污泥深度脫水技術(shù)在城市污泥處理處置中的應(yīng)用

顧一鳴，程曉波，趙由才，朱晟遠(yuǎn)，陸 超

（1.上海市城市排水有限公司，上海 200233；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；3.竹園第二污水處理廠，上海 200137）

1 污泥深度脫水處理現(xiàn)狀概述

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部環(huán)境公告顯示，2007年底全國(guó)投運(yùn)的污水處理設(shè)施共計(jì)1178座，日總設(shè)計(jì)處理能力為0.721億m3，平均日處理水量為0.532億m3；截止2012年底，全國(guó)投運(yùn)的污水處理設(shè)施已增加至3184座，日總設(shè)計(jì)處理能力為1.36億m3，平均日處理水量為1.06億m3。五年間，污水處理能力增長(zhǎng)88%，污水處理量增長(zhǎng)99%，污水處理后的副產(chǎn)物污泥產(chǎn)量也急劇增加。按產(chǎn)泥率1萬(wàn)m3污水產(chǎn)7 t污泥(80%含水率)計(jì)算，全國(guó)污泥產(chǎn)量預(yù)計(jì)已突破74200 t/d，干污泥量達(dá)14840 t/d，污泥產(chǎn)量較五年前幾乎翻倍，至“十二五”末，污泥總產(chǎn)量還將持續(xù)上升。

與污水處理能力大幅增強(qiáng)形成鮮明對(duì)比的是污水廠污泥在處理處置過(guò)程中相關(guān)處置理念、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及設(shè)施建設(shè)的滯后。目前，除少數(shù)污水處理廠試點(diǎn)小規(guī)模嘗試了厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒等［1，2］處理工藝，絕大多數(shù)污水處理廠仍采用濃縮、脫水后填埋的簡(jiǎn)單化處理［3］。

深度脫水工藝是指脫水后污泥含水率達(dá)到55%～65%，特殊條件下污泥含水率還可以更低［4］。英國(guó)在19世紀(jì)70年代初進(jìn)行了壓濾機(jī)污泥脫水試驗(yàn)；20世紀(jì)20年代初，美國(guó)在麻省的Worcester和羅德島的Providence采用了板框式壓濾機(jī)處理污泥的設(shè)備［5］，但由于勞動(dòng)量較大，直到上世紀(jì)60年代以后應(yīng)用才逐漸增多。

上海最早于2002年在石洞口污水處理廠應(yīng)用隔膜板框式壓濾機(jī)處理城市污泥，隨后竹園第二污水處理廠、南匯(海濱)污水處理廠等也陸續(xù)采用該工藝進(jìn)行污泥脫水，與此同時(shí)在廈門、杭州等地也得到應(yīng)用。

2 污泥深度脫水技術(shù)工藝及壓濾設(shè)備

2.1 主體技術(shù)工藝

目前，國(guó)內(nèi)多種污泥深度脫水工藝浮現(xiàn)，出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等原因，各種工藝的機(jī)理及藥劑配比等關(guān)鍵技術(shù)并不十分明確。歸納起來(lái)，目前深度脫水工藝均帶有如下特征:一是脫水前均需投加藥劑對(duì)污泥進(jìn)行調(diào)理；二是大部分采用板框壓濾機(jī)脫水工藝。雖然帶機(jī)脫水工藝案例有所應(yīng)用，但相對(duì)較少。較為成熟的技術(shù)方案主要是鐵鹽石灰加板框壓濾技術(shù)和固化劑加板框壓濾技術(shù)兩種。

2.1.1 鐵鹽石灰加板框壓濾機(jī)技術(shù)

鐵鹽石灰加板框壓濾技術(shù)的工藝特點(diǎn)是在污泥里投加石灰和三氯化鐵進(jìn)行熟化調(diào)理，然后通過(guò)板框壓濾機(jī)或隔膜壓濾機(jī)壓濾，使污泥含水率降到60%以下，也可以將含水率99%的污泥直接脫水至含水率60%以下。該工藝所產(chǎn)生的污泥橫向剪切力滿足填埋場(chǎng)的堆埋要求，可以直接填埋、焚燒、制磚等［6］，顯著減少污泥堆放場(chǎng)地，加速污泥穩(wěn)定化，大幅節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用，提高土地使用效率。相比干化焚燒工藝的運(yùn)行成本、氣體釋放等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，目前在上海、福建、江蘇等應(yīng)用較為廣泛。

