高密度澄清池在化工污水处理厂提标改造工程中的应用

何文章

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司， 上海 200439）

随着我国经济的快速发展， 国家对污水处理厂的排放标准逐步提高， 目前污水处理厂的排放标准须达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准， 其中对悬浮物排放标准为小于10 mg／L。 然而大部分污水处理厂现状处理工艺出水悬浮物不能达到一级A 标准要求， 因此亟需进行工艺提标改造。 沉淀池作为去除水中悬浮物的常用有效设施， 目前应用较多的主要有平流沉淀池、 辐流沉淀池、 竖流沉淀池、 斜板（斜管）沉淀池、 加速澄清池（机械、 水力）、 脉冲澄清池以及高密度澄清池等［1］。 高密度澄清池是一种基于斜管沉淀和污泥回流技术的新型澄清池， 将多种药剂投加、 污泥回流、 机械混合、 机械絮凝、 接触絮凝、高效沉淀、 污泥浓缩等功能有机结合在一起， 实现了相互协调、 高效处理的功能。 由于对已投产运行的污水处理厂进行提标改造， 受现状条件的限制，在工艺选择过程中， 必须首选占地面积小、 投资少、 运行稳定、 效率高、 耐冲击负荷的工艺， 而高密度澄清池具备上述优点［2］， 因此本文对高密度澄清池去除悬浮物进行设计研究。

1 工程概况

江苏某化工污水处理厂主要收集化工园区的工业废水， 包含农药废水、 印染废水、 精细化工废水等。 各类废水经企业内部预处理达到纳管要求后，再输送至污水处理厂进行综合处理， 达标后排至外域水体。 该污水处理厂于2007 年建成投产， 采用AO-芬顿氧化处理工艺， 出水水质执行DB 32／939—2006《江苏省化学工业主要水污染物排放标准》。 目前该化工污水处理厂出水悬浮物质量浓度仅要求不超过70 mg／L， 经过提标改造后， 出水悬浮物要求达到GB 18918—2002 一级A 标准（≤10 mg／L）， 因此在现有工艺出水端增设高密度澄清池-V 型滤池深度处理工艺。

2 设计水质水量

该化工污水处理厂设计规模为2 × 104m3／d，经过提标改造， 在原工艺芬顿氧化系统后增设高密度澄清池工艺， 为确保排放水稳定达标， 同步增设V 型滤池处理工艺。 现状芬顿氧化系统出水悬浮物质量浓度平均为43 mg／L（即为高密度澄清池进水指标）， 根据设计要求， 高密度澄清池出水ρ（悬浮物）≤10 mg／L， V 型滤池出水ρ（悬浮物）≤6 mg／L。

3 工程设计

3.1 工艺流程

提标改造后化工污水处理厂工艺流程如图1所示。

图1 污水处理厂工艺流程Fig. 1 Process flow of wastewater treatment plant

高密度澄清池由絮凝反应区、 过渡区、 污泥浓缩区、 分离沉淀区及清水区5 个部分组成， 如图2所示。

图 2 高密度澄清池示意Fig. 2 High density clarification tank

高密度澄清池工艺流程： 将混凝剂通过计量泵投加在原水管道上， 原水进入絮凝反应筒前与污泥浓缩区的回流污泥混合， 在絮凝反应筒底部加入助凝剂， 通过提升搅拌器对加入混凝剂、 助凝剂以及回流污泥的原水进行提升搅拌， 完成絮凝反应。 经搅拌反应后的高浓度混合絮凝体以推流方式通过过渡区进入污泥浓缩区。 在污泥浓缩区中泥渣下沉，澄清水经过分离沉淀区的斜管进一步分离， 斜管上部的清水由集水槽收集出水。 沉降的泥渣在污泥浓缩区下部浓缩， 浓缩泥渣的上层由螺杆泵回流与原水混合， 底部多余泥渣由螺杆泵排出［3］。

3.2 高密度沉淀池设计

（1） 絮凝反应区。 设计规模为20 000 m3／d。单体土建净尺寸为4.5 m×4.5 m×6.5 m， 设计有效水深为6 m， 水力停留时间为8.8 min。 絮凝反应筒直径为1.8 m， 底部锥形筒直径为2.7 m。 提升搅拌器叶轮直径为1.640 m， 外缘线速度为3 m／s， 转速为35 r／min； 搅拌水量为设计水量的11 倍（2.53 m3／s）， 提升水头为0.10 m， 提升搅拌器功率为3.6 kW。

（2） 过渡区。 单体土建净尺寸为8.5 m×1.2 m×6.5 m。 水力停留时间约为4 min， 为了防止积泥，在过渡区设置滑泥坡， 坡向絮凝反应区。

（3） 分离沉淀区。 布设斜管， 直径为30 mm，长度为1 m， 60° 角倾斜布置。 斜管区平面尺寸为8.5 m×6.2 m。 斜管区上升流速为15.8 m／h。

