北京市槐房再生水厂设计规模为60万m³/d, 污水处理采用MBR工艺^[1]。预计污泥产量约878t/d, 同时接收其他厂外运污泥342t/d, 总处理规模1 220t/d (以含水率为80%计, 不含厂内污泥系统回流泥量) 。

　　 污泥处理采用“浓缩+预脱水+热水解+厌氧消化+板框脱水”工艺。剩余污泥进入污泥浓缩、预脱水系统, 经过浓缩机浓缩后, 与经过除砂的初沉污泥混合, 利用预脱水机脱水, 与外厂输送的脱水污泥混合后进入热水解系统。热水解处理后的污泥经过稀释及冷却后, 进入新建的污泥消化池进行厌氧消化。消化后的污泥经板框压滤脱水系统进行脱水后外运处置。污泥消化所产生的沼气可供厂内发电机、锅炉房等利用。相对于传统的“浓缩+消化+脱水”处理工艺, 热水解工艺在有效消灭病菌的同时提高了污泥流动性, 使污泥易于脱水, 后续采用板框脱水, 可将污泥含水率控制在60%左右, 大幅降低污泥处置的难度, 为后续的污泥运输及处置提供便利, 工艺流程见图1。

　　 板框脱水机通常由带有滤液通路的滤板平行组成, 每组滤板之间夹有滤布, 滤板通过外部施压压紧构成封闭的滤腔, 在高压污泥输送泵的作用下, 污泥从进料口压入, 同时水通过滤板从滤液出口排出, 实现固液分离。

　　 根据滤板组的组成不同, 现今市政污泥处理行业主流的板框压滤机可分为两种形式:普通厢式板框压滤机和隔膜板框压滤机。普通厢式板框压滤机的滤腔由两块普通厢式板组合而成, 隔膜板框压滤机由普通厢板和隔膜板共同组成, 如图2所示^[2]。隔膜式板框压滤机进泥后, 则利用压榨水泵向压滤机隔膜板中注入高压水, 利用隔膜张力对污泥进行进一步挤压脱水^[3]。板框压滤机滤液透过滤布排出, 固体物质被滤布阻隔, 形成含水率较低的干物质。隔膜式板框压滤机出泥含水率低, 运行循环周期相对较短, 故本工程采用隔膜式板框压滤机。

　　 板框脱水系统总设计规模为205tDS/d, 板框机房设计成地上两层建筑物, 两侧各设有1座出泥通道。如图3所示, 机房南侧室外设有调质池及储药池, 共14座。机房内共分为3部分;北侧两边的两层板框机房、南侧的下层设备间和上层附属用房、中间的上层变配电室和下层的设备间。

　　 槐房板框脱水机房东西两侧各设有8台隔膜式板框压滤机, 共16台 (16t/d, 过滤面积800m²) , 13用3备。板框机南侧为16组高低压进泥泵组 (东西两侧各8组) (低压进泥泵Q=120 m³/h, H=0.6MPa, 高压进泥泵Q=40m³/h, H=1.2MPa, 压榨水池有效容积79m³) 及2套压榨系统 (东西两侧各1套) , (压榨水泵Q=16m³/h, H=2.2 MPa) 。机房中部为附属设备间, 内设铁盐加药系统 (12台加药泵, 东西侧各6台, Q=20m³/h, H=20m) 、冲洗水系统2套 (每套含3台冲洗泵, 及1个冲洗水箱, Q=250L/min, H=6 MPa, 水箱V=10m³) 及PAM加药系统 (溶液制备量7 500L/h, 浓度5‰) 。机房外南侧, 分别设有12座进泥调质池, 2座调理药剂储药池。

　　 污泥调质是污泥进入隔膜式板框压滤机前最重要的一步。通过对污泥加入絮凝剂和助凝剂进行调理, 提高了污泥pH, 有效地改善了污泥脱水性能, 减小水与污泥固体颗粒的结合力, 加速污泥脱水^[3]。

