摘要：實(shí)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(yùn)行方式和濾池反沖洗運(yùn)行方式來確定。對于干污泥量的確定介紹了 計(jì)算 法和物料平衡 分析 法，物料平衡分析法可作為計(jì)算法的補(bǔ)充，對計(jì)算法的結(jié)果進(jìn)行校核。

關(guān)鍵詞：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(jì) 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(shí)施排泥水處理，首先必須確定合理的污泥量，因?yàn)槲勰嗔康拇_定直接 影響 整個(gè)排泥水處理工程的設(shè)計(jì)規(guī)模，從而影響到設(shè)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(zhì)、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(nèi)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(shè)備的規(guī)模。

污泥量確定一般需要較長時(shí)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因此即使 目前 沒有建設(shè)排泥水處理工程計(jì)劃的自來水廠，著手進(jìn)行有關(guān)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。

通常可以認(rèn)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(zhǔn)確。

已投產(chǎn)的自來水廠，根據(jù)水廠的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)可以較準(zhǔn)確地計(jì)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(shí)排泥，只需根據(jù)每天排泥次數(shù)、每次排泥歷時(shí)和排泥流量以及沉淀池格數(shù)，就可以計(jì)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(shí)、沖洗強(qiáng)度及單格濾池面積和格數(shù)，計(jì)算出濾池反沖洗廢水量。如果沉淀池排泥和濾池反沖洗實(shí)現(xiàn)了自動化運(yùn)行，則需要對水廠沉淀池排泥和濾池反沖洗進(jìn)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(shí)和統(tǒng)計(jì)每天排泥或沖洗的次數(shù)，然后進(jìn)行計(jì)算。

尚未建成或仍處在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行資料進(jìn)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(nèi)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(shí)間內(nèi)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(shè)計(jì)規(guī)模有很大幫助。

2　干污泥產(chǎn)量確定

2.1　計(jì)算法

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

Al2(SO4)3·14H2O+6HCO3-=

2Al(OH)3+6CO2+14H2O+3SO42-(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(jì)量關(guān)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?yàn)樵诨炷^程中不發(fā)生化學(xué)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(rèn)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(jì)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(jì)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(jì))，mg/L;

E2--鋁鹽混凝劑(以Al2O3計(jì))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(jì)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(jì))，mg/L;

F--鐵鹽混凝劑投加率(以Fe計(jì))，mg/L。

美國Cornwell[3]推薦用(4)式和(5)式分別計(jì)算用鋁鹽和鐵鹽作混凝劑時(shí)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(jì))，mg/L;

Fe--鐵鹽混凝劑投加率(以Fe計(jì)),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(shí)Cornwell推薦(6)式為原水濁度T與SS關(guān)系式：

SS=bT　　(6)

式中b--SS與濁度T的相關(guān)系數(shù);

T--原水濁度，NTU。

Cornwell認(rèn)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(jì)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(guān)關(guān)系，這主要是因?yàn)镾S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(jìn)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(jìn)入和排出應(yīng)該是平衡的。該法第一步，分析所用混凝劑中的鋁(或鐵)的實(shí)際含量，然后計(jì)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(jìn)行鋁(或鐵)含量的分析;第三步，對排泥水平行樣品進(jìn)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(jì)算出來。

例如，假設(shè)一個(gè)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?yàn)榕拍嗨泻?00 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(zhǔn)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(jié)果進(jìn)行相互校核。

3　原水濁度與SS相關(guān)性 分析

計(jì)算 法是 應(yīng)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(guān)關(guān)系。不同地域、不同水源及不同季節(jié)這個(gè)相關(guān)關(guān)系可能存在較大差異，因此建議每個(gè)自來水廠都對原水進(jìn)行濁度T與SS相關(guān)關(guān)系的測定，測定的時(shí)間應(yīng)盡可能長些，有一年以上的時(shí)間跨度。測定結(jié)果可以進(jìn)行分月、分季度原水濁度T與SS相關(guān)關(guān)系分析。

Cornwell[4]列舉了一個(gè)濁度T與SS相關(guān)關(guān)系的例子(見圖1)。由圖1可知，該測定結(jié)果有較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖1　Cornwell的原水濁度T與SS相關(guān)關(guān)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(guān)性分析的結(jié)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(guān)性。

