一種基于物料恒算下的污泥脫水減容計(jì)算方法

姜震宇，迮思干，郭生昌

（1.上海迅翔水利工程有限公司，上海 200231；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 201200）

1 概述

眾所周知，具有一定含水量的污泥，包括水處理過程中產(chǎn)生的污泥、工程實(shí)施過程中產(chǎn)生的污泥（比如河湖疏浚產(chǎn)生的污泥、灌注樁泥漿護(hù)壁或盾構(gòu)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的循環(huán)護(hù)壁泥漿等），一般來說，水在污泥中的存在形態(tài)主要包括以下四種[1]，詳見附圖1。

（1）間隙水或游離水：間隙水是存在于污泥顆粒間隙中的游離水分，一般占污泥總含水量的70%左右；這部分水比較容易脫除，可通過重力沉淀（濃縮壓密）實(shí)現(xiàn)分離。

（2）毛細(xì)水：毛細(xì)水是污泥顆粒之間或顆粒裂隙中由于毛細(xì)作用，與污泥顆粒結(jié)合在一起的水分，約占總水量的20%左右；毛細(xì)水可通過施加離心力、負(fù)壓力等外力，破壞毛細(xì)管表面張力和凝聚力的作用，而分離出去。

（3）吸附水：吸附水是由于表面張力的作用吸附在污泥顆粒表面的水分，由于污泥顆粒小，具有極強(qiáng)的表面吸附力，約占總水量的10%以下；吸附水一般無法用機(jī)械方法去除，但可采用混凝方法，使膠體顆粒相互絮凝，排除附著在表面的水分。

（4）結(jié)合水或細(xì)胞水：結(jié)合水是包含在污泥中微生物細(xì)胞內(nèi)的水分，結(jié)合水和吸附水共占污泥中總含水量的10%左右。結(jié)合水較難去除，特別是微生物細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水，必須從細(xì)胞內(nèi)滲出才能去除，需要采用干化或焚燒的方法加以去除。

污泥處理的目的是使污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化及綜合利用。通常使用的方法有：污泥濃縮、穩(wěn)定、污泥調(diào)節(jié)、脫水等；一般來說，高含水量污泥經(jīng)濃縮后，體積依然很大。為了后續(xù)的綜合利用和最終處置，需對(duì)污泥作進(jìn)一步的脫水處理。污泥脫水的主要作用是去除存在于污泥顆粒間以及顆粒內(nèi)的水，從而使液態(tài)污泥的物理性能改變成半固態(tài)、固態(tài)，理想的脫水應(yīng)當(dāng)是最大限度地把水去除；同時(shí)，污泥的固體顆粒則應(yīng)當(dāng)全部保留在脫水后的污泥上，并要求這種操作所花投資最低。對(duì)污泥中的普通脫水減容，一般是考慮去除污泥中的間隙水、毛細(xì)水；而當(dāng)研究污泥的深度脫水時(shí)，才將重點(diǎn)放在對(duì)污泥吸附水和結(jié)合水的去除上。受污泥最終處置的時(shí)空限制，污泥的脫水減容已經(jīng)成為污泥四化處理（減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化）的前提條件。

2 常規(guī)污泥的濃縮脫水減容計(jì)算方法及局限性

當(dāng)污泥的含水量（P）比較大（含水量為質(zhì)量比，通常大于70%以上時(shí)），可以近似的認(rèn)為污泥的密度（ρ）不隨含水量變化而改變，為一固定值（一般ρ=1.0t/m3）[2]，利用污泥在濃縮脫水過程中含固量（MS）不變的原則，來計(jì)算高含水量的污泥隨含水量的變化，體積發(fā)生的變化，據(jù)此，有下式成立[1]：

圖1 污泥中水的存在形態(tài)示意圖

依據(jù)上述（2）式，可知，在污泥濃縮脫水過程中，污泥體積變化和污泥含水量變化的關(guān)系，從而只要知道原始污泥的體積、含水量及脫水后污泥的含水量，就可以求出脫水后污泥的體積，比如，原有1.0m3含水量為P=98%的污泥，經(jīng)脫水后，含水量變?yōu)镻=90%，則體積變?yōu)?.2m3；但實(shí)際上，污泥的含水量變化，會(huì)導(dǎo)致污泥的密度（ρ）發(fā)生變化，在高含水量的情況下，這個(gè)影響會(huì)比較小，但含水量變化比較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生比較大的偏差；尤其在原始淤泥和脫水后的淤泥含水量都比較低的情況下，這種偏差就更加明顯；導(dǎo)致實(shí)際計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏離，為此，有必要尋求一種更加精確的計(jì)算方法。

3 物料恒算下計(jì)算的一般性假設(shè)條件

（1）污泥一般來說是作為三相體[3]出現(xiàn)的，由于污泥中空氣的體積占比很小，可以忽略其體積，即把污泥看作是由土體顆粒和水體構(gòu)成的兩相體[3]。

（2）通常認(rèn)為污泥中土體顆粒的干密度是不變的，并可以通過一定的方式加以測(cè)定；在污泥體積（V）和含水量（P）已知的情況下，可以采用加權(quán)平均的方式求出污泥的密度（ρ）。

（3）假設(shè)污泥中的土體顆粒是不可壓縮的，或者壓縮量很小，同樣，水的體積也是不可壓縮的，這樣污泥的脫水減容，僅是由于污泥含水量減少，導(dǎo)致水體脫除，使污泥的體積產(chǎn)生變化。

