3種污泥機(jī)械脫水方式的工程應(yīng)用
行業(yè)動(dòng)態(tài)
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和當(dāng)代綠水青山環(huán)保理念的不斷增強(qiáng)，環(huán)保疏浚清淤得到蓬勃發(fā)展，如云南滇池治理工程、天津漢沽污水庫(kù)治理工程、株洲清水塘大湖清淤等，由此產(chǎn)生了大量的疏浚泥漿。這些泥漿具有含水率高、污染物含量多、體積龐大、不利于二次運(yùn)輸和處置等特點(diǎn)，故需要對(duì)其 行脫水固化處理。
污泥脫水固化處理中的泥水分離技術(shù)涉及環(huán)保疏浚工程、地鐵盾構(gòu)及市政工程等多個(gè)工程領(lǐng)域，其中對(duì)河湖污染底泥一般通過(guò)開(kāi)挖、抽吸、疏浚等方式，將污染底泥輸送上岸，再通過(guò)自然脫水法、傳統(tǒng)機(jī)械脫水法、真空預(yù)壓法、化學(xué)固化法、土工管袋法等進(jìn)行泥水分離，形成含水率相對(duì)較低的干化泥，便于進(jìn)一步處置。已有一些學(xué)者通過(guò)污泥沉降試驗(yàn)驗(yàn)證了有效的預(yù)處理措施能夠加快底泥的沉降速度，降低脫水污泥的含水率，大幅度提高了后續(xù)底泥脫水固化的效率。
對(duì)那些含水率高、壓縮性高、剪切強(qiáng)度低、滲透率低的底泥，直接脫水十分困難，因此，在脫水固化前需要對(duì)底泥進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)向底泥中添加化學(xué)調(diào)理劑或者增加能量等方式，破壞底泥原有的結(jié)構(gòu)，使底泥中的結(jié)合水釋放出來(lái)，改善脫水性能，目前底泥脫水的預(yù)處理技術(shù)主要有物理方法、化學(xué)方法、生物方法及組合方法等。實(shí)際工程中，通常將預(yù)處理后的泥漿利用機(jī)械設(shè)備壓濾成方便運(yùn)輸?shù)哪囡?，常用的壓濾機(jī)械設(shè)備主要有板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)和離心脫水機(jī)。
污泥脫水固化涉及多個(gè)流程，通常需要基于相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)調(diào)理后的污泥脫水性能及效果，用于指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。雖然目前關(guān)于泥漿脫水效果評(píng)價(jià)方法的研究較多，但系統(tǒng)性的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法體系較少。因此，擬通過(guò)梳理、分析參與的污泥脫水固化工程項(xiàng)目，總結(jié)污泥脫水效果的評(píng)價(jià)方法和機(jī)械脫水現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的成功案例，為今后相關(guān)污泥固化脫水工程提供一種有效的脫水效率評(píng)價(jià)方法和機(jī)械脫水設(shè)備選型思路。
1 污泥預(yù)處理試驗(yàn)方法
原狀泥漿的脫水性能差異較大，所以在實(shí)際脫水固化應(yīng)用之前需要進(jìn)行相關(guān)的室內(nèi)預(yù)處理試驗(yàn)，定量評(píng)價(jià)使用絮凝劑調(diào)理后污泥的脫水性能及脫水效果，隨后才可用于指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。常用的預(yù)處理試驗(yàn)方法順序依次為SV沉降試驗(yàn)，污泥比阻試驗(yàn)和模擬壓濾試驗(yàn)。
1.1 SV30沉降試驗(yàn)
利用SV30沉降試驗(yàn)方法，分析泥漿的沉降性能。SV30沉降試驗(yàn)是指將泥漿液體在量筒靜止，沉降30min后計(jì)算污泥所占的體積百分比。SV30值越小，污泥沉降性能就越好；SV30值越大，沉降性能越差。
1.2 污泥比阻試驗(yàn)
