化学强化一级处理.docx
《化学强化一级处理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学强化一级处理.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
化学强化一级处理
1化学强化一级处理（CEPT）
5.1化学强化以及处理的概述
化学强化一级处理是通过向污水中添加适当的化学药剂，将离散的颗粒物质化学脱稳，并通过异向絮凝形成较大的颗粒。
由于较大的颗粒易于用沉淀或者过滤的方式去除，所以该中处理过程称之为化学强化一级处理。
化学强化一级处理与混凝剂和絮凝剂的发展有密切关系。
早期由于技术的限制，药剂投加量较多，污泥增量幅度较大，使污水处理成本偏高，污泥处理负担过重。
当时，混凝剂及絮凝剂对去除污水中溶解性有机物作用十分有限，当溶解性有机物偏高时，单独采用次工艺的处理常常不能达标。
近年来，新型、高效、廉价的混凝剂和絮凝剂不断出现，并可根据水质选配最佳的复合絮凝剂组成，达到优异的絮凝效果。
同时，有机高分子絮凝剂的种类逐渐增多，极大地提高了处理效果，同时减少了投药量，降低了污水处理的成本。
此外，随着工业自动化技术在水处理领域应用的日益成熟，根据水质指标变化自动调整药剂投加量已日趋完善。
常规污水处理的基本思路是在初级处理阶段去除颗粒态和胶体态的物质，然后再处理溶解态物质。
而化学强化一级处理工艺中溶解态物质部分可被化学转化为简单的无机物、胶体和颗粒态物质与水分离。
污水中污染物质的颗粒分布从小于0.001μm到大于100μm,不同尺寸的物质在水中有不同的特性,如沉淀速率、传质速率、扩散速率和生化反应速率等。
而这些速率往往又是各种污水处理工艺处理效率的决定性因素。
较小的有机物比较大的有机物生物降解的速率快。
在望后石污水处理厂的改善工程中，我们选择了著名的得利满专利技术，高密度沉淀池Densadeg。
该处理工艺属于水处理领域里面最先进的一代。
在添加混凝剂和聚合物之后，颗粒的絮凝过程得到了先显著地增强。
同时利用回流的污泥作为晶核，加速絮凝物的形成及比重，加速澄清过程。
相比其他紧凑的解决方案，它没有引入外部惰性晶核微沙粒等。
这使得操作起来非常方便可靠，同时避免产生过多的污泥。
与市场上其他的化学强化一级处理的设计不同，得利满的设计概念是将污泥浓缩单元整合到了化学强化一级处理的过程中。
整个过程主要有三个单元过程组成：
∙混凝反应区
∙预沉淀/污泥浓缩区
∙澄清区
本章将分别介绍这三个主要单元过程的机理及望后石污水处理厂中的应用。
5.2DENSADEG高密度沉淀池
DENSADEG高密度沉淀池是沉淀技术进化和发展的终极阶段，在水处理技术中，属于三代沉淀池中最新的一代。
二十世纪初采用的是第一代沉淀技术——静态沉淀；五十年代开发了被称为“污泥接触层”的第二代沉淀池并投入使用；八十年代被称为“污泥循环型”的第三代沉淀池进入了市场，其中以DENSADED高密度沉淀池为代表。
得利满公司已证实只有污泥循环的斜板沉淀系统才能得到较高的沉淀速度和较高的污泥浓度，因此可以减少后续污泥脱水等处理处置的能耗及费用。
经典的颗粒沉淀速率表达式为：
式中：
g—重力加速度；
；d—颗粒直径
；
；
由上式可知，当颗粒的尺寸越大、密度（比重）越大的时候，颗粒的沉淀速率越快。
在一级处理过程中，污泥的沉淀一般是通过混凝和絮凝来增加固体悬浮物的尺寸及密度来加速沉淀过程。
混凝
由于废水中的胶体颗粒一般具有净负电表面电荷。
胶体所具有的尺寸（约0.01-1µm）使存在于颗粒间的吸引力大大地小于电荷的排斥力。
