不同功能的污泥处理设施的污泥液会给生产运行造成较大压力。污水处理厂常出现污泥液输送管道堵塞影响正常运行的问题^[1~3]。上海白龙港污水处理厂 (以下简称白龙港厂) 处理规模为280万m³/d, 厂内污泥处理系统设有重力污泥浓缩、机械浓缩、污泥脱水、污泥消化、污泥干化、污泥深度脱水等多项处理设施, 污泥液产量为1 500~2 100m³/h^[4], 近年来在实际生产运行过程中污泥液输送总管堵塞给运行管理带来诸多不便。本文针对白龙港厂出现的污泥液管道堵塞问题, 在探明污泥浓缩液、污泥脱水液、深度脱水液、干化冷却液等理化性质基础上, 分析管道系统内生成沉积物的性质, 研究污泥液管道沉积物成因, 并据此提出控制沉积物产生的策略。

　　 白龙港厂污泥处理工程设施采用重力浓缩+离心机械浓缩+中温厌氧消化+离心脱水+部分深度脱水和流化床干化的工艺流程;污泥深度脱水处理工程采用混合调理+化学调理 (铁盐和石灰) +隔膜压滤的工艺流程, 处理规模为300tDS/d。污泥处理各单元平面布置如图1所示。机械浓缩上清液、重力浓缩上清液、脱水上清液通过DN600污泥液管道输送至污泥液处理设施, 处理后接入污水处理厂厂区污水管DN600;深度脱水上清液由污水泵经污泥处理区通过DN400污水管提升至污水处理厂厂区污水管DN800;污泥干化冷却水通过DN200污水管接入污水处理厂厂区污水管DN600。

　　 由于污泥处理系统工艺的复杂性, 产生的上清液种类较多, 包括污泥重力浓缩液、机械浓缩液、污泥脱水上清液、污泥干化冷却水、污泥深度脱水上清液, 多种上清液混合后输送至污水处理区域进行处理, 在混合输送的过程中部分区域易出现堵塞 (如图1中A处所示) , 影响污水处理厂正常运行。

　　 不同污泥处理单元污泥液产生量如表1所示。

　　 不同污泥处理单元产生的污泥液包括重力污泥浓缩液、机械浓缩液、污泥脱水上清液、污泥干化冷却水、污泥深度脱水上清液。不同污泥液理化性质分析指标包括pH、COD、NH₄⁺-N、TN、TP、PO₄^3--P、总硬度 (以CaCO₃计) 、氢氧化物碱度、碳酸盐碱度、重碳酸盐碱度、Ca²⁺、Mg²⁺等, 测试方法参照《水和废水监测分析方法》 (第四版) ^[5]。

　　 取一定量输送不同特性污泥液的污水干管倒虹管处的混合沉积物, 经干燥预处理后, 开展理化性质分析。分析方法主要包括:

　　 (1) X射线衍射 (XRD) 。预处理后的样品, 在X射线衍射仪 (Bruker D8Advance) 40kV, 40mA, 步长0.02°下扫描。

　　 (2) SEM和EDS测试。预处理后的样品, 镀金400s改善固体导电性, 利用场发射热场扫描电镜 (JSM-4800F) 扫描固体表面形貌和测定各元素组成。

　　 (3) X射线荧光 (XRF) 。预处理后的样品, 利用能量色散X射线荧光光谱仪 (EDX-720) 进行全元素 (9F-92U) 检测。

　　 以实际运行过程中污泥液流量为基础 (如表1所示) , 模拟不同类型污泥液的混合后产生沉积物的情况。

　　 (1) 重力浓缩液、机械浓缩液和脱水上清液混合。将一定体积重力浓缩液、机械浓缩液和脱水上清液, 按照10∶5∶1.5比例混合, 以磁力搅拌机按照100rpm/min的转速搅拌, 反应60min。

　　 (2) 干化冷却水和深度脱水上清液混合。将一定体积干化冷却水和深度脱水上清液, 按照1∶1.5比例混合, 以磁力搅拌机按照100rpm/min的转速搅拌, 反应60min。干化冷却水温度控制在60℃。

　　 (3) 剩余污泥重力浓缩液、剩余污泥机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水和深度脱水上清液混合。将一定体积剩余污泥重力浓缩液、剩余污泥机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水和深度脱水上清液按照10∶5∶1.5∶1.5∶2比例混合。以磁力搅拌机按照100rpm/min的转速搅拌, 反应60min。干化冷却水温度控制在60℃, 其余污泥液温度为常温。

