上海污泥深度脫水運行優(yōu)化探索
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污泥深度脫水是近幾年發(fā)展起來的應急污泥處理工藝。在污泥 處理處置工程建成前，仍將發(fā)揮一段時間的作用。分析了某污水處理廠深度脫水運行情況，重點開展了藥劑替代試驗，提出可用于生產的替代藥劑組合，實現了降本增效的目標。
上海于1923年建成了國內較早的城鎮(zhèn)污水處理廠，經過多年的發(fā)展，特別是“十一五”、“十二五”的大力建設，目前全市共有53座污水處理廠。2012年以前，上海市城鎮(zhèn)污水處理廠污泥多為簡單脫水至含水率80%后填埋。隨著“關于加強城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知”（環(huán)辦[2010]157號）出臺，以及原 環(huán)保部減排核查要求逐步將污泥處理處置納入核查范圍，由此導致單純依托污水處理廠的機械脫水工藝無法滿足環(huán)保要求。為此，2012年間，上海市興建了一批污泥應急工程，采用板框壓濾機進行深度脫水，以衛(wèi)生填埋為處置出路。全國范圍來看，廈門、杭州、無錫等地也紛紛先后建成投產了深度脫水。深度脫水路線長期以來為上海市污水處理廠的穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要作用，截至目前，深度脫水在全市污泥處理處置中仍占比高達60%。在規(guī)劃污泥 工程仍處于建設或前期階段，現狀污泥深度脫水仍將持續(xù)發(fā)揮作用，應急背景下該工藝路線確實存在諸多問題，有必要研究深度脫水工藝優(yōu)化改造的可行技術。
本文以某廠深度脫水為典型案例，分析了其多年來的運行情況，以及后續(xù)提高產能及優(yōu)化成本的試驗成果。
1 深度脫水概況
該廠位于浦東新區(qū)，緊鄰長江，占地面積254h㎡，服務范圍包括閔行、徐匯、長寧、黃埔、浦東新區(qū)等，服務面積1255k㎡。該廠建成于1999年，當時以預處理后排放為主，隨后2004年建成了一級加強工藝，2008年建成了二級生物處理工藝，2013年新增了一級B工藝。隨著污水處理規(guī)模及處理程度的不斷提升，污泥產生量也在不斷增加。該廠原先污泥處理處置以脫水后填埋為主，應政府部門要求，該廠于2012年12月建成了污泥深度脫水工藝，服務于本廠及外廠污泥的進一步深度脫水后滿足填埋要求，運往填埋場。
該深度脫水工程于2011年12月開工，工程總投資2.61億元，總占地面積2.67k㎡，位于廠區(qū)北側圍墻內，建設規(guī)模為300tDS（含水率80%），經過深度脫水后污泥達到60%含水率，負責接納共計11座污水處理廠產生的污泥。根據設計，深度脫水前的污泥需加入鐵鹽和石灰作為調理劑進行污泥性質調理，其投加量分別為8%、20%，經深度脫水后的污泥應滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》（GB/T 23485-2009）標準的要求，即含水率≤60%，剪切強度≥25kN/㎡等指標。
該廠深度脫水系統(tǒng)主要由4部分組成：
（1）混合調理系統(tǒng)。對濃縮污泥和脫水污泥進行混合稀釋調理，調理后污泥的含水率控制在95%左右。
（2）藥劑系統(tǒng)。設置FeCl3溶液儲罐和熟石灰儲罐、消解罐，通過投加泵將藥劑投加至調理池。
（3）化學調理系統(tǒng)。對稀釋后的污泥先后通過定量投加FeCl3和石灰乳液進行化學調理，改善其脫水性能。
（4）隔膜壓濾系統(tǒng)。利用隔膜壓濾機的2次壓榨（低壓、高壓）作用對化學調理后的污水進行深度脫水，使污泥的含水率降至60%以下。隔膜壓濾機共計26套，其中國產設備20套，進口設備6套，單臺處理能力不小于15tDS/d，每批次時間不大于4h。
2 實際運行情況
2.1 主要運行數據
經統(tǒng)計2013～2017年運行數據，該深度脫水系統(tǒng)實際處理量與設計規(guī)模相近，隨著運行經驗的積累、設施設備改造的投入，實際處理量呈現逐漸提高的趨勢。