在稳定的条件下，由于布朗运动，颗粒处于悬浮状态而不能有效的沉降。
化学混凝是指颗粒的化学脱稳和通过异向絮凝而形成较大颗粒。
混凝剂（coagulant）是指使废水中的胶体颗粒脱稳并形成絮体而投加的化学药剂。
絮凝
絮凝是描述颗粒的撞击而使颗粒增大的过程。
絮凝作用有两种形式：
（1）微絮凝（也称异向絮凝），其颗粒的聚集是通过液体分子的布朗运动完成的；
（2）宏观絮凝（也称同向絮凝），其颗粒的聚集是通过产生速度梯度，搅拌含有絮凝颗粒的液体完成的。
另外一种宏观絮凝形式是通过速差沉降，即大颗粒落在小颗粒上形成较大颗粒而完成的。
需要指出的是，当胶体颗粒通过布朗运动和缓慢搅拌引起的接触使其尺寸达到1-10µm时，宏观絮凝才会成功。
絮凝的目的是为了是聚集的颗粒可以用重力沉降和过滤等费用不到的颗粒分离方法将其去除。
而絮凝剂（flocculationagent）一般为聚合物，是指为了强化絮凝过程而投加的化学药剂。
混凝就是指投入药剂，通过相应的电中和及粘结桥架作用，使水中的胶体例子及悬浮性污染物脱稳并聚集的过程。
一般混凝、絮凝和沉淀是被当作独立的单元过程来对待，单高密度沉淀池则是将混凝、絮凝、沉淀、污泥浓缩过程综合于一个构筑物中的综合工艺设备，各部分相互制约、相互促进、互相影响。
按功能，高密度沉淀池可分为反应单元、预沉淀-浓缩单元、斜管沉淀单元三部分。
其工作原理为：
加过药剂的原水在反应单元内与高浓度的回流泥渣相接触，脱稳杂质与泥渣颗粒碰撞凝聚达到较好的絮凝效果，结成重而大的絮凝体，加快了沉淀速度。
可以做到在水量一定的条件下，沉淀池容积大为减少且效果更佳。
在预沉淀-浓缩单元和斜管沉淀单元进行沉淀分离。
斜板沉淀池中可用于泥水分离的面积为普通沉淀池的数倍，其中包含了大量的相互独立的沉淀单元。
污水首先进入快速搅拌区，在搅拌器作用下与混凝剂充分混合，使胶体颗粒脱稳，形成絮体。
污水脱稳后由快速搅拌区下方的管道，从底部进入混凝反应区。
同时，有部分回流的污泥也从底部一起进入絮凝反应区。
反应区中有径向流动叶轮（方向向上），使混凝后的污水与污泥充分混合，以循环流动的方式自下至上的进行循环。
搅拌设备宜采用无级变速电动机驱动，以便随进水水质和水量变动而调整回流量或搅拌强度。
水流由反应池经导流室进入预沉淀-浓缩单元，多数矾花在此单元内沉淀、浓缩。
在这个单元里设有污泥耙，它是一个刮泥和搅动的装置。
污泥耙绕池中心缓慢旋转，将沉于池底的污泥推入池中心的污泥斗中。
此外，污泥耙还附设的竖向栅条，在转动过程中可促进污泥的浓缩过程。
向下沉降的泥渣一部分经过管道和污泥泵打回反应器，重新参加絮凝；另一部分进入污泥斗进行浓缩，至适当浓度后，经排泥管排出，排放污泥的浓度可达30-550g/L。
由于在反应单元中一直保持着较高的污泥浓度，高密度沉淀池耐冲击负荷能力强，对来水水量、水质有较好的适应性。
浓缩污泥的外循环不仅保证了搅拌反应池的固体浓度，提高了进泥的絮凝能力，而且使形成的絮凝体更加均匀密实。
通过沉淀污泥的及时排出，浓缩过程得到优化，泥渣上浮的现象得到控制，同时排泥管又可作为检修放空之用。
剩余矾花经斜管沉淀单元去除，清水通过集水槽收集后，经管道流入下一级处理构筑物。
Densadeg高密度沉淀池形式如下图所示：
图2.38-高密度沉淀池结构示意图
图中各个标号所进行的物理化学反应入下：
快速混合区：
污水进入已加入混凝剂的快速混合区。
通过投加铁盐或者铝盐等混凝剂使胶体颗粒脱稳，形成絮体。
望后石污水处理厂通过烧杯实验，确定了氯化铁在处理该地区的污水时效果更好。
