高效絮凝和浮选净水设备在处理清淤底泥余水中的应用

羊樟发 舒晓明 张立峰 陈永飞 马 莉

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.杭州永湛环境科技有限公司，浙江杭州 311121）

0.引言

河道底泥是河流营养物质循环的中心环节，同时也是营养物、持久性有机污染物、重金属的主要聚集库。即使外源污染得到有效控制，生物或物理因子等作用促使沉积物释放仍有可能导致水体在相当长的时期内维持富营养化或水质继续恶化等不良状态[1-2]。环保清淤是治理城市河湖底泥的重要手段，但底泥处理过程中会分离出大量余水，余水中含有悬浮物、氨、磷、有机污染物及重金属污染物等，如果余水得不到妥善处置，这些污染物将大部分黏附在悬浮颗粒上并随余水排入受纳水体中，造成受纳水体的二次污染。因此，应采取必要的措施，利用一种快速、安全、有效的余水处理方法，加速余水中细颗粒的沉淀，以去除大部分污染物，保证余水达标排放。

某江支流进行环保清淤，带水疏浚作业，通过管道吹填，经吹填场地沉泥后，底泥余水流进沉淀池初步沉淀，由于余水量大，沉淀时间短，余水经沉淀后依然浑浊。余水产生量量为80000m3/d，主要污染物成分为泥沙悬浮物，需要经过进一步处理后，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B 标准，其中SS 限值为20mg/L。余水经处理达标后返还支流进行补水。

1.余水水量、水质、排放标准

该项目底泥处理过程中产生的余水约为80000m3/d，余水主要成分以粉粒悬浮物为主，自然沉降困难，具体分项设计水质数据及排放标准的主要指标详如表1 所示。

表1 设计水质及污水排放标准

2.处理工艺

近年来，随着大量污染物质被排放进入水体，使疏浚泥浆中细粘粒的有机质土含量不断增高，这就很难实现在自然条件下的沉降[3]。金相灿等[4]在进行滇池草海底泥疏挖及处置中，余水自然沉淀时间大于48h 的条件下，余水才能达到排放要求。自然沉淀时间久，处理效率低，投资费用高。王琦等[5]向余水中均匀投加聚合氯化铝（PAC），通过生物排泥、沉淀池、澄清池处理工艺后，余水排放水质达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）二级标准。苏海龙等[6]通过投加絮凝剂，助滤剂，采用一体化设备处理泥饼和余水同样达到处理要求。

本项目排放要求高，在此基础上，通过投加聚合氯化铝和聚丙烯酰胺，经高效絮凝和浮选净水设备进行余水处理，其主要技术为混凝和浮选。

2.1 技术原理

（1）混凝。以吸附电中和和吸附架桥为主要机理，天然高分子基絮凝剂以吸附架桥为主。结合形成带有正电荷胶体与带负电的泥沙胶粒相遇，失去了电荷的胶粒，聚结在一起，粒子越结越大，经过助凝剂的助凝形成较大的梵花絮体，固液分离去除。（2）浮选。采用回流加压溶气气浮，通过对部分出水回流加压，在加压的情况下水中空气溶解度大，能提供足够的溶气量，再通过突然减压释放，产生直径小的微细气泡，粒径均匀，微气泡上浮稳定，对液体扰动小，使水中的细小悬浮物黏附在空气泡上，随气泡一起上浮到水面，形成浮渣，刮除水面达到去除水中悬浮物，净化水质的目的。

2.2 工艺流程

经吹填场初步沉淀后的余水，进入沉淀池继续进行沉淀，经沉淀池去除比重较大的泥沙颗粒以后，沉淀池上清液通过提升泵提升至高效絮凝及浮选净水设备，设备反应区投加药PAC、PAM 药剂进行混凝反应后，余水进入接触室。在接触室中，溶气水在突然释放的情况下，溶解在水中的空气析出，形成大量的微气泡群，同余水中经加药后形成的絮凝悬浮物充分接触，并在缓慢上升过程中吸附在絮集好的悬浮物中，使其密度下降而浮至水面成一层浮渣层，通过刮渣机刮出至沟渠进而进入浮渣池，再通过浮渣泵抽吸至吹填场，在浮渣池设置静压式液位计，控制浮渣抽吸泵启停。净水设备下层收集的清水通过出水区自流进入清水池，达标后返还河湖进行补水。余水处理工艺流程如图1 所示。

图1 余水处理工艺流程框图

2.3 平面布置

余水处理处理设施平面布置如图2 所示。

图2 余水处理设施平面布置图

本项目平面布置为近三角形，主要水处理构筑物从南至北依次为沉淀池、高效絮凝及浮选净水设备、清水池，使余水按照处理工艺流程从南至北依次通过各余水处理构筑物，并通过清水池排入自然水体。高效絮凝及浮选净水设备的西侧为浮渣池，东侧为药剂堆房。

2.4 主要建、构筑物及设计参数

（1）沉淀池。功能：利用重力沉降，去除比重较大的泥沙等颗粒。土工防渗结构，平均有效面积14000m2，池深5.3m，有效深4m，有效容积56000m3，停留时间16.8h，表面负荷0.238m3/h。设浮筒提升泵，将沉淀池上部水抽吸至高效絮凝及浮选净水设备，浮筒提升泵启停由设置于沉淀池的静压式液位计控制。

