杭州西湖引配水工程除磷降氮工艺运行优化研究

吴伟

关键词：絮凝沉淀；微生物滤池；调控；恒液位

中图分类号：X703.1 文献标志码：B

前言

调查发现，西湖水体周边旅游场所及汇水范围内街道目前均已完成“污水零直排建设”，外源输入减少，2003年杭州市政府斥资近8000万元实施了西湖引配水工程，2015年在西湖引配水工艺中投入运行国内首座微污染地表水降氮处理工程。西湖引配水工程运行以来，有一些对引配水净水效益开展的研究，但没有针对工程运行过程中存在工艺优化方面的应用研究，基于此，研究将针对引配水工程运行过程中的不同情况，提出实用可行的最优运行程序。

1工程工艺

西湖引配水工程日引水量40万方，分别由玉皇沉淀池、赤山沉淀池引水30万方、10万方，研究所称各项工艺均为玉皇沉淀池运行工艺。为了引水流场分布均匀、水体交换充分、最大限度地发挥引水功效，依据引水模拟试验结果，工程在西湖的西面和南面共设6个进水口，在湖的东面、北面设9个可控出水口，湖水经出水口再下泄到市区河道。（见图1）

1.1絮凝沉淀除磷工艺

西湖引配水工程由钱塘江原水经引水管道输送至引水预处理场，在特制混合管内添加絮凝剂一聚合氯化铝后，进入混合反应区。混合反应区内的隔板为絮凝剂创造了良好的水解和聚合条件，从配水整流区出来的水流进入沉淀区，水流自下而上进入斜管，依靠重力作用泥水迅速分离，水中的泥沙絮凝体沿斜管壁下落至积泥区，由吸泥机定期排出池外，而清水则从溢流进入集水区，通过集水槽和出水渠被送出池外。赤山沉淀池每日10万方引水也为同一类的絮凝沉淀除磷运行工艺。（见图2）

1.2微污染地表水降氮工艺

经过絮凝沉淀的出水，呈现高锰酸盐指数<4mg/L，总磷<0.03 mg/L，总氮<2.0 mg/L的“高氮低碳低磷”的微污染状态。因引水预处理场内没有足够大的场地供微污染地表水降氮工艺运行，所建造的降氮工艺楼只能满足其中10万m³的出水进行进一步处理，通过构建反硝化生物滤池，利用填料挂膜并驯化反硝化菌形成填料-微生物复合净化体系，将经过预处理的沉淀池出水引入反硝化滤池中，并添加适量碳源物质无水乙酸钠，通过填料及填料表面微生物与来水的较短时间接触，硝酸盐氮被微生物异化还原转化为气态氮，从水中逸出。（见图3）

2工艺参数

2.1设计水量

设计处理水量为30万t/d，其中10万t经过微污染地表水降氮处理。

2.2出水水质

除磷工艺出水水质要求：悬浮物≤10 mg/L，总磷<0.05 mg/L，透明度>120 cm，浊度<7 NTU；降氮工艺出水水质要求：总氮≤1.5 mg/L，去除率≥40%，化学需氧量≤20 mg/L。

3工艺运行优化建议

3.1进水量的调控优化

西湖引配水工程处理原水为钱塘江来水，钱塘江的水质受潮汛影响因素大，水中泥沙含量波动很大，浊度范围为5～2500 NTU，原水含沙量不稳定会对高效混凝沉淀池的运行效果产生一定影响。

按进水浊度及时调整进水量有利于絮凝效果及设备运行。进水浊度大于1000 NTU时，每小时30万t/d的进水量可最终产出大约15～20吨含水率为50%左右的湿泥，大量泥沙絮凝物就会堆积在池底，影响工程运行。按实际运行情况，进水浊度1000NTU时，应先减少10万t/d的进水量，观察吸泥机及脱泥设备等运转情况，如连续二至三小时设备还是满负荷在运转，则再减少10万t/d的进水量。原水浊度仪浊度指标小于20 NTU时，原水中的杂质颗粒物较少，絮凝混合反应物就会存在不足，絮凝后悬浮物的重量会变轻，大量悬浮物穿过斜管随水流出池外，可减少10万t/d的进水量，降低运行负荷，观察出水携带悬浮物是否变少，如连续1～2小时出水仍有悬浮物，则再减少10万t/d的进水量保证出水水质。

3.2吸泥机运行优化

行车式吸泥机一般停驻在沉淀池的出水端，吸泥管一端伸人沉淀池池底，另一端伸入住满水的水封箱内，形似倒“U”，在沉淀池两端来回行走吸泥。在吸泥机的运行中，由于机器底部的吸泥口到不了池底最两端的位置，造成两端泥沙堆积，堆积到一定程度会出现坡面会塌陷，影响吸泥机的工作行程距离，吸泥机触碰不到固定点位的行程档位装置，自动吸泥将会停止。（见图4）

由于原固定点位的行程档位装置仅有一个档位块焊接在钢轨一侧，如遇到吸泥机运行触碰不到固定点位的行程档位装置时，需要切割调整吸泥机与档位块的距离，重新焊接新的触碰点。为了改进这一运行问题，通过改变原档位装置，将其拆分为二部分，水平部分与底板通过螺栓连接固定，垂直部分接触吸泥机行程开关。底板为长1.5米*宽12厘米*厚1厘米的钢板，钢板上按每隔8厘米间距打二排长圆孔φ10*30毫米，底板与吸泥机导轨一侧电焊固定，档位装置的水平部分可以左右调整位置。档位装置的垂直部分支撑板中心位置打长圆孔φ10*100毫米，可与水平部分用螺丝连接固定，档位装置可以上下调整高度。（见图5）