由于污泥性質隨著氣溫、污水處理工藝等影響，深度脫水的處理能力也受其影響，以2014年為例，年平均處理污泥量為283tDS/d，FeCl3投加率11.8%，石灰投加率30.3%。分析該廠污泥VSS/SS變化趨勢，1～4月VSS/SS介于60%～70%，污泥較難脫水，此階段污泥處理量普遍低于250tDS/d，石灰投加率達到30%～50%。5～8月，VSS/SS接近50%，污泥處理量高于300tDS/d，石灰投加率基本穩(wěn)定低于30%。9月期間，深度脫水系統(tǒng)卸料、調理分組清淤檢修，處理量異常。10～12月，VSS/SS逐步提高，污泥處理量維持略低于300tDS/d。
2.2 存在問題
盡管日平均處理量已逐年提高，基本達到設計值，但藥劑投加量仍遠高于設計值。實際運行表明，一旦藥劑投加量降低，極易導致進泥壓力過高，進泥量受限，壓濾后泥餅不成形等問題，因此實際運行中藥劑投加量始終居高不下。這帶來一系列問題：污泥調理過程中添加大量的石灰及FeCl3，對設施設備造成嚴重的腐蝕磨損；添加的藥劑全部轉移到深度脫水后的污泥中，減量效率大大下降，侵占了大量的填埋空間；投加石灰的作業(yè)現場環(huán)境石灰粉塵四溢，設備磨損嚴重，對職工職業(yè)健康危害極大；調理后的污泥pH高達11～12，導致大量的氨氣在調理區(qū)、壓濾車間散發(fā)，臭氣問題嚴重影響操作空間作業(yè)人員安全。此外，隨著該廠污水處理量的不斷攀升，污泥產量也在不斷增長，急需污泥深度脫水提高產能應對增長的污泥。
3 優(yōu)化改進試驗及結果分析
鑒于存在上述問題，有必要探索使用替代藥劑，從而大大減少石灰用量，以期提高污泥產量，以應對污泥處理量增長的需求；提高污泥減量效率，減少污泥脫水產生的泥餅體積，降低處置壓力；降低運行成本，一定程度改善作業(yè)環(huán)境。藥劑選擇的原則是原料易得，盡可能避免二次污染，脫水后的泥餅符合當前處置的要求（含水率、橫向剪切力），兼顧處置的多種方向可能性。在借鑒天津、嘉興、杭州等地板框脫水運行成功經驗的基礎上，擬從藥劑選型方面進行優(yōu)化改進。由于該深度脫水系統(tǒng)規(guī)模較大、影響范圍廣，優(yōu)化改進試驗宜穩(wěn)妥開展，試驗過程經歷了小試藥劑選型、中試模擬試驗，單臺生產性驗證，以期探索較佳藥劑選型及組合，較佳運行工況，較優(yōu)運行結果。
3.1 小試
試驗目的：初步篩選有機藥劑，確定藥劑投加比例組合，減少無機藥劑投加量。
試驗方案及過程：針對現場深度脫水進泥，進行壓濾試驗對比，測定藥劑添加前、后污泥的CST。首先確定鐵鹽投加，從1%開始，每1%作為一個提高梯度，不斷提高鐵鹽的投加量，同時記錄投加鐵鹽進行反應以后的污泥CST值的變化。在得出合適的鐵鹽投加量和反應時間之后，再進行石灰投加量梯度試驗結合不同離子度、相對分子質量以及分子結構反相乳液型聚丙烯酰胺的交叉投加試驗，以確定濾水速度較優(yōu)和投加量較少的產品作為候選產品，初步篩選優(yōu)化藥劑組合。
試驗結果：隨著鐵鹽投加量的增加，CST呈現下降后上升的變化趨勢。隨著反應時間增加、石灰投加量增加、絮凝劑的投加量增加，CST的數值都呈現下降隨后升高的現象，選取CST低點作為合適投加點進行正交叉試驗后得到的數據作為優(yōu)選推薦加藥量和反應時間。多輪小試試驗比較結果表明，攪拌反應時間較優(yōu)的區(qū)間為30～90min（持續(xù)攪拌），在鐵鹽投加量為6%的前提下，石灰的投加量需要10%（干基折算氧化鈣含量）左右，絮凝劑的投加量10kg/tDS，此時能實現泥餅含水率低于60%的要求，該初選配方作為中試的基礎。
3.2 中試
試驗日期為2016年7月～2017年10月，試驗通過小型板框試驗系統(tǒng)，模擬該廠現有設備參數、工藝條件，進行不同藥劑配方的篩選、對比、優(yōu)化，尋求較優(yōu)配方。
試驗方案及過程：用潛污泵直接從污泥稀釋池抽取實際生產污泥，按照小試試驗結果，在污泥調理罐內分布投加鐵鹽和石灰進行無機調理，同時在絮凝劑制備罐內按照合理濃度溶解制備絮凝劑溶液；按照實際生產同樣的進泥壓力、保壓時間、壓榨壓力、壓榨時間設定試驗設備參數，分別通過調理罐內加藥、在線加藥（泵前、泵后、經過混合器、不經過混合器）等不同的工藝方式進行壓濾試驗。通過對泥餅的含水率、橫向剪切力等進行測試作為評判試驗是否成功的標準。
