污泥深度脫水是采用一定的機械設備將污泥含水率降至60%以下的過(guò)程。然而，要實(shí)現污泥深度脫水，并不是單純提高脫水設備運行壓力的問(wèn)題，而是需要統籌考慮污泥脫水設備、化學(xué)調理藥劑和調理方式，將各個(gè)環(huán)節有機結合、優(yōu)化控制，從而形成高效的集成脫水工藝。由于含有離子化的功能基團，如羧基和磷酸基，故污泥通常帶負電，并以膠體的形式存在，且高度分散在水中，脫水比較困難。已有研究表明，由于污泥的高度具有可壓縮特性，單純維持高壓是無(wú)法實(shí)現深度脫水的。因此，為確保機械脫水的效率，化學(xué)調理過(guò)程就顯得十分重要。
在國內，污泥深度脫水方面的研究已有報道，但關(guān)鍵的化學(xué)調理技術(shù)研究卻相對缺乏。本實(shí)驗的主要目標為采用高壓隔膜壓濾過(guò)程，同時(shí)選擇適宜的化學(xué)調理方式，實(shí)現污泥深度脫水，即將污泥含水率降至60%左右，具體目標為：第一，對不同藥劑組合方式進(jìn)行污泥化學(xué)調理后壓濾機的處理能力、污泥含水率和過(guò)濾通量等進(jìn)行綜合比較，從而最終選擇出適宜于隔膜壓濾過(guò)程的調理方式；第二，以杭州市七格污水處理廠(chǎng)為例，對污泥處理處置工藝的成本進(jìn)行核算，從而了解直接在水廠(chǎng)進(jìn)行污泥深度脫水的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢。
1 材料和方法
1.1 污水處理廠(chǎng)和污泥基本情況
杭州市七格污水處理廠(chǎng)采用厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）工藝，后續進(jìn)一步化學(xué)強化除磷，并采用重力濃縮和離心機進(jìn)行污泥脫水，每天產(chǎn)生含水率為80%的污泥約300 t，年產(chǎn)生污泥質(zhì)量超過(guò)10萬(wàn)t。重力濃縮污泥取自污水處理廠(chǎng)離心脫水前調節池，污泥基本情況見(jiàn)表 1。其中含固率是將污泥在105 ℃下烘干后固體所占污泥的質(zhì)量分數，有機質(zhì)含量則是將固體在500 ℃下灼燒2 h后揮發(fā)物質(zhì)占固體的質(zhì)量百分數。
| 項目 | 含固率/% | pH | 上清液濁度/NTU | Zeta 電位/mV | 有機質(zhì)含量/% |
| 數值 | 2.7~3.2 | 6.6~7.1 | 25.0~33.1 | -16.7~-21.6 | 27.5~31.6 |
1.2 化學(xué)調理藥劑介紹
主要藥劑包括有機和無(wú)機兩大類(lèi)。無(wú)機藥劑：六水合氯化鐵（FeCl3·6H2O）、固體氯化鋁PAC（Al2O3有效質(zhì)量分數為28%）、聚合硫酸鐵（PFS）、石灰和復合無(wú)機調理劑（主要成分包括氧化鋁、氧化鈣和氧化鎂）。有機高分子絮凝劑主要包括高分子聚二甲基二烯丙基氯化銨絮凝劑（HCA，藥劑呈黏稠的透明膠水狀）和陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺（PAM，相對分子質(zhì)量為1 100萬(wàn)）。各種藥劑的單價(jià)：PAC為1 500~1 700元/t、聚合硫酸鐵為1 600~1 800元/t、氯化鐵為1 500~1 800元/t、PAM 為1萬(wàn)元/t、復合無(wú)機調理劑為750元/t、石灰為200~300元/t、HCA成本為3萬(wàn)元/t。
1.3 污泥脫水實(shí)驗
1.3.1 小試實(shí)驗
