城镇污水处理厂污泥处置过程中, 污泥脱水是关键步骤。污泥含水率降低, 不仅可大幅减小污泥体积, 有利于污泥后续单元处理, 同时可提高污泥的热值, 减少填埋场渗滤液产量, 对污泥的最终处置也有重要意义^[1,2]。

　　 我国污水处理厂现有污泥处理工艺一般只可将污泥含水率降至80%左右, 未能达到垃圾填埋场的处置要求 (见表1) , 且由于填埋场容量有限, 环境保护问题日益严峻, 污泥的最终处置方式将由混合填埋向土地利用和干化焚烧转变^[3]。因此, 如何将污泥含水率由80%降至60%及以下, 提高污泥的处理率, 解决污泥的最终出路, 已成为我国城镇污水处理厂污泥处理的关键。

　　 污泥深度脱水处理是指采用一定机械设备将污泥含水率降至60%以下的过程^[4]。由图1可以看出, 污水处理厂污泥深度脱水工艺一般包括储泥、污泥浓缩、污泥调理以及污泥深度脱水4部分。

　　 污水处理过程中伴随产生大量的污泥, 主要包括初沉污泥 (含水率95%~97%) 和剩余污泥 (含水率99.2%~99.6%) , 二者分别输送至储泥池进行完全混合后处理。此外, 储泥池还兼有短期储存污泥, 消除污泥产量波动影响的功能。

　　 污泥浓缩主要是通过去除污泥中的游离态水分, 大幅减少污泥体积, 从而提高后续单元污泥的处理效率。污泥浓缩方法主要有重力浓缩、气浮浓缩和机械浓缩, 其中重力浓缩与机械浓缩应用较广。重力浓缩是指污泥中悬浮固体颗粒在自身重力作用下进一步沉淀与固化的过程, 该工艺具有储泥能力强、操作要求不高、运行费用低等优点而得到广泛使用, 但浓缩池中污泥易发酵、产生臭气, 导致污泥浓缩效果变差, 同时厌氧条件下可造成污泥中磷的再释放, 增加了污水除磷的负荷与能耗, 因此在工程设计中逐渐被机械浓缩的方式代替。机械浓缩方法主要有带式浓缩、转鼓浓缩与离心浓缩, 该方法通过机械力作用均可有效降低污泥含水率, 污泥经浓缩处理后含水率一般为97%~98%。

　　 污泥深度脱水工艺中, 污泥调理为关键一步, 其效果将直接影响污泥脱水后含水率高低。目前, 工程设计中主要采用FeCl₃与CaO的化学调理方式改善污泥的脱水性能, 以实现脱水污泥的含水率≤60%。姚萌等^[5]研究表明, FeCl₃、CaO加入剩余污泥, 破坏了污泥的细胞结构与污泥胶体颗粒的稳定, 使得污泥比阻明显降低, 提高了污泥的脱水性能。此外, FeCl₃与CaO的投加量对出泥含水率有重要影响, 若要实现污泥深度脱水, 加药量需根据污泥泥质特点经现场试验得出。姚杰^[6]研究表明, FeCl₃、CaO的投加量分别为干泥量的8%、20%时, 可使脱水污泥的含水率稳定达到60%以下。

　　 污泥脱水一般采用机械脱水的方式。目前, 污水处理厂常用的污泥脱水机械主要有带式压滤脱水机、离心脱水机和板框压滤脱水机, 3种污泥脱水机械的性能比较详见表2。

　　 根据《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006, 2016年版) , 污泥进入脱水机前的含水率一般不应大于98%, 由表2可知, 污泥经机械脱水后, 泥饼含水率可为70%~80%, 不能满足污泥深度脱水含水率≤60%的要求, 因此, 在实际工程中, 需强化污泥调理过程, 统筹考虑污泥脱水机械与污泥调理方式, 以形成高效集成的污泥深度脱水工艺。

　　 目前, 工程设计中应用的污泥深度脱水技术主要有:铁盐石灰加板框压滤脱水技术与固化剂加板框压滤脱水技术^[7,8], 其中铁盐石灰加板框压滤脱水技术由于工艺技术成熟、脱水效果较好、药剂相对便宜、易于获取、可靠性较强等优点得到广泛应用^[9,10]。

　　 某污水处理厂二期改扩建工程总处理规模为4万m³/d, 其中一期工程设计处理规模为2万m³/d, 2007年建成投运, 主体采用CAST工艺;二期工程采用分点进水倒置A²/O工艺, 同时增加反硝化深床滤池作为深度处理, 出水经紫外消毒后排放。污水处理厂出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 中的一级A标准。

　　 污水处理厂污泥处理一期工程采用储泥池—污泥浓缩脱水一体机工艺进行污泥脱水, 脱水后污泥含水率降至80%外运至垃圾填埋场。为应对我国污泥产量不断增加的严峻形势, 有效解决污泥最终出路, 本次改扩建工程优先考虑污泥深度脱水工艺, 待污泥含水率降至60%以下后外运, 同时考虑一期工程已建污泥设施备用, 在污泥深度脱水系统出现故障时可将污泥含水率降至80%。

