强化混凝与滤布滤池组合工艺应用于农村河道水质提升工程

杨晓雷， 赵明杰， 孙浩楠， 刘晓静， 栗勇田，4

（1.保定市生态环境局涞源县分局， 河北 保定 074300； 2.秦皇岛天大环保研究院有限公司 河北省河道水质净化及生态修复重点实验室， 河北 秦皇岛 066000； 3.秦皇岛市水污染监测及治理工程技术研究中心，河北 秦皇岛 066000； 4.天津大学 环境科学与工程学院， 天津 300072）

河道水环境综合治理及长效保持是一项长期、复杂的系统工程［1-3］， 由于村镇污水收集和处理设施不完善， 农业面源污染加剧， 黑臭水体治理后缺乏长效管护机制等原因， 导致水体富营养化及藻类水华现象频繁发生， 河道水质易发生剧烈波动。 传统的河道水质提升技术包括调水工程、 原位生态修复以及人工曝气充氧等方法［4-5］， 均有一定的净化效果， 但也存在施工难度大、 污染物去除效率低、运行成本高等问题， 且难以在短期内有效应对断面水质超标等突发情况， 因此， 采用因地制宜的工程技术措施， 及时高效地提升河道水质， 极具现实意义。

新型物化水质净化技术主要是通过添加物理化学药剂以及应用新型水处理设备工艺实现高效的净水功效， 如混凝沉淀、 加药气浮、 滤布滤池深度净化等方法［6-8］， 因处理效率高、 出水水质稳定以及自动化程度高等优势， 在河道富营养化水体净化工程中具有广阔的应用前景。 本研究通过构建异位净化处理工程， 采用以强化混凝与滤布滤池为核心的组合工艺提升河道水质， 介绍了组合工艺流程及相关设计参数， 并对实际运行效果及经济成本情况进行考察与分析， 可为农村河道水质应急保障与提升技术的应用提供借鉴与参考。

1 工程概况

饮马河发源于卢龙县双望镇， 昌黎县境内河段全长34 km， 流域面积为142.8 km2， 河水主要来自沿河多家农产品加工企业及集中式污水处理厂的排水。 近年来， 随着企业及居民用水量升高， 污水处理厂常期超负荷运行， 加之工业园区排水系统的雨污混接及初雨径流， 使得河道水体中污染物不断累积， 尤其在夏秋季节， 河水中藻类及各类污染物浓度显著升高， 造成下游出境断面水质连续超标。

为保障饮马河出境断面水质满足《秦皇岛市碧水保卫战三年行动计划》的相关要求， 当地环保部门计划在严格控源的基础上， 通过工程措施在出境断面上游合适位置新建拦水坝对河水进行异位净化后回补入河， 并在河岸及河面进行生态修复， 减小面源污染的同时进一步提高水体净化能力， 本文就河道水体异位净化工程的工艺设计、 水质提升效果及运行情况进行介绍与分析。

2 设计水质和水量

通过分析近年饮马河昌黎县域出境点断面水质监测数据可知， 河水在6 ～8 月份污染最为严重，为劣Ⅴ类水质， 指标波动较大的主要污染物为COD 和TP， 其中COD 质量浓度最高为73.60 mg／L， 年平均值为38.30 mg／L， TP 质量浓度最高为1.96 mg／L， 年平均值为0.65 mg／L， NH3-N 质量浓度较稳定， 最高为1.74 mg／L， 年平均值为1.09 mg／L。 此外， 为保证河流景观功能并满足后续生态修复要求， 还需控制水体浊度， 根据饮马河水质现状及工程目标， 异位净化工程出水COD、 NH3-N和TP 水质指标执行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的Ⅳ类标准， 出水浊度执行GB／T 18921—2019《城市污水再生利用景观环境用水水质》中的景观湿地环境用水标准， 具体指标如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab. 1 Design influent and effluent water quality

根据河道现场条件， 综合考虑治理效果及占地、 后期管理、 能源及交通等因素， 确定选取出境监测断面上游2.5 km 处北岸为旁路异位净化点位，设计处理水量为1×104m3／d。 拦水坝建成后， 在坝前取水提升至岸上， 并利用集中净化设施对水体中特征污染物进行处理， 达标后排入下游河道。

