城市污水处理厂污泥浓缩工艺的应用与研究进展

胡锋平　　　　　　　 邓荣森 　　　　　　何洪　　　　　　　　　　　　 黄祁
（重庆大学 华东交通大学）（重庆大学）（南昌朝阳洲污水处理厂）（麦王国际商务（上海）有限公司）

　　摘　要：本文对城市污水处理厂污泥浓缩工艺的应用与研究现状进行了总结，并展望了城市污水处理厂污泥浓缩工艺的发展趋势。
　　关键词：城市污水处理厂 重力浓缩 气浮浓缩 离心浓缩 工艺 进展

1　引论

　　随着我国经济建设的飞速发展，对环境保护的要求日趋重视，城市污水处理厂的建设日益增多，相应地污水处理厂所产生的污泥量也日益增多。污泥量的多少与污水的性质（水质浓度，生活污水与工业废水的比例）、污水处理工艺以及污水处理程度等有关。城市污水处理厂产生污泥量约（以含水率97％计）占污水量的的4‰～6‰^[1]，1×10⁴ m³可产生干污泥1～2吨左右。
　　城市污水处理厂污泥具有含水率高，体积大，易腐败，有恶臭的特点，污泥处理处置的目的是以减容化，稳定化，无害化，资源化为原则。城市污水处理厂污泥处理处置费用高，故污泥处理处置越来越引起人们的重视。
　　根据污泥中所含水分与污泥结合的情况，污泥中所含的水分可分为自由水和结合水两大类^[2]，自由水和结合水的分类界限，不同的研究者提出了不同的定义，但广为接受的是1956年Heukelekian和Weinberg^[3]提出的在某一特定温度下（一般指-20℃）不冻结的水称为结合水，通常采用膨胀计进行测定，污泥中只有少部分水分以结合水的形式存在。自由水（free or bulk water）指的是不直接与污泥结合，也不受污泥颗粒影响的那部分水，这部分水可通过浓缩或机械脱水与污泥颗粒分离，污泥中大部分水是以这种形式存在。结合水可分为空隙水、毛细水、水合水。空隙水（interstitial water）存在于絮体或有机体的空隙之间，条件变化时（如有絮体破坏时）可变成自由水；毛细水（vicinal water）指的是结合力大，结合紧的多层水分子，机械脱水时不能脱出这部分水；水合水（water of hydration）存在于细胞内，机械脱水时也不能脱出这部分水，通过热能才能脱出这部分水分。
　　污泥浓缩的主要目的是减少污泥的体积^[4]，减少后续构筑物或处理单元的压力；主要对象是去除污泥中的自由水和空隙水。污泥浓缩工艺的选择主要取决于产生污泥的污水处理工艺、污泥的性质、污泥量和需达到的含水率要求。
　　本文对城市污水处理厂污泥浓缩工艺的研究与应用现状进行了总结，并根据污水处理工艺的发展要求展望了城市污水处理厂污泥浓缩工艺的发展趋势。