　　 (4) 剩余污泥重力浓缩液、剩余污泥机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水混合。将一定体积剩余污泥重力浓缩液、剩余污泥机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水按10∶5∶1.5∶1.5混合, 以磁力搅拌机按照100rpm/min的转速搅拌, 反应60 min。干化冷却水温度控制在60℃, 其余污泥液温度为常温。

　　 混合反应后的样品离心, 取上清液, 测定搅拌后最终样品溶液的Ca²⁺、Mg²⁺、PO₄^3-、NH₄⁺离子浓度。取反应后样品用0.45μm膜过滤, 置于40℃恒温干燥箱内烘干, 取滤纸上样品用于SEM、XRD测试分析。

　　 对不同污泥处理单元污泥液的理化性质分析见表2。由于污泥深度工艺需添加铁盐和石灰作为调理剂, 深度脱水上清液的pH平均为11.67, 其余污泥液样品pH为7~8。污泥液溶解性COD浓度由大到小依次为深度脱水上清液>脱水上清液>干化冷却水>机械浓缩上清液>重力浓缩上清液。由于污泥机械浓缩加入2mg/L CPAM, 其污泥水有机物浓度略高于重力浓缩污泥水。5种不同污泥处理单元污泥液中Ca²⁺浓度较高, 其中深度脱水污泥水由于调理剂CaO的加入, 呈强碱性并且含有大量的Ca²⁺, 其他污泥液中Ca²⁺浓度平均值在50~100mg/L。机械浓缩液和脱水上清液含有高浓度磷酸盐。同时, 不同污泥处理单元污泥液中Mg²⁺浓度相对较低, 其中由于深度脱水污泥液呈强碱性, Mg²⁺浓度最低, 其他污泥液的Mg²⁺浓度平均值在10~20 mg/L。此外, 除深度脱水上清液碱度以氢氧化物碱度和碳酸盐碱度为主外, 其余污泥液碱度均为重碳酸盐碱度。

　　 运行过程中污泥处理区输送混合污泥液的污水干管倒虹管处出现沉积物堵塞, 管道沉积物经机械破碎后, 绝大部分呈砂粒松散状分布, 少部分呈块状形态。对管道沉积物质预处理后经SEM和XRD分析, 得到结果如图2、表3所示, 可以看到, 沉积物成不规则的块状晶体结构紧密排列, 沉积物元素组成中以Ca、O、C为主, 同时含少量P、Si等元素。XRD定量分析如图3所示, 得到沉积物方解石含量98.1%、SiO₂含量1.9%, 主要成分为CaCO₃, 含部分石英砂杂质。总的来说, 污泥液混合后的沉积物以CaCO₃为主, 含少量石英砂杂质和磷酸盐。

　　 (1) 重力浓缩液、机械浓缩液和脱水上清液混合。运行过程中重力浓缩液 (ZN) 、机械浓缩液 (JN) 、脱水上清液 (TS) 的流量分别约为1 000m³/h、500m³/h、150m³/h, 按照ZN∶JN∶TS=10∶5∶1.5比例, 3种污泥液混合过程中溶液透明度较高, 无明显沉淀物产生。混合后的溶液性质变化如表4所示。可以看到, 混合后溶液离子浓度无显著变化, Mg²⁺、Ca²⁺离子浓度均无显著下降, 3种污泥液混合生成沉淀物质的趋势不显著, 在稳定运行控制一定流速下, 3种污泥液可直接混合而不影响运行。

　　 (2) 干化冷却水和深度脱水上清液混合。运行过程中干化冷却水 (GH) 、深度脱水上清液 (ST) 的流量分别约为140m³/h、200m³/h, 按照GH∶ST=1∶1.5比例, 两种污泥液混合后产生明显的絮状白色物质, 生成物质的质量分别约为0.63g (1 000mL) 。两种污泥液混合前后溶液性质变化如表5所示。混合后溶液pH降至11.5左右, Mg²⁺、PO₄^3-浓度下降不显著, 而Ca²⁺离子浓度明显下降, 推断主要生成CaCO₃。混合后溶液的NH₄⁺-N离子浓度出现一定程度下降, 主要原因是搅拌和温度升高致使溶液中离子态NH₄⁺转为分子态NH₃溢出^[6]。

