，目前在排水池和排泥池的设计上倾向于使其在调节功能的基础上具有浓缩功能，不再加搅拌设备，将上清液和底流污泥分别取出，底泥均匀送往浓缩池，上清液回流至净化工序中或排入水体。在池子设浮动槽可将上清液连续均匀地取出，有利于在满足调节功能的基础上增强浓缩功能。

2 调节构筑物形式

　　调节构筑物有两种形式，一种是分建式，即排水池与排泥池单独设置；另一种是合建式，即排泥池与排水池合建，既接受沉淀池排泥，又接受滤池反冲洗排水。在国内已建几个净水厂污泥处理中，北京市第九水厂污泥处理排水池与排泥池为分建式，石家庄润石水厂和深圳梅林水厂污泥处理排水池与排泥池均为合建式。
　　分建式适用于以下条件：
　　（1）一些水厂先建了滤池反冲洗水回收系统，即先建了排水池（也叫回流水池），但未建污泥处理系统，后又补建污泥处理系统。
　　（2）滤池反冲洗水浓度与沉淀池排泥浓度相差较大，单设排泥池接受浓度较高的沉淀池排泥，免受滤池反冲洗水的稀释，有利于排泥池中泥的浓缩，排泥池可设计成带浓缩功能的歇间式浓缩池，同时具备水量调节功能。单设排水池（即回流水池）接受滤池反冲洗排水，并回流至混合井前。
　　（3）需在排泥池中投加高分子絮凝剂，上清液回流对净水工艺产生不利影响。
　　由于分建式需设两套池子和泵房，需两套管理人员，因此，合建式在一定条件下具有一定的优越性。当沉淀池排泥浓度与滤池反冲洗水浓度相差不大；因地势排泥池位置较高，沉淀池排泥不能自流进入而需提升进入排泥池；或者排泥池只起调节作用时，可选用合建式调节池。

3调节构筑物设计

3.1 分建式
　　分建式调节构筑物有回流水池和排泥池两个构筑物。
3.1.1回流水池（排水池）
　　回流水池设计主要确定回流水池的容积和用于回流的水泵的容量。回流水池与水泵的容量与滤池的格数、大小及滤池反冲洗的时序安排有关。滤池反冲洗时序安排有两种模式，一种是均匀间隙冲洗，称均匀模式。另一种非均匀模式。
　　（1）滤池反冲洗运行模式分析

