小型污水处理厂污泥深度脱水设计探究
摘要：本文主要介绍小型污水处理厂进行污泥深度脱水的技术应用情况，并分析从污泥调理和污泥脱水等环节关键设计点。通过工程实践表明，采用高压隔膜板框工艺可以解决小型污水处理厂污泥深度脱水的难题，降低污泥的含水率，达到填埋污泥含水率不大于60%的要求。
关键词：小型污水处理厂；污泥深度脱水；高压隔膜板框；污泥调理
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0051-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.027
Study on deep dewatering design of sewage sludge in small sewage treatment
Ke Xiancheng
（Guangzhou Zhongda Environmental Management Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510335， China）
Abstract： This paper mainly introduces the technical application of deep sludge dewatering in small-scale sewage treatment plants， and analyzes the key design points such as sludge conditioning and sludge dewatering. Through engineering practice， it has been shown that high-pressure diaphragm-frame technology can solve the problem of deep dewatering of small-scale sewage treatment plants， reduce the moisture content of sludge， and meet the requirement that the moisture content of landfill sludge should not exceed 60%.
Keywords：Small-scale sewage treatment plant； Deep dewatering of sludge； High-pressure diaphragm frame；Sludge conditioning
随着我国经济社会的快速发展，城市化、工业化进程步伐不断加快，城市污水处理厂逐渐普及，污泥产量持续快速增加。据住建部统计，截止至2016年底，我国县级以上污水处理厂的数量3976座，日处理能力达1.7亿m3，城镇污水处理厂兴建以及污水处理能力和处理率都呈现大幅度增长态势。污水处理和污泥处理在解决城镇水污染问题中是同样重要而又联系紧密的两个系统，污泥作为污水处理的“衍生品”，随着污水处理量的增加而急剧增加。2015年我国市政污泥（含水率为80%）产量达3500万t，至2020年，市政污泥将达到6000～9000万t。污泥处理和处置要实现减量化、无害化及资源化，达到节能减排和发展循环经济的处置目标。污泥的最终处置和利用的主要途径有填埋、土地利用和制建材等，目前我国常用的处置方式是填埋和土地利用[1]。近年来，由于城镇化战略的大力实施，国家及各级政府相继出台了政策文件，小型污水处理厂的数量剧增，其污泥处理及处置也逐渐成为污水处理不可忽视的环节。对于小型污水处理厂来说，由于规模较小，技术和管理的限值较多，采用最多的是填埋处置。随着相关规范要求的提高，《生活垃圾填埋场控制标准》（GB16889-2008）和《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》（GB/T23485-2009）均对填埋污泥含水率提出含水率不大于60%的要求。在小型污水处理厂的污泥处理中，采用污泥调理和高压隔膜板框压滤的工艺可将污泥含水率降到60%以下。
1 污泥中水的去除