2.1.2 固化劑加板框壓濾機(jī)技術(shù)

固化劑加板框壓濾技術(shù)是指采用某種改性劑和固化劑將污泥顆粒膠結(jié)、摻合并包裹在密實(shí)的惰性基材中，使污泥得以快速固化和穩(wěn)定化，并選用新型高壓力彈性板框機(jī)進(jìn)行壓濾脫水。通過(guò)將污泥中的有毒有害物質(zhì)固化到形成的網(wǎng)鏈晶格中，使其轉(zhuǎn)化成類似土壤或膠結(jié)強(qiáng)度很大的固體，可就地填埋或用作建筑材料等。各類固化劑配方因不同的使用目的會(huì)有所不同，其主要成分包括石灰、煙道灰、硅藻土、石膏、改性水泥、鎂系化合物等的混合物。污泥固化處理技術(shù)既可用作特殊工業(yè)污泥，也可用于城市污水處理廠產(chǎn)生的普通污泥的固化處理。

2.2 壓濾機(jī)設(shè)備技術(shù)

壓濾機(jī)是用于固體液體分離的工業(yè)裝備，最早應(yīng)用于制糖工業(yè)，屬于通用機(jī)械的分離機(jī)械類別，特征是壓濾應(yīng)力大而穩(wěn)定，因此，具有取得最佳固液分離效果的可能性。歐洲是板框式壓濾機(jī)使用最早的地方，在德國(guó)、英國(guó)等廣泛地應(yīng)用在煤炭工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、醫(yī)療業(yè)等行業(yè)。經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，過(guò)濾機(jī)裝備整體技術(shù)水平得到了長(zhǎng)足提高。

壓濾機(jī)的主要部件由機(jī)架、濾板、濾布、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五大部件組成。從結(jié)構(gòu)上看，先后經(jīng)歷了板框式、廂式、隔膜壓榨式三階段的發(fā)展［7］。從材料上看，從最早的各種金屬，再到現(xiàn)在最常用的增強(qiáng)聚丙烯濾板。壓濾機(jī)按濾室類型可分為固定濾室與可變?yōu)V室，板框式壓濾是早期的壓濾機(jī)形式，隔膜壓濾機(jī)屬于可變?yōu)V室類，它與廂式壓濾機(jī)比較，設(shè)備價(jià)格高，維護(hù)成本高，但由于能穩(wěn)定獲得更高的壓榨力，從而能得到高干度的泥餅，因此是目前選用趨勢(shì)。

目前生產(chǎn)板框式壓濾機(jī)的公司主要有芬蘭奧托昆普(Outokumpu)公司，德國(guó)的連思舍(Lenser)公司等。國(guó)內(nèi)板框式壓濾機(jī)起步較晚，總體技術(shù)水平較低，但由于需求量很大，發(fā)展也比較快，各項(xiàng)技術(shù)不斷更新，主要是在國(guó)外機(jī)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，有些方面還是有一定的差距，但發(fā)展前景廣闊。

3 上海城市污泥處理處置現(xiàn)狀與對(duì)策

3.1 污泥產(chǎn)量現(xiàn)狀

2000～2010年，上海中心城區(qū)及郊區(qū)新建、改擴(kuò)建及提標(biāo)改造了一大批污水處理廠，這其中包括中心城區(qū)的白龍港污水廠、竹園一廠、竹園二廠、石洞口污水廠等大型污水處理廠。眾多污水處理廠的建成使城市污水收集率、處理率、出水水質(zhì)和COD減排量等均得到了大幅提升。

