胡鋒平　　　　　　　 鄧榮森 　　　　　　何洪　　　　　　　　　　　　 黃祁
（重慶大學 華東交通大學）（重慶大學）（南昌朝陽洲污水處理廠）（麥王國際商務（上海）有限公司）

　　摘　要：本文對城市污水處理廠污泥濃縮工藝的應用與研究現狀進行了總結，并展望了城市污水處理廠污泥濃縮工藝的發展趨勢。
　　關鍵詞：城市污水處理廠 重力濃縮 氣浮濃縮 離心濃縮 工藝 進展

1　引論

　　隨著我國經濟建設的飛速發展，對環境保護的要求日趨重視，城市污水處理廠的建設日益增多，相應地污水處理廠所產生的污泥量也日益增多。污泥量的多少與污水的性質（水質濃度，生活污水與工業廢水的比例）、污水處理工藝以及污水處理程度等有關。城市污水處理廠產生污泥量約（以含水率97％計）占污水量的的4‰～6‰^[1]，1×10⁴ m³可產生干污泥1～2噸左右。
　　城市污水處理廠污泥具有含水率高，體積大，易腐敗，有惡臭的特點，污泥處理處置的目的是以減容化，穩定化，無害化，資源化為原則。城市污水處理廠污泥處理處置費用高，故污泥處理處置越來越引起人們的重視。
　　根據污泥中所含水分與污泥結合的情況，污泥中所含的水分可分為自由水和結合水兩大類^[2]，自由水和結合水的分類界限，不同的研究者提出了不同的定義，但廣為接受的是1956年Heukelekian和Weinberg^[3]提出的在某一特定溫度下（一般指-20℃）不凍結的水稱為結合水，通常采用膨脹計進行測定，污泥中只有少部分水分以結合水的形式存在。自由水（free or bulk water）指的是不直接與污泥結合，也不受污泥顆粒影響的那部分水，這部分水可通過濃縮或機械脫水與污泥顆粒分離，污泥中大部分水是以這種形式存在。結合水可分為空隙水、毛細水、水合水。空隙水（interstitial water）存在于絮體或有機體的空隙之間，條件變化時（如有絮體破壞時）可變成自由水；毛細水（vicinal water）指的是結合力大，結合緊的多層水分子，機械脫水時不能脫出這部分水；水合水（water of hydration）存在于細胞內，機械脫水時也不能脫出這部分水，通過熱能才能脫出這部分水分。
　　污泥濃縮的主要目的是減少污泥的體積^[4]，減少后續構筑物或處理單元的壓力；主要對象是去除污泥中的自由水和空隙水。污泥濃縮工藝的選擇主要取決于產生污泥的污水處理工藝、污泥的性質、污泥量和需達到的含水率要求。
　　本文對城市污水處理廠污泥濃縮工藝的研究與應用現狀進行了總結，并根據污水處理工藝的發展要求展望了城市污水處理廠污泥濃縮工藝的發展趨勢。

