事業廢水調勻池設計理論與實務

 

 

林紘原
萬能科技大學環境工程系副教授
dennis@mail.vnu.du.tw

 

一、前言
  事業廢水來源不可能侷限在某時間,其排放點亦不可能平均分配於整個事業廠區,故一般需設計調勻池(equalization tank)以利收集,並適當調整其污、廢水之量與質。調勻的目的是將廢水性質的變動性加以控制或降至最低,使操作水量與質維持於一穩定狀況,使所需處理容量減少,降低設置與操作成本,並可穩定處理效率。例如適當地減輕廢水中有機物濃度的變動性,以避免生物的處理系統的突增負荷(shocking loading)。
  綜合而言,設計良好的調勻池可具備以下功能:

  1. 提供化學處理單元適當的pH值控制或將所需的用藥量降至最低。
  2. 將流入物理-化學處理系統的尖峰流量降至最低,使得需要的化學藥劑添加速率能與加藥設備相容。
  3. 提供生物處理系統在工廠並未操作期間所需的連續進流。
  4. 並且減輕定期傾倒或濺漏入污水下水道的濃縮廢液量,以降低這類高濃度廢液對日常低濃度污水處理產生負面衝擊,也使得廢水排入都市污水下水道系統的污染負荷更為均勻。
  5. 避免高濃度的毒性物質進入生物處理系統。

  調勻尺的尺寸和形狀隨著廢水的量和變動性改變。調勻池的容量應該適當,以適度吸收因為廠內生產計畫變動所導致的廢水量、質的變動,因此,設有適當調勻池的污水處理廠其調勻池上游的污水處理單元,如欄污柵、細篩、沉砂池、原水抽水井、除油槽等皆以最大尖峰流量為設計依據,而調勻池之後的處理單元則應以平均流量為設計值方屬合理。然而,依筆者所見,國內事業廢水處理設施對調勻池的設計大多採用有限調整流量與水質的概念上。主要原因之一是大多廢水處理設施在規劃階段並未能充分掌握未來的水量與水質,只能以經驗為設計參考。其二是調勻池缺乏穩定出水的控制或調整設備,只有提供攪拌或曝氣設備,使調勻池形同一個大型的抽水井,在水量與水質不穩定的情況下,往往增加後續處理單元或程序的處理風險與藥品及動力的浪費。因此如何在規劃階段建立正確的調勻池設計概念值得重視。

二、調勻池容量設計理論
  調勻池可以設計成可變體積,以提供固定的出流量或設計成固定體積,使得出流量隨進流量變動。可變體積的調勻池其目的為將進流廢水的流量穩定化,而兼有調整水質的功能,特別適用於流量變動性大,但平均流量小的事業廢水進行化學處理或用於將高濃度廢液經前處理後以穩定流量排入都市污水下水道系統,以減少對該系統收集的都市污水水質產生過大的影響。可以規劃將排入在一般廢水流量低的時候將廢液排入都市污水處理設施的最大量。
  調勻池容量不足,則不能達到調勻流量的目的,調勻池容量過大,則增加工程費與佔地面積。需要的調勻池容量取決於實際的水質與水量之變動性外,也與所能承受的水質與水量變動範圍有關。
2.1水質變化不大,流量變化大的調勻池容積求法
  假設水質變化在可以忍受的範圍,但進流水量變化過大需要適度調勻,則需要的調勻池容積求法如下:
(1)廢水量調查分析
  如果工廠僅完成試,尚無法取得有代表性的廢水量排週期,則進行廢水量與製程用水量的相關性分析再進一步將各製程逐廢水量加總,可得到一個有代表性的逐時廢水量,該變化週期可為一日或一週。如假日與非假日的廢量變化大,則廢水量的變化週期至少包含一工作日與假日。
  如果工廠已正式生產,則進行廢水量調查。例如進行連續一週的逐時廢水量監測,以確定具有代表性的廢水量排放週期。一般而言,如果廢水量呈24小時週期性變化,則調查時間至少為一週。
(2)水力負荷敏感度分析
  水力負荷敏感度分析目的是要評估廢水處理設施可承受廢水量變動範圍,以供設計調勻池容量參考。廢水處理設施可承受廢水量變動範與操作模式有關。廢水處理設施可承受廢水量變動範圍與設計的放流水質在不同水力負荷下的逾限率有關。通常廢水處理設施的設計處理水量為最大日流量,因此要檢討在最大時流量下操作水質逾限的風險。如果放流水質在任何時間內都不得超過放流水標準,則該廢水處理設施可承受廢水量變動範圍係以最大日流量為限。
(3)計算所需調勻池容量

