国内外污泥脱水现状与进展.doc

国内外污泥脱水现状与进展袁惠新，姜毓圣，王俊，李松琳（常州大学，江苏省常州市，邮编 213164 ）摘要：伴随着城市化的快速发展，城市污水污泥的产量也不断的增多，然而，城市污水污泥中的营养物质，有机物以及有害物质都会对环境造成极大的污染，危害人类的健康。污泥的脱水是城市污水处理厂的关键和必要环节，调理并经过脱水的污泥其含水率一般可降至70%80%，体积减少90%以上1，为后续的无害化处理打下良好基础，所以选择合适的污泥脱水处理方法和设备，更利于企业和环境向有益的方向发展。本文主要总结分析了国内外城市污水处理厂污泥脱水的主要工艺设备的优缺点和适用性，认为我国城市污水处理厂必须根据不同污泥特性、脱水设备的性能、运行状况、处理能力、耗药量、人员素质、管理维护、资金以及污泥的最终处置方式等多方面考虑，才能有针对性地作出合理选择。关键词：城市污水处理厂 活性污泥 污泥脱水 机械脱水 污泥脱水设备1城市污泥的基本性质及脱水的必要性1.1城市污泥的基本性质城市污水污泥是一种由无机颗粒、有机残片、细菌菌体、胶体等组成的具有非常复杂性质的非均质体。根据污水处理中污泥产生的环节，可分为初次沉淀池污泥、剩余污泥、腐殖污泥、消化污泥、化学污泥。污水处理厂进水中一半左右的悬浮物会在初次沉淀池中通过沉淀去除，最终形成初沉池污泥，其主要成分是砂砾和少部分粒径大的有机物颗粒，含水率在95%97%左右，由于其颗粒的粒径较大，粘度小，因此较容易脱水。剩余污泥来自于活性污泥处理工艺中的二次沉淀池。活性污泥处理技术是利用曝气池中的大量微生物对污水进行处理，微生物在对污水中有机物进行降解的同时也进行繁殖活动，因此，过剩的微生物量是污水处理厂的必然产物。腐殖污泥是来自于生物膜法处理后的二次沉淀池的污泥；消化污泥是指经过厌氧或好氧微生物消化处理后的产生的污泥；化学污泥是用混凝、化学沉淀等化学方法处理废水时所产生的污泥2。污泥中水分子的存在形式如图1所示，自由水（间隙水）是游离在大小污泥颗粒之间的水，不与污泥颗粒结合，可通过重力作用去除，自由水在污泥总含水量中约占6585，是污泥脱水的主要分离对象。毛细水指污泥颗粒之间形成的毛细管内的水，含量取决于污泥中毛细管的数量和毛细压力。一般占总水分的1525，毛细水与污泥颗粒的亲和力很大，需借助机械作用以及能量，才能达到去除目的。吸附水约占57，是由于污泥颗粒带有负电，而将水分子吸附在其表面产生的。吸附水相对稳定，普通脱水方法难以去除，需加热或加入电解质发挥其混凝作用才能脱去。内部水约占总量的3，只存在于微生物细胞或污泥颗粒的内部，内部水与污泥结合非常紧密，无法使用机械方法去除，必须采用生物分解或冷冻高温等措施，破坏细胞膜，使水分渗出3。 图1水分子的存在形式 图2污泥处理过程2 污泥脱水的必要性污泥中大量的营养物质和有机物，会消耗水体中大量的氧，使藻类恶性繁殖，严重影响水资源质量；污泥中大量的重金属等有害物质，会污染土壤和作物；此外，污泥中的寄生虫卵、致病菌等传染源，严重时会引起传染性疾病。由于城市污水污泥数量极其庞大，处理不善将会对环境带来很大的影响。污水处理产生的新鲜污泥含水率一般的在98%以上，体积非常庞大，呈流动性，不利于运输和处理，并且性质很不稳定，易腐败发臭，危害环境安全，所以需及时先进行减容化和稳定化的处理4。目前，国内主要的污泥利用和最终处置方式主要有五种：堆肥、干化、焚烧、填埋、土地利用。但无论这些污泥最终选取哪种处置方式，其前提都是要对剩余污泥进行脱水处理。