采用六聯(lián)攪拌儀燒杯混凝實(shí)驗，并按一定的干污泥量投加混凝劑。取400 mL污泥于燒杯中，將燒杯放置好后，啟動(dòng)混凝攪拌儀，迅速加入混凝劑，先以200 r/min速度快速攪拌30 s，再以100 r/min速度攪拌10 min，最后靜沉30 min。
1.3.2 中試實(shí)驗
選用杭州興源過(guò)濾科技有限公司小型隔膜壓濾機及其配套設備，主要有空壓機（最高可提供0.6 MPa壓強）、高壓清洗機、調理罐（配有變頻攪拌機）和聚丙烯氣動(dòng)隔膜泵和螺桿泵。壓濾機的壓濾面積為8 m2，濾室總容量為0.15 m3，濾布孔徑為5 μm。
每次向污泥調理罐中裝入1 t濃縮污泥，投加化學(xué)調理劑，攪拌5 min后開(kāi)始進(jìn)料。壓濾程序為：開(kāi)啟液壓裝置，將濾板壓緊，濾板壓強為2.2~2.7 MPa，保壓。整個(gè)壓濾過(guò)程包括注滿(mǎn)、低壓（0~0.8 MPa）壓濾和高壓（1.5~1.6 MPa）壓榨三步，每次進(jìn)料量約為0.7~1 t。通過(guò)記錄不同的壓濾時(shí)間下調理罐的液位變化來(lái)計算污泥的進(jìn)料速率。其中，調理罐液位下降速率非常緩慢時(shí)，停止進(jìn)料，然后高壓壓榨維持40 min。
1.4 過(guò)濾脫水實(shí)驗
取待測污泥樣品100 mL于量筒中，在恒定壓強0.6 MPa的條件下過(guò)濾，每隔10 s記錄1次濾液體積，直到漏斗中濾餅層出現裂縫為止，停止抽濾，利用差量法測定濾餅含水率，然后進(jìn)行污泥比阻（SRF）測定。SRF≥8×1011 m/kg屬于難脫水污泥，SRF 為4×1011~8×1011 m/kg 屬于中等可脫水污泥，SRF＜4×1011 m/kg為易脫水污泥。污泥比阻的計算公式如下：
式中：r——污泥比阻，m/kg；
P——過(guò)濾壓強，kg/m2；
A——過(guò)濾面積，m2；
μ——濾液的動(dòng)力黏度，kg·s/m2；
w——濾過(guò)單位體積的濾液在過(guò)濾介質(zhì)上截留的干固體質(zhì)量，kg/m3；
b——反映污泥過(guò)濾性能的常數。
2 實(shí)驗結果
2.1 小試實(shí)驗
2.1.1 單一混凝劑投加對SRF的影響
不同混凝劑及其投加量下的SRF如圖 1所示。
從圖 1可以看出，用3種混凝劑調理污泥后，污泥的SRF均大幅降低，3種無(wú)機混凝劑對污泥的調理效果順序為FeCl3＞PFS＞PAC。
2.1.2 有機與無(wú)機藥劑復合調整及其投加順序對污泥比阻的影響
以干污泥質(zhì)量計，在PAC、PFS、FeCl3的投加質(zhì)量分數均為5%~30%，PAM投加質(zhì)量分數0.5%條件下，有機和無(wú)機混凝劑不同投加順序對調理后SRF的影響見(jiàn)圖 2。
對于3種無(wú)機混凝劑而言，有機混凝劑PAM的投加順序對調理后污泥的脫水效果有顯著(zhù)的影響。與單一混凝劑相比，投加有機與無(wú)機復合絮凝劑可以進(jìn)一步改善污泥脫水性，同時(shí)可以有效降低無(wú)機絮凝劑的投加量。無(wú)機混凝劑形成的絮體較小，后續投加高分子絮凝劑后可以促使小的顆粒進(jìn)一步成長(cháng)為具有更大粒度的絮體，從而使得小顆粒的表面吸附水釋放出來(lái)，所以藥劑的投加順序也會(huì )影響調理效果，先無(wú)機絮凝劑再高分子有機絮凝劑的投加順序可以增強藥劑的化學(xué)調理效果。
2.2 中試實(shí)驗結果
2.2.1 中試化學(xué)調理方案
根據小試結果，中試化學(xué)調理方案共8套，見(jiàn)表 2。除了常規藥劑之外，中試還選擇了HCA型和復合無(wú)機調整劑，其投加方式和劑量根據廠(chǎng)家提供的經(jīng)驗量，其中PAM配成質(zhì)量分數為0.2%的溶液并按濃縮污泥的1%投加，HCA按濃縮污泥的0.01%投加，其他調理劑的投加質(zhì)量分數均以干污泥計。