  1. 依發生時間順序列出一代表性週期內的逐時廢水量並累計之。
  2. 列出穩定的逐時出流量並累計之。要注意的是,如果採用物理化學處理,可以採用非24小時連續操作,則穩定的逐時出流量=累計進流量/每日連續操作時數;如果採用生物該處理,應該採用24小時連續操作,則穩定的逐時出流量=累計進流量/24小時。
  3. 計算此二累積量的逐時差異,將最大差異量與最小的差異量(均取絕對值)相加,即為該變化週期調勻池需要的容積(如例1、例2)。
  4. 如果放流水質在某一流量尖峰係數下不會超過放流水標準,則所需調勻池容積計算如例3。

[例1]一工廠廢水逐時產生量如下表,欲採24小時調均,求調勻池需要的容積。
[解]將進流量累計如表1之a欄,逐時出流量=累計流量/24=14.5 CMH,出流量累計如下表b欄,調勻池容積=兩者最大差異量-最小差異量= (102.7-(-7.4) = 110.1 m3

表1 例1調勻池需要的容積計算表

日期

時間

逐時進流量(m3)

a.累計進流量(m3)

逐時出流量(m3)

b.累計進流量(m3)

差異量(m3)= a-b

2011/3/2

08:00

10.0

10.0

14.5

14.5

-4.5

 

09:00

15.6

25.6

14.5

29.0

-3.4

 

10:00

12.0

37.6

14.5

43.5

-5.9

 

11:00

13.0

50.6

14.5

58.0

-7.4

 

12:00

16.8

67.4

14.5

72.5

-5.1

 

13:00

32.0

99.4

14.5

87.0

12.5

 

14:00

42.0

141.4

14.5

101.4

40.0

 

15:00

17.9

159.3

14.5

115.9

43.4

 

16:00

30.2

189.5

14.5

130.4

59.1

 

17:00

23.3

212.8

14.5

144.9

67.9

 

18:00

40.8

253.6

14.5

159.4

94.2

 

19:00

23.0

276.6

14.5

173.9

102.7

 

20:00

11.8

288.4

14.5

188.4

100.0

 

21:00

9.4

297.8

14.5

202.9

94.9

 

22:00

5.0

302.8

14.5

217.4

85.4

 

23:00

5.0

307.8

14.5

231.9

75.9

2011/3/3

00:00

5.0

312.8

14.5

246.4

66.4

 

01:00

5.0

317.8

14.5

260.9

56.9

 

02:00

5.0

322.8

14.5

275.3

47.5

 

03:00

5.0

327.8

14.5

289.8

38.0

 

04:00

5.0

332.8

14.5

304.3

28.5

 

05:00

5.0

337.8

14.5

318.8

19.0

 

06:00

5.0

342.8

14.5

333.3

9.5

 

07:00

5.0

347.8

14.5

347.8

0.0

累計流量 (m3)

347.8

 

347.8

 

 

最大流量

42.0

 

14.5

Max =

102.7

平均流量

14.5

 

14.5

Min =

-7.4

流量尖峰係數

2.90

 

1.0

調勻池容積

110.1

[例2]一工廠典型廢水逐時產生量同例1,欲採10小時調均(08:00~18:00),求調勻池需要的容積為何?
[解]將進流量累計如表2之a欄,逐時出流量=累計流量/8=14.5 CMH,出流量累計如下表b欄,調勻池需要的容積=兩者最大差異量= 102.7 m3

表2  例2調勻池需要的容積計算表

日期

時間

逐時進流量(m3)

a.累計進流量(m3)

逐時出流量(m3)

b.累計進流量(m3)

差異量(m3)=a-b

2011/3/2

08:00

10.0

10.0

34.8

34.8

-24.8

 

09:00

15.6

25.6

34.8

69.6

-44.0

 