　　① 均匀模式：按全厂滤池总格数排队均匀冲洗。如图1，现将该模式描述如下：
　　a.滤池的运行周期为S，总格为n，每格滤池（能进行独立冲洗的单元）按总格数排队所占有的时段为T₀，T₀＝S／n……（1）。
b.每格滤池冲洗持续时间为T₁，两滤池冲洗的间歇时段为T₂，T₀＝T₁＋T₂……
　　c.当T₀＞T₁，表示有冲洗间歇T₂存在。
　　d.当T₀＝T₁，表示滤池连续冲洗，没有间歇存在。T₂＝0。
　　e.T₁／2＜T₀＜T₁，表示有两格同时冲洗存在。当两格同时冲洗时，T₀是原来的2倍，而T₁不变，又回到T₀＞T₁的工况。
　　f.一次反冲洗产生废水量为q₀T₁，图中阴影部份。q₀为冲洗废水流量。
　　g.根据上一次产生的废水必须在下一次反冲洗之前排除的原则，即在T₀时段内排水泵应将上一次反冲洗废水排完。
　　② 非均匀模式
　　非均匀模式是滤池冲洗不是按全部格数排队均匀冲洗，而是具有随意性。即：T₁、T₂、T₀都不相同。这种非均匀模式有可能导致图1中当T₀＞T₁，两格滤池重迭冲洗，导致排水池调节容积的增大和排水泵容量的增大。例如，虹吸滤池水力自动控制冲洗，人工手动控制的滤池冲洗，就有可能出现这种工况，一些地方还出现将所有滤池一个接一个连续冲洗。因此，在有计算机控制的水厂中，应建立滤池反冲洗均匀模式。
　　（2）回流水池容量
　　回流水池容量W由以下几部份中的全部或部分组成。
　　W＝W₁＋W₂＋W₃ （1）
　　W——池容
　　W₁——滤池一次反冲洗排水量
　　W₂——排泥池、浓缩池上清液及滤液在T0时段发生的水量。
　　W₁＝PAT₁＋P′At ＝qT₁＋q′t 　　（2）
　　当T₁＝t时
　　W₁＝（q＋q′）T1＝q₀T₁ （3）
　　W₂＝（q₂＋q₃＋q₄）Tv0 （4）
　　W₃—其它水量
　　A——一次反冲洗的滤池面积
　　T₁——滤池反冲洗持续时间
　　t——表冲持续时间
　　p——滤池反冲强度
　　p′——表冲强度
　　q₂——排泥池上清液流量
　　q₃——浓缩池上清液流量
　　q₄——滤液流量
　　q₀——滤池反冲洗流量
　　由于排泥池、浓缩池上清液水量及滤液流量W2为污泥处理系统水量，这部份水量W₂可根据具体情况直接送入混合设备前，以减小回流水池的容积。
　　W₂与原水浊度，沉淀池排泥耗水量、排泥池、浓缩池底流浓度，泥饼含水率等多种因素有关，难以准确计算。在缺乏资料时，可按排泥耗水量进行估算。
　　W₂＝Q₀η₁η₂T₀K （5）
　　Q₀——净水厂原水流量
　　η₁——沉淀池排泥耗水率1～3％。
　　η₂——滤液回流时取0.25～0.15；不回流时取0.02～0.05。
　　K——2～3
　　由于泥饼含水量为80％～70％，因此排泥耗水量中20～30％的水量由上清液和滤液排出。如果浓缩池底流浓度按5％计。则浓缩池之前上清液只占排泥耗水量的5％以下。由于这部水量并不是一天24小时平均发生，中间可能有间断，因此应乘以一个大于1的系数K。
　　其它水量W₃包括洗砂、冲洗池子等，由于这部份水量不经常发生，可不考虑，以免增加排水池容积。如果发生频度较密。通过溢流排入下水道又浪费较大，可酌情考虑。
　　（3）排水泵容量计算
　　排水泵的容量Q泵按下式计算，几何关系见图2。
　　Q泵＝W／（T₀－t）
　　W——排水池容积（m³）（泥斗容积大时，包括部份泥斗容积）
　　T₀＝T₁＋T₂
　　t＝W_AC／q₀ （7）
　　W_AC——图中开、停泵水位A、C两点间的排水池容积
　　q₀——反冲洗水流量（m³／s）
　　t——反冲洗水充满容积WAC所耗的时间。
　　当开泵水位定在排水池最高水位B点时W_AC＝W，t＝W／qo＝T₁，T₀—t＝T₀—T₁＝T₂则式（6）可简化成：
　　Q泵＝W／（T₀－t）＝W／T₂ （8）
　　为了简化计算，并在泵的容量上留有一定的余量，泵的容量亦可按式（8）计算。但对于滤池格数较多，T₂＜T₁或者T₂＝0，连续冲洗的工况，泵的容量还应按式（8）计算。
　　确定了回流泵的容量后，应核对一下回流流量对净化构筑物的冲击度，特别是对耐冲击负荷较差的水力絮凝、斜管斜板沉淀。当冲击负荷太大时，可将一格冲洗变成两格同时冲洗排水，以加大池容，延长开泵的时间。减小回流流量。建议Q回／Q₀＜10％。
3.1.2 排泥池
　　排泥池可设计成两种形式：一是单一调节功能的排泥池；二是既有调节功能又有浓缩功能的间歇式浓缩池。前一种形式除了具备足够的池容用以调节外，还必须加搅流设备以匀质。目前倾向于第二种形式。北京市第九水厂排泥池就是采用这种形式。
间歇式浓缩池最早的形式是在池四周不同高程设闸门将上清液取出，北京市第九水厂污泥处理排泥池设浮动槽将上清液均匀连续取出，与在不同高度设闸门相比，上清液出流更连续、更均匀，对浓缩更有利。排泥池的设计主要是确定排泥池的容积及排泥泵的容量。
　　（1）排泥池容积排泥池容积：按以下几个条件确定
　　·大于或等于沉淀池24小时平均排泥量。
　　·应满足浓缩对固体负荷的要求。
　　·在高浊度期间，与浓缩池一道起污泥贮留池的作用，贮留量应不小于一日高浊度的泥量。
　　以上三条，按其中大者确定。对于第三条，是否起污泥贮留池的作用，要依具体情况而定。因为脱水机的能力是按设计泥量确定的，高浊度发生一般机率小，一年或几年才发生一次，持续时间也较短。因此脱水机的能力一般均小于高浊度时的泥量。当发生高浊度时，脱水机一天三班连续工作。暂时处理不了的污泥可存在排泥池和浓缩池中，一直到将贮存的污泥处理完为止，才恢复正常班次运转。如果当地环境容许将高浊时脱水机处理不了的污泥排人附近水体，则排泥池的容积由第一、二条确定。
　　（2）沉淀池排泥量计算
　　前面提到，排泥池容积按大于或等于沉淀池24时排泥量确定。也可按一日中最大一次排泥量计算。按这种方法计算，须知道沉淀池发生最大一次排泥量那一日的排泥次数及时间安排，其计算方法与净水厂清水池调节容积的计算方法一样，不同的是清水池进水是均匀的，出水是不均匀的，而排泥池进水是不均匀的，排水是均匀的。在水厂未建成投产前，沉淀池的排泥次数及泥量难以确定。因此，一般都按沉淀池一日排泥量确定。沉淀一日排泥量按下式计算。
　　Q₁＝(Q₀M-Q′₁C′₁₎/C₁
　　Q₀——原水流量（m³／d）
　　M——原水与混凝剂形成的浊度（mg／l）
　　Q′₁——沉淀池出水流量（m³／d）
　　C′₁——沉淀池出水浊度（mg／l）
　　Q₁——沉淀池排泥流量（m³／d）
　　C₁——沉淀池排泥浊度（mg／l）
　　代入公式计算时，单位要统一，mg／l要换算成T／m³。
　　如果沉淀池排泥耗水率已知为η₁，则上式可写成
　　Q′₁＝Q₀(1-η₁)
　　Q₁＝(Q₀M-Q₀(1-η₁)C′₁₎/C₁＝Q_0［M-(1-η₁)C′₁₎/C₁
3.2 合建式
　　合建式是将排水池（回流水池）和排泥池两个构筑物合二为一。合建式调节构筑物一般设计成单一调节功能，合建式调节构筑物主要是确定池容的大小。
　　池容计算采用调节构筑物调节容量最常用的计算方法，先列出运行工况，即列出一日中沉淀池排泥次数及流量，列出滤池反冲洗次数及流量，然后综合排队，确定每次排泥及每次反冲洗的时段。出水按一日24小时均匀出流。计算方法与清水池调节容积计算方法类似，这里限于篇幅，不再赘述。
　　净水厂污泥处理在我国还处于起步阶段，国内目前还没有这方面的设计规范。本文仅仅是调节构筑物设计的一些基本思路，写出来与同行共同探讨。