污泥比阻是一種常規(guī)污泥性質(zhì)檢測(cè)的方法，是指在恒定壓力過(guò)濾時(shí)單位質(zhì)量的污泥在單位過(guò)濾面積上所受到的阻抗。根據(jù)污泥比阻值可定量判斷其脫水性能，污泥比阻越小，脫水性能越好，反之脫水性能越差。一般條件下，比阻在1011～1012m/kg的污泥較難過(guò)濾；而在5×1010～9×1010m/kg的污泥為中等過(guò)濾，小于4×1010m/kg的污泥為易過(guò)濾。
1.3 模擬壓濾試驗(yàn)
小型壓濾試驗(yàn)是調(diào)理劑配方投入生產(chǎn)前的中試試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際工程中機(jī)械壓濾生產(chǎn)泥餅這一物理過(guò)程的壓榨模擬。
2 污泥機(jī)械脫水現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
根據(jù)施工工藝、壓濾產(chǎn)生泥餅的含水率及設(shè)備成本等條件不同，常用的機(jī)械脫水方式主要包括板框壓濾脫水、帶式壓濾機(jī)脫水及離心式脫水。
2.1 河湖底泥板框處置工藝
板框壓濾機(jī)通過(guò)模板膨脹或進(jìn)漿壓力擠壓濾板間泥漿，使得泥漿透過(guò)濾布進(jìn)行快速脫水，形成泥餅。一般板框式壓濾脫水機(jī)主要由支撐架、液壓缸、濾板、給氣系統(tǒng)、濾布沖洗系統(tǒng)和限位裝置組成。板框脫水機(jī)具有處理效果好、濾餅含水率低、污泥處理量比較大的優(yōu)點(diǎn)，是其他脫水設(shè)備所不能比的，廣泛被污水處理廠采用。一些學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)表明，板框壓濾產(chǎn)生的泥餅含水率在40%～60%。
以疏浚研究中心華中地區(qū)某湖環(huán)保疏浚工程為例，污泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～20%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%～15%，有機(jī)質(zhì)和重金屬含量較多，屬于污染較嚴(yán)重的河湖底泥。針對(duì)該地區(qū)的試驗(yàn)淤泥，采用激光粒度儀進(jìn)行了粒徑檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占20%，砂礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占80%，由于該地區(qū)泥餅接受對(duì)壓濾產(chǎn)生泥餅的含水率要求較為嚴(yán)格，出運(yùn)的泥餅含水率需要控制在40%左右。因此，該地區(qū)選擇了產(chǎn)生泥餅含水率較低的板框壓濾的機(jī)械脫水固化方式。
（1）絞吸船在湖中進(jìn)行清淤疏浚工作，通過(guò)管道將泥漿泵送至底泥接受區(qū)域（儲(chǔ)泥池），等待后續(xù)處理。
（2）利用專用篩分設(shè)備將底泥中粒徑大于10cm的大石塊、磚塊等大垃圾篩除，粗大物篩分裝置將泥漿中的石子、塑料垃圾（粒徑為5～10cm）等篩除，處理后的泥漿進(jìn)入洗砂分砂單元；此外，還設(shè)置有細(xì)格柵過(guò)濾裝置，能夠?qū)⒛酀{中的絮狀垃圾濾出。
（3）洗砂分砂單元通過(guò)雙螺桿洗砂分砂設(shè)備及斗輪洗砂機(jī)洗出泥漿中的中粗砂及粉細(xì)砂；隨后，泥漿水在固液分離池中通過(guò)重力作用下進(jìn)行泥水分離，形成的上清液通過(guò)潷水器進(jìn)入組合水池，高濃度的泥漿則利用輸送設(shè)備輸送到調(diào)質(zhì)池。
（4）按照1小節(jié)中的方法，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定本地泥漿較佳的調(diào)理藥劑添加量，當(dāng)固液分離池中的高濃度泥漿進(jìn)入調(diào)質(zhì)池，向調(diào)質(zhì)池中添加適當(dāng)比例的固化劑，從而到達(dá)降低污泥比阻、提高滲透系數(shù)、構(gòu)建排水通道的效果。
（5）將調(diào)理后的泥漿泵送至板框壓濾機(jī)進(jìn)行泥水分離，壓濾產(chǎn)生泥餅可直接外運(yùn)，產(chǎn)生的余水經(jīng)管網(wǎng)送至污水處理罐，通過(guò)微生物分解余水中的有機(jī)物雜質(zhì)，達(dá)標(biāo)后可直接排放。