截止2012年底，上海中心城區(qū)三大片區(qū)共14座污水廠，污水處理規(guī)模為507萬(wàn)m3/d。隨著污水收集率、處理率的不斷提高，城市污水處理廠所產(chǎn)生的污泥量也成倍增加。目前，上海中心城區(qū)有14座污水廠合計(jì)約2100 t/d(含水率以80%計(jì))，郊區(qū)約560 t/d(含水率以80%計(jì))的污泥需要送到老港填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置。

“十二五”期間，白龍港污水處理廠將擴(kuò)建成280萬(wàn)m3/d處理能力，石洞口片區(qū)也計(jì)劃建設(shè)投運(yùn)泰和污水處理工程，屆時(shí)中心城區(qū)三大片區(qū)共14座污水廠，總處理規(guī)模超過(guò)600萬(wàn)m3/d，污泥產(chǎn)量將進(jìn)一步提升。

3.2 污泥處理現(xiàn)狀分析

近幾年，上海城市污水處理廠所產(chǎn)生污泥處置的技術(shù)路線基本是以機(jī)械濃縮脫水后，由陸運(yùn)或船運(yùn)至老港垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋。剩余污泥的機(jī)械脫水方式主要以加聚丙烯酰胺藥劑后，經(jīng)調(diào)質(zhì)后泵入帶式脫水機(jī)或離心機(jī)脫水，出泥泥餅含水率普遍在77%～79%。有少數(shù)幾家污水廠(如石洞口污水廠、竹園二廠等)采用板框壓濾脫水工藝，但由于填埋場(chǎng)對(duì)泥餅含水率沒(méi)有特殊要求，這些污水廠在進(jìn)行日常脫水處理時(shí)一般還是僅添加聚丙烯酰胺藥劑調(diào)理后進(jìn)行壓濾脫水處理，出泥泥餅平均含水率一般保持在78%左右。

高含水率污泥在填埋過(guò)程中凸顯出水分足、體積大、臭味濃、橫向剪切力差等特點(diǎn)。目前，老港填埋場(chǎng)土地瓶頸、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、填埋場(chǎng)周邊社會(huì)矛盾等問(wèn)題凸顯，污泥在填埋過(guò)程中的減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化以及泥餅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合垃圾填埋場(chǎng)承載力的相關(guān)要求等難題亟待解決。

3.3 污泥處理處置規(guī)劃及近期措施

為從根本上解決污泥處理處置問(wèn)題，2009年上海水務(wù)局頒布的《上海市城鎮(zhèn)排水污泥處理處置規(guī)劃》，對(duì)上海的污泥處理處置發(fā)展作出了明確的定位，形成了“中心城區(qū)以焚燒后建材利用為主，兼顧土地利用和衛(wèi)生填埋”的系統(tǒng)布局，在中心城區(qū)計(jì)劃規(guī)劃建設(shè)白龍港污泥消化工程、竹園污泥焚燒工程、石洞口污泥完善工程以及水泥建材綜合利用等項(xiàng)目。

但目前規(guī)劃中的幾個(gè)污泥處理工程除白龍港污泥消化工程建成投運(yùn)外，其他可減輕后續(xù)消納壓力的項(xiàng)目預(yù)計(jì)需等到2014年以后才能發(fā)揮作用。在此之前，污泥只能進(jìn)入老港填埋場(chǎng)。為盡可能減少80%含水率污泥在填埋過(guò)程中帶來(lái)的不利影響，有效增加老港垃圾填埋場(chǎng)的污泥總消納量，延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，必須提升污泥泥餅結(jié)構(gòu)及填埋承壓性能。