　　 由于本工程中再生水厂水区部分的建设和投运早于泥区部分, 为解决水区先期运行期间的污泥脱水问题, 板框车间在污泥调质系统上有两种工况, 第一种工况, 水区建设运行后, 泥区热水解和厌氧消化系统未完成, 此阶段污泥为未消化改性污泥, 为降低污泥含水率, 采用无机调理剂进行污泥调理。第二种工况, 泥区热水解和厌氧消化系统投运后, 此阶段污泥为热水解改性后污泥, 污泥脱水性能大大提高, 采用有机调理剂进行污泥调理。

　　 第一种工况:污泥通过污泥泵输送至12座调质池内, 由12台铁盐投加泵向污泥调质池投入相应比例的三氯化铁无机调理剂, 与污泥及适量石灰干粉经液下搅拌器搅拌混合后, 对污泥进行调理改性, 然后输送至板框压滤机内进行脱水。CaO投加比例约为10%~15%DS;FeCl₃ (浓度为30%) 投加比例约为2%~15%DS。

　　 本设计中药剂的选择参考了北京已投入运行的某再生水厂板框脱水机房的调试数据。两厂进水多为城中心生活污水, 进水水质相近, 且都采用MBR工艺, 且都未运行热水解系统, 故污泥性质相似。

　　 现况运行的板框脱水机房在运行调试期间, 分别对不同种类的絮凝剂做了进泥调质试验, 结果见表1。在同样的调质时间、调质温度及相近进泥有机质含量的条件下, 出泥泥饼含水率稳定在70%以下的分别为:方案2———FeCl₃ (溶液) +CaO (粉末) 及方案4———PAM+复合铁盐。投加PAM+复合铁盐的综合成本最高, 导致运行费用大幅增加。而投加FeCl₃ (溶液) +CaO (粉末) 拥有较好的出泥效果、适当的酸碱度及较经济的运行费用, 成为综合效果最优的运行方式。

　　 第二种工况:消化后污泥在进入板框机前, 需通过2套PAM制备系统制备0.5%PAM溶液, 并利用16台加药螺杆泵 (Q=3m³/h, H=0.3 MPa) 泵入高低压进泥泵前泥管上的静态混合器, 与调理池内污泥在管道中混合。

　　 隔膜式板框压滤机的工作流程主要分为4个步骤:进料—压榨—反吹—卸料。

　　 (1) 进料。首先启动16台低压螺杆进泥泵, 将污泥泵入压滤机, 随着滤饼的逐渐形成, 过滤压力逐渐增高, 当进料压力稳定在0.6 MPa左右时, 通过压力变送器的信号反馈控制低压泵延时工作约几分钟后自动切换成16台高压螺杆进泥泵进料, 进料压力1.2 MPa, 同样使高压泵再延时工作一段时间后停止进料。

　　 (2) 压榨。进料完毕后, 关闭进料气动球阀, 启动压榨系统。利用16台离心压榨泵将高压水注入隔膜板内, 利用隔膜张力对污泥进行强力挤压脱水, 压榨压力2.2 MPa。压榨结束后, 膜腔内压榨水自动回流到压榨水池, 压榨水池有效容积79 m³。压榨滤液水透过滤布排出, 固体物质被滤布阻隔。

　　 (3) 反吹。压榨完成后, 利用压缩空气将压滤机中心进泥管中的残留污泥反吹回调理池, 同时将膜腔内的滤液反吹回滤液收集管道。吹扫用气由压缩空气单元提供, 单元分为两组, 一组为吹扫用气;另一组为仪表用气。仪表用气是各个气动阀门的动力源, 实现自动阀门的开启和关闭。

　　 (4) 卸料。吹风结束后, 翻板打开, 推板退到最后端, 滤板被拉板机械手逐块拉开, 腔室中滤饼在重力作用下掉落到下部带式输送机上。在卸料过程中如遇卸料不充分可人工辅助卸料。

　　 冲洗系统分为2组, 每组包括3台柱塞式冲洗泵 (2用1备) 和1座10m³冲洗水箱, 水箱上设有自动补水装置。压滤机工作一段时间后, 滤布的孔隙内会堵塞一些固体颗粒, 影响过滤效果, 这时启动洗布程序:将滤板逐块拉开, 同时启动洗布泵, 打开滤布清洗水上水阀, 清洗滤板, 清洗水压力为6MPa。此过程由设备自带的高压水洗架完成, 水洗过程全部自动控制。洗布废水被翻板接住, 通过两侧的小槽汇集进入滤液总管路排出。