图2.39-混合区搅拌器
反应区：
混凝后的水进入反应区，在径向流搅拌器的作用下，与内回流污泥充分混合。
水和污泥在导流管的内部和外部不断循环，以促进固体间的接触及颗粒增长。
絮凝剂（聚合物）投加爱在导流筒内部的搅拌器下方。
回流污泥帮助加速絮凝过程，形成更加致密、均一的絮凝颗粒。
污泥的回流主要是作为一种晶核，从而加速颗粒沉降。
当包裹有聚合物的污泥回流至混凝/絮凝区时，回流的污泥与絮凝体黏接，使絮化颗粒增大。
通常此过程也称为加速颗粒絮凝。
在加速颗粒絮凝过程中，速度梯度对絮凝效果有很大影响：
高的速度梯度将使絮凝体颗粒破碎，而搅拌不足又会影响宏观絮凝过程。
污水加速颗粒沉淀的速度梯度通常控制在200-400每秒的范围内。
与无晶核的絮凝颗粒比较，有晶核颗粒沉淀速度的增大时由于：
（1）颗粒密度的增大；
（2）阻力系数的减小和雷诺数的增大；（3）形状因素的减小，这是由于形成了更密实的球形颗粒。
有晶核的絮凝颗粒与单独的絮凝体颗粒相比，更接近球形。
污泥循环,通过增加新产生的絮凝体聚合在一起的机会,大大提高了絮凝反应。
实现一个均匀的絮凝体、絮凝池必须保持一个最小的污泥浓度。
这样，由小块絮凝体汇聚而成的均匀大块絮凝体，就可以从絮凝池中沉淀出来。
过渡区：
进入沉淀区的过渡区时一个向上流活塞区，在此区域进行强化絮凝，含密实颗粒（矾花）的污水向上流经内部淹没堰，进入到沉淀区。
为了避免矾花的撕裂和破坏，该过渡区的水流应该尽量保持缓慢及稳定。
沉淀及分离区：
絮凝颗粒经过淹没堰进入沉淀区，密实的悬浮物质沉淀至澄清池底部。
澄清水通过斜管向上流，澄清水中含有的较轻的低密度污泥通过斜管进一步分离。
斜管沉淀是多层沉淀理论下的一种途径，其原理是通过增加沉淀池的表面积，提高颗粒的去除率。
下文将详细介绍斜管沉淀。
沉淀及分离区：
絮凝颗粒经过淹没堰进入沉淀区，迷失的悬浮物质沉淀之澄清池底部。
澄清水通过斜管向上流，污泥向下。
这些斜管进一步分离去除水中较轻的低密度污泥。
污泥浓缩：
选装的刮泥耙使沉淀污泥在澄清池底部不断浓缩，并逐渐集中在沉淀池底部的漏斗中。
一小部分浓缩污泥被循环至反应区，剩余污泥通过自动排放阀定期排放至污泥脱水大楼的污泥储存缸中。
沉淀浓缩区保证了矾花增长所需的慢速絮凝，生成的矾花具有较高的密度。
然后水慢速流至沉淀区以保证矾花的完整性。
高密池底部刮泥机的连续刮扫促进了沉淀区污泥的浓缩，实践上，如果沉淀浓缩区没有刮泥系统就不能有效地排泥，往往就会降低高密度沉淀池的性能。
此外，在污泥浓缩去还将发生少量的絮凝。
脱稳杂质随水流与泥渣层接触时，将被泥渣层阻留下来。
这种把泥渣层作为接触介质的过程，实际上也是絮凝过程，一般称为接触絮凝。
图2.40-高密度沉淀池底部污泥耙
出水收集：
在斜管沉淀区上方安装集水堰，均匀收集处理后的澄清水。
斜管沉淀池是把与水平面成一定角度一般度左右的管状组件断面为矩形或六角形，置于沉淀池构成。
水流可从下向上或从上向下流动，颗粒则沉于众多斜管底部，而后自动滑下。
斜管沉淀池可以有效的去除多余的矾花，保证稳定优质的出水。
斜管沉淀
斜管沉淀池是指在沉淀区内设有斜管的沉淀池。
组装形式有斜管和支管两种。
在平流式或竖流式沉淀池的沉淀区内利用倾斜的平行管或平行管道（有时可利用蜂窝填料）分割成一系列浅层沉淀层，被处理的和沉降的沉泥在各沉淀浅层中相互运动并分离。
根据其相互运动方向分为逆（异）向流、同向流和测向流三种不同分离方式。
每两块平行斜板间（或平行管内）相当于一个很浅的沉淀池。
其优点是：
∙利用了层流原理，提高了沉淀池的处理能力；