10:00

12.0

37.6

34.8

104.3

-66.7

 

11:00

13.0

50.6

34.8

139.1

-88.5

 

12:00

16.8

67.4

34.8

173.9

-106.5

 

13:00

32.0

99.4

34.8

208.7

-109.3

 

14:00

42.0

141.4

34.8

243.5

-102.1

 

15:00

17.9

159.3

34.8

278.2

-118.9

 

16:00

30.2

189.5

34.8

313.0

-123.5

 

17:00

23.3

212.8

34.8

347.8

-135.0

 

18:00

40.8

253.6

0.0

347.8

-94.2

 

19:00

23.0

276.6

0.0

347.8

-71.2

 

20:00

11.8

288.4

0.0

347.8

-59.4

 

21:00

9.4

297.8

0.0

347.8

-50.0

 

22:00

5.0

302.8

0.0

347.8

-45.0

 

23:00

5.0

307.8

0.0

347.8

-40.0

2011/3/3

00:00

5.0

312.8

0.0

347.8

-35.0

 

01:00

5.0

317.8

0.0

347.8

-30.0

 

02:00

5.0

322.8

0.0

347.8

-25.0

 

03:00

5.0

327.8

0.0

347.8

-20.0

 

04:00

5.0

332.8

0.0

347.8

-15.0

 

05:00

5.0

337.8

0.0

347.8

-10.0

 

06:00

5.0

342.8

0.0

347.8

-5.0

 

07:00

5.0

347.8

0.0

347.8

0.0

累計流量 (m3)

347.8

 

347.8

 

 

最大流量

42.0

 

14.5

Max =

0.0

平均流量

14.5

 

14.5

Min =

-135.0

流量尖峰係數

2.90

 

1.0

調勻池容積

135.0

[例3]一工廠典型廢水逐時產生量同例1,欲調勻後流量為平均日的1.5倍,且採用24小時操作,求調勻池需要的容積為何?

[解]先求出調勻池出水時間=24/1.5=16小時,則調勻後出流量=347.8/16=21.7 CMH(=平均日流量的1.5倍)。再比照前例計算調勻池需要的容積=15.7-(-41.3)=57.0 m3。要注意的是,調勻時段不同,計算結果也不同。

表3 例3調勻池需要的容積計算表

日期

時間

逐時進流量(m3)

a.累計進流量(m3)

逐時出流量(m3)

b.累計進流量(m3)

差異量(m3)=a-b

2011/3/2

08:00

10.0

10.0

21.7

21.7

-11.7

 

09:00

15.6

25.6

21.7

43.5

-17.9

 

10:00

12.0

37.6

21.7

65.2

-27.6

 

11:00

13.0

50.6

21.7

87.0

-36.4

 

12:00

16.8

67.4

21.7

108.7

-41.3

 

13:00

32.0

99.4

21.7

130.4

-31.0

 

14:00

42.0

141.4

21.7

152.2

-10.8

 

15:00

17.9

159.3

21.7

173.9

-14.6

 

16:00

30.2

189.5

21.7

195.6

-6.1

 

17:00

23.3

212.8

21.7

217.4

-4.6

 

18:00

40.8

253.6

21.7

239.1

14.5

 

19:00

23.0

276.6

21.7

260.9

15.7

 

20:00

11.8

288.4

21.7

282.6

5.8

 

21:00

9.4

297.8

21.7

304.3

-6.5

 

22:00

5.0

302.8

21.7

326.1

-23.3

 

23:00

5.0

307.8

21.7

347.8

-40.0

2011/3/3

00:00

5.0

312.8

0.0

347.8

-35.0

 

01:00

5.0

317.8

0.0

347.8

-30.0

 

02:00

5.0

322.8

0.0

347.8

-25.0

 

03:00

5.0

327.8

0.0

347.8

-20.0

 

04:00

5.0

332.8

0.0

347.8

-15.0

 

05:00

5.0

337.8

0.0

347.8

-10.0

 

06:00

5.0

342.8

0.0

347.8

-5.0

 

07:00

5.0

347.8

0.0

347.8

0.0

累計流量 (m3)

347.8

 

347.8

 

 

最大流量

42.0

 