比如焚烧前进行脱水处理，可去除剩余水分增加热值；堆肥前进行脱水，可减少补充膨胀剂或调理剂的量；填埋前脱水，可以减少填埋场地的渗滤液产生；此外，经过脱水处理的污泥，其体积可减少为原体积的10%20%，处理后的污泥便于贮运，也不易腐化5。3 国内外污泥脱水的环节和方法城市污水污泥的处理一般分为浓缩、调理、脱水三个步骤。浓缩后的污泥其含水率为94%96%左右，仍呈流动状态，难以处置消纳，需进一步脱水。调理并经过脱水的污泥其含水率一般可降至70%80%，体积减少90%以上，为后续的无害化处理打下良好基础5。3.1污泥浓缩污泥浓缩常用的方法有重力浓缩、加压过滤浓缩和离心沉降浓缩三种，此外还有气浮浓缩、隔膜浓缩等，但应用领域十分有限。污泥浓缩的目的在于降低污泥中的水分含量，减少污泥体积，同时也保持其流动性，以便于污泥的运输及后续的处置利用，浓缩后的污泥含水率仍会高达96%左右，因为污泥的浓缩过程仅能去除污泥中的部分间隙水6。3.2污泥调理污泥具有胶体的特性，与水有很大的亲和力，因此浓缩后的污泥其含水率仍在96%左右，尤其是活性污泥，更是如此。浓缩后的污泥脱水性能较差。为提高污泥的机械脱水性能，脱水前一般要用化学试剂进行絮凝调理，使污泥形成絮体，达到合适的比阻抗值，改善污泥的脱水特性，提高脱水效率7。污泥调理是污泥处理过程中的关键，其原理是通过向剩余污泥内投加无机或有机的絮凝剂，在污泥胶体颗粒表面引起化学反应，中和污泥胶体微粒所带电荷，中和后污泥颗粒间的排斥力减弱，颗粒彼此碰撞，相互聚集，形成大的颗粒絮团，降低污泥比阻，从而提高污泥的脱水性能。絮凝脱水适用于脱水性能比较差，一般方法难以处理的污泥。絮凝剂分无机类和有机类两种，其中无机高分子絮凝剂主要是聚铝和聚铁，其优点是价格低廉，但其絮凝效果和絮凝效率均低于有机絮凝剂。有机高分子絮凝剂具有产品稳定性好，适用范围广、絮凝效果好、投药量少、絮凝速度快，形成的絮体过滤性好等优点，但成本比较高，一些絮凝剂还可能存在生态安全隐患。因而大规模有效应用还在研究中。3.3污泥脱水目前使用的污泥脱水方法有污泥干化法和机械脱水法，此外还有新生技术例如超声波脱水、电渗析脱水等等。3.3.1污泥干化法国外常见的有流化床加热干化工艺，其优点是稳定、安全、易控制、占地少，处理过程中产生的气体不易爆难燃，不易产生沼气，污泥不易粘结、性状稳定，干化后污泥体积减小很多，含水率低于10%。缺点是对操作技术和管理技术有较高要求，能耗大，运行费用高，资金投资大。适用于集中处理多个中小型污水处理厂的污泥，还有那些土地紧张的大型污水处理厂。因此国内应用不多见。3.3.2机械脱水法目前世界各国普遍采用的脱水方法是机械脱水，机械脱水法是通过机械力的作用将污泥中的水分去除的方法。污泥进行机械脱水之前，一般会采用污泥浓缩，并投加絮凝剂的方法进行调理，以改善污泥的脱水特性，提高脱水率。机械脱水法必须要采购专用的脱水设备，并提供相应的动力。与自然干化法相比，它的脱水效率更高、节省空间，并且不因天气变化而影响脱水效果。4 污泥脱水的设备及适用性目前，国内外污水处理厂广泛采用的脱水方法是机械式脱水，脱水设备的品种名目繁多，大体上有卧螺离心机、真空压滤机、带式压滤机、板框压滤机、螺旋压滤机等。板框式压滤机与带式压滤机是使用较多的两类，而卧螺离心机由于在各方面具有独特的优势，在国内的应用也越来越广泛，成为继板框式和带式之后，又一广泛使用的污泥脱水设备8。螺压机以其独有的设备特点在德、日等国早已得到广泛应用，但在国内成功案例不多，而叠螺更是近几年才出现在我国市场的新型脱水设备。