2　污泥浓缩方法

　　污泥浓缩的方法通常有五种：重力浓缩，气浮浓缩、离心浓缩、带式浓缩机浓缩和转鼓浓缩机浓缩等。
2.1　重力浓缩
　　重力浓缩本质上是一种沉淀工艺，属于压缩沉淀^[5]。
　　初沉池污泥的比重平均为1.02～1.03，污泥颗粒本身的比重约为1.3～1.5，初沉污泥易于实现重力浓缩；活性污泥的比重约在1.0～1.005之间，活性污泥絮体本身的比重约为1.0～1.01，当处于膨胀状态时，其比重甚至小于1，因而活性污泥一般不易实现重力浓缩。
　　重力浓缩池一般采用固体表面负荷进行设计，初沉污泥的固体表面负荷一般采用90～150 kg／m²·d，二沉池污泥含水率为99.2％～99.6％时，二沉污泥固体表面负荷一般采用10～30 kg／m²·d，污泥浓缩时间不小于12小时，浓缩后污泥含水率为97％～98％。在污水处理厂中一般将初沉污泥和二沉污泥混合后采用重力浓缩，这样可以提高重力浓缩池的浓缩效果，重力浓缩池固体表面负荷根据取决于二种污泥的比例。
　　重力浓缩可以分为间歇式和连续式两种，间歇式重力浓缩主要用于小型污水处理厂，连续式重力浓缩主要用于大、中型污水处理厂。
2.2气浮浓缩
　　根据气泡形成的方式，气浮可以分为：压力溶气气浮、生物溶气气浮、涡凹气浮、真空气浮、化学气浮、电解气浮等，在污泥处理中压力溶气气浮工艺已广泛应用于剩余活性污泥浓缩中，生物溶气气浮工艺浓缩活性污泥也已有应用，涡凹气浮工艺在污泥浓缩中的应用正在摸索中，其它几种气浮在污泥浓缩中的应用尚未见报道。
2.2.1　压力溶气气浮
　　十九世纪末，溶气气浮（DAF）最早应用于采矿工业，二十世纪二十年代，溶气气浮（DAF）技术开始应用于水处理领域。溶气气浮（DAF）技术在工业废水处理中得到广泛应用，也被应用于城市污水处理厂的污水处理及污泥浓缩等领域^[6]。
　　自1957年第一个溶气气浮（DAF）装置在纽约的Bay Park污水处理厂较成功地处理污泥以来，溶气气浮（DAF）技术在许多国家城市污水厂得到了广泛应用，如挪威Gross污水处理厂采用DAF浓缩Biowin生物脱氮除磷工艺产生的剩余污泥，取得了满意的结果。
　　溶气气浮（DAF）具有较好的固液分离效果，不投加调理剂的情况下，污泥的含固率可以达到3％以上，投加调理剂时，污泥的含固率可以达到4％以上^[7]，为了提高浓缩脱水效果，通常在污泥中加入化学絮凝剂，药剂费用是污泥处理的主要费用。
　　我国80年代开始对溶气气浮（DAF）浓缩城市污水处理厂剩余污泥进行了研究，姚毅^[8]等通过对上海东区污水处理厂和彭浦新村污水处理厂的剩余污泥进行浓缩试验，分析讨论了污泥性质、气固比、固体负荷、气浮池高度、混凝剂及刮泥等因素对气浮浓缩效果的影响，认为：沉降、压缩性能、活性较好的污泥其气浮浓缩性能也较好，固体负荷是影响浮泥浓度的主要因素。何群彪等^[9]采用溶气气浮（DAF）对上海北郊污水处理厂剩余污泥进行了小试和中试研究，得出了污泥溶气气浮技术浓缩剩余污泥工艺的主要设计和运行参数。主要参数为：气固比为As=0.01～0.025，溶气压力：0.25～0.35MPa，固体负荷：350～450Kg/m²·d，水力负荷：150～200m³/m²·d，污泥含固率达4％，出水SS<200mg/L。当溶气气浮工艺浓缩活性污泥时，其表面负荷通常取50～120Kg/m²·d^[7]。
　　我国成都市三瓦窑污水处理厂也采用了溶气气浮（DAF）浓缩来自二沉池的剩余污泥^[10]。设计进泥含水率按99.4%，出泥含水率按96%，溶气压力为.0.5 Mpa，气固比为0.015，负荷为50 Kg/m²·d，水力负荷为1.1 m³/m²·h。
　　压力溶气气浮工艺浓缩剩余活性污泥具有占地面积小，卫生条件好，浓缩效率高，在浓缩过程中充氧，可以避免富磷污泥磷的释放等优点，但设备多，维护管理复杂，运行费用高。
2.2.2　生物气浮浓缩
　　1983年瑞典Simoma Cizinska开发了生物气浮工艺^[11]，利用污泥的自身反硝化能力，加入硝酸盐，污泥进行反硝化作用产生气体使污泥上浮而进行浓缩。硝酸盐浓度、温度、碳源、初始污泥浓度、泥龄、运行时间对污泥的浓缩效果有较大影响^[12]。浮泥浓度是重力浓缩的1.3～3倍，对膨胀污泥也有较好的浓缩效果，浮泥中所含气体少，对污泥后续处理在有利。
