高效沉淀池工藝在傳統(tǒng)沉淀池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，具有占地面積小、啟動(dòng)快、負(fù)荷高、SS去除率高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)和出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛適用于污水和給水處理等方面，但其在合流制溢流（CSOs）污染處理方面的應(yīng)用研究較少。
黃孝河作為武漢市大漢口建成區(qū)僅有的兩條河道之一，總長(zhǎng)為10.4km。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著城市發(fā)展，河道上游5km被改造成地下箱涵，成為合流制污水排放通道。通過(guò)在暗涵出口處設(shè)置鋼壩閘進(jìn)行攔截，旱季污水經(jīng)污水泵站提升至污水廠進(jìn)行處理。但雨季由于大量雨水的匯入，致使合流制污水量超過(guò)了污水廠的處理能力，進(jìn)而形成了黃孝河明渠起端的CSOs污染。
采用高效沉淀池工藝對(duì)黃孝河明渠上游暗涵雨天CSOs污水進(jìn)行處理，可以有效降低CSOs污染對(duì)黃孝河明渠水環(huán)境的沖擊，可為國(guó)內(nèi)外其他合流制河道的生態(tài)治理提供參考。
1、設(shè)計(jì)規(guī)模及進(jìn)、出水水質(zhì)
1.1 設(shè)計(jì)規(guī)模
目前國(guó)內(nèi)尚未出臺(tái)針對(duì)CSOs污染中關(guān)于溢流次數(shù)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目選取武漢市1980年—2016年的日降雨數(shù)據(jù)，采用P-Ⅲ曲線分析年降雨量與降雨出現(xiàn)頻率之間的定量關(guān)系，以及每年的暴雨次數(shù)。以豐水年且大雨、暴雨場(chǎng)次較多的年份為原則，最終選取2016年為代表年，其年內(nèi)溢流次數(shù)達(dá)到91次。
通過(guò)綜合判斷流域代表年降雨溢流頻次對(duì)應(yīng)河道的峰值流量、單場(chǎng)最大截流量及環(huán)境效應(yīng)，確定控制年溢流次數(shù)不超過(guò)10次，相對(duì)應(yīng)建設(shè)規(guī)模為25×104m3的CSOs調(diào)蓄池+設(shè)計(jì)處理峰值水量6m3/s的強(qiáng)化處理設(shè)施，滿足年溢流次數(shù)的控制要求。
1.2 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)
根據(jù)國(guó)內(nèi)外合流制排水系統(tǒng)溢流污水水質(zhì)情況，同時(shí)參考黃孝河流域三金潭污水處理廠的設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)，并結(jié)合城市規(guī)劃功能，綜合分析后確定黃孝河高效沉淀池工程設(shè)計(jì)采用的進(jìn)、出水水質(zhì)，具體如表1所示。
目前因國(guó)內(nèi)缺少CSOs污染控制工程的出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)項(xiàng)目水質(zhì)達(dá)標(biāo)建設(shè)目標(biāo)，經(jīng)可研編制單位與武漢市水務(wù)局溝通后，SS按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)、TP按一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)、COD按二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2、工藝選擇分析
因現(xiàn)狀CSOs污水由生活污水、工業(yè)廢水、雨水3種性質(zhì)不同的水體組成，污染物濃度根據(jù)水量比例不同而不同，其波動(dòng)范圍較大。根據(jù)前期水質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知，SS與COD、TN、TP的相關(guān)性較強(qiáng)（見(jiàn)表2），因此，在CSOs處理中控制住SS即可大幅削減污染物總量。
考慮到CSOs處理設(shè)施旱天不工作、雨天工作的間歇運(yùn)行特性，無(wú)法進(jìn)行生物處理；同時(shí)降雨初期的CSOs污水具有流量較大、歷時(shí)較短、污染物濃度較高等特點(diǎn)，而高效沉淀池工藝具有SS去除率高、占地少、出水穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，因此，采用調(diào)蓄池及高效沉淀池工藝對(duì)CSOs污染進(jìn)行集中收集并處理。
工藝流程見(jiàn)圖1。
由圖1可知，CSOs污水首先通過(guò)粗格柵進(jìn)入調(diào)蓄池，由中間提升泵房提升至細(xì)格柵進(jìn)一步去除漂浮物、懸浮雜物后，再進(jìn)入曝氣沉砂池除砂，曝氣沉砂池出水進(jìn)入高效沉淀池去除懸浮物質(zhì)。為確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，高效沉淀池出水進(jìn)入精密過(guò)濾池進(jìn)一步處理，將SS降至10mg/L以下，經(jīng)紫外消毒后排放至后湖泵站前池。
