在國(guó)內(nèi)，污泥深度脫水方面的研究已有報(bào)道，但關(guān)鍵的化學(xué)調(diào)理技術(shù)研究卻相對(duì)缺乏。本實(shí)驗(yàn)（experiment)的主要目標(biāo)為采用高壓隔膜壓濾過程，同時(shí)選擇適宜的化學(xué)調(diào)理方式，實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水，即將污泥含水率降至60%左右，具體目標(biāo)為：第一，對(duì)不同藥劑組合方式進(jìn)行污泥化學(xué)調(diào)理后壓濾機(jī)的處理能力、污泥含水率和過濾通量等進(jìn)行綜合比較，從而最終選擇出適宜于隔膜壓濾過程的調(diào)理方式；第二，以杭州市七格污水處理廠為例，對(duì)污泥處理處置工藝的成本進(jìn)行核算(hé suàn)，從而了解(Find out)直接在水廠進(jìn)行污泥深度脫水的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
1 材料和方法
1.1 污水處理廠和污泥基本情況
杭州市七格污水處理(chǔ lǐ)廠采用厭氧(Oxygen)/缺氧/好氧工藝，后續(xù)進(jìn)一步化學(xué)強(qiáng)化除磷，并采用重力濃縮和離心機(jī)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10萬t。重力濃縮污泥取自污水處理廠離心脫水前調(diào)節(jié)池，污泥基本情況(Condition)見表 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?jǐn)?shù)，有機(jī)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?jǐn)?shù)。
表 1 污泥的基本性質(zhì) 項(xiàng)目 含固率/% pH 上清液濁度/NTU Zeta 電位/mV 有機(jī)質(zhì)含量/% 數(shù)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(diào)理藥劑介紹
主要藥劑包括有機(jī)和無機(jī)兩大類。無機(jī)藥劑：六水合氯化鐵、固體氯化鋁PA
C、聚合硫酸鐵、石灰和復(fù)合無機(jī)調(diào)理劑。有機(jī)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和陽離子型聚丙烯酰胺。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1萬元/
T、復(fù)合無機(jī)調(diào)理劑為750元/
T、石灰為200~300元/
T、HCA成本為3萬元/t。
1.3 污泥脫水實(shí)驗(yàn)
1.3.1 小試實(shí)驗(yàn)
采用六聯(lián)攪拌儀燒杯混凝實(shí)驗(yàn)，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(yàn)
選用杭州興源過濾科技有限公司小型隔膜壓濾機(jī)及其配套設(shè)備，主要有空壓機(jī)、高壓清洗機(jī)、調(diào)理罐和聚丙烯氣動(dòng)隔膜泵和螺桿泵。壓濾機(jī)的壓濾面積為8 m2，濾室總?cè)萘繛?.15 m3，濾布孔徑(aperture)為5 μm。
每次向污泥調(diào)理罐中裝入1 t濃縮污泥，投加化學(xué)調(diào)理劑，攪拌5 min后開始進(jìn)料。壓濾程序?yàn)椋洪_啟液壓裝置，將濾板壓緊，濾板壓強(qiáng)為2.2~2.7 MPa，保壓。整個(gè)壓濾過程包括注滿、低壓壓濾和高壓壓榨三步，每次進(jìn)料量約為0.7~1 t。通過記錄不同的壓濾時(shí)間下調(diào)理罐的液位變化來計(jì)算污泥的進(jìn)料速率。其中，調(diào)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 過濾脫水實(shí)驗(yàn)
取待測(cè)污泥樣品100 mL于量筒中，在恒定壓強(qiáng)0.6 MPa的條件下過濾，每隔10 s記錄1次濾液體積，直到漏斗中濾餅層出現(xiàn)裂縫為止，停止抽濾，利用差量法測(cè)定濾餅含水率，然后進(jìn)行污泥比阻測(cè)定。膜生物反應(yīng)器膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合之新型態(tài)廢水處理系統(tǒng)。以膜組件取代傳統(tǒng)生物處理技術(shù)末端二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，提高生物處理有機(jī)負(fù)荷，從而減少污水處理設(shè)施占地面積，并通過保持低污泥負(fù)荷減少剩余污泥量。主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機(jī)物。膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)活性污泥（MLSS）濃度可提升至8000~10,000mg/L，甚至更高；污泥齡(SRT)可延長(zhǎng)至30天以上。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(jì)算公式如下：