考慮到老港垃圾填埋場(chǎng)從2012年6月起原則上不再接收含水率不達(dá)標(biāo)的污泥泥餅進(jìn)場(chǎng)填埋的要求，2011年8月由上海市城市排水有限公司、上海市市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司等單位牽頭，編制了《上海市中心城區(qū)污水處理廠污泥應(yīng)急處理工程方案》。內(nèi)容包括:白龍港深度脫水工程，新建深度脫水設(shè)施為1500 t/d，服務(wù)于白龍港、竹園一廠、閔行、龍華、莘莊；石洞口深度脫水技改工程，對(duì)現(xiàn)有板框機(jī)進(jìn)行改造，規(guī)模為215 t/d，服務(wù)于石洞口、吳淞、泗塘；竹園二廠深度脫水技改工程，規(guī)模為200 t/d；天山、曲陽(yáng)、長(zhǎng)橋等3座污水處理廠，各自新增板框壓濾機(jī)和污泥調(diào)理設(shè)備，總處理規(guī)模為105 t/d。2014年后上海市相關(guān)已規(guī)劃的污泥處理處置工程建成投運(yùn)后，污泥經(jīng)深度脫水填埋處置方式仍將作為重要的托底保障手段。

4 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

4.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

上海市白龍港污泥深度脫水工程服務(wù)范圍包括白龍港、竹園第一、閔行、龍華、長(zhǎng)橋和莘莊等六座污水處理廠，建設(shè)規(guī)模為污泥處理為1500 t/d(按含水率80%計(jì))，干泥量300 tDS/d。采用化學(xué)調(diào)理+隔膜壓濾工藝處理，處理后污泥含水率要求低于60%。

4.2 工藝流程

白龍港污水廠污泥量為150 tDS/d，以含水率95%的濃縮污泥形式(化學(xué)污泥、濃縮污泥和消化污泥)通過(guò)管道輸送到污泥預(yù)處理場(chǎng)污泥調(diào)理池；含水率80%污泥從閔行等其他污水廠污泥用污泥車運(yùn)送到預(yù)處理場(chǎng)，在入口處經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)汽車衡稱重計(jì)量，然后倒入卸料池。

通過(guò)卸料池底部的螺旋輸送機(jī)輸送至稀釋池，在稀釋池加入稀釋水(中水或其他水源)攪拌稀釋，稀釋后污泥含水率約93%，重力流入貯泥池，由污泥泵提升進(jìn)入調(diào)理池，在調(diào)理池分別加入鐵鹽和石灰作為調(diào)理劑。經(jīng)過(guò)調(diào)理熟化后的污泥通過(guò)高壓進(jìn)泥螺桿泵注入總計(jì)26臺(tái)隔膜壓濾機(jī)，進(jìn)泥完成后用高壓水進(jìn)行隔膜壓榨，濾液排入稀釋水池，壓濾后含水率小于60%的脫水污泥由螺旋輸送機(jī)輸送至污泥斗，然后通過(guò)污泥車外運(yùn)，每天外運(yùn)時(shí)間按不小于12h計(jì)。污泥稀釋考慮采用中水稀釋，多余部分濾液和沖洗廢水等一起由污水泵提升至城市污水處理廠處理。工藝流程與物料平衡如圖1所示。

4.3 污泥調(diào)理

本工程主要采用的是石灰加FeCl3藥劑，混合攪拌使其充分反應(yīng)，將濃縮污泥中的毛細(xì)水和吸附水變?yōu)樽杂伤?，使污泥的pH和溫度升高，破壞微生物的細(xì)胞膜，釋放細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水，提高污泥脫水效果。此外，加入的調(diào)理劑還有鈍化重金屬和殺菌除臭的作用。

廠區(qū)建設(shè)有專門的綜合調(diào)理池，分為4組，每組規(guī)模75 tDS/d。綜合調(diào)理池包括8座有效容積為150m3的調(diào)理池、4座儲(chǔ)泥池、1座稀釋水池以及2座FeCl3儲(chǔ)藥池。FeCl3、石灰投加在調(diào)理池內(nèi)，F(xiàn)eCl3、石灰和污泥的投加比例為1∶2.5∶12.5，即消耗FeCl324 t/d，消耗石灰60 t/d。FeCl3經(jīng)稀釋成濃度為38%后通過(guò)加藥泵進(jìn)行投加；石灰則采用加水轉(zhuǎn)換為石灰乳的形式進(jìn)行泵送投加。調(diào)理完的污泥流入至儲(chǔ)泥池待泵送至壓濾車間。投加順序?yàn)橄劝幢壤盟屯都覨eCl3，反應(yīng)30min后再投加石灰乳，整個(gè)熟化時(shí)間約100min。