改动后的档位装置能够方便快捷地在空间上前后左右上下都可以调整位置，水平位置有2米的操作调整距离来解决吸泥机被池底泥沙堆阻挡不能前行的问题，档位装置左右上下的空间位置的调整，也能更好让行程开关触碰点在档位装置最有效的范围内。

3.3药剂投加的控制优化

西湖引配水工程絮凝沉淀工艺采用药剂为聚合氯化铝，通过多次试验和长期实际运行情况得出，聚合氯化铝药剂投加量不足，絮凝体小难以沉降，悬浮物会穿过斜管影响出水水质，水体会呈现淡白色；投加过量，不仅运行成本会增大，而且会发生絮凝颗粒和悬浮物“再稳”现象，影响絮凝效果和出水的pH值，使水质再次变得浑浊。在制配好比重为1.035左右的聚合氯化铝药剂后，需根据进水浊度的大小来调整加药量，进水浊度在0～30 NTU，加药流量控制在500 m³／h；进水浊度在30～100 NTU，加药流量控制在650 m³／h；进水浊度在100～300 NTU，加药流量控制在800 m³／h；进水浊度在300～1000 NTU，加药流量控制在1000m³／h；进水浊度大于1000 NTU，加药流量控制在1200 m³／h。

3.4脱氮工艺反冲洗优化

由于机械截流以及絮凝作用的影响，在生物滤池运行的过程中，胶体颗粒、悬浮物在滤料空隙积累、生物体增殖等都会引起生物膜的加厚，一系列问题将导致滤料有效比表面积减小，降解效率降低。为有效更新生物膜，增加滤料间隙，提升降解效率，在降氮工艺运行过程中应开展反冲洗工作。

在西湖脱氮工艺运行过程中，为优化降氮工艺反冲洗步骤，将反冲洗分为三种情况：正常反冲洗，小洗和强制反洗，对反冲洗参数进行细化。

正常反洗：第一步，单独气洗；第二步，气水联合冲洗；第三步，单独水洗，反洗水流速60m³／h，反洗气流速12 Nm³／h，每次反冲洗水量472.5m³，每天反洗次数5次，每天反冲洗水量2363 m³/d。

小洗：在两次正常反洗之间，根据堵塞率或者水头损失情况可以启动小洗，小洗可以采用单独气洗和单独水洗相结合的方法。

在异常情况下，若出现滤料膨胀率太高、达到最大堵塞率等情况时，可以采取强制反洗。

3.5降氮工艺水力负荷的优化控制

在生物滤池运行过程中，滤池微生物与水体相互作用的反应时间可以由水力负荷率的大小体现出来。较高的水力负荷可以促进滤池内基质与生物量的均匀分布，也可以控制生物膜厚度，但水力负荷过高也会造成生物膜的流失，水力负荷过低又会带来有机物及营养物不足的问题，影响微生物生长反应，在不同温度条件下改变水力负荷，运行情况见表1。

从表1不同运行情况得知，保证碳源条件充足（C/N =6：1）的前提下，滤池反冲洗状态一致，低温状态下，低水力负荷运行有利于反硝化运行，硝态氮的去除率能达到要求；高水力负荷运行，膜上微生物不活跃且反应时间短，基本上没有进行反硝化作用。在常温状态下，低水力负荷和高水力负荷状态下运行，出水溶解氧均能控制在1mg/L以下，能给反硝化保证了无氧的环境，硝态氮去除率能保证在40%以上，出水COD_cr一般都低于15 mg/L。

3.6降氮工程进水分配井防跌水系统优化

降氮工艺溢流井底部连接管道直通滤池，水在溢流井内从上至下是跌落式的，这一过程会导致进入反硝化滤池的水体溶解氧远大于反硝化要求的水体无氧或者低氧的条件，进而加大碳源投放量；水体跌落会导致七个溢流井的液位不同，进而导致出水水流流速不一，增大去滤池之间运行差异；同时溢流井上下端落差较大，水流跌落声音可以到50～60分贝音量，存在噪音污染。

以设定的上位机目标液位值5.2米为主的工作原则，系统控制围绕PLC接收到反馈溢流井超声波液位计液位信号，进行判断识别，然后内部进行PID运算后输出控制阀岛，随时自动调节阀门开度大小，使之实际液位值始终在设定的液位值上限位至下限位的范围内工作，趋向于目标值，达到恒液位的控制效果。如果配水井底部进水变大，溢流口流量也变大，设定液位值不变，液位会不断升高，系统根据一定的时间内判断，将进水管道阀门开度开大，溢流井底部出水加快，溢流井液位下降指至液位接近目标值，系统以恒液位工作，溢流井不产生跌水状态。

4结论

钱塘江原水浊度在100～300 NTU时，加药流量控制在800m₃／h可保证絮凝沉淀效果。通过改进吸泥机档位装置，保证行程开关碰触点在档位装置有效范围内，可解决吸泥机轨道两端易造成泥沙堆积的问题。通过生物滤池进行反硝化，在反冲洗过程中应细化反冲洗顺序及流速。冬季水力负荷小于1.4m³／m²？ h，春秋季水力负荷小于3.1m³／m²·h，硝态氮的去除率能达到要求；夏季，低水力负荷和高水力负荷状态下运行，硝氮去除率均可达40%以上。根据运行经验，以设定的上位机目标液位值5.2米为主的工作原则，系统控制围绕PLC接收到反馈溢流井超声波液位计液位信号，进行判断识别，然后内部进行PID运算后输出控制阀岛，随时自动调节阀门开度大小，保证系统以恒液位工作，溢流井不产生跌水状态。