21.7

Max =

15.7

平均流量

14.5

 

14.5

Min =

-41.3

流量尖峰係數

2.90

 

1.5

調勻池容積

57.0

2.2流量變動不大,水質變動大的調勻容積求法
  將尖峰因子對調勻體積做圖,並決定尖峰因子為1.2時所需調勻體積。假設調勻池充分混合TOC無顯著的分解或揮發出現,主導此一固定出流流量系統的微分方程式如下:

(1)

(2)

式中Vi=在時間T內調勻池的水體積
  Q0i=在時間間隔內的進流量
  Q0i=在時間間隔內的出流量
  Q0avg=每日平均進流量
  C0i=在時間間隔內的進流濃度
  Ci=在時間T內,調勻池內與出流的濃度
假設Q0iQeiC0i在每一時間間隔內,將公式(2-1)與(2-2)進行變數分解積分與重組。
列出下列有關調勻池內再每一時間間隔終了的Ci(f):

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,V(i-1)(f)=在時間間隔(i-1)終了的調勻池體積

時間間隔,min
  C(i-1)(f)=在時間間隔(i-1)終了的調勻池內的濃度

   每一時間間隔內離開調勻池的TOC質量,可由公式(2-8)計算:

(8)

  接著製作計算表,求出在已知調勻池體積下每一段時間間隔內流出的TOC質量,及其計算步驟如下:
(1)時間間隔在該計算表的第一列由下列步驟計算出:

  • 由平均淨流流量與濃度,計算出逕流體積與TOC質量。
  • 出流流量假設不變,由全部流量除以全部時間求出。
  • 假設一最初調勻容積,在該時間間隔終了的池體積由公式(3)計算出。
  • 假設一最初調勻濃度,在時間間隔終了的調勻濃度由公式(4)求出。

   離開調勻池的TOC質量由公式(8)求出。

(2)其他時間間隔的數據以相同方式計算出,但是其最初的調勻池體積與濃度是前一段時間間隔終了的調勻體積與濃度。
(3)修正最初假設的調勻體積,直到所計算出的最大調勻體積與所選擇的體積一致。
(4)修正最初假設的調勻濃度,直到它等於最後一個時間間隔濃度。
(5)經由上述計算過程所求出的最大值與平均值,可以求出尖峰因子,該因子等與最大值除以平均值。詳細計算方法詳如例4。
[例4]一工廠廢水量穩定,逐時水質變化如表4,TOC尖峰係數=1.65,求設計一調勻池,使TOC尖峰係數<1.3。
[解]計算結果如表4。

表4 污水量與質明顯變動之調勻池設計例

平均
流量(Lpm)

平均TOC
mg/L

出流水

調勻池容積(L)

TOC濃度(mg/L)

流量
(Lpm)

TOC
(g)

最初

最終

最初

最終

8~10

450

920

672.5

673

278,200

251,500

1009

993

10~12

620

1130

672.5

681

251,500

245,200

993

1028

12~14

840

1475

672.5

745

245,200

265,300

1028

1174

14 ~16

800

1525

672.5

828

265,300

280,600

1174

1278

16~18

340

910

672.5

842

280,600

240,700

1278

1225

18 ~20

270

512

672.5

791

240,700

192,400

1225

1125

20 ~22

570

1210

672.5

767

192,400

180,100

1125

1151

22 ~24

1100

1520

672.5

843

180,100

231,400

1151

1327

0 ~ 2

1200

1745

672.5

960

231,400

294,700

1327

1540

2~4

800

820

672.5

946

294,700

310,000

1540

1318

4 ~ 6

510

410

672.5

829

310,000

290,500

1318

1150

6 ~ 8

570

490

672.5

725

290,500

278,200

1150

1009

TOC尖峰係數

 

1.65

 

 

 

 

 

1.29

 

三、調整池設計之相關計算暨注意事項
3.1混合度需求
  為達成調整水質、水量之功能,並維持水質之新鮮度,除容量要適當外,適當之曝氣攪拌及充足的停留時間也是設計重點。通常需要進行混合(mixing)以確保充分的調勻功能,並且避免可沉降性固體物(settable solids)沉降在池底。此外,透過混合攪拌與曝氣,廢水中還原性物質得以氧化,或者透過氣提(air stripping),也將廢水中的BOD降低。
  曾經被用來混合的方法包括:

  • 使用進流水的分配與隔鈑
  • 渦輪攪拌機
  • 擴散空氣曝氣
  • 機械曝氣
  • 水中攪拌

  最常用的混合方法是中水攪拌機,特別是,廢水中有機物很容易分解的情形。例如,來自於牛乳加工廠的廢水,可以採用表面曝氣機。該類型曝氣機使用的馬力數約為15~20百萬加崙(0.003 to 0.0045 kW/m3)。擴散式空氣曝氣系統繳拌空所需氣量約為每加崙廢水0.5ft3。調勻池的類型如圖3.3所示。

3.2調勻池風量設計

●經驗式

維持好氧及攪拌所須之曝氣量依經驗採用下式計算:

            QA=(調勻池最大儲水量)×20÷(60×24)(9)

式中QA=所須風量(Nm3/min)
   20=風量比(m3空氣/m3水-日)

●比例計算法:

           QA=(最大儲水量)×0.01~0.015(10)

   曝氣攪拌之空氣來源通常有以下方法:

  • 利用表面曝氣機之曝氣方式。
  • 利用鼓風機作為空氣來源配合水中散氣設備之方式。

  以鼓風機較常使用,使用方式為利用鼓風機供應足夠之空氣,再利用平均分佈於池底之I-Chain散氣管散氣達到攪拌曝氣之目的。I-Chain散氣管之開孔大小為:3~4mm;總開孔數為利用開孔流速15~20m/sec計算所得之流量除總須要空氣量得之。

3.3調勻池所須停留時間

調勻池設計有效儲水體積=(11)

式中,a:安全係數=1.1~1.5。調勻池之體積除依參考上述計算式計算外,亦須考量操作特性及廢水產生特性等加以考量(如:連續式操作及SBR式操作即有不同),不可單憑計算之數據,此外,調勻池之深度與曝氣中之鼓風機壓損有關,故設計水深不可超過5m深,最好能控制在4~4.5m之有效水深另加0.5m之出水高度(free board)為設計參考方式。

3.4計算數據之應用
  調勻池之計算所得之數據皆須視不同之廢水產生特性加以考量,不同之狀況必須依其之特性加以修正,尤以停留時間之設計仍須考量廢水水質特性,如水質之腐化性特強則停流石間之長短及曝氣量之須求皆須特別加以注意。而水深之升降變化對曝氣設備及鼓風機送風之效率影響亦須事先加以考量,如此方能避免因設計不良導至的操作上困擾。