　　生物气浮工艺应用于瑞典的Pisek、Milevsko、Bjornlunda污水处理厂进行了生产性实验^[11]，6.2，10.7，3.5g/L 的MLSS分别浓缩到59.4，59.7，66.7 g/L，每浓缩1g MLSS消耗的NO^3-分别为17.2，16.7，29.7mg。浓缩时间4～24小时。
　　生物气浮浓缩工艺的日常运转费用比重力浓缩工艺和压力溶气气浮工艺低，能耗小，设备简单，操作管理方便，但HRT比压力溶气气浮工艺长，需投加硝酸盐。
2.2.3　涡凹气浮浓缩
　　涡凹气浮系统通过独特的涡凹曝气机将“微气泡”直接注入水中，而不需要事先进行溶气，然后通过散气叶轮把微气泡均匀地分布于水中，污水回流通过涡凹抽真空作用而实现^[13]。
　　涡凹气浮自1997年3月由美国麦王国际企业公司引进首台CAF系统在中国昆明第二造纸厂废水处理厂成功投入运行以来，从而结束了中国废水处理中一直沿用压力溶气气浮（DAF）的历史。
　　涡凹气浮浓缩污泥的应用尚无报道，笔者采用CAF－5型涡凹气浮设备浓缩低浓度剩余污泥，已取得一些初步的结论，研究表明：涡凹气浮适合于低浓度剩余污泥的浓缩。
2.3　离心浓缩
　　离心浓缩工艺的动力是离心力，离心力是重力的500～3000倍^[5]。
　　离心浓缩工艺最早始于本世纪20年代初，当时采用的是取原始的筐式离心机，后经过盘嘴式等几代更换，现在普遍采用的是卧螺式离心机。与离心脱水的区别在于离心浓缩用于浓缩活性污泥时，一般不需加入絮凝剂调质，只有当需要浓缩污泥含固率大于6％时，才加入少量絮凝剂。而离心脱水机要求必须加入絮凝剂进行调质。
　　离心浓缩占地小，不会产生恶臭，对于富磷污泥可以避免磷的二次释放，提高污泥处理系统总的除磷率，造价低，但运行费用的机械维修费用高，经济性差，一般很少用于污泥浓缩^[12]，但对于难以浓缩的剩余活性污泥可以考虑使用。
2.4　带式浓缩机浓缩
　　带式浓缩机主要用于污泥浓缩脱水一体化设备的浓缩段。重力带式机械浓缩机(Gravity Belt Thickener， GBT) ^[14]主要由框架、进泥配料装置、脱水滤布、可调泥耙和泥坝组成。其浓缩过程是这样的：污泥进入浓缩段时被均匀摊铺在滤布上，好似一层薄薄的泥层，在重力作用下泥层中污泥的表面水大量分离并通过滤布空隙迅速排走，而污泥固体颗粒则被截留在滤布上。带式机械浓缩机通常具备很强的可调节性，其进泥量、滤布走速，泥耙夹角和高度均可进行有效地调节以达到预期的浓缩效果。
　　污泥浓缩脱水一体化设备浓缩过程是关键控制环节，因此水力负荷显得更为重要。一般，设备厂家通常会根据具体的泥质情况提供水力负荷或固体负荷的建议值。应当注意的是，不同厂商设备之间的水力负荷可以相差很大，质量一般的设备只有20～30m³／(m带宽·h)，但好的设备可以做到50～60m³/(m带宽·h)甚至更高，设备带宽最大为3.0m。在没有详细的泥质分析资料时，设计选型的水力负荷可按40～45m³/(m带宽·h)考虑^[14]。
　　深圳罗芳污水处理厂，肇庆污水处理厂等采用了带式机械浓缩机。
2.5　转鼓机械浓缩
　　转鼓转筛机械浓缩机(Rotary Drum Thickener,RDT或Rotary Sieve Thickener,RST)或类似的装置主要用于浓缩脱水一体化设备的浓缩段，转鼓机械浓缩是将经化学混凝的污泥进行螺旋推进脱水和挤压脱水^[14]，是污泥含水率降低的一种简便高效的机械设备。
　　宜兴华都琥珀环保机械制造有限公司采用德国琥珀公司的技术和标准进行生产制造的ROS2系列污泥浓缩机采用浓缩挤压，对含固率大过0.5％的污泥可浓缩到含固率6～10%以上。ROS2.1， ROS2.2， ROS2.3，ROS2.4污泥浓缩机污泥处理量分别为8～15，18～30，35～50，60～100m³/h。
　　转鼓机械浓缩/带式脱水或转鼓机械浓缩/转鼓机械脱水一体机的工艺参数主要是单台设备单位时间的水力接受能力及固体处理能力。ROS2.1，ROS2.2，ROS2.3，ROS2.4污泥浓缩机污泥处理量分别为8～15，18～30，35～50，60～100m³/h。
　　德国ROEDIGER公司生产的转鼓预浓缩与带式一体化污泥脱水机已被应用于天津经济技术开发区污水处理厂，ROS2系列污泥浓缩机已应用于重庆北涪污水处理厂，江西南昌朝阳洲污水处理厂等。