（4）考慮污泥脫水過程中，攜帶流出的土體顆粒濃度很小，可以忽略，即認(rèn)為脫除出去的僅僅是水，而不含土體顆?；蛘吆亢苄。梢圆豢紤]其影響。

（5）基于上述的假設(shè)條件，就可以利用物料恒算條件，來推導(dǎo)出脫水減容過程的各種變化。

4 物料恒算脫水減容的理論推導(dǎo)過程

假設(shè)體積（V1）的含水量為（P1）污泥中，土體顆粒的干密度為（ρS），土體顆粒的體積為（VS），土體顆粒的質(zhì)量為（MS），水的密度為（ρW），水的體積為（VW1），水質(zhì)量為（Mw1），則有如下等式成立：

由上述兩式聯(lián)立，可以求解得土體顆粒的體積（VS）和水的體積（VW1）分別為：

其中：體積為（V1）含水量為（P1）的污泥中土體顆粒的質(zhì)量（MS）和水的質(zhì)量（MW1）分別為：

于是，體積為 V1含水量為P1的污泥的密度（ρ1）為：

根據(jù)上述的假設(shè)條件，當(dāng)污泥中的含水量變化為（P2）時(shí)，土體顆粒質(zhì)量為（MS=ρS×VS）不變，而相應(yīng)的水的質(zhì)量（MW2）和水的體積分別變?yōu)椋?/p>

于是污泥含水量變?yōu)椋≒2）后，污泥的體積（V2）和密度（ρ2）就分別變?yōu)椋?/p>

于是，污泥含水量（P）變化引起污泥的體積變化（ΔV）和體積增（減）率（λ）分別為：

脫水減容過程中，脫除出去的水量為：

5 計(jì)算實(shí)例及分析

為了更好的理解上述計(jì)算，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算實(shí)例來加以分析，具體的計(jì)算結(jié)果詳見附表1：

附表1 中輸入的已知參數(shù)為：土體顆粒的干密度（一般認(rèn)為 ρS=2.65t/m3）[3]；水的密度為（ρW=1.0t/m3）；污泥原始的含水量為（P1）；脫水后含水量變化為P2；原始污泥的體積（V1=1000m3），在此條件下：

（1）當(dāng)原始污泥的含水量P1=98%時(shí)，可以分別計(jì)算出污泥中土體顆粒的體積為V3=7.64m3；VW=992.36m3；污泥密度為ρ=1.013t/m3；當(dāng)污泥中的含水量發(fā)生變化時(shí)，上述的各數(shù)值也相應(yīng)的發(fā)生變化。

附表1 物料平衡條件下脫水減容計(jì)算分析表

（2）當(dāng)原始污泥的含水量由P1=98%變成時(shí)P2=95%，污泥的體積由原來的1000m3變?yōu)?92.43m3；污泥的質(zhì)量由原來的1013t 變?yōu)?05.04t；相應(yīng)的污泥中土體顆粒的體積變?yōu)閂3=7.64m3；VW=384.79m3；污泥密度為ρ=1.032t/m3；脫除出去的水體積為607.57m3；脫水減容比為60.76%。

（3）從計(jì)算附表中可以看出，在高含水量條件下。比如當(dāng)含水量由P1=98%變成時(shí)P2=95%時(shí)，與常規(guī)的減容計(jì)算方法相比，差別不大，分別為60.76%和60.00%；當(dāng)在含水量比較低的條件下，比如由P1=60%變成時(shí)P2=40%時(shí)，與常規(guī)的減容計(jì)算方法相比，差別比較大，分別為44.39%和33.33%；在此條件下，常規(guī)的計(jì)算方法就產(chǎn)生了比較大的偏差，不再適用。

（4）當(dāng)然，在原始污泥體積和含水量已知的條件下，本方法也可以通過設(shè)定需要達(dá)到的脫水減容比或需要脫除水的體積條件，來反推脫水減容后的污泥需要達(dá)到的含水量。

6 結(jié)束語

一般情況下，污泥中的土體顆粒密度為ρS=2.50~2.65t/m3；水的密度為 ρW=1.0t/m3；而污泥中的含水量（P，質(zhì)量比）、對(duì)應(yīng)含水量的體積都是可以準(zhǔn)確測(cè)定的，這樣，根據(jù)上述推導(dǎo)的結(jié)果，就可以編制程序，實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)條件下計(jì)算和分析：

（1）在污泥的含水量和體積為定值的情況下，可以分別求出污泥中土體顆粒的體積、質(zhì)量、水的體積；污泥的密度。

（2）當(dāng)污泥的含水量發(fā)生變化時(shí)，可以計(jì)算出相應(yīng)含水量下的土體顆粒的體積、質(zhì)量、水的體積；污泥的密度、淤泥的體積及由此引起的污泥體積變化，從而進(jìn)一步推算出污泥的體積增（減）率，從而判斷污泥脫水減容的效果。

（3）污泥脫水過程中，當(dāng)需要達(dá)到預(yù)定的含水量時(shí)，到底有多少的水被脫除出去。

（4）在污泥處置消納場(chǎng)所容量已知的條件下，也可以反算原始污泥需要達(dá)到怎樣的含水量或減容比，方能滿足場(chǎng)地的消納要求。

（5）由于推導(dǎo)過程是以污泥中含水量發(fā)生變化，污泥中土體顆粒不變的原則來建立的，因此，本方法不僅適用于濃縮脫水、自然干化脫水；通過一定的修正也可適用于混凝脫水、機(jī)械脫水等各種方式的計(jì)算。