（2）高效絮凝及浮选净水设备。功能：通过混凝、助凝及气浮处理，去除余水中比重较轻，难以去除的悬浮物质。本高效絮凝及浮选净水设备采用共聚絮凝及高流速气浮的形式，共聚絮凝及高流速气浮集反应与气浮为一体，反应区采用隔板反应，水力搅拌代替传统的搅拌机混合反应，隔仓为6 个，其中5 个为混凝区，充分生长絮体，最后1 个为助凝区，帮助絮体长大，并在气浮接触区与微小气泡接触，进一步共聚（微气泡直接参与凝聚并和微絮粒共聚长大）生成为成熟絮体，进而进入到后续分离区，除接触区设置溶气释放器之外，分离区的前端也设置了少量的溶气释放器，在分离区前端起进一步加强浮升、粘牢絮体的作用，利用高水平流速快速将牢固抱团絮体刮除分离区，进而快速地进行渣水分离，提高气浮的处理水量，保持分离区高下向流速。

本高效絮凝及浮选净水设备具有几点优点：1）充分利用接触区的共聚，延长助凝反应时间，额外增加接触区的功效；2）分离区前端增设溶气释放，牢固抱团絮体，进一步减轻絮粒视密度，防止絮粒分离过程中下沉；3）反应区通过隔板强化紊流，提高流速进而达到水力搅拌效果，替代传统机电设备搅拌，没有机械搅拌能耗；4）水平流速高，依靠高水平流速，水位调节到位的情况下，上层浮渣可实现自动快速流到浮渣渠，减少浮渣在分离区的停留，减少跑渣的风险，间隔少运行甚至于可不运行刮渣机，运行成本省；5）分离区高下向流速，处理水量大；6）占地面积小，集成装置化、模块化应用具有较大的优势。

本项目共设置4 套高效絮凝及浮选净水设备，材质为：碳钢防腐，单套设计流量为20000m3/d，单套设备由2 台共聚高速气浮设备组成，并联运行，每1 套（2 台）共用一套加压溶气系统和溶加药系统。单台共聚高速气浮设备外形尺寸为：15.8m×4m×3m，由反应室和接触室、分离室、出水室4 部分组成。

单台共聚高速气浮设计流量为10000m3/d，回流比30%，总水力停留时间25.367min，各内置单元设计参数如表2 所示。

表2 单台共聚高速气浮各内置单元设计参数

（3）清水池。功能：储存余水处理系统产水，平衡产水量与排水量之间差值。混凝土结构，平均有效面积1000m2，池深4m，有效深3m，有效容积3000m3，停留时间0.9h。

（4）浮渣池。功能：收集储存余水处理系统排出浮渣，并将浮渣均匀抽吸排至吹填场。钢砼结构，池表面积178m2，池深3.3m，池容积587m3。设浮渣抽吸泵，将浮渣抽吸至吹填场，浮渣泵启停由设置于浮渣池的静压式液位计控制。

（5）药剂堆房。钢结构，用于堆放余水处理药剂，长度16m，宽度16m，高度5m。

3.运行调试

调试步骤，先设备单机调试，然后单元调试，最后再联动调试，调试重点在于溶气水生成系统和溶加药系统的调整。在调试过程中，随时监测运行情况，确定出最佳运行参数，确保溶气反应效果及混凝絮凝反应效果。因为1套净水系统由2 台高速气浮组成，所以具备测试单台气浮处理能力的条件，遂通过关小1 台进水阀门，增大另1 台进水阀门，测试结果单台高速气浮可以由10000m3/d 处理能力提升至15000m3/d，则分离区下向流速由13.16m/h提升至19.74m/h，考虑到单台气浮进出水管径和集水系统管径受限，限制了处理能力的再提升，当出水要求不是非常高，管路系统输送余水量富余的情况下，分离区下向流速完全可以再提高，提高处理能力，实现气浮的进一步高速化，进而可以减少投资和节省运行成本。

4.处理效果

该工程于2022 年2 月进入进水调试阶段，每月均进行一次抽样检测。3 ～5 月期间，处理系统沉淀池进水、清水池出水水质情况如表3 和图3 所示。

表3 处理进出水水质表（单位：mg/L）

图3 处理进出水水质图

由表3 和图3 可以看出，进水水质波动较小，处理后出水悬浮物浓度控制指标能够稳定达《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B 标准。

5.处理经济指标

该工程总投资约700 万元，运行阶段，药剂耗量如表4 所示。日常直接运行费用（电费、药剂费）合计约0.199 元/m3余水，总运行成本详细情况如表5 所示。

表4 药剂消耗量表

表5 总运行成本

6.结语

（1）沉淀池-高效絮凝和浮选净水设备-清水池工艺处理清淤底泥余水，在沉淀池平均水质为SS＜148mg/L 的情况下，出水水质为SS：13mg/L，SS 去除率达到90%以上，可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B 标准，废水处理的基本费用（电费、药剂费）为0.199元/m3余水。（2）本项目主要污染物为粉状颗粒，经沉淀池将比较较大的颗粒物取出后，剩余悬浮物絮体较细，当污染物为有机物等时，形成的絮体较大，比重较轻时，高速气浮下向流速会更高，可稳定在20m/h 以上。（3）高效絮凝和浮选净水设备，因为室外布置且分离区面积较大，遇大风、大雨等不利天气情况下，表面浮渣易受到波动下沉，影响出水水质。（4）对施工泥浆水、河湖水处理、黑臭水体、雨水等微污染水体治理时本工艺均有较好的应用效果。（5）高效絮凝和浮选净水设备为成套装备，可模块化设计，制造具有施工周期短、施工简便、运输方便等优点。