式中：r――污泥比阻，m/kg；
P――過濾壓強(qiáng)，kg/m2；
A――過濾面積，m2；
μ――濾液的動(dòng)力黏度，kg?s/m2；
w――濾過單位體積的濾液在過濾介質(zhì)上截留的干固體質(zhì)量，kg/m3；
b――反映污泥過濾性能的常數(shù)。中空纖維膜紡絲機(jī)通過膜技術(shù)進(jìn)行水處理，應(yīng)用于制藥、釀造、餐飲、化工、市政污水回傭、醫(yī)院、小區(qū)污水會(huì)用、造紙等生產(chǎn)生活污水處理。膜分離技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于溶液或氣體物質(zhì)分離、濃縮和提純的分離技術(shù)。膜壁微孔密布，原液在一定壓力下通過膜的一側(cè)，溶劑及小分子溶質(zhì)透過膜壁為濾出液，而大分子溶質(zhì)被膜截留，達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的。膜分離過程為動(dòng)態(tài)過濾過程，大分子溶質(zhì)被膜壁阻隔，隨濃縮液流出，膜不易被堵塞，可連續(xù)長(zhǎng)期使用。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 小試實(shí)驗(yàn)
2.1.1 單一混凝劑投加對(duì)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(diào)理污泥后，污泥的SRF均大幅降低，3種無機(jī)混凝劑對(duì)污泥的調(diào)理效果順序?yàn)镕eCl3＞PFS＞PAC。
2.1.2 有機(jī)與無機(jī)藥劑復(fù)合調(diào)整及其投加順序?qū)ξ勰啾茸璧挠绊?br>
以干污泥質(zhì)量計(jì)，在PA
C、PF
S、FeCl3的投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%~30%，PAM投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%條件下，有機(jī)和無機(jī)混凝劑不同投加順序?qū)φ{(diào)理后SRF的影響見圖 2。
對(duì)于3種無機(jī)混凝劑而言，有機(jī)混凝劑PAM的投加順序?qū)φ{(diào)理后污泥的脫水效果有顯著的影響。與單一混凝劑相比，投加有機(jī)與無機(jī)復(fù)合絮凝劑可以進(jìn)一步改善污泥脫水性，同時(shí)可以有效降低無機(jī)絮凝劑的投加量。無機(jī)混凝劑形成的絮體較小，后續(xù)投加高分子絮凝劑后可以促使小的顆粒進(jìn)一步成長(zhǎng)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，所以藥劑的投加順序也會(huì)影響調(diào)理效果，先無機(jī)絮凝劑再高分子有機(jī)絮凝劑的投加順序可以增強(qiáng)藥劑的化學(xué)調(diào)理效果。
2.2 中試實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.2.1 中試化學(xué)調(diào)理方案
根據(jù)小試結(jié)果，中試化學(xué)調(diào)理方案共8套，見表 2。除了常規(guī)藥劑之外，中試還選擇了HCA型和復(fù)合無機(jī)調(diào)整劑，其投加方式和劑量根據(jù)廠家提供的經(jīng)驗(yàn)量，其中PAM配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(diào)理劑的投加質(zhì)量分?jǐn)?shù)均以干污泥計(jì)。
表 2 中試化學(xué)調(diào)理方案 方案 化學(xué)調(diào)理藥劑及其投加量 1# PAM,氯化鐵和石灰 2# PAM,聚合硫酸鐵 3# 復(fù)合無機(jī)調(diào)理劑 4# 聚合氯化鋁 5# PAM,氯化鐵 6# PAM,復(fù)合無機(jī)調(diào)理劑 7# HCA,氯化鐵 8# PAM,氯化鐵和石灰
2.2.2 不同調(diào)理方案(fāng àn)下的泥餅含水率和進(jìn)泥總量
不同調(diào)理方案下，壓濾脫水后污泥的最終含水率及進(jìn)泥總量見表 3。
表 3 不同調(diào)理方案下的污泥處理情況 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(shè)在濾板外周向內(nèi)1/3處。由表 3可以看出，除4#調(diào)理方案獲得的污泥含水率較高外，其他調(diào)理各組污泥含水率均在59%~65%，即單獨(dú)采用PAC不能實(shí)現(xiàn)將污泥含水率降至60%左右的目標(biāo)，而采用其他各種調(diào)理方案，均可以實(shí)現(xiàn)污泥的深度脫水。另外，結(jié)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(diào)理藥劑和組合方式方法，亦可以實(shí)現(xiàn)污泥的高效脫水的目標(biāo)。此外，采用7#調(diào)理方案污泥的進(jìn)料量較多，干泥質(zhì)量達(dá)到40.6 kg，采用2#、4#、8#調(diào)理方案次之，干泥質(zhì)量為37.0~37.7 kg左右。而采用3#調(diào)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(diào)理方案下的壓濾壓強(qiáng)和通量情況(Condition)