2　污泥濃縮方法

　　污泥濃縮的方法通常有五種：重力濃縮，氣浮濃縮、離心濃縮、帶式濃縮機濃縮和轉鼓濃縮機濃縮等。
2.1　重力濃縮
　　重力濃縮本質上是一種沉淀工藝，屬于壓縮沉淀^[5]。
　　初沉池污泥的比重平均為1.02～1.03，污泥顆粒本身的比重約為1.3～1.5，初沉污泥易于實現重力濃縮；活性污泥的比重約在1.0～1.005之間，活性污泥絮體本身的比重約為1.0～1.01，當處于膨脹狀態時，其比重甚至小于1，因而活性污泥一般不易實現重力濃縮。
　　重力濃縮池一般采用固體表面負荷進行設計，初沉污泥的固體表面負荷一般采用90～150 kg／m²·d，二沉池污泥含水率為99.2％～99.6％時，二沉污泥固體表面負荷一般采用10～30 kg／m²·d，污泥濃縮時間不小于12小時，濃縮后污泥含水率為97％～98％。在污水處理廠中一般將初沉污泥和二沉污泥混合后采用重力濃縮，這樣可以提高重力濃縮池的濃縮效果，重力濃縮池固體表面負荷根據取決于二種污泥的比例。
　　重力濃縮可以分為間歇式和連續式兩種，間歇式重力濃縮主要用于小型污水處理廠，連續式重力濃縮主要用于大、中型污水處理廠。
2.2氣浮濃縮
　　根據氣泡形成的方式，氣浮可以分為：壓力溶氣氣浮、生物溶氣氣浮、渦凹氣浮、真空氣浮、化學氣浮、電解氣浮等，在污泥處理中壓力溶氣氣浮工藝已廣泛應用于剩余活性污泥濃縮中，生物溶氣氣浮工藝濃縮活性污泥也已有應用，渦凹氣浮工藝在污泥濃縮中的應用正在摸索中，其它幾種氣浮在污泥濃縮中的應用尚未見報道。
2.2.1　壓力溶氣氣浮
　　十九世紀末，溶氣氣浮（DAF）最早應用于采礦工業，二十世紀二十年代，溶氣氣浮（DAF）技術開始應用于水處理領域。溶氣氣浮（DAF）技術在工業廢水處理中得到廣泛應用，也被應用于城市污水處理廠的污水處理及污泥濃縮等領域^[6]。
　　自1957年第一個溶氣氣浮（DAF）裝置在紐約的Bay Park污水處理廠較成功地處理污泥以來，溶氣氣浮（DAF）技術在許多國家城市污水廠得到了廣泛應用，如挪威Gross污水處理廠采用DAF濃縮Biowin生物脫氮除磷工藝產生的剩余污泥，取得了滿意的結果。
　　溶氣氣浮（DAF）具有較好的固液分離效果，不投加調理劑的情況下，污泥的含固率可以達到3％以上，投加調理劑時，污泥的含固率可以達到4％以上^[7]，為了提高濃縮脫水效果，通常在污泥中加入化學絮凝劑，藥劑費用是污泥處理的主要費用。
　　我國80年代開始對溶氣氣浮（DAF）濃縮城市污水處理廠剩余污泥進行了研究，姚毅^[8]等通過對上海東區污水處理廠和彭浦新村污水處理廠的剩余污泥進行濃縮試驗，分析討論了污泥性質、氣固比、固體負荷、氣浮池高度、混凝劑及刮泥等因素對氣浮濃縮效果的影響，認為：沉降、壓縮性能、活性較好的污泥其氣浮濃縮性能也較好，固體負荷是影響浮泥濃度的主要因素。何群彪等^[9]采用溶氣氣浮（DAF）對上海北郊污水處理廠剩余污泥進行了小試和中試研究，得出了污泥溶氣氣浮技術濃縮剩余污泥工藝的主要設計和運行參數。主要參數為：氣固比為As=0.01～0.025，溶氣壓力：0.25～0.35MPa，固體負荷：350～450Kg/m²·d，水力負荷：150～200m³/m²·d，污泥含固率達4％，出水SS<200mg/L。當溶氣氣浮工藝濃縮活性污泥時，其表面負荷通常取50～120Kg/m²·d^[7]。
　　我國成都市三瓦窯污水處理廠也采用了溶氣氣浮（DAF）濃縮來自二沉池的剩余污泥^[10]。設計進泥含水率按99.4%，出泥含水率按96%，溶氣壓力為.0.5 Mpa，氣固比為0.015，負荷為50 Kg/m²·d，水力負荷為1.1 m³/m²·h。
　　壓力溶氣氣浮工藝濃縮剩余活性污泥具有占地面積小，衛生條件好，濃縮效率高，在濃縮過程中充氧，可以避免富磷污泥磷的釋放等優點，但設備多，維護管理復雜，運行費用高。
2.2.2　生物氣浮濃縮
　　1983年瑞典Simoma Cizinska開發了生物氣浮工藝^[11]，利用污泥的自身反硝化能力，加入硝酸鹽，污泥進行反硝化作用產生氣體使污泥上浮而進行濃縮。硝酸鹽濃度、溫度、碳源、初始污泥濃度、泥齡、運行時間對污泥的濃縮效果有較大影響^[12]。浮泥濃度是重力濃縮的1.3～3倍，對膨脹污泥也有較好的濃縮效果，浮泥中所含氣體少，對污泥后續處理在有利。
