某凈化站始建于1983年，位于長沙礦冶研究院辦公區，為不影響周邊環境，凈化站每天工作時間為3h，處理水量為100m3/h。由于凈化站建設年代久遠，存在工藝設備落后、自動化程度低、處理系統抗負荷沖擊能力差等問題。另外，凈化站位于市區，離湘江較近，出水排人市政污水管網，處理藥劑過量投加帶來的二次污染給周邊居民帶來影響，甚至影響湘江水質。
為徹底解決以上問題，在保證凈化站不停產的前提下，對現有處理設施各處理工序均進行了優化設計，改造后出水中CODcr、Mn、Tl含量遠低于原系統，穩定達到《污水綜合排放標準》（GB8978-1996)中第一類污染物最高允許排放濃度及當地環保部門的總量控制要求；且Na2S噸水消耗量減少了60%，降低了運行成本，徹底解決了對環境的二次污染。
1、水質資料與工藝流程確定
1.1 水質資料
凈化站廢水主要來自氧化錳廠經預處理后的濃水，以及少量實驗大樓的實驗廢水（不超過10m3/d)。
通過對進水水質進行全分析，廢水中含有多種重金屬，其中主要重金屬種類及指標見表1。
凈化站處理后出水排人市政污水管網，結合長沙市環保局對凈化站出水的要求，出水重金屬指標參照《污水綜合排放標準》（GB8978-1996)中第一類污染物最高允許排放濃度，具體水質指標見表1。
1.2 工藝流程確定
本項目采用化學處理法去除廢水中的重金屬，通過選擇合適的化學反應藥劑，使廢水中金屬離子與其反應生成不溶性的鹽或氧化物（包括氫氧化物）沉淀而去除。從表1可以看出，本項目廢水中主要超標重金屬為Mn、Tl，且進水含量均不高，特別是Tl含量極低。需要對微含量的重金屬進一步降低，在工藝上對化學反應藥劑的選擇以及固液分離的效果要求就更加嚴格。本項目通過精確計算各處理工序運行參數，確定最佳工況后進行優化設計與改造，并增加了尾水過濾系統，改造后工藝流程如圖1所示。
2、提質改造設計與實踐
2.1 加藥系統工藝改造
常年運行經驗和實踐證明，投加NaOH使廢水pH值達到12左右，再投加絮凝劑進行沉淀，可以保證出水中包括Mn在內的多項重金屬指標達標，但單純投加堿對Tl的去除效果不理想。Tl含有劇毒，國家對外排水中Tl含量的要求特別嚴格。實踐證明，針對廢水中的Tl，硫化物沉淀效果明顯優于氫氧化物沉淀，主要是由于氫氧化鉈沉淀物粒徑過于細小不易沉淀，通過絮凝后經斜管沉淀池沉淀1h都很難保證出水達標。但在保證堿性條件下，同時向廢水中投加過量的Na2S，經絮凝沉淀后，上清液出水中Tl含量可以達到國家標準。但由于本項目出水排人市政污水管網，與生活污水混合，生活污水中的一些厭氧菌在管網中發酵產酸，出水中殘留的Na2S在酸性條件下易形成H2S并從沿途的污水檢查井中溢出，產生異味，給周邊居民帶來影響。
為徹底解決此環境影響，本次提質改造首先對投加的藥劑進行改良。ME-2是由長沙礦冶研究院自主研發的一種專門針對含Tl廢水的捕捉藥劑，該藥劑是以具有國際先進水平的高分子重金屬離子捕集沉淀劑為核心技術的系列處理藥劑，能在常溫下與廢水中的Tl迅速反應，生成不溶水的螯合鹽，再加人少量有機或(和)無機絮凝劑，形成絮狀沉淀。該法是一種新處理方法一螯合沉淀法。ME-2的特點如下：①不論廢水中的Tl離子濃度高低，均能發揮去除效果；②多種重金屬離子共存時，能同時去除；③對重金屬離子以絡合鹽形式（EDTA、檸檬酸等）存在的情況，也能發揮良好的去除效果；④能去除膠質重金屬；⑤不受共存鹽類的影響。
另一方面通過對原人工加藥系統進行自動化改造，精確計量，增加在線監測儀表，嚴格控制藥劑投加量。在溶液池，NaOH、Na2S及ME-2按比例20：4：1混合溶解后，配制成濃度為5%的堿混合液，通過加藥栗精確計量投加至廢水進水栗的吸水管中，經水栗葉輪高速旋轉混合后進人反應塔。加藥栗原采用一臺普通離心泵，離心泵出口流量會根據管道壓力變化而變化，無法做到恒定流量投加，改造后選用1臺變頻軟管栗，主要參數為：Q=0〜5m3/h，P=1.6MPa，N=4kW。軟管泵具有很好的計量功能，與普通隔膜計量泵相比，具有流量大、吸程高、不易堵塞的特點，更適合于本項目使用工況。