3、高效沉淀池工藝選擇
目前，廣泛應(yīng)用的高效沉淀池技術(shù)包括加砂高效沉淀池以及污泥回流型高效沉淀池，兩種技術(shù)的運(yùn)行參數(shù)如表3所示。就工藝目標(biāo)可達(dá)性而言，采用上述兩種工藝對(duì)CSOs污染進(jìn)行處理均能滿足出水水質(zhì)要求。就運(yùn)營(yíng)階段的運(yùn)行費(fèi)用而言，污泥回流型無(wú)需投加凝核物，可有效降低運(yùn)營(yíng)階段處理費(fèi)用，工程按照最大進(jìn)水污染負(fù)荷測(cè)算的噸水處理費(fèi)用為0.29元/m3。
污泥回流型高效沉淀池工藝自帶污泥濃縮功能，無(wú)需配套建設(shè)儲(chǔ)泥池及污泥濃縮池，排泥濃度可達(dá)30~150g/L，可以直接進(jìn)行脫水處理，從而有效減少建設(shè)面積。由于該項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域位于城市高密度建成區(qū)，受建設(shè)區(qū)域用地面積限制以及周邊維穩(wěn)壓力等因素影響，最終采用污泥回流型高效沉淀池工藝。
4、高效沉淀池工藝設(shè)計(jì)
4.1 總體設(shè)計(jì)
黃孝河CSOs調(diào)蓄池采用全地下建設(shè)方式，池體占地面積為3.42×104m2，設(shè)計(jì)水深為7.3m，最大水深為8.6m。CSOs強(qiáng)化處理設(shè)施，即污泥回流型高效沉淀池，采用半地下建設(shè)形式，占地面積為2.58×104m2。項(xiàng)目于2021年底建成并投入運(yùn)行，總投資為10.34億元。
污泥回流型高效沉淀池的設(shè)計(jì)處理峰值水量為6m3/s，共分為6格，每格設(shè)計(jì)處理水量為1m³/s。池體主體分為3部分，即混凝池、絮凝池、斜管沉淀池，其工藝示意如圖2所示。
4.1.1 進(jìn)水
高效沉淀池每2格為1組，共3組。每組由總進(jìn)水分配渠通過(guò)DN1600的管道分別向2格高效沉淀池的混凝池提供進(jìn)水，進(jìn)水管內(nèi)設(shè)置可以輸出4～20mA電流信號(hào)的流量計(jì)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋每組高效沉淀池的進(jìn)水流量；進(jìn)水渠設(shè)置在線水質(zhì)分析儀監(jiān)測(cè)SS、pH，用于反饋藥品投加量。
4.1.2 混凝池
CSOs污水首先進(jìn)入混凝池，在混凝池進(jìn)水口投加混凝劑PAC，在池內(nèi)攪拌器的作用下快速攪拌，使混凝劑與原水充分混合。設(shè)計(jì)混凝時(shí)間≥2min，混凝攪拌機(jī)在最不利設(shè)計(jì)條件下的速度梯度G值≥250s-1。
4.1.3 絮凝池
經(jīng)混凝池充分混凝后的出水進(jìn)入絮凝池，投加助凝劑PAM，采用導(dǎo)流筒及攪拌機(jī)使該單元的功效顯著提高。攪拌機(jī)產(chǎn)生的上升循環(huán)流量約數(shù)倍于處理流量，從而滿足絮凝反應(yīng)的需求，同時(shí)攪拌機(jī)的攪拌速度與絮凝過(guò)程相匹配，不會(huì)將形成的礬花打碎，該單元單池設(shè)計(jì)絮凝時(shí)間≥5.2min。此外，高效沉淀池啟動(dòng)后，通過(guò)污泥回流系統(tǒng)將濃縮區(qū)上層污泥泵送至絮凝池，污泥回流量為單池最高進(jìn)水量的1%～3%�；亓魑勰酁樾跄靥峁┬躞w附著的晶核，改善礬花形成條件，減少陰離子高分子助凝劑用量。隨之礬花絮體增大、密度增加，保證了最佳的絮凝效果。
4.1.4 斜管沉淀池
通過(guò)絮凝池形成的礬花絮體進(jìn)入斜管沉淀池進(jìn)行泥水分離，水流采用上向流的形式。采用六角蜂窩狀斜管，其水力直徑為80mm，長(zhǎng)為1500mm。斜管澄清區(qū)和沉淀區(qū)的表面負(fù)荷在峰值流量下應(yīng)分別控制為18~22、12~13m3（/m2·h），沉淀池上部水通過(guò)集水槽收集。當(dāng)澄清區(qū)承受峰值流量負(fù)荷時(shí)，無(wú)細(xì)小絮凝體經(jīng)集水槽帶入后續(xù)精密過(guò)濾池中。沉淀池底部配置1套刮泥機(jī)，將經(jīng)沉淀濃縮后的污泥收集到污泥斗，采用2臺(tái)污泥循環(huán)泵（1用1備）以及1臺(tái)污泥排放泵，分別用于污泥回流和剩余污泥排放。污泥回流量為單池最高進(jìn)水量的1%～3%，吸泥點(diǎn)位于濃縮區(qū)的上層，配有污泥界面計(jì)控制排泥。
4.1.5 出水
高效沉淀池出水需控制為SS≤20mg/L、COD≤100mg/L、TP≤1mg/L，結(jié)合后續(xù)精密過(guò)濾，可將SS進(jìn)一步降至10mg/L，確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。
4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)