污水处理厂排出的剩余污泥一般含水率在99%以上，污泥体积大，对于污泥的后续处理造成困难，通过浓缩能够减少污泥的体积，节省污泥处理处置费用。污水处理厂剩余污泥中含有大量的水、微生物细胞及其胞外聚合物，污泥中所含水分大致分为四类：间隙水、表面吸附水、毛细结合水和内部结合水。这四种水除了间隙水可以以物理方式压滤以外，其他三种水表面被强大的负电子包裹着，不能以物理压滤析出。颗粒间的间隙水，约占污泥水分的70%；毛细水结合水约占20%，颗粒的吸附水及颗粒内部水约占10%。污泥浓缩的主要对象是间隙水，通过重力即可脱除该部分水量，大大降低污泥的体积[2]。要进一步降低污泥的含水率，必须考虑脱除表面吸附水和毛细结合水，脱除这部分水必须要有较高的机械作用力和能量。机械脱水是污泥脱水的主要方式，常用的脱水机械模式有带式压滤、真空过滤、板框压滤和离心脱水等。这些传统的机械脱水设备只能将污泥脱水至含水率80%左右，而继续降低污泥含水率至60%以下，可以减少污泥产生量50%以上，显著提高污泥减量化水平，同时降低运输难度，节约运输和处置成本。
要进一步脱除表面吸附水和毛细结合水，就必须脱除污泥颗粒表面的结合水。污泥颗粒带负电荷，与表面裹着的水合层形成一種稳定的胶体悬浮液，由于亲水性胶体粒子形成双电层，它与水的亲和力很强，因此沉降性能和脱水性能很差，导致污泥中固体和水的分离比较难。因此，在机械脱水前必须对污泥采取一定的调理措施来改善污泥的脱水性能。
2 污泥调理
污泥调理的方法主要有化学调理法、淘洗法、热处理法及冷冻法等，对于小型污水处理厂来说，化学调理法是经济适用的。化学调理是通过向污泥中投加调理剂，产生电性中和和吸附架桥的作用，破坏污泥胶体颗粒的稳定，使分散的小颗粒之间相互聚集形成大颗粒，从而改变污泥的脱水性能。
常用的化学调理剂有无机调理剂、高分子调理剂。无机调理剂主要有铝盐（硫酸铝及三氯化铝等）和铁盐（三氯化铁等），三氯化铁由于其高腐蚀性和污染性，都严格限制污泥的后续处置。高分子调理剂主要以有机高分子絮凝剂为主，通过长分子可构成污泥颗粒之间的“架桥”作用，并且形成网状结构，起到网罗作用，促进凝聚过程，提高脱水性能。经过比较分析，采用聚合氯化铝（PAC）和阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）作为调理剂是经济适用的选择。
针对小型污水处理厂的调理剂，经过比较分析，推荐采用聚合氯化铝（PAC）和阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）作为调理剂，先投加聚合氯化铝，铝离子水解形成胶体羟基聚合物或氢氧化物沉淀，通过静电粘附、网捕等作用，改变大颗粒污泥的稳定性，卷扫小颗粒污泥，形成有一定承载力的絮体颗粒。阳离子型聚丙烯酰胺为助凝剂通过形成多网格状的骨架，增强絮体的强度，降低可压缩性，在压滤机的高压挤压下，仍可保持透水性滤层。
3 高压隔膜脱水技术
高压隔膜脱水系统包括高压进料泵、隔膜压榨泵、空压机、冷干机、反吹气罐等配套设施，其基本结构和普通厢式压滤机所不同的是一块软性的隔膜被固定在支撑滤板上。隔膜材料包括聚丙烯、合成橡胶或热缩性合成橡胶（TPE）。隔膜是不渗透的，完成过滤工序后，用以挤压滤室内的滤饼。液体或气体（压缩空气）作为隔膜挤压介质。为了最大程度地保护压滤机，不同挤压介质采用了特殊的安全系统[3]。挤压压力可达30bar，在特殊情况下，可允许更高的压力。相比普通厢式压滤机具有以下优势：采用可变滤室隔膜压榨技术，脱水污泥含水率显著降低；采用可变滤室隔膜压榨技术，提高了过滤效率，过滤周期大幅缩短，处理能力显著增大；压滤系统比普通厢式压滤机系统能耗节省60%左右，节能效果明显。
滤布是板框式压滤机的“心脏”，板框式压滤机的过滤效果主要决定于所选的滤布是否恰当。滤布常用材质有丙纶滤布、涤纶滤布、锦纶滤布和维纶滤布，实际使用中以丙纶滤布和锦纶滤布比较常用[4]。
4 应用案例
4.1 项目简介
以粤东某镇污水处理厂工程为例，简要介绍小型污水处理厂污泥压滤脱水系统的设计。该镇级污水处理厂远期总体规模为1.5万t/d，其中首期为0.5万t/d。污泥处理系统土建构筑物按照总体规模一次建成，设备按照首期规模进行配置，预留远期设备安装位置。污水处理采用改良A2/O工艺，根据设计进出水水质及采用的污水处理工艺，计算远期剩余污泥量1.86tDS/d，污泥处理工艺流程：
4.2 主要构筑物及设计参数
（1）污泥浓缩池：1座，进泥含水率99.2%，污泥负荷48kg/（m2·d），水力停留时间14h，配置?7m悬挂式中心传动浓缩刮泥机1台。
（2）污泥调理罐：1座，有效容积12m3，采用间歇操作，机械搅拌，污泥调理时间15min。调理剂采用PAC和CPAM，其中聚合氯化铝按照4kg/tDS进行投加，采用固体聚合氯化铝粉末溶解配置，配制浓度10%；CPAM按照3kg/tDS进行投加，采用固体片状溶解配置，配制浓度0.1%。
（3）污泥进料系统：近期安装3台污泥螺杆泵，2用1备，流量18m3/h，扬程1.2MPa。进料过程是个变频控制过程，初期低压力大流量（1～2min），避免初始过滤阻力太大，形成滤饼夹心。