∙缩短了颗粒沉降距离，从而缩短了沉淀时间；
∙增加了沉淀池的沉淀面积，从而提高了处理效率。
图2.41-Lamella重力沉降器
得利满的高密度沉淀池中采用了Lamella重力沉降器。
这是一种基于逆流沉降改进型沉降器。
借助进水导管讲谁引入沉降器，并在层流条件下向上流动。
固体沉降到斜管底部，上清液通过板孔流出。
絮凝后的水通过一个较宽的横向开口进入到沉淀池中，这可以防止产生漩涡和絮状物的断裂，确保大部分的悬浮固体保留在此区域。
这是预沉-浓缩区。
絮凝后，污泥由于重力从斜管沉淀处理区排出，水向相反的方向流动。
这个过程就像个液化层过滤系统，优化净化效果。
在这个区域，反应缸内大部分的固体悬浮颗粒沉淀。
理论上，所有沉淀速率大于Hazen率的颗粒全部被除去。
安装上述的预沉淀区的斜板沉淀池配带快速沉降管、层状模块，其中水的流动方向与污泥相反，可以去除任何絮状物残留。
在高密度沉淀池系统，通过预沉淀区和斜管沉淀池的使用和低流速的控制，片层表面区域完全不存在任何的“死角”。
浮渣撇除
望后石污水处理厂采用了一种螺旋式表面浮渣清除装置。
浮渣进入沉淀池后，将会由鼓风机将液面的浮渣推至横跨于沉淀池的撇渣器处。
螺旋式撇渣器将浮渣沿其轴向推送浮渣至收集井中，最后经过浮渣传送泵，将浮渣输送至污泥储存缸中，物沉淀后的污泥一起进行脱水处理。
每个高密度沉淀池安装有两个撇渣器，两个高密度沉淀池将共用一个浮渣泵。
沉淀池中，斜管沉淀装置将去除大部分未沉淀的矾花。
斜管安装于紧贴沉淀池的液面下方，斜管沉淀区将捕获较轻或者上浮的悬浮物，并将其送回至沉淀区中，保证溢流至溢流槽中的水质。
因此斜管沉淀装置必须安装于整个沉淀池。
底部的污泥耙将保持污泥的运动。
一部分集中在预沉淀浓缩缸中的污泥将循环回流至絮凝池中。
根据DSA标准，从沉淀区到絮凝去的污泥回流率大约为入流流量的0.5%-4%。
回流量的控制将根据入流水量而进行调整。
絮凝池中的污泥浓度应该保持在0.8g/l至1.2g/l的范围内。
从沉淀池中回流的污泥浓度大约为25g/l至35g/l。
如果絮凝池中的浓度高于1.2g/l时，可以考虑暂停污泥循环泵的运行。
在这种情况下，将会停止向循环污泥中添加聚合物。
Densadeg高效可靠的运作取决于许多参数:
污水中固体废物含量变化、水力参数变化、大量的药品用量以及污泥循环等等。
简言之的优势，Densadeg是最紧凑的系统，在相同的结构里可以实现以下功能：
∙沉淀功能；
∙致密化的功能，望后石污水厂设计污泥浓缩至40g/L；
∙高密度沉淀池的理念领先于类似的普通沉淀池10至20倍，但是高密度沉淀池的占地面积却比普通沉淀池小8倍；
∙试剂优化；
∙调节和自动控制系统:
高密度沉淀池被设计成可以根据污水流速和污染浓度，在任何时候提供最合适的试剂量，这使得它非常有效的节约絮凝剂的使用；
∙双聚合物（在循环污泥和絮凝搅拌机过程）:
这是用来促进絮状物生长,通过这种方式来优化絮凝剂的使用；
∙没有磨料材料，如细砂等晶核。
本系统只使用氯化铁和聚合物,以保护装置的金属部件不受磨损和保证污泥质量。
投资成本节约
根据过往经验的总结，高密度沉淀池的投资与尺寸有显著的变化关系。
高密度沉淀池的表面积越大的时候，其机械设备及土建成本则可以得到有效的分摊，提升成本效益。
在望后石污水处理厂的改善工程中选择建造的169平方米斜管型沉淀池（具体计算及选择过程见之后计算部分），已经位于曲线末端，单位面积的投资成本已经达到最小。
图2.42–高密度沉淀池单位面积的投资成本
运营成本