加藥量根據反應塔進水處新增的pH在線監測計進行反饋變頻控制，并在軟管泵投加管道上新增電磁流量計在線監測藥劑投加量。根據調試運行經驗，藥劑投加量控制在450mg/L，反應塔進水pH值控制在12左右，處理效果最佳。
2.2 反應塔工藝改造
凈化站現有1座反應塔，直徑4.5m，高7.2m，半地下式結構。1983年凈化站建設時，作為原處理工藝的核心處理工序，與懸浮澄清池原理類似，是集混凝和泥水分離于一體的處理構筑物。在反應塔中加人絮凝劑，生成礬花形成穩定的泥渣層，原水經過泥渣層時水中的雜質與原有的泥渣進行接觸絮凝，使細小的絮凝粒相互聚合，或被泥渣層所吸附，清水向上分離，原水得到凈化，懸浮泥渣在吸附了水中懸浮顆粒后不斷增加，多余的泥渣經排泥孔進人濃縮室，濃縮到一定濃度后，由排泥管排走。懸浮澄清式反應塔處理效率高，在20世紀70〜80年代得到了廣泛應用，但其對原水的水量、水質、水溫及混凝劑等因素的變化影響較明顯，處理效果不夠穩定。
隨著前端生產工藝不斷改進，凈化站進水的水質和水量都有較大變化；而且隨著國家對環保的要求越來越嚴格，單靠一座懸浮澄清式反應塔，出水已無法滿足環保要求。為提高反應塔的處理效果和抗負荷沖擊能力，將原有的懸浮澄清式反應塔改造成空氣攪拌式澄清反應塔，經常年運行經驗和實踐證明，該形式反應塔出水水質明顯優于靜態的懸浮澄清式反應塔。
在反應塔中增加了1個直徑2m、高3m、與反應塔同心的圓錐形反應室，并在反應室內布置曝氣和絮凝劑投加管道，原水與堿液混合后經栗提升至該反應室，然后與絮凝劑在反應室內通過空氣攪拌作用充分混合反應，同時防止反應形成的礬花在反應室內沉淀。充分反應后的泥水混合液從反應室頂部向反應塔內外圈的泥水分離室溢出，在泥水分離室清水向上分離，被反應塔頂部的環形集水槽收集后自流至下一處理工序，絮凝后的懸浮物則下沉進人濃縮室，濃縮到一定濃度后，由排泥管排走。
絮凝劑選用陰離子型聚丙烯酰胺（PAM)，配藥濃度為0.5%，投加量為30m^/L。采用三槽式干粉泡藥機自動化定量投加，主要參數為：藥液泡制量Q=1500L/h，N=4kW。采用隔膜計量栗進行投加，一用一備，主要參數為：Q=900L/h，P=0.35MPa，N=0.75kW。并在絮凝劑投加管道上新增電磁流量計在線監測藥劑投加量。
2.3 沉淀系統工藝改造
為進一步確保泥水分離效果，將反應塔出水的清水池改造成沉淀池。原清水池容積較大，分成兩級沉淀：一級沉淀采用斜管沉淀，表面負荷3m3/(m2.h)，有效容積為：LxBxH=6mX6mX4m；二級沉淀采用平流沉淀，表面負荷1.4m3/(m2•h)，有效容積為：LxBxH=12mX6mX3m。并在池底放坡，鋪設排泥管道，幫助排泥。
2.4 酸性廢水處理池工藝改造
實驗大樓的酸性廢水通過酸性廢水處理池單獨收集預處理后進人廢水處理系統，廢水量約10m3/d，每日處理一次。從表1可以看出，該股廢水除強酸污染外，重金屬含量基本未超標。但現場調查發現，廢水中含有較多的Fe2+，國家污水綜合排放標準中并未對Fe2+含量進行要求，但水中的Fe2+會影響出水色度，因此排放前仍需對其進行去除。另外，鐵的氧化物（包括氫氧化物）可以作為共沉淀劑，能與多種重金屬形成共沉淀，從而提高沉降效果。因此本項目將沉淀池出水的堿性上清液（pH=12)按15m3/d的量回流至酸性廢水處理池，與實驗大樓的酸性廢水（pH=1.8)進行中和，通過池內新增的pH在線監測計，控制出水pH值在6左右，再栗送至沉淀池進水端與總進水混合后一同進入后續處理工序。