經(jīng)過(guò)以上脫水工藝處理后，能夠有效實(shí)現(xiàn)污泥的減量化處置。根據(jù)疏浚泥漿在脫水固化過(guò)程中的體積變化，可評(píng)估板框壓濾產(chǎn)物脫水減容的百分比。其中，得到的泥餅相對(duì)于原泥漿體積能夠減小至45%～50%，產(chǎn)出的砂礫相對(duì)于原泥漿的體積能夠減小至25%～30%，產(chǎn)出的垃圾相對(duì)于原泥漿的體積能夠減小至2%～5%，剩下的部分為余水的占比。產(chǎn)生的泥餅含水率基本在40%，達(dá)到出運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)出的余水經(jīng)過(guò)污水罐處理后，SS指標(biāo)均可達(dá)直接排放的標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 河湖底泥帶式壓濾處置工藝
帶式壓濾機(jī)具有效率高、能耗低、脫水效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，且在壓濾過(guò)程中絮凝劑的投加量可以隨時(shí)根據(jù)壓濾泥餅的含水率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證生產(chǎn)出的泥餅含水率滿足外運(yùn)處理要求。經(jīng)過(guò)絮凝處理的污泥被攤鋪到上濾帶上進(jìn)行重力脫水，隨后被夾在上下2層濾帶中間進(jìn)行壓榨脫水，形成濾餅排出。相關(guān)研究表明，帶式壓濾機(jī)處理形成泥餅的含水率在80%左右。
為了解華南地區(qū)某內(nèi)湖湖底污泥的泥性特點(diǎn)，對(duì)湖底的底泥進(jìn)行取樣分析。根據(jù)取得的污泥樣品發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)目中的泥漿含有大量腐殖質(zhì)和有機(jī)污染物，顏色呈灰黑色，由湖中泵送過(guò)來(lái)的泥漿取樣結(jié)果和湖底的原狀泥經(jīng)過(guò)篩分后的粒徑組成情況可知，湖底污泥中的砂粒和貝殼含量較高。該地區(qū)泥餅接受對(duì)壓濾產(chǎn)生泥餅的含水率要求較為寬松，出運(yùn)的泥餅含水率控制在70%左右即可滿足出運(yùn)條件，因此，該地區(qū)選擇了產(chǎn)生泥餅含水率適中且較為經(jīng)濟(jì)的帶式壓濾的機(jī)械脫水固化方式。
該內(nèi)湖清淤項(xiàng)目使用氣動(dòng)泵船對(duì)水下淤泥進(jìn)行圍繞微擾動(dòng)清淤，通過(guò)長(zhǎng)排距輸送上岸后經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩除雜、斗輪洗砂機(jī)和旋流器洗沙等預(yù)處理技術(shù)，并通過(guò)大型錐形的濃密塔進(jìn)行加藥濃縮，通入帶式壓濾機(jī)進(jìn)行固化脫水，產(chǎn)生具有一定含水率的泥餅。
帶式壓濾機(jī)在該內(nèi)湖工程中的工藝流程主要內(nèi)容如下。
（1）氣動(dòng)泵船在湖中進(jìn)行清淤疏浚工作，通過(guò)管道泵送至底泥處理廠，等待后續(xù)處理。
（2）利用垃圾篩分設(shè)備將底泥中粒徑較大的大石塊、貝殼等垃圾篩除，處理后的泥漿進(jìn)入洗砂分砂單元。
（3）洗砂分砂單元通過(guò)斗輪洗砂機(jī)和旋流器洗出泥漿中的中粗砂及粉細(xì)砂；隨后，泥漿水在固液分離池中通過(guò)重力作用進(jìn)行泥水沉淀分離，沉淀池中高濃度的泥漿則利用泵送設(shè)備輸送到濃縮塔。
（4）同理，按照1小節(jié)中的方法，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定該湖中泥漿較佳的調(diào)理藥劑添加量。當(dāng)固液分離池中的高濃度泥漿進(jìn)入濃縮塔時(shí)，向濃縮塔中添加適當(dāng)比例的固化劑，從而到達(dá)降低污泥比阻、提高滲透系數(shù)、構(gòu)建排水通道的效果。