在选择一些紧凑的处理单元时，一般可以节省土建工程的成本，但另一方面有可能增加运营的成本，例如高能源消耗或者化学药剂计量增大等。
根据过往经验，采用得利满的Densadeg高密度沉淀池并没有增加额外的能耗及药剂。
在整个化学一级强化处理过程中，主要的成本有搅拌器、污泥耙、各种剂量泵的能耗，化学混凝剂及高聚物絮凝剂的费用组成。
一般而言，混凝剂的费用大约占7成以上，为最主要开支。
高聚物及能耗的费用大约各占1成左右。
由于高密度沉淀池采用污泥回流的方式可以帮助混凝，而能耗费用在各种类似的处理设施中分别不大，因此运营成本与一般的处理单元没有显著区别。
图2.43–一般的混凝絮凝沉淀池运营成本比例
5.3处理步骤设计
化学强化一级处理主要是去除污水中悬浮颗粒物以及降低生化需氧量。
在运行稳定的情况下，要满足污水污染物的去除效果，则需要保证混凝、絮凝以及沉淀的停留时间。
污水在高密度沉淀池中的停留时间主要是由入水的水量以及沉淀池的尺寸决定的。
根据设计要求及项目环保许可证，望后石污水处理厂在经过改良后，经过处理的污水需要达到以下标准：
表2.26–入水水质
参数
平均浓度1
95%百分位数2
峰值
TSS
300mg/l
400mg/l
800mg/l
BOD5
290mg/l
400mg/l
800mg/l
注释：
1.平均值的计算基于每月的监测数据；
2.95%百分位数的计算基于滚动的12个月监测数据。
第一年的95%百分位数的计算是基于同期的累积数据。
表2.27-出水水质要求
参数
浓度
备注
浓度
备注
浓度
备注
采样方法
采样频率
TSS
90mg/l
均值
120mg/l
95%百分位数
240mg/l
峰值
24小时混合
4次/周
BOD5
--
--
180mg/l
95%百分位数
360mg/l
峰值
24小时混合
4次/周
注释：
平均值的计算基于每月的监测数据；
95%百分位数的计算基于滚动的12个月监测数据。
第一年的95%百分位数的计算是基于同期的累积数据。
任何时间的相关参数均不可以超过表中峰值；月几何平均值的计算基于每月的监测数据。
进水入口的数量
平均设计污水流量（ADWF）：
241,000m3/day
雨季最高污水流量（PWWF）：
525,000m3/day
有些情况不得不做额外5%的流量设计标准
各种处理步骤对于设计安全系数有不同的要求。
下面的各个结构就是按照这些要求而设计的。
最大水利学流量
=
23,150
m3/h
=
555,594
m3/d
平均水利学流量
=
10,723
m3/h
=
257,344
m3/d
水力停留时间
混凝区（根据DSA标准）
=
2-3
min
絮凝区（根据DSA标准）
=
4-8
min
混凝池配置
=
4
工作
1
备用
絮凝池配置
=
4
工作
1
备用
对于混凝池及絮凝池，其设计流量：
混凝区
=
23,150
m3/h
=
6.43
m3/s
絮凝区
=
23,150
m3/h
=
6.43
m3/s
水池深度
混凝区
=
5.83
m
絮凝区
=
8.25
m
混凝区（一个混凝池的尺寸）
混凝区体积
=
6.43x3x60/4
（假设3分钟水力停留时间）
=
193
m3
假设长宽比
=
1
计算混凝池长度
=
5.75
m
计算混凝池宽度
=
5.75
m
混凝池设计长度
=
5.70
m
混凝池设计宽度
=
5.70
m
混凝池设计体积
=
189
m3
水力停留时间校验：
T=
5.7x5.7x5.83x4/23150x60
=
2.0
min
（满足设计要求）
絮凝区（一个絮凝池的尺寸）
混凝区体积
=