考慮到高效沉淀池間歇運(yùn)行的特點(diǎn)，降雨發(fā)生后，空池啟動(dòng)速度較慢，啟動(dòng)過(guò)程存在出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，無(wú)法應(yīng)對(duì)快速高效處理的要求。工程在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化了6格高效沉淀池的工藝以及啟動(dòng)方式，將高效沉淀池分為3組。降雨時(shí)，調(diào)蓄池收集CSOs污水，并通過(guò)提升泵提升，經(jīng)曝氣沉砂池進(jìn)入到第1組高效沉淀池進(jìn)行處理。當(dāng)高效沉淀池進(jìn)水達(dá)到50%時(shí)，開啟啟動(dòng)程序，此時(shí)提升泵出水流量需控制為最大流量的35%~50%，啟動(dòng)過(guò)程不達(dá)標(biāo)出水通過(guò)潛水回流泵回流到起端分配井，與原水混合進(jìn)行再循環(huán)，直到出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)后排放，第1組從啟動(dòng)到出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的時(shí)間為30min。當(dāng)調(diào)蓄池液位持續(xù)上漲時(shí)，開啟第2組。第2組高效沉淀池可利用第1組產(chǎn)生的剩余污泥，啟動(dòng)時(shí)間縮短至12min，減少了啟動(dòng)過(guò)程的污水內(nèi)循環(huán)時(shí)間，節(jié)約電耗以及藥耗。第3組啟動(dòng)方式與第2組相同。采用污水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)使得高效沉淀池在單次啟動(dòng)時(shí)減少不達(dá)標(biāo)出水10800m3。
當(dāng)預(yù)測(cè)降雨強(qiáng)度較大、歷時(shí)較長(zhǎng)，需要盡快對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí)，可同時(shí)開啟3組高效沉淀池，提高處理效率，此時(shí)由啟動(dòng)到出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的時(shí)間為30min。
4.3 核心設(shè)備參數(shù)
高效沉淀池的核心設(shè)備參數(shù)如表4所示。其中進(jìn)水懸浮物在線測(cè)量?jī)x、出水懸浮物在線測(cè)量?jī)x主要通過(guò)監(jiān)測(cè)進(jìn)、出水水質(zhì)，實(shí)時(shí)在線反饋藥劑投加量，達(dá)到精準(zhǔn)加藥的目的。
5、運(yùn)行效果
該工程于2019年8月開工，2022年7月完工并開始調(diào)試及試運(yùn)行，運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。
由表5可知，2022年各場(chǎng)次降雨形成的CSOs污染經(jīng)高效沉淀池強(qiáng)化處理后，出水水質(zhì)可以穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該工程優(yōu)化調(diào)整了高效沉淀池的啟動(dòng)方式，通過(guò)先行啟動(dòng)1組，再啟動(dòng)第2、3組，將其他2組的啟動(dòng)時(shí)間控制在12min以內(nèi)，減少了啟動(dòng)過(guò)程的污水內(nèi)循環(huán)時(shí)間，從而節(jié)約電耗以及藥耗。
6、結(jié)論
在黃孝河水環(huán)境綜合治理二期PPP項(xiàng)目中，采用調(diào)蓄池和污泥回流型高效沉淀池工藝對(duì)黃孝河明渠上游暗涵雨天CSOs污水進(jìn)行儲(chǔ)存及處理，高效沉淀池設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為SS≤20mg/L、TP≤1mg/L、COD≤100mg/L，結(jié)合精密過(guò)濾池，可將SS進(jìn)一步降至10mg/L，有效降低了CSOs污染對(duì)黃孝河明渠水環(huán)境的沖擊。同時(shí)污泥回流型高效沉淀池?zé)o需外加凝核物，按照最大進(jìn)水污染負(fù)荷測(cè)算運(yùn)行費(fèi)用為0.29元/m3。工程建設(shè)規(guī)模為25×104m3的調(diào)蓄池+設(shè)計(jì)處理峰值水量6m3/s的強(qiáng)化處理設(shè)施。
對(duì)污泥回流型高效沉淀池工藝進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化6格高效沉淀池的啟動(dòng)方式，提高其啟動(dòng)速率并保證出水水質(zhì)。通過(guò)污水內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)啟動(dòng)過(guò)程的不達(dá)標(biāo)出水循環(huán)處理，單次啟動(dòng)可減少不達(dá)標(biāo)出水10800m3。按照高效沉淀池的啟動(dòng)方式，降雨時(shí)配合前端調(diào)蓄池，分組啟動(dòng)。運(yùn)行時(shí)，先啟動(dòng)第1組，其他組利用第1組的剩余污泥，可將啟動(dòng)時(shí)間控制在12min以內(nèi)，減少了啟動(dòng)過(guò)程的污水內(nèi)循環(huán)時(shí)間，節(jié)約電耗以及藥耗。項(xiàng)目建成后的處理效果穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，可為其他合流制河道的生態(tài)治理提供參考。（來(lái)源：中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）