圖1 工藝流程與物料平衡圖Fig.1 Chart of Process Flow and Material Balance

4.4 壓濾機(jī)選型要求

(1)進(jìn)泥含水率為90% ～97%，出泥含水率≤60%；(2)單臺(tái)處理能力不小于15 tDS/d，每批次時(shí)間≤4.0 h；(3)濾板尺寸選擇2000mm×2000mm共22套，1500mm×1500mm共4套，有效過(guò)濾面積分別為800和400m2，濾室厚度為35～50mm；(4)濾板材質(zhì)需采用增強(qiáng)聚丙烯或橡膠，壓濾壓力不小于15 kg/cm2；(5)隔膜板框機(jī)具有自動(dòng)卸泥，無(wú)需人工鏟除，且配有可自動(dòng)清洗功能。本工程最終選用了興源、景津、安德里茲和卜力斯四種品牌的壓濾機(jī)，合計(jì)26臺(tái)。

4.5 運(yùn)行管理

經(jīng)調(diào)試，該工程的污泥出泥泥餅含水率均能滿足設(shè)計(jì)所要求的小于60%，最小含水率甚至可低于50%。污泥在進(jìn)行深度脫水的工藝過(guò)程中，影響其出泥泥餅含水率的因素包括污泥調(diào)質(zhì)效果、進(jìn)泥壓力、隔膜壓濾壓力、保壓時(shí)間等參數(shù)條件。

在進(jìn)行壓濾機(jī)參數(shù)設(shè)定時(shí)，主要包括低壓進(jìn)泥壓力及時(shí)間，高壓進(jìn)泥壓力及時(shí)間，隔膜二次壓濾壓力及時(shí)間6個(gè)參數(shù)。運(yùn)行過(guò)程中，壓榨壓力越大，雖然可以縮短每班次處理時(shí)間，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備部件如進(jìn)泥螺桿泵、機(jī)架大梁、液壓頂桿等使用壽命的縮短，且能耗相對(duì)較高，不利于經(jīng)濟(jì)性。保壓時(shí)間越長(zhǎng)雖有利于降低泥餅含水率，但費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，整體處理效率將顯著降低。因此需通過(guò)不斷調(diào)試取得最佳工作參數(shù)。建議低壓進(jìn)泥壓力控制在0.6 MPa，高壓進(jìn)泥壓力控制在1.0～1.2 MPa，隔膜壓濾壓力控制在1.2 MPa，每班次進(jìn)泥和保壓用時(shí)控制在2.5～3h，其污泥脫水效果可滿足含水率小于60%的設(shè)計(jì)要求。

卸餅時(shí)，若有泥餅殘留在濾布上，應(yīng)將泥餅鏟除干凈。如果有大塊泥餅殘留在濾布上面，一來(lái)再次壓緊時(shí)容易引起濾板甚至大梁變形，二來(lái)容易導(dǎo)致曲張濾布受到向下的壓力恢復(fù)不了垂直狀態(tài)，這樣濾布出液孔又容易錯(cuò)位，導(dǎo)致出液不暢甚至噴料情況，因此必須引起重視。

污泥調(diào)質(zhì)效果的好壞受FeCl3和石灰的比例及熟化程度影響較大。在實(shí)際操作中，由于采用石灰乳形式投加，建議可適當(dāng)提高投加比率約5%。FeCl3投加總量可控制在7% ～8%，投藥泵可選用襯氟泵，以避免泵機(jī)腐蝕過(guò)快。在調(diào)質(zhì)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)每批次的pH進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保調(diào)理質(zhì)量。

此外，針對(duì)壓濾過(guò)程中產(chǎn)生的濾液也應(yīng)加強(qiáng)采樣分析其含固率濃度。若回收率偏低，污泥流失率過(guò)大，可考慮通過(guò)優(yōu)選濾布型號(hào)、強(qiáng)化污泥調(diào)理等方案來(lái)解決。

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