（4）污泥压滤系统：污泥脱水间按照配置3台高压隔膜板框压滤机布置，近期安装2台考虑1用1备，远期增加1台。近期安装2台过滤面积为80m2高压隔膜板框压滤机，选配自动拉板功能。进料压力≤1.2MPa，隔膜压榨压力≤1.6MPa，反吹压力≤0.8MPa。每天工作2班，每班工作时间8h。滤板材质为增强聚丙烯，滤布为滤布材质为锦纶。
（5）污泥压榨系统：每台压滤机配置1台多级离心泵，流量4m3/h，扬程1.6MPa。共用1台5m3清水储水罐。
（6）污泥反吹系统：配置1台空气压缩机，压力0.8MPa，并配套冷干机；配置1台4m3储气罐提供压滤机吹扫气源。
（7）污泥储存系统：在每台压滤机下安装电动液压推杆泥斗，每台泥斗容积4m3。由运泥车直接下料装车外运填埋。
4.3 实际运行效果及技术经济指标
该项目污泥脱水系统2016年10月完成安装和调试，2017年3月进行正式进泥脱水，一年多以来运行稳定。常规污泥脱水周期为8～10h，经脱水后污泥含水率一般在56%～60%。
本项目运行以来日均产生污泥量1.78t，运行成本电耗32元/t，调理药剂成本75元/t，运输费用24元/t吨，其他成本11元/t，合计142元/t。
5 结论
（1）采用高压隔膜板框进行污泥深度脱水可解决小型污水处理厂污泥处理问题，处理后污泥含水率降到60%以下，可满足填埋场的要求。
（2）污泥深度脱水前应采用污泥浓缩和污泥调理等预处理手段，污泥调理可结合小型污水处理厂的特点，采用聚合氯化铝和聚丙烯酰胺作为调理剂，按照最佳用量进行投加可保证较好的调理效果。
（3）通过实际应用案例表明，高压隔膜板框进行深度脱水可取得较好的运行效果，发挥过滤速度快、自动化程度高、性能稳定等优点，是小型污水处理厂污泥深度脱水设备的理想选择。
参考文献
[1]牛美青，张伟军等.不同混凝剂对污泥脱水性能的影响研究[J].环境科学学报，2012，32（9）：2126-2128.
[2]孟维举，李军等.基于板框压滤强化脫水工艺的污泥化学调理研究[J].中国给水排水，2015，31（9）：125-128.
[3]陈晓敏，孙斌等.浅谈污泥调理加板框压滤深度脱水技术[J].节能环保，2013，16（8）：30-31.
[4]王硕，陈晓光，陈宇，杨倩倩，李激.城市污水处理厂污泥深度脱水技术研究进展[J].环境科学与技术，2015，38（s2）：186-190.
收稿日期：2018-05-04
作者简介：柯贤成（1978-），男，本科，工程师，研究方向为城市污水处理和污泥处置。
关键词：小型污水处理厂；污泥深度脱水；高压隔膜板框；污泥调理
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0051-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.027
Study on deep dewatering design of sewage sludge in small sewage treatment
Ke Xiancheng
（Guangzhou Zhongda Environmental Management Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510335， China）
Abstract： This paper mainly introduces the technical application of deep sludge dewatering in small-scale sewage treatment plants， and analyzes the key design points such as sludge conditioning and sludge dewatering. Through engineering practice， it has been shown that high-pressure diaphragm-frame technology can solve the problem of deep dewatering of small-scale sewage treatment plants， reduce the moisture content of sludge， and meet the requirement that the moisture content of landfill sludge should not exceed 60%.