3 河道水质提升工艺

3.1 工艺流程

根据饮马河水文特点， 河道清淤和疏浚涉及工程量大， 且难以短期内提升河水水质。 针对夏秋季节河水水体COD 及TP 浓度较高， 同时考虑控制水体浊度的需求， 工程采用强化混凝沉淀法结合滤布滤池深度净化工艺提升河道水质， 工艺流程见图1。

图1 工艺流程Fig. 1 Process flow

河水经进水渠自流进入集水泵井， 通过配套机械格栅拦截分离出大块悬浮物及漂浮物， 然后提升至旋流分离系统中， 通过砂水分离器将颗粒粒径较大的泥沙分离外运处理， 设置前端水质在线检测系统监测进水中污染物超标情况， 依据监测数据向河水中定量投加高效复合混凝药剂， 在沉砂器中充分混合后， 通过布水装置进入斜管沉淀池进行絮凝沉降， 去除大部分胶体、 絮凝物及吸附在上面的有机物和氮磷， 同时通过复合药剂的氧化还原作用可去除部分溶解性有机物［9］。 沉淀池出水经溢流堰自流进入滤布滤池， 通过固定在支架上的微孔滤布， 将固体悬浮物截留在滤布纤维外侧， 可进一步去除水体中的悬浮杂质及氮磷， 降低有机污染物浓度［10］，过滤液通过中空管收集后由溢流槽排出滤池， 经出水渠自流排放回河道中。 当滤布上污泥不断积累，致使池内液位上升到设定值后， PLC 控制开启反抽吸泵及传动装置进行反清洗。 沉淀池产生的污泥经底部排泥管送至板框压滤机进行污泥脱水， 压滤液和滤布滤池反洗水回流至前端处理， 泥饼富含氮磷等营养物质， 经好氧发酵后可外运用于园林绿化及土壤改良等。

3.2 工艺技术特点

（1） 处理效率高、 处理量大。 高效复合混凝药剂是由混凝剂、 助凝剂、 耦合剂、 氧化剂等多种成分复合而成的液体制剂， 能够加速絮体产生及沉降， 同时通过化学反应降低有机污染物浓度； 旋流分离系统集成了药剂混合搅拌、 河水沉砂和砂水分离等多项功能于一体， 能够减小后续沉淀及过滤处理的负荷， 工艺总处理时间不超过15 min， 此外，多台设备并联运行可以满足更大处理量的需求。

（2） 工艺自动化程度高， 出水稳定。 本工程由主控室的PLC 系统对处理过程实时监控， 自动采集现场数据及设备运行情况， 并对各处理单元电机启停进行全过程控制。

（3） 工程占地小， 建设周期短。 相比传统混凝沉淀及人工湿地等水质提升工艺， 该组合工艺流程短， 附属设备少， 通过合理布设能够有效节约占地面积。 主要处理单元多为成套设备现场拼装， 大幅减少了土建工程内容， 缩短了建设周期。

4 主要处理单元及设计参数

（1） 集水泵井。 采用地下砼结构， 尺寸为6.6 m×6.3 m， 有效水深4.0 m。 设置提升水泵2 台， 1用1 备， 流量为480 m3／h， 扬程为15 m， 功率为45 kW； 不锈钢格栅网1 套， 栅条间隙为10 mm；电动葫芦1 套， 起重量为2 t， 起吊高度为6 m， 电机功率为3.4 kW。

（2） 旋流分离系统。 旋流分离系统设计流量为1×104m3／d， 主要由药剂投加装置、 沉砂装置及砂水分离装置3 部分组成。 高效混凝药剂投加装置2套， 药剂投加量为50 mg／L， 设置有效容积为10 m3的加药桶2 座， PE 材质； 配套搅拌机2 台， 单台功率为1.1 kW； 加药计量泵2 台， 单台最大流量为500 L／h， 扬程为30 m， 功率为0.75 kW。 气提式旋流沉砂器1 台， 箱体直径为3.8 m， 有效水深3.2 m， 箱体及配套搅拌、 气提装置均为不锈钢材质， 电机功率为2.2 kW， 风机功率为2.2 kW。砂水分离器1 台， 槽体为不锈钢材质， 直径为0.3 m， 叶片为高强度合金钢材质， 直径为0.26 m， 功率为0.37 kW。