　　 卸料后的污泥饼落入下部的脱水污泥输送机, 并通污泥皮带输送机送至2台破碎机, 破碎后粒径小于30mm, 并将脱水污泥装车外运。

　　 随着北京城区“污泥处理三年计划”的全面展开, 板框脱水系统在几处已经建成投产的污泥处理厂试运行中仍发现了一些问题。表2总结了板框脱水机房在调试运行中出现的主要突出问题。

　　 本工程在设计中已考虑以上运行中出现的问题, 并对其进行了设计优化, 具体优化思路如下。

　　 由于板框在冲洗及反吹时最大运行压力可达6 MPa, 加之机房面积有限, 管路系统相对复杂, 拐点较多, 造成管路振动过大, 导致个别固定支架松动, 冲洗管路焊口开焊。新建板框系统中, 对于高压管路的设计, 应尽量减少管路拐点, 在容易开焊部位以高压软管代替, 从而减少管路压力过大造成损耗。

　　 以现况水厂为例, 1台18tDS/次、过滤面积800m²的板框机, 理论压榨时间为50 min, 目前已建再生水厂污水来源多为中心城区生活污水, 污泥中有机质含量较高, 且热水解系统未投产, 脱水较为困难。为达到满意的脱水效果, 则需要更长的压榨时间, 在实际运行时压榨时间甚至翻倍, 从而导致压榨水池储量严重不足。故在新建板框压榨水系统的设计时, 应根据实际情况适当扩大压榨水池有效容积, 以确保不同工况下板框脱水系统可以正常运行。

　　 已建板框机房单台板框机理论冲洗频率为每周1次, 而实际运行中基本为每两天1次。从而导致冲洗水系统能力严重不足。分析原因主要有二:一为进泥有机质含量高, 导致脱水效果变差, 大量污泥残留于滤布表面, 致使冲洗频率和冲洗时间增加;二为滤布易堵塞, 剥离能力差。新建板框系统在冲洗水系统的设计中, 需增大水箱容积及自动补水管路管径, 以满足板框机正常冲洗需求。在设计计算中, 适当的增加压榨水池, 冲洗水箱的容积可以有效的保证板框系统正常运行, 但其根本解决办法还要从选择有效地进泥调质方案和滤布着手。合适的污泥调质方案可有效地改善污泥脱水性能, 加速污泥脱水。合适的滤布, 在压滤过程中产生的滤液澄清, 固相损失少, 压滤后滤饼容易剥离, 滤布不易堵塞, 容易反洗再利用, 工作寿命长^[4]。

　　 出泥皮带输送机偶有漏水、溅泥等现象, 为了方便后期管理运营, 保持机房内的整洁, 建议设计中, 应在出泥通道及皮带附近, 增加多道排水沟, 使机房冲洗时排水更为便利。

　　 石灰螺旋的下料口 (向调质池投加石灰的管路) 因污泥自身温度向上反热气, 石灰会发生板结, 易造成下料口堵塞, 给后续的工况带来极大的影响。故在设计中应考虑在石灰输送管路增加便于清理的防潮措施。

　　 洗布废水通常为泥水混合物, 废水进入板框机自动翻板上的冲洗水槽, 容易造成排水管路堵塞, 排水不畅 (见图4) 。新建板框系统中, 需在水槽处设简单的泥水分离装置, 以保证冲洗废水的正常排放。

　　 对于北京市的污水处理厂, 目前每处理1万m³污水约产生10t含水率80%的泥饼, 而随着污水处理量和处理标准的提高, 污水处理的副产物污泥产量将进一步攀升^[5]。为了减少污泥的体积和运输费用, 必须进行深度脱水处理, 尽可能有效地降低污泥的含水率。板框脱水系统被越来越多地应用于国内污泥处理行业中, 板框系统的合理设计是满足机房建成后高效、稳定运行的重要一步。板框系统的设计首先要结合污水处理厂污泥的性质, 选出合理的进泥调质方案, 另外, 由于板框系统较为复杂, 涉及各分系统及设备较多, 且由于各污水处理厂污泥性质存在差异, 导致理论和实际运行工况的可能存在差距, 故在设计中应考虑到多种运行工况的可能性。