Keywords：Small-scale sewage treatment plant； Deep dewatering of sludge； High-pressure diaphragm frame；Sludge conditioning
随着我国经济社会的快速发展，城市化、工业化进程步伐不断加快，城市污水处理厂逐渐普及，污泥产量持续快速增加。据住建部统计，截止至2016年底，我国县级以上污水处理厂的数量3976座，日处理能力达1.7亿m3，城镇污水处理厂兴建以及污水处理能力和处理率都呈现大幅度增长态势。污水处理和污泥处理在解决城镇水污染问题中是同样重要而又联系紧密的两个系统，污泥作为污水处理的“衍生品”，随着污水处理量的增加而急剧增加。2015年我国市政污泥（含水率为80%）产量达3500万t，至2020年，市政污泥将达到6000～9000万t。污泥处理和处置要实现减量化、无害化及资源化，达到节能减排和发展循环经济的处置目标。污泥的最终处置和利用的主要途径有填埋、土地利用和制建材等，目前我国常用的处置方式是填埋和土地利用[1]。近年来，由于城镇化战略的大力实施，国家及各级政府相继出台了政策文件，小型污水处理厂的数量剧增，其污泥处理及处置也逐渐成为污水处理不可忽视的环节。对于小型污水处理厂来说，由于规模较小，技术和管理的限值较多，采用最多的是填埋处置。随着相关规范要求的提高，《生活垃圾填埋场控制标准》（GB16889-2008）和《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》（GB/T23485-2009）均对填埋污泥含水率提出含水率不大于60%的要求。在小型污水处理厂的污泥处理中，采用污泥调理和高压隔膜板框压滤的工艺可将污泥含水率降到60%以下。
1 污泥中水的去除
污水处理厂排出的剩余污泥一般含水率在99%以上，污泥体积大，对于污泥的后续处理造成困难，通过浓缩能够减少污泥的体积，节省污泥处理处置费用。污水处理厂剩余污泥中含有大量的水、微生物细胞及其胞外聚合物，污泥中所含水分大致分为四类：间隙水、表面吸附水、毛细结合水和内部结合水。这四种水除了间隙水可以以物理方式压滤以外，其他三种水表面被强大的负电子包裹着，不能以物理压滤析出。颗粒间的间隙水，约占污泥水分的70%；毛细水结合水约占20%，颗粒的吸附水及颗粒内部水约占10%。污泥浓缩的主要对象是间隙水，通过重力即可脱除该部分水量，大大降低污泥的体积[2]。要进一步降低污泥的含水率，必须考虑脱除表面吸附水和毛细结合水，脱除这部分水必须要有较高的机械作用力和能量。机械脱水是污泥脱水的主要方式，常用的脱水机械模式有带式压滤、真空过滤、板框压滤和离心脱水等。这些传统的机械脱水设备只能将污泥脱水至含水率80%左右，而继续降低污泥含水率至60%以下，可以减少污泥产生量50%以上，显著提高污泥减量化水平，同时降低运输难度，节约运输和处置成本。
要进一步脱除表面吸附水和毛细结合水，就必须脱除污泥颗粒表面的结合水。污泥颗粒带负电荷，与表面裹着的水合层形成一種稳定的胶体悬浮液，由于亲水性胶体粒子形成双电层，它与水的亲和力很强，因此沉降性能和脱水性能很差，导致污泥中固体和水的分离比较难。因此，在机械脱水前必须对污泥采取一定的调理措施来改善污泥的脱水性能。
2 污泥调理
污泥调理的方法主要有化学调理法、淘洗法、热处理法及冷冻法等，对于小型污水处理厂来说，化学调理法是经济适用的。化学调理是通过向污泥中投加调理剂，产生电性中和和吸附架桥的作用，破坏污泥胶体颗粒的稳定，使分散的小颗粒之间相互聚集形成大颗粒，从而改变污泥的脱水性能。
常用的化学调理剂有无机调理剂、高分子调理剂。无机调理剂主要有铝盐（硫酸铝及三氯化铝等）和铁盐（三氯化铁等），三氯化铁由于其高腐蚀性和污染性，都严格限制污泥的后续处置。高分子调理剂主要以有机高分子絮凝剂为主，通过长分子可构成污泥颗粒之间的“架桥”作用，并且形成网状结构，起到网罗作用，促进凝聚过程，提高脱水性能。经过比较分析，采用聚合氯化铝（PAC）和阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）作为调理剂是经济适用的选择。
针对小型污水处理厂的调理剂，经过比较分析，推荐采用聚合氯化铝（PAC）和阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）作为调理剂，先投加聚合氯化铝，铝离子水解形成胶体羟基聚合物或氢氧化物沉淀，通过静电粘附、网捕等作用，改变大颗粒污泥的稳定性，卷扫小颗粒污泥，形成有一定承载力的絮体颗粒。阳离子型聚丙烯酰胺为助凝剂通过形成多网格状的骨架，增强絮体的强度，降低可压缩性，在压滤机的高压挤压下，仍可保持透水性滤层。
3 高压隔膜脱水技术