但随着近些年脱水机技术的发展，国内也已具备了螺旋压滤机与叠螺机污泥脱水系统的成套设计生产能力，设备性能有所提高，运行控制技术也日趋成熟。我国过滤分离设备的起步和发展，不论是在大型化、高参数、节能型、多功新设备的研发，还是传统设备的机械化、自动化、智能化的提高与完善，都与国外存在一定差距9。下面从设备的功能、类型、优缺点，维护运行成本等角度对几种典型设备进行对比分析10，为污泥脱水设备选型提供参考。4.1卧式螺旋卸料沉降离心机 螺旋卸料离心机根据主轴方位分卧式、立式两类，但以卧式为主，分离方式有沉降和过滤两种，应用较多的是沉降式。卧式螺旋卸料沉降离心机简称“卧螺”，其转鼓为圆锥或柱锥形，转鼓的大端开有若干溢流孔，小端开有底流口，进料管为螺旋输送的空心轴，轴上偏向底流口的某一轴向位置开有进料孔。转鼓与螺旋轴分别由电机与差速器带动，方向相同，转速不同，其差率一般为转鼓转速的0.23，以保证螺旋的卸料作用。在离心力作用下，进入转鼓的污泥颗粒很快便沉降到内壁，形成固体层，水受到的离心力较小，会在固体层的内侧形成液体层。在螺旋输送器的推动下，固体层被输送到底流口排出，液体层则反向运动，由溢流孔溢出。卧螺离心机的优点是能够长期连续运行，操作简单，自动化程度高。全封闭式结构，卫生条件好，并且冲洗水量少，能够在加压和低温环境工作。单机生产能力大，分离因数高，转鼓长径比设计范围大，小型机国产化程度高，占地面积小，应用范围广。缺点是污泥含水量较高，需用大分子聚合电解质作絮凝剂，才能将出泥含水率降到60%70%，受污泥负荷波动的影响较大，需螺杆泵定压定量供给。转速较高（20004000转/分），耗电量大，振动、噪音大，需建造相应地基。结构复杂，转动件加工精度要求高，材质也有特殊要求，制造成本高。且大型机只能依靠进口，零配件更换困难，维修周期长。 图3 卧式螺旋卸料沉降离心机 图4 刮刀卸料真空转鼓过滤机4.2真空过滤机 真空过滤是以循环移动的环型滤带或转鼓为过滤介质，利用真空设备提供的负压和重力作为推动力，来实现固液快速分离的一种过滤方式。真空过滤的机械形式较多，可分为转鼓式、带式、盘式等多种，污水处理行业多使用转鼓式。真空吸滤机可稳定、连续运行，操作灵活，滤饼厚度可调节。过滤介质可正反面同时清洗11。过滤前污泥只需搅拌均匀，对絮凝剂的依赖性弱。并且进入国内较早，生产厂家多，维修容易。缺点是设备比较复杂，投资较大。抽真空耗电量较多还有噪音，产生的过滤推动力却有限12，滤饼含水率较高，转速慢，整体处理效率偏低。洗涤难以充分，冲洗水量大，卸料也比较困难，对于黏度较大的污泥还存在挂料现象。如果滤布不均还会导致真空破坏和滤带跑偏，严重影响脱水效果。目前，真空压滤机在污泥脱水领域已逐渐被淘汰使用。 图5 带式压滤机原理示意图 图6板框压滤机4.3带式压滤机 带式压滤机主要由上下两条滤带以及一系列压辊组成，污泥由下滤带进入，在重力脱水区脱除间隙水，失去流动性。楔形脱水区两条滤带逐渐收紧，泥浆受到轻度挤压，变得平整均匀并少量排水。接着进入低压脱水区，污泥夹在两条张紧的滤带间，依次经过一系列呈S形排列、直径逐渐减小的压辊。在滤带张力和压辊曲率产生压榨力的共同作用下，污泥中的毛细水也被挤压出来，在高压脱水区，污泥还受到高压带所施加的压榨力，脱水率进一步提高。经过卸料装置时，滤饼借助刮刀刮落，滤带经清洗后重新返回重力脱水区，实现连续运行。带式压滤机可通过调整滤带速度、压榨压力以及进泥量来控制滤饼厚度，对污泥适应性强，受污泥负荷波动的影响也较小。