（5）將調(diào)理后的泥漿泵送至帶式壓濾機(jī)進(jìn)行泥水分離，產(chǎn)出的泥餅經(jīng)檢測(cè)合格后進(jìn)行外運(yùn)處置，產(chǎn)生的余水經(jīng)管網(wǎng)送至前面的處理步驟，達(dá)到循環(huán)利用、節(jié)能減排的綠色生產(chǎn)目標(biāo)。
其中，該工程項(xiàng)目選用聚合氯化鋁（PAC）+聚丙烯酰胺（PAM）兩種藥劑復(fù)配對(duì)泥漿進(jìn)行預(yù)處理和濃縮，為探究較佳藥劑配比，通過(guò)SV30沉降試驗(yàn)及污泥比阻試驗(yàn)得到，PAM、PAC添加量分別在1‰～2‰、2‰～3‰，為適宜添加量，此時(shí)污泥比阻為0.5×1011～0.7×1011m/kg，屬于中等脫水難度泥漿。該工程中預(yù)處理后的泥漿經(jīng)過(guò)該帶式壓濾機(jī)脫水后泥餅的含水率在60%左右，且出水澄清，SS質(zhì)量濃度低于10mg/L，滿足出運(yùn)與外排標(biāo)準(zhǔn)。
2.3 華南地區(qū)某地鐵站盾構(gòu)渣土離心脫水現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
臥式螺旋離心脫水機(jī)（簡(jiǎn)稱“臥螺離心機(jī)”）是利用離心沉降原理分離懸浮液。離心脫水具有連續(xù)工作、功耗大、對(duì)進(jìn)料泥漿特性要求高、泥餅含水率偏高的特點(diǎn)。臥螺離心機(jī)應(yīng)用于污泥脫水中需要多因素的匹配，如絮凝劑的型號(hào)、配藥濃度、離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和速差、進(jìn)泥含水率、進(jìn)泥流量等多種參數(shù)優(yōu)化組合才能達(dá)到理想的效果。趙林輝等研究表明，離心機(jī)得到泥餅含水率為70%～80%。
華南地區(qū)某地鐵盾構(gòu)主要穿越地層為全強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖，局部穿越中風(fēng)化混合花崗巖和砂質(zhì)黏土，地層含砂量在50%左右。針對(duì)該區(qū)間盾構(gòu)渣土含砂量大的特點(diǎn)，通過(guò)模擬壓榨配合離心機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探究較佳加藥比例。試驗(yàn)通過(guò)車載式離心脫水設(shè)備主要對(duì)比了不同泥漿濃度、藥劑組合選型（DRC3660、DRC4950、PAC、陰/陽(yáng)離子PAM）、進(jìn)料量、離心機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)條件下盾構(gòu)泥漿的脫水效果和出水水質(zhì)，從而得到較佳離心機(jī)工況。已有研究表明，有機(jī)聚合物PAM可以有效加速底泥的脫水固化效率。加入PAM后，離心機(jī)的出泥量速率明顯提升，泥餅呈現(xiàn)黏土球狀，掉落速度快，黏度降低不易黏手。
離心試驗(yàn)結(jié)果：進(jìn)料量為1m3/h，原泥漿在不添加藥劑的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和速差，含水率保持在34.5%附近，含水率低至31.9%。隨著泥漿濃度上升，離心機(jī)的進(jìn)料量減少，含水率變化不大。原泥漿單獨(dú)添加陰/陽(yáng)離子PAM后，含水率上升1%～2%，均值在37%左右。在使用組合藥劑（DRC3660+PAM）和PAC+PAM后，泥餅含水率降至36%。有機(jī)藥劑的加入使得泥質(zhì)發(fā)生變化，出渣黏度降低，呈現(xiàn)黏土球形態(tài)，便于運(yùn)輸。若需要繼續(xù)降低泥餅含水率，只能通過(guò)調(diào)整離心機(jī)內(nèi)部攔液板，降低1%～2%的泥餅含水率，但是此方法較為繁瑣，不適用于大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用結(jié)果可知，離心機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)如下表所示：
序號(hào) | 優(yōu)勢(shì) | 劣勢(shì) |