| 方案 | 化學(xué)調理藥劑及其投加量 |
| 1# | PAM,氯化鐵(8%)和石灰(10%) |
| 2# | PAM,聚合硫酸鐵(10%) |
| 3# | 復合無(wú)機調理劑(10%) |
| 4# | 聚合氯化鋁(10%) |
| 5# | PAM,氯化鐵(10%) |
| 6# | PAM,復合無(wú)機調理劑(20%) |
| 7# | HCA,氯化鐵(10%) |
| 8# | PAM,氯化鐵(10%)和石灰(10%) |
2.2.2 不同調理方案下的泥餅含水率和進(jìn)泥總量
不同調理方案下，壓濾脫水后污泥的最終含水率及進(jìn)泥總量見(jiàn)表 3。
| 方案 | 泥餅含水率/% | 污泥絕干質(zhì)量/kg | 方案 | 泥餅含水率/% | 污泥絕干質(zhì)量/kg |
| 1# | 59.4 | 34.5 | 5# | 65.0 | 35.1 |
| 2# | 63.2 | 37.0 | 6# | 60.9 | 35.5 |
| 3# | 64.7 | 22.8 | 7# | 62.1 | 40.6 |
| 4# | 70.9 | 37.7 | 8# | 58.8 | 37.4 |
為了使得樣品具有代表性，取樣位置設在濾板外周向內1/3處。由表 3可以看出，除4#調理方案獲得的污泥含水率較高（70.9%）外，其他調理各組污泥含水率均在59%~65%，即單獨采用PAC不能實(shí)現將污泥含水率降至60%左右的目標，而采用其他各種調理方案，均可以實(shí)現污泥的深度脫水。另外，結果也反映出在不借助石灰的條件下，只要選擇合適的化學(xué)調理藥劑和組合方式，亦可以實(shí)現污泥的高效脫水的目標。此外，采用7#調理方案污泥的進(jìn)料量較多，干泥質(zhì)量達到40.6 kg，采用2#、4#、8#調理方案次之，干泥質(zhì)量為37.0~37.7 kg左右。而采用3#調理方案，干泥質(zhì)量最低，僅為22.8 kg，其他各組泥餅量均為35 kg左右。
2.2.3 不同調理方案下的壓濾壓強和通量情況
隔膜壓濾過(guò)程可以分為4個(gè)階段：充滿(mǎn)階段、濾布截留階段、濾餅層過(guò)濾階段和壓榨階段。充滿(mǎn)階段和濾布截留階段壓強幾乎為0，濾餅層形成和過(guò)濾階段壓強逐漸上升，直至達到壓力平衡階段。壓濾機大小的選型主要通過(guò)濾室容積來(lái)確定，而往往忽略了過(guò)濾物料的特殊性。因此，充分認識物料壓濾過(guò)程中的通量變化情況可以使得機器選型更加準確，因為壓濾通量及其變化情況直接體現著(zhù)壓濾機對不同物料的處理能力。
對過(guò)濾時(shí)間/過(guò)濾體積（t/V）和過(guò)濾時(shí)間做圖，其斜率可以表示過(guò)濾速率衰減快慢，稱(chēng)為b值，b值越大，通量的衰減越快，過(guò)濾越困難。實(shí)驗表明，采用4#~8#方案時(shí)，b值分別為2.13、1.36、1.19、1.30、1.33。并且單獨使用PAC時(shí)（4#），過(guò)濾通量衰減最快，而采用PAM和復合調整劑（6#），污泥過(guò)濾速率較快，通量相對穩定，通量衰減速率相對也較慢，但和7#、8#兩組通量衰減速率差異不是很大。因此，相對而言，采用6#和7#可以從一定程度上提高壓濾機的處理能力。
2.3 不同化學(xué)調理方案的成本
不同方案的調理成本如表 4所示，成本分別以干污泥量和含水97%的濃縮污泥來(lái)計。
| 方案 | 藥劑總成本/(元·t -1 ) | |
| 絕干污泥 | 含水率為97%的濃縮污泥 | |