隔膜壓濾過程可以分為4個(gè)階段：充滿階段、濾布截留階段、濾餅層過濾階段和壓榨階段。充滿階段和濾布截留階段壓強(qiáng)幾乎為0，濾餅層形成和過濾階段壓強(qiáng)逐漸上升，直至達(dá)到壓力平衡階段。壓濾機(jī)大小的選型主要通過濾室容積來確定，而往往忽略了過濾物料的特殊性。因此，充分認(rèn)識(shí)物料壓濾過程中的通量變化情況可以使得機(jī)器選型更加準(zhǔn)確，因?yàn)閴簽V通量及其變化情況直接體現(xiàn)著壓濾機(jī)對(duì)不同物料的處理能力。
對(duì)過濾時(shí)間/過濾體積（volume)和過濾時(shí)間做圖，其斜率可以表示過濾速率衰減快慢，稱為b值，b值越大，通量的衰減越快，過濾越困難。實(shí)驗(yàn)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(dú)使用PAC時(shí)，過濾通量衰減（attenuation）最快，而采用PAM和復(fù)合調(diào)整劑，污泥過濾速率較快，通量相對(duì)穩(wěn)定，通量衰減速率相對(duì)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(duì)而言，采用6#和7#可以從一定程度上提高壓濾機(jī)的處理能力。
2.3 不同化學(xué)調(diào)理方案的成本
不同方案的調(diào)理成本如表 4所示，成本分別以干污泥量和含水97%的濃縮污泥來計(jì)。
表 4 不同化學(xué)調(diào)理方案的成本 方案 藥劑總成本/ 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(duì)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。膜生物反應(yīng)器在污水處理，水資源再利用領(lǐng)域，MBR又稱膜生物反應(yīng)器（Membrane Bio-Reactor ）,是一種由膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理技術(shù)。下面將從這兩條工藝出發(fā)，對(duì)比核算(hé suàn)兩種脫水方式的綜合成本，主要以杭州七格污水處理廠三期為例說明。
3.1 兩種脫水方式的運(yùn)行成本
七格污水處理(chǔ lǐ)廠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(diào)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(diào)理成本為3.33元；電費(fèi)為30萬元/月，則電費(fèi)成本為5元/t；人員工資以3 000元/月計(jì)，人工費(fèi)用為1.5元/t，則總運(yùn)行成本為9.83元/t。按照中試結(jié)果，隔膜壓濾機(jī)的化學(xué)調(diào)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(fèi)2.1元/t，人員成本2.0元/t，總運(yùn)行成本為9.1元/t。
3.2 污泥減量效果
考慮（consider)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%意味著污泥量將減少50%左右。目前，七格水廠污泥產(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
3.3 綜合成本
七格污水處理廠三期工程日產(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(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用(expense)約為1 500元/d。1 t污泥的處置費(fèi)用為100元計(jì)，總的污泥處置費(fèi)用為3萬元/d。采用深度脫水技術(shù)后，污泥量將降低至150 t/d，相應(yīng)地污泥處置成本將降低至1.5萬元/d。因此，采用深度脫水工藝具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，通過脫水方式的轉(zhuǎn)變，可以為該廠三期節(jié)省污泥脫水和處置成本600萬/a左右。
4 結(jié)論
從化學(xué)調(diào)理方式方法和成本來說，離心脫水藥劑主要采用PAM，1 t污泥的化學(xué)調(diào)理成本為3.33元，而隔膜壓濾機(jī)的化學(xué)調(diào)理藥劑為氯化鐵/聚合硫（化學(xué)符號(hào)：S）酸鐵和PAM，藥劑的總成本為5元。從運(yùn)行成本來說，七格污水處理廠現(xiàn)采用的離心脫水運(yùn)行總成本為6.5元/t，而隔膜壓濾機(jī)的運(yùn)行總成本為4.1元/t。綜合對(duì)比來看，在采用隔膜壓濾機(jī)后，污泥的脫水成本將下降(descend)1 500元/d，而由于減量而節(jié)約的污泥處置成本將降低1.5萬元/d。
從污泥減量效果來看，隔膜壓濾機(jī)脫水后污泥含水率會(huì)降至60%，意味著污泥量將在原來的基礎(chǔ)上削減50%左右，也就是說進(jìn)行深度脫水工藝改造之后，污泥產(chǎn)量將下降至150 t/d。