机构简单，动力消耗少，能够连续作业，生产能力大，过滤效果好，出泥含水量较低。国内生产厂家较多，工程投资较少，维修也很方便。缺点是人工调整，对操作人员要求高。开放式结构有臭气，冲洗水量极大，污泥、污水容易外流，噪音也较大，工作环境差。此外，带式压滤机要求进泥的絮凝体大、密实、强度高，絮凝剂投配较多。4.4板框式压滤机板框式压滤机的主要部分包括许多交替排列的滤板和滤框，共同支撑在两侧的架上并可以滑动，它们的一端用压紧装置压紧，使全部滤板、滤框组成一系列密封的滤室。板和框的四角均开有孔，框上角的孔有小通道与框内的空间相通，分别为滤浆或洗涤液的进入口。滤板分为洗板和非洗板，滤板下方的孔与板面的两侧相通。洗板左上角的孔与板面的两侧相通，洗涤液由此进入。非洗板右下角的孔与板面两侧相通排出洗涤液。板框式压滤机是间歇式操作，每个循环由过滤、洗涤、卸渣、整理组装四个阶段完成。过滤前板与框交替在机架上，板两侧用滤布包起，用压紧装置固定在框上。污泥由小孔道进入框内，水穿过滤布到达板侧，经板面沟槽流集下方、经排液孔口排出，固体物则积存于框内形成滤饼，直到整个框的空间填满为止。洗涤清水经洗板上角的斜孔进入板侧，穿过滤布到达滤框，然后穿过整个滤饼及另一侧的滤布，再经过非洗板下角的斜孔流出。洗涤阶段结束后，松开板框，进入卸渣整理阶段，取出滤饼并清洗滤布及板、框，准备开始下一个循环。板框式压滤机的优点是结构简单，制造容易，整体结构牢靠，使用寿命较长。并且操作压强高，过滤推动力大，所得滤饼含水量少，出泥含固率可达35%，对各种污泥的适应能力也强。缺点是不能连续、自动操作，相对处理效率较低，操作管理麻烦，劳动强度大，滤布损耗也较快。近年来，一些自动操作板框式压滤机的出现13，使上述缺点在一定程度上得到了改善。4.5螺旋压滤机 图7螺旋压滤机脱水原理示意图螺旋压滤机可分为单螺杆和双螺杆两大类。常见的单螺杆螺压机结构如图所示，主要由螺距逐渐减小的螺杆和多孔圆筒组成，压榨时污泥挤压在多孔圆筒内面与旋转螺旋面之间，处多维压榨状态，同时受到挤压和输送剪切作用，螺旋压滤机是一种高度脱液的分离设备，选用不同锥形的螺旋可获得不同的脱水比。螺旋压滤机的优点是可以改变螺旋转速任意调整泥饼含水率与处理量，动力小但压榨力大14，结构简单紧凑，设备磨损率低，维护工作量少，低速旋转，无噪音振动，不锈钢筛网耐腐蚀，寿命长。封闭状态污染小，一定程度上改善劳动环境。间歇冲洗，节约冲洗水量，操作自动化程度高，适用长期连续自动生产。缺点是机型占地面积较大，对流量、浓度等仪表的可靠性有较高要求。絮凝剂投配率较高，且对药剂及调理后的污泥絮体也有要求。螺压机脱水前的污泥必须浓缩，而处理粘度较大的物料时，进料浓度又不能过大，否则滤网会频繁堵塞，只能通过增加冲洗频次来提高处理能力。4.6叠式螺旋压滤机（叠螺）图8 叠式螺旋压滤机结构示意图传统螺压机在处理黏性较大、带有颗粒的物料时，滤网易堵塞导致过滤中断。日本的Toyokazu等15-20，在原有螺旋挤压设备基础上进行改进，采用动静环式滤网结构代替常见的固定式滤网结构，发明了一种新型的叠式螺旋压滤机，叠螺能够很好地避免堵塞问题，因此在渔业、食品业发达的日韩等国已开始得到推广。动静环式滤网结构，就是在螺旋轴上交替叠放动环片和静环片，构成大致水平延伸的中空滤筒，静环由拉杆固定，其距离由垫片保证，动环夹在相邻两静环之间，并与静环具有一定的过滤间隙，污泥在压差作用下从该间隙脱水21。因此，叠螺也被称作动静环式螺旋压滤机。螺旋轴上的螺旋在输送污泥并对其挤压的同时，也带动着动环做有规律的偏心圆周运动，从而产生相对静环上下左右的切割运动。