試驗結果：經過在現場不同季節(jié)共計200個批次的試驗，鐵鹽的加藥量從4%～10%，石灰投加從5%～20%，絮凝劑投加量由4～16kg/tDS進行交叉試驗，驗證了不同的外廠污泥配比、差異化的溫度條件，并且對大部分配方進行二次試驗論證，通過試驗數據的綜合比較、分析，基于該廠的污泥性質以及運行工況，使用6%FeCl3+10%石灰+EM440HIB的配方，完全能夠達到現有石灰加鐵鹽工藝的深度脫水效果以及處理量的要求，并比較綜合處理成本、配方穩(wěn)定性等因素，確定為生產性試驗推薦配方。
3.3 生產性試驗
3.3.1 試驗方案及過程
試驗日期為2017年1月～2018年3月，選取生產現場的1臺板框機作為生產性試驗用機，新增臨時儲泥罐，將卸料池內污泥提升入儲泥罐，在罐內添加FeCl3、石灰等藥劑，乳液絮凝劑則通過進泥螺桿泵（高壓）前管道接口在線投加，進入該板框機試驗。為了盡量減少對正常深度脫水生產的影響，以及每天對試驗情況有更好的總結，試驗安排在白天進行，晚上切換回廠里現狀運行方式。對于效果理想的試驗配方至少進行3d以上的重復驗證，以排除偶發(fā)現象對試驗的影響。
3.3.2 試驗檢測指標
本次生產性試驗，根據現狀深度脫水后填埋處置的要求，檢測污泥含水率及抗剪強度，具體檢測指標見下表：
檢測指標 | 檢測方法 | 檢測頻率 |
CST | 便攜式CST0測試儀 | 每個批次原泥、調理后污泥 |
含水率 | 快速水分測定儀 | 每個批次固定3塊板框，各取2個平行樣 |
抗剪強度 | 《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999） | 不同工藝或配方重復檢測2次 |
3.3.3 試驗結果分析
（1）主要運行參數分析：試驗主要采用藥劑新配方組合，同時對比現狀藥劑配方組合，經長期試驗數據積累，平均藥劑投加率及其他參數如下表所示：
參數 | 新配方 | 原配方 | 對比 |
PAM投加率/kg/tDS | 10 | - | - |
FeCl3/% | 6 | 11.83 | 降低49% |
石灰投加率/% | 10 | 30 | 降低67% |
批次進泥量（純污泥）/tDS | 3.24 | 2.75 | 升高18.9% |
批次處理時間 | 3：17 | 3：18 | 相近 |
泥餅含水率/% | 54.16 | 57.37 | 降低5.6% |
泥餅抗剪強度/kN/㎡ | 72.2 | 80.8 | 相近 |
與現狀運行模式對比，污泥處理量顯著提高，平均達到18.9%；鐵鹽及石灰用量顯著下降，下降幅度分別達到49%、67%；壓濾后的泥餅含水率更低，含水率及抗剪強度均符合填埋標準。
（2）經濟性分析：根據上述試驗結果，分析試驗藥劑替代經濟性，當藥劑單價、污泥運輸處置單價不變的情況，根據上述運行結果，經綜合比較后，藥劑費、運輸處置費可下降22%，顯著節(jié)約運行成本。
（3）環(huán)境影響分析：采用試驗配方，調理后污泥pH為8.8，而現狀生產中調理后污泥pH高達12。由于pH的大幅降低，有助于減少污泥中氨氣的釋放。
3.3.4 試驗結論
針對該廠深度脫水工藝，生產性試驗結果表明，新的藥劑配方組合在現狀設備上能夠實現生產目標，在顯著提高產能的同時，大幅降低了石灰、FeCl3的投加量，產生的泥餅量也有所降低，藥劑及運輸處置費進一步降低，作業(yè)現場環(huán)境進一步改善，驗證了其生產可行性，為整體改造提供了充分的依據。
4 結語
（1）該廠污泥深度脫水自2012年投產以來，實際處理情況一直處于滿負荷運行，處理能力接近設計值，但為了保證處理效果，投加藥劑量遠超設計值，帶來一系列問題。隨著該廠污水處理量的不斷攀升，對污泥深度脫水產能提高的需求不斷加劇。
（2）經過小試、中試、生產性試驗驗證后，采用乳液絮凝劑部分替代石灰、FeCl3，在出泥含水率及抗剪強度保障的前提下，可實現處理能力的提升及藥劑的節(jié)約，經綜合成本比較分析，藥劑及污泥后續(xù)運輸處置成本可降低22%。
（3）上述試驗成果為該廠污泥深度脫水的改造提供了實踐經驗及依據。此外，生產性試驗期間氣溫較低，污泥不易脫水，實際生產過程中，隨著季節(jié)變化還可進一步探索減少石灰甚至不加石灰的可行性，以期進一步提高產能。