酸性廢水處理池有效容積25m3，本次改造在池內新增曝氣設施，一方面起到混合攪拌的作用，并防止重金屬懸浮物在此沉淀；另一方面對Fe2+進行氧化，實驗證明Fe(OH)2沉淀至少要在pH≥10時才能形成，而Fe(OH)3沉淀只需在pH≥4時即可形成，因此通過對酸性廢水進行曝氣可以大大降低堿液耗量，也可縮短反應時間。本次改造選用耐腐蝕的螺旋式曝氣頭，型號XHBQ-260，材質PP，共計48套；曝氣羅茨鼓風機1臺，此風機兼做反應塔的曝氣風機，主要參數為：Q=2.16m3/min，P=0.05MPa，N=4kW。
2.5 新建過濾系統
為提高處理系統的抗負荷沖擊能力，在尾端增加一座多介質過濾器，過濾一些沉淀難以去除的細小懸浮物，進一步確保出水各項重金屬指標穩定達標。過濾器規格為φ3.2mX4.5m。濾料由上至下依次為無煙煤和石英砂：無煙煤粒徑0.8〜1.8mm，不均勻系數K80<2.0，鋪填厚度500mm；石英砂粒徑0.5~1.2mm，不均勻系數K80<2.0，鋪填厚度500mm；石英砂下部為礫石承托層，粒徑2~8mm，鋪填厚度200mm。濾池底部采用長柄濾頭配水系統。
由于過濾器處理水量較大，為節約反洗水量，采用氣水聯合反沖洗：其中水平均反洗強度為7L/(s.m2)，氣平均反洗強度為16L/(S.m2)，反洗歷時10~15min。配套選用進水加壓栗1臺，主要參數為：Q=100m3/h，H=18m，N=15kW；反洗水栗1臺，主要參數為：Q=200m3/h，H=30m，N=30kW；反洗羅茨鼓風機1臺，主要參數為：Q=7.97m3/min，P=0.06MPa，N=15kW。過濾器3〜4d反洗一次，反洗周期根據運行時間、出水濁度、進出水壓差等情況進行確定，反洗過程實現自動化控制。
2.6 其它工藝改造
本次改造在對凈化站內各主體處理單元進行工藝改進的基礎上，針對站內整體運行環境和處理效率，也采取了如下措施：
1)對所有管道進行更新，對污泥、空氣、給排水等不同類型管道進行區分。管道布置遵循節約水頭的原則，所有管道集中通過管溝或管架布置，既保證管道美觀流暢，又方便檢修維護。
2)對所有電氣設備進行更換或新增，包括集中配電柜、PLC柜、設備外控箱等。所有電纜均通過玻璃鋼橋架集中鋪設，進人設備的電纜通過熱鍍鋅鋼管埋地走暗管。
3)根據工藝需要，在處理流程上新增過程監測儀表，包括進出水在線監測、pH在線監測計、流量計、壓力表、液位控制開關等。并設置集中控制室，在控制室內采用PLC和電腦操作可完成設備啟停與聯鎖控制、處理工況監視與控制、異常工況報警和緊急事故處理等，大大節約了人工勞動力，提高了系統處理效率。
2.7 工藝改造效果
通過對比改造前后出水指標、藥劑消耗量的代表月份逐日監測數據平均值，原處理系統雖能保證出水中CODCr、Mn、Tl基本達標，但偶爾峰值會出現超標現象，且Na2S消耗量過大，造成運行成本增加和環境二次污染。改造后的新系統，Na2S用量降低了60%，出水CODCr、Mn、Tl含量遠低于原系統，實現了穩定達到GB8978-1996中第一類污染物最高允許排放濃度，大大降低了運行成本，徹底解決了對環境的二次污染。改造前后出水指標及藥耗見表2。
本次提質改造總投資不超過200萬元，所有改造項目均在保證原處理系統正常運轉的前提下進行，必要時建設臨時處理設施，待新系統調試正常后再進行切換，本項目是對老舊廢水處理站不脫產改造的成功案例。
3、結語
為解決某凈化站工藝設備落后、自動化程度低、處理系統抗負荷沖擊能力差等問題，對該凈化站加藥系統、反應塔、沉淀系統、酸性廢水處理池、過濾系統等各工段進行了優化設計，并增加了尾水處理系統。改造后的新系統，Na2S用量降低了60%，出水CODCr、Mn、Tl含量穩定達到GB8978-1996中第一類污染物最高允許排放濃度，大大降低了運行成本，徹底解決了對環境的二次污染。（來源：長沙礦冶研究院有限責任公司）