　　 本工程污水处理厂生产运行过程中主要产生剩余污泥和少量的化学污泥, 二者经储泥池混合均匀, 之后输送至离心浓缩机进行浓缩紧接着进入污泥调理池, 在调理池中与药剂充分混合、调质, 再进入隔膜式板框压滤机进行深度脱水, 最终使污泥含水率降至60%以下后外运处置。污水处理厂二期改扩建工程污泥深度脱水工艺流程如图2所示。

　　 本工程污泥产量主要来源于已建CAST反应池与新建二沉池, 其中剩余污泥量为4 480kgDS/d, 含水率99.3%;化学污泥量为248kgDS/d, 含水率97%;污水处理厂干污泥总量为4 728kgDS/d, 折合污泥流量约648m³/d, 平均含水率为99.3%。

　　 (1) 储泥池。已建储泥池1座2格, 单池有效容积175m³。为防止污泥厌氧发酵与沉淀, 每池设潜水搅拌器1台, 功率N=1.5kW。本次改扩建对原储泥池保留利用。

　　 (2) 污泥浓缩脱水机房。一期已建污泥浓缩脱水机房1座, 内设污泥浓缩脱水一体机2台, 1用1备, 处理能力为20~30m³/d, 电机功率29.5kW, 脱水泥饼含水率为75%~80%。根据污泥深度脱水技术方案, 本次拟在污泥脱水机房预留机位新增离心浓缩机1台, 流量Q=60m³/d, 正常工况下, 储泥池中的污泥先进入该离心浓缩机, 污泥经浓缩至含水率为95%时再输送到污泥调理池进行深度脱水处理。此外, 原2台污泥浓缩脱水一体机备用。

　　 (3) 污泥深度脱水车间。本次改扩建工程拟在原有污泥浓缩脱水机房东侧新建污泥深度脱水车间1座, 平面尺寸为33.2 m×14.8 m, 污泥深度脱水车间主要由隔膜式板框压滤机、污泥调理池、加药系统以及污泥堆棚等组成。

　　 加药系统。新建铁盐和石灰乳加药系统, 其中铁盐加药系统主要包括FeCl₃储罐1套 (V=7m³) , 隔膜计量泵2台 (Q=0.6~1m³/h, H=30m, N=0.5kW, 1用1备) , 铁盐进料泵1台 (Q=10m³/h, H=20m, N=1.1kW) ;石灰乳加药系统主要包括石灰料仓1套 (V=20m³) , 石灰乳制备池1座2池 (单池尺寸2.2m×2.2m×2.5m) , 石灰乳搅拌机2台 (N=1.5kW) , 计量螺旋输送机、双向螺旋输送机各1套 (每套规格Q=3m³/h, N=3kW) 以及石灰乳螺杆泵2台 (Q=15~20m³/h, H=30m, N=15kW, 1用1备) 。

　　 污泥调理池。新建污泥调理池1座2池, 单池尺寸3.5m×3.5m×3.5m, 污泥离心浓缩机出泥与来自板框压滤机的回流污泥分别输送至污泥调理池, 在池中与FeCl₃药剂和石灰乳药剂充分混合反应, 以改善污泥的脱水性能。本工程FeCl₃药剂浓度为36%, 石灰乳药剂浓度为5%, 干粉投加量分别为干污泥量的8%、23%, 经化学调理后, 污泥含水率为94.7%。调理池内设立式搅拌机1台 (单池) , 功率N=1.5kW。

　　 隔膜式板框压滤机。本次新增隔膜式板框压滤机1套, 处理能力为7tDS/d, 过滤面积为450m², 功率N=16.55kW。污泥经化学调理, 之后分两路进泥, 一路为低流量高压力进泥, 对应高压螺杆泵1台 (Q=20~30 m³/h, H=160 m, N=18.5kW, 变频调速) ;另一路为高流量低压力进泥, 对应低压螺杆泵1台 (Q=20~80m³/h, H=60~80m, N=30kW, 变频调速) , 压滤机每日工作时间16h, 其中每批次工作时间4h, 设计进泥量29.34m³, 泥饼固体产量≤3.88t/批次, 对应泥饼含水率≤60%, 污泥脱水滤液排放至厂区污水管。

　　 污泥堆棚。污泥深度脱水车间新建污泥堆棚1座, 污泥经板框压滤机深度脱水处理后, 泥饼通过螺旋输送机输送至污泥堆棚, 最后经由运输车送至砖瓦厂制砖, 以完成污泥资源化利用处置。

　　 (1) 城镇污水处理厂污泥深度脱水工艺一般流程为:污泥—储泥池—污泥浓缩—污泥调理—污泥深度脱水机房—泥饼外运。若要使污泥含水率降至60%及以下, 工程设计中需统筹考虑污泥脱水各个阶段, 尤其是强化污泥调理过程。

　　 (2) 某污水处理厂二期改扩建工程采用“离心浓缩—铁盐、石灰调理—隔膜式板框压滤机”工艺实现了污泥深度脱水, 较之一期污泥脱水至含水率80%, 可实现污泥减量50%, 并为污泥的最终处置创造了条件。