兩種污泥脫水系統(tǒng)在水廠應用的比較
行業(yè)動態(tài)
隨著浙江省“五水共治”的推進和展開，人們對水處理技術(shù)在環(huán)境改善中的作用越來越關(guān)注，污泥脫水作為水處理流程向環(huán)境轉(zhuǎn)移的一道關(guān)鍵工藝非常值得研究。污泥脫水系統(tǒng)可以將污泥水減量至原先體積的十分之一甚至更少，處理后的水也能夠被重新回收利用，不僅能有效節(jié)水并減輕對環(huán)境的影響，同時也為進一步的無害化處理打下良好的基礎(chǔ)。一項優(yōu)良的污泥脫水技術(shù)在污水處理、供水保障、環(huán)境保護、建筑泥漿處理方面都有著廣泛的推廣前景，也必將在環(huán)保領(lǐng)域和市政行業(yè)發(fā)揮出越來越大的作用。
寧波市自來水有限公司下屬毛家坪水廠是日制水能力50萬t的現(xiàn)代化大型水廠，它自水庫取水，原水經(jīng)常規(guī)工藝處理后，生產(chǎn)出符合飲用水標準的成品水輸送至城市。在生產(chǎn)水的同時，也產(chǎn)生一定量的污泥水，雖然這部分污水量僅占產(chǎn)水量的1.2%～1.5%，但由于其中含有大量的泥沙、腐殖質(zhì)、藻類等無機和有機雜質(zhì)。如果不經(jīng)過適當處理就直接排入江河湖泊等水體，勢必會成為水體的污染。因此，水廠建設(shè)了板框式污泥脫水系統(tǒng)，對水廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水和污泥進行處理。
該污泥處理系統(tǒng)在正常的工況下可以滿足水廠日常污泥處理的需求。但是2012年和2013年連續(xù)兩年的超強臺風給水廠的運行帶來了嚴峻的沖擊和考驗，尤其是暴雨導致原水中污染物負荷量劇增使該系統(tǒng)不堪重負，為此，水廠在2014年新增了離心式污泥脫水系統(tǒng)作為補充。
本文基于此，以使用同一污泥來源為基礎(chǔ)，對兩套污泥脫水系統(tǒng)展開研究，分別從技術(shù)差異、投資和運行成本、運行效果、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益等方面對其進行比較分析，進而得出污泥處理的合理化建議。
1 水廠污泥的來源和系統(tǒng)組成
1.1 污泥的來源與主要性質(zhì)
1.1.1 污泥的來源
水廠的污泥主要包括兩部分，一部分來自刮泥機刮除的沉淀池底部的積泥；一部分來自收集濾池反沖洗廢水的廢水調(diào)節(jié)池底部的積泥。
1.1.2 污泥的性質(zhì)分析
給水廠污泥主要來自于原水中的泥沙等懸浮物、原水中的雜質(zhì)等無機顆粒、原水色度和浮游生物、藻類的殘骸等，以及在處理過程中投加的鋁鹽等各種絮凝劑。污泥中一般以無機成分為主，有機成分含量較少。有機成分占污水中懸浮物的比例也隨原水水質(zhì)的不同而變化。
結(jié)合水廠排放污泥的實際情況，水廠沉淀污泥主要由混凝劑聚合氯化鋁形成的金屬氫氧化物、石灰沉淀物、泥沙、淤泥及有機、無機物組成，并隨原水水質(zhì)變化而有較大的變化；由于進入濾池的濁度相對穩(wěn)定，因此其污水的排放量變化較小，濾池反沖洗排水形成污泥的特性基本上應與沉淀污泥同類，并包含隨反沖洗廢水流失的石英砂和鐵、錳截留物。
1.2 水廠污泥處理系統(tǒng)組成和運行
水廠的污泥處理系統(tǒng)可以劃分為污泥收集-輸送和污泥脫水處理兩大部分。
污泥收集-輸送系統(tǒng)：大型平流沉淀池中安裝了往復式底部刮泥機，該設(shè)備通過間歇運行將自然沉降的污泥收集到沉淀池的排泥槽中再排放到沉淀池的兩個污泥井。反沖洗廢水調(diào)節(jié)池也是通過刮泥機將污泥收集至平衡池里。
污泥脫水處理系統(tǒng)：來自上一系統(tǒng)的污泥進入總?cè)莘e為1160m3的兩個污泥平衡池后，通過沉淀并去除上清液后由推流式攪拌機進行攪拌、均質(zhì)，然后由泥螺桿泵將污泥輸送至板框式壓濾機/離心脫水機進行處理，在輸送的過程中還會同步加入PAM作為絮凝劑以改善處理效果，污泥由無軸螺旋輸送機輸送至污泥堆棚等待外運。
2 板框式和離心式污泥脫水系統(tǒng)的組成和運行
2.1 板框式壓濾機脫水系統(tǒng)介紹
2.1.1 板框式脫水系統(tǒng)的組成和運行
板框式脫水系統(tǒng)由污泥進泥螺桿泵、在線混合器、PAM絮凝劑投加系統(tǒng)、板框式壓濾機、隔膜擠壓泵、高壓沖洗水系統(tǒng)和螺旋輸送機等組成。