高压隔膜脱水系统包括高压进料泵、隔膜压榨泵、空压机、冷干机、反吹气罐等配套设施，其基本结构和普通厢式压滤机所不同的是一块软性的隔膜被固定在支撑滤板上。隔膜材料包括聚丙烯、合成橡胶或热缩性合成橡胶（TPE）。隔膜是不渗透的，完成过滤工序后，用以挤压滤室内的滤饼。液体或气体（压缩空气）作为隔膜挤压介质。为了最大程度地保护压滤机，不同挤压介质采用了特殊的安全系统[3]。挤压压力可达30bar，在特殊情况下，可允许更高的压力。相比普通厢式压滤机具有以下优势：采用可变滤室隔膜压榨技术，脱水污泥含水率显著降低；采用可变滤室隔膜压榨技术，提高了过滤效率，过滤周期大幅缩短，处理能力显著增大；压滤系统比普通厢式压滤机系统能耗节省60%左右，节能效果明显。
滤布是板框式压滤机的“心脏”，板框式压滤机的过滤效果主要决定于所选的滤布是否恰当。滤布常用材质有丙纶滤布、涤纶滤布、锦纶滤布和维纶滤布，实际使用中以丙纶滤布和锦纶滤布比较常用[4]。
4 应用案例
4.1 项目简介
以粤东某镇污水处理厂工程为例，简要介绍小型污水处理厂污泥压滤脱水系统的设计。该镇级污水处理厂远期总体规模为1.5万t/d，其中首期为0.5万t/d。污泥处理系统土建构筑物按照总体规模一次建成，设备按照首期规模进行配置，预留远期设备安装位置。污水处理采用改良A2/O工艺，根据设计进出水水质及采用的污水处理工艺，计算远期剩余污泥量1.86tDS/d，污泥处理工艺流程：
4.2 主要构筑物及设计参数
（1）污泥浓缩池：1座，进泥含水率99.2%，污泥负荷48kg/（m2·d），水力停留时间14h，配置?7m悬挂式中心传动浓缩刮泥机1台。
（2）污泥调理罐：1座，有效容积12m3，采用间歇操作，机械搅拌，污泥调理时间15min。调理剂采用PAC和CPAM，其中聚合氯化铝按照4kg/tDS进行投加，采用固体聚合氯化铝粉末溶解配置，配制浓度10%；CPAM按照3kg/tDS进行投加，采用固体片状溶解配置，配制浓度0.1%。
（3）污泥进料系统：近期安装3台污泥螺杆泵，2用1备，流量18m3/h，扬程1.2MPa。进料过程是个变频控制过程，初期低压力大流量（1～2min），避免初始过滤阻力太大，形成滤饼夹心。
（4）污泥压滤系统：污泥脱水间按照配置3台高压隔膜板框压滤机布置，近期安装2台考虑1用1备，远期增加1台。近期安装2台过滤面积为80m2高压隔膜板框压滤机，选配自动拉板功能。进料压力≤1.2MPa，隔膜压榨压力≤1.6MPa，反吹压力≤0.8MPa。每天工作2班，每班工作时间8h。滤板材质为增强聚丙烯，滤布为滤布材质为锦纶。
（5）污泥压榨系统：每台压滤机配置1台多级离心泵，流量4m3/h，扬程1.6MPa。共用1台5m3清水储水罐。
（6）污泥反吹系统：配置1台空气压缩机，压力0.8MPa，并配套冷干机；配置1台4m3储气罐提供压滤机吹扫气源。
（7）污泥储存系统：在每台压滤机下安装电动液压推杆泥斗，每台泥斗容积4m3。由运泥车直接下料装车外运填埋。
4.3 实际运行效果及技术经济指标
该项目污泥脱水系统2016年10月完成安装和调试，2017年3月进行正式进泥脱水，一年多以来运行稳定。常规污泥脱水周期为8～10h，经脱水后污泥含水率一般在56%～60%。
本项目运行以来日均产生污泥量1.78t，运行成本电耗32元/t，调理药剂成本75元/t，运输费用24元/t吨，其他成本11元/t，合计142元/t。
5 结论
（1）采用高压隔膜板框进行污泥深度脱水可解决小型污水处理厂污泥处理问题，处理后污泥含水率降到60%以下，可满足填埋场的要求。
（2）污泥深度脱水前应采用污泥浓缩和污泥调理等预处理手段，污泥调理可结合小型污水处理厂的特点，采用聚合氯化铝和聚丙烯酰胺作为调理剂，按照最佳用量进行投加可保证较好的调理效果。
（3）通过实际应用案例表明，高压隔膜板框进行深度脱水可取得较好的运行效果，发挥过滤速度快、自动化程度高、性能稳定等优点，是小型污水处理厂污泥深度脱水设备的理想选择。
参考文献
[1]牛美青，张伟军等.不同混凝剂对污泥脱水性能的影响研究[J].环境科学学报，2012，32（9）：2126-2128.
[2]孟维举，李军等.基于板框压滤强化脫水工艺的污泥化学调理研究[J].中国给水排水，2015，31（9）：125-128.
[3]陈晓敏，孙斌等.浅谈污泥调理加板框压滤深度脱水技术[J].节能环保，2013，16（8）：30-31.
[4]王硕，陈晓光，陈宇，杨倩倩，李激.城市污水处理厂污泥深度脱水技术研究进展[J].环境科学与技术，2015，38（s2）：186-190.
收稿日期：2018-05-04
作者简介：柯贤成（1978-），男，本科，工程师，研究方向为城市污水处理和污泥处置。