（3） 斜管沉淀池。 碳钢防腐结构， 平面尺寸为14.0 m×6.0 m， 池体总高为4.0 m。 池体沿纵向分为清水区、 斜管区、 布水区及积泥区。 清水区上升流速为2 mm／s， 设计面积为60 m2， 高度为1.2 m；斜管区采用蜂窝六角形斜管， 斜管长1 000 mm，厚0.4 mm， 内径为30 mm， 安装水平倾角为60°，设计沉淀时间为7 min； 布水区高度为1.0 m， 采用侧面进水， 进口处设置整流格栅； 积泥区排泥斗高度为0.8 m， 污泥经池底排泥通道采用虹吸式机械排泥。

（4） 滤布滤池。 碳钢结构， 内涂环氧树脂防腐， 尺寸为7.3 m × 2.5 m × 3.0 m， 单套处理量为1.5×104t／d。 设置高效纤维滤盘16 片， 转盘直径为2 000 mm， 材质为聚脂支撑及尼龙纤维滤布，空心转轴采用不锈钢焊接而成， 中空管既可输送清水又可带动滤盘旋转， 驱动电机功率为1.1 kW，反冲洗泵流量为50 m3／h， 功率为2.2 kW。 配套电气系统由电控箱、 PLC、 液位监测等电控元件组成， 用于控制反洗过程， 调整反洗间隔。

（5） 污泥脱水系统。 浓缩后污泥量为30 m3／d，含水率为97%～98%。 设置螺杆泵1 台用于污泥提升， 流量为20 m3／h， 功率为5.5 kW； 厢式压滤机1 台， 机身尺寸为4.8 m×1.5 m×1.5 m， 单台处理量为2.5 m3／h， 过滤压力为1 MPa， 压滤面积为50 m2， 主机功率为1.5 kW， 脱水后泥饼含水率为70%， 通过配套皮带输送系统送至卸料区后定期外运处理。

（6） 在线监测及控制系统。 在进出水口配置多参数水质在线监测系统1 套， 电流为4 ～ 20 mA，精密度为±5%， 2 路信号输出； 配套UPS 电源及数采仪， 满足设备3 h 以上用电量。 电磁流量计8台， 测量范围为5～2 500 m3／h， 测量精度为±0.5%，采用316 电极， 分体式， 防护等级为IP68。 PLC控制柜1 套， 壳体防护等级IP56。

5 工程运行效果

2020 年初， 该工程项目正式投入使用， 稳定运行3 个月后， 7 月～9 月对系统进出水口进行水质监测， 采样频率为4 次／月， 具体指标见表2。

表2 实际进出水水质Tab. 2 Actual influent and effluent water quality

由表2 可见， 在河水污染较严重的夏秋季节，原水中各污染物指标波动较大。 通过采用强化混凝沉淀与滤布滤池深度过滤工艺进行岸上异位净化后， 出水COD、 NH3-N、 TP 和浊度的平均去除率分别为50.54%、 11.02%、 80.17% 和88.94%， 出水水质均达到设计要求。 该组合工艺出水水质稳定， 对TP 和浊度具有明显的去除效果， 而对COD的去除率高于常规混凝沉淀法［11］， 说明河道水体中非溶解性有机物占比较高， 强化混凝过程对水中溶解性有机物也具有一定的去除效果。 该工程根据受污染河段的治理需求针对性地采用物化水质净化工艺， 因此对水体中NH3-N 的去除效果有限，若河水中NH3-N 浓度超过设计进水指标， 可通过在现有工艺后增加稳定塘或人工湿地等方式进行深度降解［12］。

6 经济技术指标

该工程占地面积约为1 200 m2， 总投资1 032.3万元。 运行费用主要包括电费、 药剂费、 人工费以及检修维护费用等， 其中， 该工程的总运行功率为68.47 kW， 吨水平均耗电费用为0.13 元， 吨水药剂费用为0.20 元， 吨水人工费用为0.03 元， 吨水平均维护费用为0.02 元， 工程总运行成本为0.38元／m3。

7 结语

根据某农村河道夏秋季节水质特点及治理要求， 采用旁路处理的方式， 将以强化混凝与滤布滤池为核心的组合工艺应用于河道水质提升工程， 对水体中COD 的去除率达到50% 以上， 对TP 和浊度的去除率均达到80% 以上， 出水主要污染物指标达到地表水Ⅳ类标准， 河水的感官品质显著提升。 该工程占地面积小， 建设周期短， 净化效果稳定， 运行过程自动化程度高， 成套设备维护简单方便， 运行成本仅为0.38 元／m3， 具有良好的经济和环境效益， 可为类似河道水质净化工程的设计、 建设和运行提供参考和借鉴。