1 | 占地面積?。簷C(jī)器占地面積遠(yuǎn)小于板框壓濾機(jī) | 離心機(jī)轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)時(shí)間工作易磨損發(fā)生故障 |
2 | 自動(dòng)化程度高：可實(shí)現(xiàn)24h連續(xù)進(jìn)料出泥 | 若未安裝自動(dòng)化監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，離心機(jī)的脫水率受諸多參數(shù)影響，調(diào)節(jié)麻煩 |
3 | 處理能力大：可處理80m3/h（水下方） | 對(duì)于盾構(gòu)泥漿，脫水效果不如板框機(jī)，且泥餅黏度高不宜運(yùn)輸 |
4 | 人工成本低：每班組操作運(yùn)營(yíng)人員僅需3～4人 | 在不加藥的情況下，出水水質(zhì)偏黃，不如板框壓濾機(jī)出水質(zhì)量 |
5 | 操作簡(jiǎn)單：安裝快速簡(jiǎn)單、施工周期短，在保證含固率的情況下，脫水過(guò)程全自動(dòng)無(wú)需人為控制 | 受用范圍窄，適用于低濃度污水、泥漿、污泥、油泥的脫水 |
離心式脫水機(jī)處理污泥的質(zhì)量較高，外運(yùn)污泥含水率較低、處理濕污泥量多、產(chǎn)生外運(yùn)污泥量多、處理能力強(qiáng)，且離心機(jī)的藥劑消耗也較少，其可操控性較高，能通過(guò)較多的途徑來(lái)控制外運(yùn)泥餅的含水率，然而離心機(jī)也有一些不足與缺點(diǎn)，如其產(chǎn)生的噪音較大，容易對(duì)周圍的居住環(huán)境產(chǎn)生影響，不適宜在人口密集分布的城鎮(zhèn)中使用。
3 結(jié)論
通過(guò)梳理有關(guān)污泥脫水的常用工藝及脫水效率評(píng)估方法，結(jié)合已有工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用案例，進(jìn)一步形成了針對(duì)河湖淤泥及高雜質(zhì)含量污染底泥的大規(guī)模處置的河湖疏浚底泥脫水干化配套工藝。該工藝同樣適用于其他地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量高、含水量高、黏粒含量低及砂礫含量較高污染底泥的處置，同時(shí)也通過(guò)其他幾類機(jī)械脫水試驗(yàn)，總結(jié)了其脫水效果的優(yōu)劣勢(shì)，為今后相關(guān)污泥固化脫水工程提供了脫水效率評(píng)定方法和工藝選取思路。主要結(jié)論如下。
（1）建立了完整的脫水效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)體系，分析了待處理污泥的脫水效果。通過(guò)SV30沉降試驗(yàn)初步確定藥劑的選型與用量，隨后經(jīng)過(guò)污泥比阻試驗(yàn)，確定藥劑用量對(duì)污泥脫水性能的影響，利用模擬壓榨試驗(yàn)以及小型隔膜式板框壓濾機(jī)中試試驗(yàn)預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)條件下污泥的脫水固化效果。
（2）相較于其他機(jī)械脫水方法，板框壓濾機(jī)脫水深度較高，其形成的泥餅含水率在40%左右，且工廠化運(yùn)營(yíng)成熟，目前得到了廣泛應(yīng)用；而離心機(jī)和帶式壓濾機(jī)的產(chǎn)量雖較高，但其產(chǎn)生的泥餅含水率較大，在60%～70%，可根據(jù)工程所在地對(duì)泥餅外運(yùn)的要求條件選擇使用。
（3）對(duì)于地方環(huán)保政策要求嚴(yán)格的地區(qū)，建議采用板框壓濾機(jī)脫水方式，壓濾產(chǎn)品基本可以滿足要求；對(duì)于地方環(huán)保政策要求寬松的地區(qū)，可以采用離心機(jī)和帶式壓濾機(jī)等方式，成本較少、生產(chǎn)能力較大且壓濾產(chǎn)品可以滿足相關(guān)要求。
（4）污泥種類不同，藥劑的選型與用量也不同，針對(duì)不同地區(qū)、不同種類的污泥，建議按照文中提及的室內(nèi)試驗(yàn)方法確定其藥劑的選型與用量，進(jìn)而用于指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。