6.43x6x60/4
（6分钟水力停留时间）
=
579
m3
假设絮凝池宽度
=
9
m
计算混凝池长度
=
579/9/8.25
=
7.79
m
混凝池设计长度
=
9.00
m
混凝池设计宽度
=
7.75
m
混凝池设计体积
=
575
m3
水力停留时间校验：
T=
9x7.75x8.25x4/23150x60
=
5.97
min
（满足设计要求）
沉淀池类型
高密度沉淀池
沉淀区的最大通量
=
20.1
m3/m2/h
（数据来自供应商）
斜管沉淀区的最大通量
=
34.0
m3/m2/h
（数据来自供应商）
沉淀池配置
=
4
工作
1
备用
沉淀池雨季峰值流量
=
23,150
m3/h
=
6.43
m3/s
沉淀池高度
有效高度
=
8.23
m
安全余裕
=
0.69
m
高度
=
8.92
m
每个沉淀池的最大流量
=
23150/4
=
5787
m3/h
需要的面积
沉淀区
=
5787/20.1
=
288
m2
斜管沉淀区
=
5787/34
=
170
m2
最大通量校验：
沉淀区
=
5787/289
=
20.0
m3/m2/h
<
20.1
m3/m2/h
（满足设计条件）
沉淀区
=
5787/169
=
34.0
m3/m2/h
>=
34.0
m3/m2/h
（满足设计条件）
对于斜管沉淀，供应商提供了140㎡及169㎡两种Lamellar层：
表2.28–供应商提供的Lamellar斜管及运作方式
得利满140m2lamellar斜管（mIh）
得利满169m2lamellar斜管（mIh）
4w,1sb
5w,2sb
6w,2sb
4w,1sb
5w,2sb
6w,2sb
Ave.
Peak
Ave.
Peak
Ave.
Peak
Ave.
Peak
Ave.
Peak
Ave.
Peak
18.0
41.1
14.4
32.8
12.02
27.4
14.9
34.0
11.9
27.2
9.9
22.7
w：
工作机组；Sb：
备用机组。
通过分析流动形态和室内试验，选择了5个配置了169m2斜板面的高密度沉淀池。
这种结构在斜板区的流速有很大的可变动幅度，可以适应望后石污水处理厂的全部流量情况。
5.4运行控制
启动
高密度沉淀池空池启动的初期，由于混凝沉淀的流程较短，水中的絮体不能充分沉淀，出水中会夹带一定量的絮体颗粒，导致出水浊度增加，需要经历较长的时间才能达到稳定工况。
因此，高密度沉淀池启动时可采取低负荷运行的方式，以获得较长的混凝反应时间，在较好的混凝反应条件下生成较大尺寸和较高密度的絮体颗粒，从而提高沉淀区的效率。
此外，在高密度沉淀池达到运行液位后停止运行，使已形成的絮体颗粒静沉2h以上，再启动高密度沉淀池，有利于出水浊度达标。
污泥熟化
高密度沉淀池在启动污泥循环系统的条件下，絮凝区的污泥浓度存在最佳控制值，但是从启动到达最佳污泥浓度控制值需要一定周期的污泥熟化过程，在此过程中水中的有机胶体和藻类物质在池内富集，影响混凝效果。
因此，污泥熟化过程中，采取低负荷运行及停止污泥循环系统的方式，有利于在低浊高藻原水水质条件下控制出水浊度。
高密度沉淀池启动时可采取低负荷运行的方式以提高沉淀效率，且在高密度沉淀池达到设计液位后停止运行，使已形成的絮体颗粒静沉一定时间，有利于出水浊度达标。
污泥熟化过程中，采取低负荷运行及停止污泥循环系统的方式，有利于在低浊高藻水质条件下控制出水浊度，而适量排泥也可以降低高密度沉淀池的出水浊度。
药剂使用
反应区的污泥为来自混合区的排泥水与循环系统回流的高浓度浓
升级会员 