（4） 污泥浓缩区。 由过渡区进入污泥浓缩区入口段的流速为54.4 m／h， 入口段尺寸为8.5 m×1.8 m。 污泥浓缩区净尺寸为8.5 m×8.5 m×6.5 m。 污泥浓缩区（含分离沉淀区、 清水区）水力停留时间为31 min。 污泥浓缩机采用中心传动浓缩刮泥机， 刮臂直径为8.3 m， 外缘线速度为0.04 m／s。 底部坡度为0.07。

（5） 污泥回流设计。 污泥回流循环系数为0.03。系统设置3 台螺杆泵， 1 台用于污泥循环， 1 台用于污泥排放， 另1 台备用。 螺杆泵设计参数： 流量为25 m3／h， 扬程为20 m， 功率为5.5 kW。

（6） 加药系统。 混凝剂设计采用聚合氯化铝（PAC）， 助凝剂设计采用聚丙烯酰胺（PAM）。 PAC的投加点设置在高密度澄清池进水总管上， 距离池体约10 m； PAM 投加点设置在絮凝反应筒内， 提升搅拌器下方， 加药管成环状布置。

（7） 仪表设计。 高密度澄清池进出水端安装在线浊度仪， 用于检测进出水的浊度； 污泥浓缩池内安装在线泥位计， 以便观察池内泥位， 控制排泥。

4 工程调试

4.1 药剂调试

高密度澄清池在前期设计中， 拟采用质量分数为10% 的成品液态混凝剂（PAC）进行投加。 在现场调试过程中， 通过多次调整PAC 投加量， 仍无法形成较大密实的矾花， 分析认为其原因有可能是pH 值较低。 检测芬顿系统出水与成品液态混凝剂pH 值， 成品PAC 溶液的pH 值在4 左右， 原水经过投加PAC 后， pH 值在5.5～6.0。

通过小试试验将投加混凝剂PAC 后的原水pH值控制在7.5 左右， 即可形成大而密实的矾花［4］。根据小试经验， 在芬顿氧化系统出水处投加NaOH溶液， 提高高密度澄清池进水的pH 值， 控制其投加PAC 后原水pH 值在7.0 ～ 7.5 之间， 可形成密实矾花。 虽然在芬顿氧化系统出水处投加大量的NaOH 溶液能够回调原水pH 值， 但是其运行成本较高， 为降低运行成本， 采用固态PAC 代替成品液态PAC， 通过人工溶解， 配制质量分数为10%的溶液， 其pH 值可达到5.5 左右［5］。 通过现场调试运行， 形成同等效果的密实矾花可以减少约50%的NaOH 溶液投加量。

本工程在调试期间， 对比不同阴、 阳离子型助凝剂（PAM）的絮凝效果， 发现采用阳离子型助凝剂（PAM）， 形成的絮凝体松散， 沉淀速度慢， 采用阴离子型助凝剂（PAM）， 形成的絮凝体密实， 沉淀速度快。

进水浊度为10 NTU， 悬浮物质量浓度为36 mg／L， 投加药剂后， 絮凝反应区pH 值在7.2 左右时， 高密度澄清池出水浊度为1.5 NTU， 悬浮物质量浓度为6 mg／L； 絮 凝反应区pH 值 在7.7 左右时， 高密度澄清池出水浊度为0.7 NTU， 悬浮物质量浓度为3 mg／L。 由于高密度澄清池出水进入V型滤池， 会再次去除悬浮物， 为了降低运行成本，最终絮凝反应区pH 值控制在7.2 左右。

经多次现场调试运行， 最后稳定运行的结果如下： ①混凝剂PAC 的最佳投加量为40 kg／kt［水］；②阴离子型PAM 的最佳投加量为1.2 kg／kt［水］；③为保证高密度澄清池良好的絮凝沉淀效果， 需调节其进水pH 值在中性或偏碱性范围内。

4.2 污泥浓缩区泥渣调试

高密度澄清池调试过程中最重要的是保证在浓缩区内形成沉积泥渣层， 一方面是形成有效的污泥回流提高絮凝效果［1］， 另一方面是强化沉淀区和浓缩区矾花的结合进一步形成大而密实的矾花。

