沉淀是常规净水处理工艺中的一个重要环节, 常规沉淀池主要有平流沉淀池、斜管 (板) 沉淀池、澄清池和气浮池等。脉冲澄清池是污泥层式絮凝澄清池, 并配备斜管以强化澄清效果。在投加粉末活性炭的情况下, 形成了上向流炭吸附脉冲澄清池, 该池型集絮凝、沉淀、澄清、吸附功能于一体, 和其他絮凝沉淀池相比, 其能够将固液分离和有机物吸附功能紧密结合, 同时去除浊度和有机物, 减少占地面积, 节约了建设成本。由于脉冲澄清池是泥层悬浮型澄清池, 要求运行中即使外部因素发生多大变化也应始终保持悬浮泥层的相对稳定, 这对实际运行管理的要求较高, 目前该池型在国内应用不多, 实际运行管理经验也较少。近几年该池型在天津市某水厂的实际应用中, 通过对其进行优化运行研究实现了自动化方式运行, 积累了比较成功的运行经验。

　　 常规水厂净水处理工艺中的脉冲澄清池结构包括真空室、泥层区、澄清水区和污泥浓缩区4部分 (见图1) , 控制系统由可编程逻辑控制器 (PLC) 执行。

　　 投加混凝剂的原水从混合配水井上以重力流的方式稳定进入真空室, 由真空风机将室内顶部的空气抽出, 使水位上升, 到达一定液位后打开真空破坏阀, 使空气进入室内。此时室内水位突降, 并通过和真空室相连的配水渠和穿孔配水管将室内水快速排放, 使得水流以脉冲的形式进入澄清池, 如此循环往复, 在实现了脉冲池进水的同时也完成了絮凝过程。水中的絮体颗粒凝聚集结, 并形成污泥层, 水流穿过污泥层时会发生碰撞、接触、吸附。泥层在脉冲水流的作用下会保持均质蓬松状态。当泥层的高度高于污泥浓缩区隔墙高度后会溢流到污泥浓缩 (区) 单元内, 浓缩区不存在上升流速, 使得污泥在浓缩区内浓缩后排放。

　　 当原水水质变化需要在前端投加粉末活性炭时, 形成了上向流炭吸附脉冲澄清池的工作状态, 粉末活性炭在上述过程中, 特别是在污泥层区停留过程中, 主要与水中的有机物接触吸附, 最终完成对原水中有机物的去除。

　　 脉冲澄清池在投入试运行期间, 按照操作指导文件进行试运行过程中, 在初始运行后何时启动排泥和正式运行后排泥控制方式存在如下问题。

　　 (1) 初始运行后何时启动排泥, 在作业指导书中只给出人工观测法。由于初始泥层形成的时长不好确定, 人工观测法不是很可靠和准确, 一旦观测不到位或人为失误, 会造成排泥不及时而导致水质不合格。

　　 (2) 正式运行后的排泥方式有累积流量和累计时间两种方式, 运行时两种方式二选一, 均可在PLC控制下完成。经过一段时间的运行监测发现, 按累积流量和累计时间方式设置的排泥参数都是固定值 (固定流量或固定时间) , 但实际运行中会受到相关因素变化的干扰, 在原水水质发生变化或生产水量进行调整时, 设定排泥量就会和实际需要排泥量有误差。如果不及时调整排泥参数, 就会出现排泥不足或排泥过度的情况, 排泥不足会造成澄清池出水浊度升高, 排泥过度会造成浪费, 如果依靠人为调整又存在很多不可靠因素。

　　 在《城镇供水厂运行、维护及安全技术规程》 (CJJ 58-2009) 中, 尚无脉冲澄清池初始化时间测算和正式运行排泥参数设定的相关内容可供借鉴, 还需要我们在试运行中继续探索和研究, 以期寻找到可操作性强的运行经验。

　　 根据脉冲澄清池的工作原理, 可知其正式运行应以“排出泥量等于生成泥量”为原则, 以保持悬浮泥层的相对稳定为运行标准, 为此需要在多种可变因素中确定出影响污泥生成量的最主要因素。在实际运行中, 污泥生成量主要受到原水水质变化和处理水量变化的影响, 相对前者后者的变化更加频繁且影响程度更大, 因此确定以流量配比方式来控制排泥运行, 在此基础上引入污泥沉降比参数, 应适当考虑因原水水质不同对排泥造成的影响。

　　 为保持悬浮泥层相对稳定的运行标准, 需要根据不同的原水水质进行混凝小试, 分别测得初始完成和正式运行时的污泥沉降比。以初始化污泥沉降比为依据, 计算出初始化完成时间和排泥启动时间。以脉冲澄清池处理水量为主变量, 引入正式运行的污泥沉降比参数, 计算出正式运行的排泥持续时间。通过将计算公式输入到控制系统程序, 可自动生成初始化的完成时间和正式运行的排泥时长, 作为完成自动排泥控制的设定依据。

　　 净水厂的化学凝聚沉淀污泥主要是由原水中的悬浮物、胶体物质、有机物以及胶体金属氢氧化物等组成。若原水中有机物含量不高, 则沉淀的污泥中固体物含量大体可由原水中SS总量和投加的药剂量之和得到。如果原水中有机物含量较多, 在投加粉末活性炭情况下, 污泥中又增加了有机物和粉末炭活性成分。

　　 影响污泥量的因素主要包括:原水温度、SS总量、药剂投加品种和投加量等。对不同来源、不同季节的原水, 先通过混凝试验确定药剂投加量, 然后以此为基础分别进行混凝试验, 测出计算初始排泥和正式运行时排泥所需要的污泥沉降比。将全年划分成低温低浊、常温常浊和高温高藻三个水质期, 进行混凝烧杯试验 (如原水水质变化或药剂投加量变化需及时通过试验测量污泥沉降比) 。