这种切割运动的好处有两个：一是由于动环与物料摩擦产生的挤出作用大于阻碍作用，因而能让滤液快速排出22，提高污泥脱水效果。二是使这种动静环式的间隙性滤网发生相互错动，实现自清洗功能，避免滤缝发生堵塞23。叠螺主要依靠螺杆挤压实现污泥脱水，可直接处理低浓度污泥（1000mg/L），省去了繁杂的预处理过程及设备。具有自清洗功能，并且物料黏度越大，这种自清洗效果越明显。PLC全自动化运作，与投药设备污泥输送设备联动可实现24h无人运转，外部冲洗用水量极少。与以往脱水设备相比，能耗显著降低，且结构简单紧凑，占地面积小，维修管理容易。脱水效果也较好，适用污泥浓度范围广，低转速，不产生振动、噪音，箱体预留臭气处理接口，无环境污染问题。叠螺脱水机的缺点是，颗粒大、硬度大的污泥会使螺旋轴、动环和定环之间产生较大磨损24，随着运行时间的延长，螺旋轴的螺距和动静环的间隙都会变大，螺杆和滤缝产生的挤压力会减弱，降低脱水效果，严重时要更换环片。5 几种典型设备优缺点比较分析污水处理厂在脱水设备选型时，不能只考虑采购成本，要根据不同脱水设备的性能、污泥特性、运行状况、处理能力、耗药量、人员素质、管理维护、资金以及污泥的最终处置方式等多方面考虑，才能有针对性地作出合理选择。笔者在此列出了各种主要设备的优缺点，供对比参考，见表1。表1不同污泥脱水设备性能比较带式压滤机板框压滤机真空压滤机卧螺离心机螺旋压滤机叠螺压滤机处理能力较大单位时间处理量小处理能力偏小单机处理能力小转速慢处理量少转速慢处理量小絮凝剂投量较大小小较大较大极少泥饼含水率7578较低5590低6090较高6085较低7882较高6585较低设备维护更换滤带更换滤布更换滤布较方便维护方便维护方便占地面积大较大大占地较大占地较大占地小耗电量低高很高高低很低冲洗水量极多多多较少较少极少连续运行连续间歇连续连续连续连续操作环境污水污泥臭气噪音大污水污泥臭气开式运行噪音大全封闭无污染噪音很大大部分封闭环境好无震动噪音全封闭无污染无震动噪音操作性能根据进料人工调整操作要求高自动化程度差劳动强度大自动化程度高操作简单自动化程度高操作简单PLC控制可无人操作PLC控制可无人操作采购成本设备价格低国产化程度高设备价格低国产化程度高设备投资大国产化程度高国内可生产小型，大型只能依靠进口设备价格低国产化程度高新型设备目前成本略高于离心机6 总结近年来，伴随着城镇污水处理率的提高，剩余污泥产量的也大幅增加，目前污泥处理量已达我国固废处理的28%，因此，如何处理污泥已成为需要重点关注的产业，也是考核污水处理厂运行成绩的重要指标。作为污水处理厂，则必须充分考虑各种污泥脱水的设备的优缺点，选择合适的污泥处理设备，加强管理，才能使企业立于不败之地。参考文献1 高泽宇,朱向东,尹新.螺旋压榨脱水机在污水处理厂的运行探讨J.给水排水,2013,39(3):90-93.2 李建坡.卧螺离心式脱水机运行分析及脱水效果改善探索D.清华大学,2012.3 Jeph Robinson,William R Knocke.Use of Dilatometric and Drying Techniques For Assessing Sludge Dewaterin CharacteristicsJ.Water Environment Research,1992,64(1):60-68.4 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