　　生物氣浮工藝應用于瑞典的Pisek、Milevsko、Bjornlunda污水處理廠進行了生產性實驗^[11]，6.2，10.7，3.5g/L 的MLSS分別濃縮到59.4，59.7，66.7 g/L，每濃縮1g MLSS消耗的NO^3-分別為17.2，16.7，29.7mg。濃縮時間4～24小時。
　　生物氣浮濃縮工藝的日常運轉費用比重力濃縮工藝和壓力溶氣氣浮工藝低，能耗小，設備簡單，操作管理方便，但HRT比壓力溶氣氣浮工藝長，需投加硝酸鹽。
2.2.3　渦凹氣浮濃縮
　　渦凹氣浮系統通過獨特的渦凹曝氣機將“微氣泡”直接注入水中，而不需要事先進行溶氣，然后通過散氣葉輪把微氣泡均勻地分布于水中，污水回流通過渦凹抽真空作用而實現^[13]。
　　渦凹氣浮自1997年3月由美國麥王國際企業公司引進首臺CAF系統在中國昆明第二造紙廠廢水處理廠成功投入運行以來，從而結束了中國廢水處理中一直沿用壓力溶氣氣浮（DAF）的歷史。
　　渦凹氣浮濃縮污泥的應用尚無報道，筆者采用CAF－5型渦凹氣浮設備濃縮低濃度剩余污泥，已取得一些初步的結論，研究表明：渦凹氣浮適合于低濃度剩余污泥的濃縮。
2.3　離心濃縮
　　離心濃縮工藝的動力是離心力，離心力是重力的500～3000倍^[5]。
　　離心濃縮工藝最早始于本世紀20年代初，當時采用的是取原始的筐式離心機，后經過盤嘴式等幾代更換，現在普遍采用的是臥螺式離心機。與離心脫水的區別在于離心濃縮用于濃縮活性污泥時，一般不需加入絮凝劑調質，只有當需要濃縮污泥含固率大于6％時，才加入少量絮凝劑。而離心脫水機要求必須加入絮凝劑進行調質。
　　離心濃縮占地小，不會產生惡臭，對于富磷污泥可以避免磷的二次釋放，提高污泥處理系統總的除磷率，造價低，但運行費用的機械維修費用高，經濟性差，一般很少用于污泥濃縮^[12]，但對于難以濃縮的剩余活性污泥可以考慮使用。
2.4　帶式濃縮機濃縮
　　帶式濃縮機主要用于污泥濃縮脫水一體化設備的濃縮段。重力帶式機械濃縮機(Gravity Belt Thickener， GBT) ^[14]主要由框架、進泥配料裝置、脫水濾布、可調泥耙和泥壩組成。其濃縮過程是這樣的：污泥進入濃縮段時被均勻攤鋪在濾布上，好似一層薄薄的泥層，在重力作用下泥層中污泥的表面水大量分離并通過濾布空隙迅速排走，而污泥固體顆粒則被截留在濾布上。帶式機械濃縮機通常具備很強的可調節性，其進泥量、濾布走速，泥耙夾角和高度均可進行有效地調節以達到預期的濃縮效果。
　　污泥濃縮脫水一體化設備濃縮過程是關鍵控制環節，因此水力負荷顯得更為重要。一般，設備廠家通常會根據具體的泥質情況提供水力負荷或固體負荷的建議值。應當注意的是，不同廠商設備之間的水力負荷可以相差很大，質量一般的設備只有20～30m³／(m帶寬·h)，但好的設備可以做到50～60m³/(m帶寬·h)甚至更高，設備帶寬最大為3.0m。在沒有詳細的泥質分析資料時，設計選型的水力負荷可按40～45m³/(m帶寬·h)考慮^[14]。
　　深圳羅芳污水處理廠，肇慶污水處理廠等采用了帶式機械濃縮機。
2.5　轉鼓機械濃縮
　　轉鼓轉篩機械濃縮機(Rotary Drum Thickener,RDT或Rotary Sieve Thickener,RST)或類似的裝置主要用于濃縮脫水一體化設備的濃縮段，轉鼓機械濃縮是將經化學混凝的污泥進行螺旋推進脫水和擠壓脫水^[14]，是污泥含水率降低的一種簡便高效的機械設備。
　　宜興華都琥珀環保機械制造有限公司采用德國琥珀公司的技術和標準進行生產制造的ROS2系列污泥濃縮機采用濃縮擠壓，對含固率大過0.5％的污泥可濃縮到含固率6～10%以上。ROS2.1， ROS2.2， ROS2.3，ROS2.4污泥濃縮機污泥處理量分別為8～15，18～30，35～50，60～100m³/h。
　　轉鼓機械濃縮/帶式脫水或轉鼓機械濃縮/轉鼓機械脫水一體機的工藝參數主要是單臺設備單位時間的水力接受能力及固體處理能力。ROS2.1，ROS2.2，ROS2.3，ROS2.4污泥濃縮機污泥處理量分別為8～15，18～30，35～50，60～100m³/h。
　　德國ROEDIGER公司生產的轉鼓預濃縮與帶式一體化污泥脫水機已被應用于天津經濟技術開發區污水處理廠，ROS2系列污泥濃縮機已應用于重慶北涪污水處理廠，江西南昌朝陽洲污水處理廠等。