　　 混凝试验步骤 (其中试验时间的10 min和25min模拟实际生产的水力条件) :

　　 (1) 用5个1L的烧杯进行试验, 投加最佳的药剂量。

　　 (2) 沉淀10min, 将泥与上清液分离, 收集5个烧杯中的污泥, 倒入1L量筒中, 倒的过程要小心, 不要将矾花打碎。

　　 (3) 轻轻上下摇晃量筒后, 静置进行沉淀。沉淀10min的数值视为初始排泥时的污泥沉降值 (P₁) ;沉淀25min的数值视为正式运行时的污泥沉降值 (P₂) 。分别记录污泥沉降值P₁、P₂, mL。

　　 (4) 计算污泥沉降比 (占单位水容积的百分比) R₁、R₂:

　　 按照以上步骤, 分别测得不同原水水质时期的污泥沉降百分比, 如表1所示。

　　 初始运行阶段以初始排泥沉淀时间的污泥沉降比为依据, 通过理论计算出初始运行完成所需要的时间, 作为判断初始运行结束和初始排泥启动的依据。

　　 初始排泥启动时间计算公式:

　　 式中T———启动排泥所需时间, h;

　　 V———泥层区容积, m³, 为固定值839.8m³;

　　 Q₁———瞬时流量, m³/h, 取自在线仪表;

　　 R₁———10min的污泥沉降比。

　　 举例:在低温低浊期, 脉冲澄清池瞬时流量800m³/h, 测得的污泥沉降比R₁为4%, 启动排泥时间T计算如下:

　　 计算结果表明, 脉冲澄清池在初始运行时, 可在运行26.2h后开始启动排泥。

　　 为考察计算结果的可靠性, 先将优化公式输入到控制系统中, 并进行了如下生产性验证:初始运行期间, 通过定时对污泥浓缩单元上部的采样管进行取样检测, 确定泥层初步形成所需时间在24h以上, 表明理论计算值与生产验证结果相近。考虑生产运行的安全可靠性, 确定排泥系统可在脉冲澄清池初始运行24h后开启, 进入正式运行阶段。

　　 脉冲澄清池正式运行后, 其泥层的稳定性主要受到原水水质和处理水量这两个可变因素的影响, 因此排泥参数的确定与这两个因素密切相关。实际操作中, 在PLC控制系统中增加排泥启动流量值和排泥时长两个计算公式, 输入排泥时间间隔 (25min) 和R₂两个参数, 程序可自动计算出排泥启动流量和排泥时长, 从而实现了流量配比方式的排泥。同时根据不同水质期污泥沉降比的不同, 可通过烧杯试验来确定污泥沉降比, 然后输入PLC系统中, 程序即可自动计算出排泥时长, 保证排出的污泥量能得到有效控制。

　　 排泥时长计算公式:

　　 式中Q₁———排泥启动累积流量值, m³/s;

　　 Q₂———瞬时处理流量, 取自在线仪表, m³/s;

　　 Q₃———脉冲澄清池单池排泥管每秒排泥量, m³/s, 取0.36m³/s;

　　 T———设定的排泥时间间隔 (沉降比R₂的测定时间, 此值在设计文件中的参考值为20~40min, 优选25min) , min;

　　 R₂———正式运行排泥沉淀时间的污泥沉降比;

　　 t———单池排泥时长, s。

　　 举例:在低温低浊期, 脉冲澄清池瞬时流量1 000m³/h, 将测得R₂为2%和排泥时间间隔25min设置到PLC系统, 通过以下计算公式自动生成:

　　 排泥启动流量值=瞬时流量 (m³) ×25 (min) ÷60 (min) =1 000×25÷60=416.6 (m³)

　　 排泥时长=排泥启动流量 (m³) ×R₂÷0.36 (m³/s) =416.6×2%÷0.36=23.1 (s)

　　 计算结果表明, 脉冲澄清池每通过处理416.6m³的原水可自动启动排泥一次, 每次排泥时长为23.1s。

　　 为考察计算结果的可靠性, 先将优化公式输入到控制系统中, 并进行了如下生产性验证:根据计算结果设定自动化运行的排泥参数后, 通过对整个排泥过程进行目测, 观察排泥管排出的污泥浓度比较均匀。取泥样进行检测, 分别测定排泥开始和结束时的污泥沉降比, 两个泥样的污泥沉降比值分别为99%和95%, 相差值为4%, 满足应控制在10%以内的工艺指导范围, 表明计算和设定的排泥参数满足运行要求。

　　 (1) 以水厂常规进行的用于指导生产的混凝试验, 分别测定5min和25min的污泥沉降比, 并确定污泥沉降比的测定步骤和方法。

　　 (2) 以流量配比方式为主要控制参数, 引入污泥沉降比参数, 优化脉冲澄清池初始化完成时间和正式运行排泥时长的计算公式, 并输入自动控制系统。

　　 (3) 以在线仪表显示的处理水量为变量, 输入污泥沉降比参数, 控制系统自动计算生成脉冲澄清池初始化完成时间和正式运行排泥时长, 并进行自动化运行控制。

　　 (4) 以流量配比方式排泥和以原水水质变化修改污泥沉降比的方法, 将人为设定优化为系统自动控制, 能够更加科学地启动初始排泥和正式运行排泥, 确保了脉冲澄清池工艺稳定运行, 同时实现了节水、节药和节电的目标。