本工程在调试过程中尝试了多种方式来促使浓缩区底部沉积泥渣层的形成。 在调试前期， 试图通过加大药剂投加量， 使矾花在污泥浓缩区内沉积［6］， 但由于分离沉淀区内斜管上升流速较大， 矾花基本全部带出， 运行2 d， 污泥浓缩区泥位计显示底部没有沉积泥渣层。 为了尽快调试成功， 现场采用临时泵接软管， 从污水处理厂污泥脱水系统中的浓缩池底部抽取泥渣， 排至高密度澄清池污泥浓缩区入口段， 同时保持污泥浓缩机处于开启状态，加速污泥浓缩。 待泥位计显示底部泥渣达到1.5 m时， 停止进泥。 然后开启加药系统、 污泥回流系统以及提升搅拌器， 但运行半小时后， 过渡区与污泥浓缩区入口段表面均为黄色泥浆， 没有出现泥水分离层， 清水区也布满黄色絮状泥浆， 高密度澄清池出现“翻池”， 分析原因， 可能是浓缩池底泥在通过水泵输送时， 已经脱稳聚集的颗粒被打碎， 形成颗粒细小的污泥， 加强了污泥表面的水化作用， 导致污泥沉降性能下降。 随后立即停止加药， 停止污泥回流， 让高密度澄清池在通水状态下静沉， 并通过污泥浓缩机栅条的扰动作用， 提高底泥的浓缩效果。 3 h 后重新开启加药系统、 污泥回流系统， 运行半个小时， 过渡区与污泥浓缩区入口段表面出现明显的泥水分离层， 清水区没有矾花带出， 接下来运行较为稳定， 说明污泥浓缩区泥渣层形成。

本化工污水处理厂污泥脱水系统由3 部分组成： 污泥浓缩池、 污泥调理池和板框压滤机。 污泥浓缩池浓缩后的污泥含固率在2% 以上， 通过螺杆泵输送到污泥调理池内， 经加药稳定调理后进入板框压滤机。 根据相关文献报道， 高密度澄清池排放泥渣含固率至少在2% 以上， 因此在前期设计中将高密度澄清池污泥浓缩区泥渣直接排入至污泥调理池中。 但在调试过程中， 发现经芬顿工艺处理后的化工废水进一步沉淀浓缩， 其形成的泥渣较轻， 泥渣层厚度较高， 每天需排泥2 次， 每次20 min， 否则泥位计显示泥渣层达4 m 以上， 清水区有大量矾花带出。 由于每天排泥2 次， 导致泥渣含固率较低， 严重影响到污泥调理池的正常运行， 因此通过管路改造， 把高密度澄清池的泥渣输送至污泥脱水系统前端的污泥浓缩池内。

4.3 故障调试

高密度澄清池在调试过程中清水区多次出现矾花上带， 甚至“翻池”， 原因分析及解决办法如下：

（1） 絮凝反应区水变清

原因： 污泥回流出现问题。

解决办法： 检查污泥回流螺杆泵是否正常运行； 停止污泥浓缩区污泥排放。

（2） 过渡区及污泥浓缩区入口段出现大面积细碎黄泥浆且无泥水分层面

原因： 絮凝反应区pH 值小于7 或者PAC、PAM 投加量太小。

解决办法： 测试絮凝区pH 值， 确保其大于7；适当加大PAC、 PAM 投加量。

（3） 泥位计显示泥位超过4 m

原因： 污泥浓缩区泥位太高。

解决办法： 启动污泥排放螺杆泵进行排泥， 使其泥位降至2 m 以下。

（4） 清水区出现翻池（斜管上方全是悬浮泥渣）

原因： 污泥浓缩区泥渣不能下沉。

解决办法： ①立即停止加药、 停止提升搅拌器运行、 停止污泥回流； ②开启污泥排放螺杆泵进行排泥30 min 左右； ③提高絮凝区pH 值至8.0 左右； ④待高密度澄清池泥渣静沉3 h 左右后重新加药， 加药量适当加大； ⑤开启提升搅拌器、 开启污泥回流螺杆泵， 期间确保絮凝区pH 值在7.5 以上；⑥待出水稳定后， 可以回调絮凝区pH 值至7.0，加药量调整到正常用量。

5 运行效果

高密度澄清池经过调试， 稳定运行3 个月后，根据现场检测， 进水悬浮物质量浓度基本在36～54 mg／L 之间， 通过在芬顿氧化系统出水处投加NaOH溶液， 控制絮凝反应区pH 值为7.0～7.2， 其出水悬浮物的质量浓度基本保持在6～10 mg／L 之间。

6 结语

高密度澄清池由于占地面积小， 节省土建投资， 处理效果好， 耐冲击负荷等优点， 目前已广泛应用在中型污水处理厂的提标改造工程中， 本工程通过对高密度澄清池的设计以及调试运行， 得出如下经验结论：

（1） 混凝剂采用PAC 时， 尽量采用固态药剂溶解后的溶液， 加药后的原水pH 值在7 以上才能有较好的絮凝效果。 助凝剂采用阴离子型PAM。

（2） 如果来水为芬顿氧化工艺出水， 则污泥排放不能直接排至污泥脱水系统的污泥调理池内， 而要排至前端污泥浓缩池内。

（3） 高密度澄清池在调试过程中需先在浓缩区形成密实的泥渣层， 避免出现“翻池”现象。 若出现， 则可通过高密度澄清池在通水或停水状态下自然静沉3 h 以上， 然后再重新开始加药， 开启污泥回流。