3　污泥濃縮工藝的發展趨勢

3.1　逐步取代重力濃縮工藝
　　隨著污水排放標準不斷提高，歐洲以單一去除COD為目的的污水處理工藝已不多見，代之以除磷脫氮為主要對象的生物營養物去除工藝^[15]，在我國以后的污水處理工藝亦將如此。釋磷條件需要改變。
　　重力濃縮法，維修管理及動力費用低，但占地面積大，衛生條件差，濃縮效果較差，不能有效地去除污泥中的水分，由于污泥在重力濃縮池停留時間長，濃縮池中形成厭氧環境，富磷污泥在濃縮中釋磷現象嚴重，使整個系統的除磷效果變差，使用受到了限制，在污水處理廠中會逐步被取代。
3.2　進一步完善濃縮脫水一體化設備
　　濃縮脫水一體化設備具有工藝流程簡單、工藝適應性強、自動化程度高、運行連續、控制操作簡單和過程可調節性強等一系列優點，正得到越來越多的設計單位和用戶特別是中小污水處理廠用戶的關注。國家經濟貿易委員會、國家稅務總局二OOO年二月二十三日關于公布《當前國家鼓勵發展的環保產業設備（產品）目錄》（第一批）的通知將帶式脫水機與污泥濃縮機一體化裝置和臥螺式離心脫水機與污泥濃縮機一體化裝置列為國家鼓勵發展的環保產業設備（產品），主要用于城市污水及工業廢水處理。
　　在采用污泥濃縮脫水一體化機的工程中，各污水處理廠的污泥進入污泥濃縮脫水一體化設備前，均有污泥貯泥池或污泥均質池（實際上相當于濃縮池），其停留時間甚至比重力濃縮池停留時間還長，如天津經濟開發區污水處理廠采用德國ROEDIGER公司生產的轉鼓預濃縮與帶式一體化污泥脫水機，SBR反應池剩余污泥排入貯泥池，經48小時沉淀后排入污泥脫水機房進行污泥脫水，進入轉鼓預濃縮前的污泥含水率大多數情況在94～96％^[16]。昆明市第三污水處理廠將含固率為0.7％～0.85％的剩余污泥從ICEAS池泵入貯泥池（HRT=7日），在池中間歇曝氣間歇濃縮交替進行以防止磷的析出，并使污泥濃縮到含固率為1.5％，然后進入帶式濃縮機和帶式脫水機^[10]。
　　污泥濃縮脫水一體化設備的目標與實際應用存在一定的差距，如果把長HRT的貯泥池看成是重力濃縮池的話，甚至可以認為污泥濃縮脫水一體化設備比傳統污泥處理工藝在工藝流程上更加復雜，多了濃縮段，污泥濃縮脫水一體化設備的應用需進一步要完善。
3.3　研究開發低濃度污泥濃縮工藝
　　典型城市污水處理廠初沉污泥含水率為95～97%，二沉污泥含水率為99.2～99.6％，有些變革工藝，如重慶大學自行開發研究的一體化氧化溝工藝，不設二沉池，經固液分離器的剩余污泥含水率更高。
　　根據各環保設備廠樣本介紹，污泥濃縮脫水一體化機適用于進泥含水率在99.5％以下，含水率高于99.5％不宜直接進入一體化污泥濃縮脫水機，需要先經過其它濃縮方法濃縮。實際應用上一體化設備的對進泥含固率的要求更高，故需進一步研究開發對低濃度污泥濃縮新技術。

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