圖2　上海市A水廠原水濁度T與SS相關(guān)關(guān)系

圖3　上海市B水廠原水濁度T與SS相關(guān)關(guān)系

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

在測定濁度T與SS相關(guān)關(guān)系時(shí)，原水SS的測定必須認(rèn)真仔細(xì)。因?yàn)椴糠譃V紙能濾過的顆粒在混凝時(shí)則能夠從水中去除，因此有條件的地方應(yīng)采用0.45 μm的濾膜代替濾紙進(jìn)行過濾，以提高測定的準(zhǔn)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(zhǔn)確性，SS測定時(shí)需要采集1 L甚至幾L水樣進(jìn)行過濾。各自來水廠可以通過摸索后確定實(shí)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?yàn)榇蠖鄶?shù)原水的色度在濾紙過濾時(shí)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(zhì)也會存在于污泥中。在這種情況下，計(jì)算干污泥量時(shí)應(yīng)考慮色度的影響。

4　自來水廠排泥水處理干污泥量設(shè)計(jì)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(gè)變量。那么，選擇怎樣的干污泥產(chǎn)量設(shè)計(jì)值才是 經(jīng)濟(jì) 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(shè)計(jì)值。一種方法是 目前 設(shè)計(jì)單位常采用的，就是通過試驗(yàn)分析原水濁度T和SS的相關(guān)關(guān)系，通過資料分析確定原水濁度的設(shè)計(jì)值和混凝劑投加率設(shè)計(jì)值，再結(jié)合水廠規(guī)模，根據(jù)計(jì)算公式算出干污泥量設(shè)計(jì)值。用原水濁度最大值和混凝劑最大投加率對設(shè)計(jì)值進(jìn)行最不利情況校核。例如：試驗(yàn)得出B水廠原水濁度T與SS 的相關(guān)關(guān)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(jì)分析結(jié)果

圖5　B水廠混凝劑投加率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值。由于該廠是以Al2(SO4)3·18H2O計(jì)量混凝劑投加率，它與Al(OH)3的化學(xué)計(jì)量關(guān)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(jì)算該廠干污泥量的設(shè)計(jì)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：

Smax =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(shè)計(jì)脫水設(shè)備，每天運(yùn)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(shè)計(jì)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(dāng)天的混凝劑投加率，計(jì)算出每天的干污泥產(chǎn)量。然后對一定時(shí)間內(nèi)日干污泥產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shè)備正常情況下每天運(yùn)行1班，則干污泥產(chǎn)量設(shè)計(jì)值可以依據(jù)以下原則選?。?/p>

(1)該設(shè)計(jì)值必須大于平均每天的干污泥產(chǎn)量;

(2)該設(shè)計(jì)值要大于最高日干污泥產(chǎn)量的1/3;

(3)該設(shè)計(jì)值應(yīng)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(shè)計(jì)值，當(dāng)干污泥產(chǎn)量在最大概率的污泥日產(chǎn)量以下時(shí)，可以使污泥脫水在正常運(yùn)行模式下完成。當(dāng)干污泥產(chǎn)量超 過設(shè)計(jì)值時(shí)，可以通過以下途徑解決：

(1)增加污泥脫水設(shè)備運(yùn)行班次，直至每天24 h運(yùn)行;

(2)通過排泥水處理工藝系統(tǒng)的平衡調(diào)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?！—?/p>

圖6　B水廠干污泥日產(chǎn)量分析結(jié)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(shè)計(jì)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(jì)算干污泥量時(shí)每天的處理水量是以40萬m 3/d進(jìn)行計(jì)算的，后一種方法是以每天實(shí)際處理水量來進(jìn)行計(jì)算的，由于實(shí)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(jié)果可知，前一種方法偏于安全。

上述方法確定的干污泥量設(shè)計(jì)值，既能保證排泥水處理的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又充分考慮了利用排泥水處理運(yùn)行模式可挖掘的潛力，是經(jīng)濟(jì)可行的選取方法。

5　結(jié)論

(1)實(shí)施自來水廠排泥水處理工程，確定經(jīng)濟(jì)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(shè)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(jì)算法和物料平衡分析法進(jìn)行確定，其中計(jì)算法使用較多。建議用兩種方法所得到的結(jié)果進(jìn)行相互校核。

(5)計(jì)算法要求分析自來水廠原水濁度T與SS的相關(guān)性。 研究 表明，同一水源濁度T與SS均有一定的相關(guān)性，但不同水源間這一相關(guān)關(guān)系差別較大，因此每一水廠都應(yīng)進(jìn)行原水濁度T與SS相關(guān)性的分析。

(6)干污泥量設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算獲得;另一種方法是先計(jì)算出一定時(shí)間范圍內(nèi)水廠每天的干污泥產(chǎn)量，然后分析得出干污泥產(chǎn)量設(shè)計(jì)值。前一種方法偏安全。

參考 文獻(xiàn)

1　日本水道協(xié)會.水道設(shè)施設(shè)計(jì)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