四、國內調勻池應用實例
4.1台中市垃圾滲出水處理廠實例
  本例摘自環保署全球資訊網。台中市垃圾掩埋場三期滲出水處理廠佔地約0.51公頃,包括管理室、調節池及貯存池、初沉池、厭氧消化槽、氧化渠、鼓風機房,終沉池、電化學處理室、浮除槽、砂濾槽、放流井。目前處理之水源包括復育公園滲出水、三期掩埋場滲出水及洗車廠洗車廢水,每日處理量為450噸。其中三期掩埋場、復育公園所產生滲出水及洗車廢水經收集管線匯集至抽水井,而後利用抽水井內之泵浦滲出水抽送至二期污水廠調整池,以調勻水質、水量,新、舊場總計調節池容量約15,000 m3;污水管線在送往三期污水廠調節池之前先經一離心式除砂器,用以去除較大之砂粒及雜物。
  三期污水廠調節池與貯存池為相連的R.C池體,其有效容積分別為484m3、550m3,當降雨量不大時,掩埋場所產生的滲出水直接導入二期污水廠調整池,若COD濃度甚高則返送回掩埋場。二期污水廠調整池之滲出水及洗車廢水經調整後,屆由抽水馬達定期抽到三期污水廠調節池與貯存池,待調節池水量漸減後,再由貯存池抽水至調節池,維持後續處理單元之水量保持一定。經調節池攪拌均勻的滲出水泵送至前反應槽,同時添加氯化鐵(FeCl3)使水中懸浮微粒凝聚成膠羽狀後,再溢流至初沉池內進行固液分離,下沉固體則由泵浦抽送至廢棄污泥井。
4.2工業區污水廠調勻池及活性污泥系統處理可行性評估研究
  本例摘自曾明華(1989)中央大學土木研究所碩士論文。根據該研究對全省工業區污水處理廠進行問卷調查,結果顯示綜合性工業區污水廠因其進流水質、水量的變動很大,常會使得處理系統處於不穩定狀態。因此,大多數處理廠均認為極有必要設置調勻設施, 以便收到較佳的操作效果。
  就調勻池操作及設計方法加以評估, 以中壢工業區污水廠為例,其流量實測為16,800∼21,600CMD,流量尖峰因子=,一般為2.2∼3.2, 進流水BODt尖峰因子[=C(t)max/C(t)min]為2.8∼4.4,其調勻池停留時間約需有6∼10小時。從實驗結果顯示: 中壢工業區污水廠進流水中常含有大量難分解的化學物質, 導致COD去除率不佳。另外, 就工業區廢水生物處理可行性的研究結果顯示,在有機負荷為 0.138kg BOD5/kg VSS-d,容積負荷為0.15kg BOD5/m3-d的操作條件下,活性污泥系統可得到最佳的處理效果。若工業區污水廠能容納一些易分解性之廢水,藉以提高進流水BOD5/COD值或稀釋進流水中不易分解物質的濃度,則可增加該系統在最佳處理狀況下之污染物負荷量。
4.3大武崙工業區污水處理廠
  大武崙工業區污水處理廠於69年6月12日完成,同年9月1日展開營運工作。各工廠之廢水經適當之預先處理後排入工業區之污水收集系統而流入本廠。經進水口欄污柵除粗大物體後,污水流入進水抽水站,由不阻塞型抽水機抽送, 經超音波流量計至曝氣沈砂池,砂礫於曝氣沈降後以抽砂泵定時抽送至洗砂機 處理,洗砂水流至油水分離池,砂粒則予以衛掩埋,污水利用重力流入除油 槽,經波浪型除油板箱將油水分離,浮油由集油管收集排至貯油槽集中處置,污水則流入調勻池。
  調勻池設置兩組機械攪拌機,用以調節不斷變化之水質、水量及維持懸浮性固體物呈懸浮狀態,使下單元可獲得穩定之進流水。調勻池內之污水由兩組沈水式抽水機抽送至溶解空氣浮除系統處理,此系統中加入NaOH,污水中之重金屬形成氫氧化合物而於浮除池中去除。污水利用重力由溶解空氣浮除系統流至曝氣池,經鼓風機加以適當之曝氣,以去除污水中溶解性及非沉降性之有機質,污水經過適當時間之曝氣後即流入二級沉澱池,部份沉澱之活性污泥迴流至曝氣池,其剩餘之活性污泥及沉澱之浮渣則排入濃縮池。污水經二級沉澱池後流入氯接觸槽予以加氯消毒後排入大武崙溪。
4.4岡山工業區下水道系統
  本工業區下水道系統排放,係採雨污水分流制,工業區內各工廠廢水必須經過前處理,符合進廠限值之污水由污水幹管收集後,匯流至污水廠經攔污、量水、中和至污水抽水站提昇揚程。經曝氣沈砂除油後,流入調勻池,初步沉澱與酸鹼中和後,再排入氧化深渠進行二級生物處理,最後流入終沉池固液分離。上澄液再經三級處理砂濾機處理,放流入岡山溪初沉與終沉池沉降之污泥,則以抽泥泵抽取至重力濃縮池中,濃縮之污泥經消化後再至脫水機脫水,脫水後之污泥運至貯存場乾燥後,再委託廢棄清理公司運棄,濃縮池上澄液則迴流至調勻池。


圖1 典型工業區污水處理廠處理流程圖

五、結論

  調勻池具有穩定水量與水質變化的功能,在適當的調勻池容量與有效的出水量穩定控制下,確實有助於減少操作的不穩定性,並可以減少後續處理單元的容量。水質調勻則可以將廢水性質的變動性加以控制或降至最低,使操作水量與質維持於一穩定狀況,並兼有提高溶氧、中和水質功能,調勻池在廢水處理上值得吾人重視。