| 1# | 123.4~147.4 | 3.7~4.4 |
| 2# | 150.4~180.4 | 4.5~5.4 |
| 3# | 150 | 4.5 |
| 4# | 150~170 | 4.5~5.1 |
| 5# | 150.4~200.4 | 4.5~6.1 |
| 6# | 150.4 | 4.5 |
| 7# | 150.3~180.3 | 4.5~5.4 |
| 8# | 153.4~203.4 | 4.6~6.1 |
3 綜合成本的對比分析
就目前而言，污泥消納的主要方式為填埋和資源化利用兩種。下面將從這兩條工藝出發(fā)，對比核算兩種脫水方式的綜合成本（化學(xué)調理、設備運行和減量化效果），主要以杭州七格污水處理廠(chǎng)三期為例說(shuō)明。
3.1 兩種脫水方式的運行成本
七格污水處理廠(chǎng)三期工程采用離心脫水的方式，每天產(chǎn)生含水率約為80%的污泥300 t，換算為含水率97%的濃縮污泥2 000 t。其中化學(xué)調理藥劑主要采用PAM，處理1 t含水率為97%的污泥其化學(xué)調理成本為3.33元；電費為30萬(wàn)元/月（1 kW·h電價(jià)為0.75元），則電費成本為5元/t；人員工資以3 000元/月計（共30人），人工費用為1.5元/t，則總運行成本為9.83元/t。按照中試結果，隔膜壓濾機的化學(xué)調理藥劑為氯化鐵和PAM，折合成含水率97%污泥的成本如下：藥劑成本為5元/t左右，電費2.1元/t，人員成本（共40人）2.0元/t，總運行成本為9.1元/t。
3.2 污泥減量效果
考慮到污泥深度脫水將大幅地削減污泥量，即含水率從80%降至60%意味著(zhù)污泥量將減少50%左右。目前，七格水廠(chǎng)污泥（含水率80%）產(chǎn)量為300 t/d，進(jìn)行隔膜壓濾深度脫水工藝改造之后，污泥產(chǎn)量將下降至150 t/d。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3.3 綜合成本
七格污水處理廠(chǎng)三期工程日產(chǎn)生含水率97%的污泥質(zhì)量為2 000 t，則采用隔膜壓濾可節約的運行費用約為1 500元/d。1 t污泥的處置費用為100元（含運費）計，總的污泥處置費用為3萬(wàn)元/d。采用深度脫水技術(shù)后，污泥量將降低至150 t/d，相應地污泥處置成本將降低至1.5萬(wàn)元/d。因此，采用深度脫水工藝具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，通過(guò)脫水方式的轉變，可以為該廠(chǎng)三期節省污泥脫水和處置成本600萬(wàn)/a左右。
4 結論
（1）從化學(xué)調理方式和成本來(lái)說(shuō)，離心脫水藥劑主要采用PAM，1 t污泥（含水率為97%）的化學(xué)調理成本為3.33元，而隔膜壓濾機的化學(xué)調理藥劑為氯化鐵/聚合硫酸鐵（投加質(zhì)量分數10%）和PAM（成本可以忽略），藥劑的總成本為5元。從運行成本來(lái)說(shuō)，七格污水處理廠(chǎng)現采用的離心脫水運行總成本為6.5元/t，而隔膜壓濾機的運行總成本為4.1元/t。綜合對比來(lái)看，在采用隔膜壓濾機后，污泥的脫水成本將下降1 500元/d，而由于減量而節約的污泥處置成本將降低1.5萬(wàn)元/d。
（2）從污泥減量效果來(lái)看，隔膜壓濾機脫水后污泥含水率會(huì )降至60%，意味著(zhù)污泥量將在原來(lái)的基礎上削減50%左右，也就是說(shuō)進(jìn)行深度脫水工藝改造之后，污泥產(chǎn)量將下降至150 t/d。