　　 对生成沉淀物质进行SEM、XRF分析。SEM结果如图4所示, 干化冷却水与深度脱水上清液混合后生成沉淀物质形态以规则层状纹理晶体结构为主, 结构致密。XRF定量分析得到结果如表6所示, 沉淀物质成分均以CaO为主, 同时含少量MgO、P₂O₅, 其物质种类以CaCO₃为主, 与沉淀物物质结构和溶液离子浓度变化规律一致^[7]。

　　 (3) 重力浓缩液、机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水和深度脱水上清液混合。重力浓缩液、机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水、深度脱水上清液按照ZN∶JN∶TS∶GH∶ST=10∶5∶1.5∶1.5∶2比例混合, 5种污泥液混合后产生白色沉淀物质, 质量约为0.30g (1 000mL) 。混合后的溶液性质变化如表7所示。可以看到, 混合后溶液pH在9.1左右, Ca²⁺、PO₄^3-离子浓度下降明显, 推测生成CaCO₃、磷酸钙等物质。

　　 对生成沉淀物质进行SEM、XRF分析。SEM结果如图5所示, 5种不同单元污泥液混合后生成沉淀物质形态以不规则形状为主, 具体细部以致密排列的条块状结构为主体, 且附着松散网络状颗粒。XRF定量分析得到结果如表8所示, 沉淀物质成分均以CaO为主, 同时含较多P₂O₅, 其物质种类应以CaCO₃为主、同时含部分Ca₃ (PO₄) ₂等, 与沉淀物物质结构和溶液离子浓度变化规律一致^[8], 也与实际过程中管道沉积物性质相符。5种污泥液混合后, 溶液中除大量Ca²⁺和CO₃^2-外, 也存在一定量的PO₄^3-, 磷酸盐的存在与碳酸盐形成竞争关系, 在形成CaCO₃沉淀的同时部分形成易沉淀的Ca₃ (PO₄) ₂^[9,10]。

　　 (4) 重力浓缩液、机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水混合。剩余污泥重力浓缩液、剩余污泥机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水混合过程中溶液透明, 无明显沉淀物产生。混合前后的溶液性质变化如表9所示。

　　 可以看到, 重力浓缩液、机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水混合后溶液离子浓度变化不显著, 进而说明4种污泥液混合生成沉淀物质的趋势不显著, 在控制一定流速下, 4种污泥液可直接混合而不影响运行。

　　 (1) 深度脱水上清液呈强碱性并且含有大量的Ca²⁺, 以氢氧化物碱度和碳酸盐碱度为主;重力浓缩液、机械浓缩液、脱水上清液和干化冷却水中Ca²⁺浓度平均值在50~100 mg/L, 碱度均为重碳酸盐碱度;机械浓缩液和脱水上清液含有较高浓度的磷酸盐。污泥处理区输送混合污泥液的污水干管倒虹管处出现的沉积物主要成分为CaCO₃, 含少量石英砂杂质和磷酸盐;为防止污水干管倒虹管处结垢, 可设置排水管道—拦蓄自冲洗系统水力清洗装置。

　　 (2) 重力浓缩液、机械浓缩液和脱水上清液混合生成沉淀物质的趋势不显著, 在稳定运行控制一定流速下, 3种污泥液可直接混合而不影响运行;干化冷却水与深度脱水上清液混合后产生明显沉淀物, 沉淀物质主要为CaCO₃;重力浓缩液、机械浓缩液、脱水上清液、干化冷却水与深度脱水上清液5种溶液混合后产生明显沉淀物, 沉淀物质以CaCO₃为主、同时含部分Ca₃ (PO₄) ₂等, 与实际过程中管道沉积物性质相符。

　　 (3) 在实际运行过程中, 考虑到溶液的理化性质, 可控制离子浓度小于沉淀物质的溶度积常数。在化学调理中可以考虑减少CaO的使用量或寻求新的替代品以及稀释、降低脱水液的pH等因素, 以减少管道中沉积物结垢。

　　 (4) 建议针对不同特性污泥液进行分类处理:在后续的厂区工程改造过程中, 考虑不同特性污泥液的分类处理, 对于深度脱水上清液, 建议经预处理后接入污泥液干管;对于脱水上清液, 建议考虑采用先进工艺进行鸟粪石结晶资源化回收;对于剩余污泥浓缩液等浓度低水量大的污泥液直接回流。