3　污泥浓缩工艺的发展趋势

3.1　逐步取代重力浓缩工艺
　　随着污水排放标准不断提高，欧洲以单一去除COD为目的的污水处理工艺已不多见，代之以除磷脱氮为主要对象的生物营养物去除工艺^[15]，在我国以后的污水处理工艺亦将如此。释磷条件需要改变。
　　重力浓缩法，维修管理及动力费用低，但占地面积大，卫生条件差，浓缩效果较差，不能有效地去除污泥中的水分，由于污泥在重力浓缩池停留时间长，浓缩池中形成厌氧环境，富磷污泥在浓缩中释磷现象严重，使整个系统的除磷效果变差，使用受到了限制，在污水处理厂中会逐步被取代。
3.2　进一步完善浓缩脱水一体化设备
　　浓缩脱水一体化设备具有工艺流程简单、工艺适应性强、自动化程度高、运行连续、控制操作简单和过程可调节性强等一系列优点，正得到越来越多的设计单位和用户特别是中小污水处理厂用户的关注。国家经济贸易委员会、国家税务总局二OOO年二月二十三日关于公布《当前国家鼓励发展的环保产业设备（产品）目录》（第一批）的通知将带式脱水机与污泥浓缩机一体化装置和卧螺式离心脱水机与污泥浓缩机一体化装置列为国家鼓励发展的环保产业设备（产品），主要用于城市污水及工业废水处理。
　　在采用污泥浓缩脱水一体化机的工程中，各污水处理厂的污泥进入污泥浓缩脱水一体化设备前，均有污泥贮泥池或污泥均质池（实际上相当于浓缩池），其停留时间甚至比重力浓缩池停留时间还长，如天津经济开发区污水处理厂采用德国ROEDIGER公司生产的转鼓预浓缩与带式一体化污泥脱水机，SBR反应池剩余污泥排入贮泥池，经48小时沉淀后排入污泥脱水机房进行污泥脱水，进入转鼓预浓缩前的污泥含水率大多数情况在94～96％^[16]。昆明市第三污水处理厂将含固率为0.7％～0.85％的剩余污泥从ICEAS池泵入贮泥池（HRT=7日），在池中间歇曝气间歇浓缩交替进行以防止磷的析出，并使污泥浓缩到含固率为1.5％，然后进入带式浓缩机和带式脱水机^[10]。
　　污泥浓缩脱水一体化设备的目标与实际应用存在一定的差距，如果把长HRT的贮泥池看成是重力浓缩池的话，甚至可以认为污泥浓缩脱水一体化设备比传统污泥处理工艺在工艺流程上更加复杂，多了浓缩段，污泥浓缩脱水一体化设备的应用需进一步要完善。
3.3　研究开发低浓度污泥浓缩工艺
　　典型城市污水处理厂初沉污泥含水率为95～97%，二沉污泥含水率为99.2～99.6％，有些变革工艺，如重庆大学自行开发研究的一体化氧化沟工艺，不设二沉池，经固液分离器的剩余污泥含水率更高。
　　根据各环保设备厂样本介绍，污泥浓缩脱水一体化机适用于进泥含水率在99.5％以下，含水率高于99.5％不宜直接进入一体化污泥浓缩脱水机，需要先经过其它浓缩方法浓缩。实际应用上一体化设备的对进泥含固率的要求更高，故需进一步研究开发对低浓度污泥浓缩新技术。

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