系統(tǒng)以壓力控制為核心，分為以下幾個階段進行工作：
（1）準備階段：板框機濾板組關(guān)閉并增壓，壓力為3.2×104kPa。
（2）進泥階段：污泥進泥螺桿泵從污泥平衡池中抽取污泥水，由在線混合器將PAM制備裝置中的藥劑和污泥水進行高速反應形成絮體，再進入板框脫水機的濾室內(nèi)并將其充滿，在此過程中以進泥泵不斷降低流量來控制進泥壓力維持在800kPa附近，污泥進泥流量從初始的60m3/h逐漸降低至設(shè)定流量7m3/h時結(jié)束進泥過程，這一階段濾室內(nèi)的泥餅依靠進泥泵的壓力完成初步的擠壓脫水過程。
（3）擠壓階段：專用擠壓螺桿泵的清水會在進泥階段結(jié)束后打入濾板組的28塊隔膜板中，以1.5×103kPa的壓力對濾室內(nèi)的泥餅進行二次擠壓從而進一步提高其含固率。
（4）卸料階段：擠壓階段結(jié)束后，通過高壓空氣將中央進泥管的泥料吹出，板框式壓濾機會自動卸掉壓力，然后在拉板小車的幫助下將濾板一塊一塊拉開，泥餅在重力的作用下落至螺旋輸送機中被送走。
（5）沖洗階段：多次處理污泥后，由高壓沖洗水系統(tǒng)對濾布進行沖洗，以恢復濾布的過濾效果。
上述的幾個階段中除去卸料階段需要人工輔助以外，其他都在壓力變送器、防干運行保護器、壓力保護開關(guān)、安全光幕等各種自動化監(jiān)控裝置及PLC系統(tǒng)的監(jiān)控下實現(xiàn)自動化運行。
2.1.2 板框式壓濾機的日常運行情況及相關(guān)參數(shù)
對水廠污泥脫水板框式壓濾機日常運行參數(shù)進行統(tǒng)計整理，兩臺板框機每天平均工作3～4個批次，每臺板框式壓濾機運行一個批次的時間約3h，每天工作時間為11.5～13.5h，進泥含固率為1.0%～2%，每個批次處理污泥量約25～50m3，泥餅含固率為35%～40%，陽離子聚丙烯酰胺一般加注量約2.8～4.5kg/（t·干泥），PAM加注濃度為0.15%～0.2%。每批次運行時間中進泥壓濾時間約90min，隔膜擠壓時間約45～50min，開板卸泥時間約15～20min，濾布清洗時間約70min，清洗周期為3個批次一次，反沖洗壓力為0.8MPa，反吹壓力為0.8MPa。
2.2 離心脫水機脫水系統(tǒng)介紹
2.2.1 離心脫水系統(tǒng)的組成的運行
離心脫水系統(tǒng)由切割機、污泥進泥螺桿泵、PAM絮凝劑投加系統(tǒng)、離心脫水機、螺旋輸送機和沖洗泵等組成。
污泥水從污泥平衡池在重力的作用下流至污泥切割機，由污泥切割機將污泥水中可能存在的各種纖維物質(zhì)切碎，以避免對離心機轉(zhuǎn)鼓造成纏繞，然后由污泥進泥螺桿泵將污泥水按照設(shè)定的流量輸送至離心脫水機進行處理，PAM絮凝劑在離心機進料口同步加入，依靠高速運轉(zhuǎn)的離心機轉(zhuǎn)鼓進行混合反應，脫水后的污泥由螺旋輸送機及時輸送出，而分離的水則由排水管同步排出。每次運行完畢后需要一臺小型的沖洗泵將離心機內(nèi)部轉(zhuǎn)鼓上殘留的污泥沖洗干凈。
2.2.2 離心脫水機工作原理
離心脫水機的工作原理是：需脫水的污泥從該中心管進入脫水機內(nèi)轉(zhuǎn)子，在離心力的作用下，被甩至周壁，形成一個圓環(huán)形的淺池。由于污泥中所含成分的相對密度不同，在轉(zhuǎn)子內(nèi)會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，較重的無機顆粒位于圓環(huán)外層；固體顆粒比水重，在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁上沉淀，即位于圓環(huán)的外層；較輕的水形成內(nèi)環(huán)。這種離心式脫水機的一端設(shè)有高度可調(diào)的圓環(huán)形堰板。轉(zhuǎn)子內(nèi)圓環(huán)形淺池的濃度取決于堰板的高度。隨著進泥量的增加位于轉(zhuǎn)子中心即內(nèi)層的水分積到一定厚度，超過堰板高度后翻過堰板排出。堰板的高度直接影響澄清區(qū)的沉淀時間和脫水效果。一般堰板的內(nèi)徑大于椎體的直徑。在堰板的另一側(cè)設(shè)有螺旋輸送器，沉淀在轉(zhuǎn)子內(nèi)壁上的污泥固體依靠轉(zhuǎn)子和螺旋輸送器的速度差輸送至轉(zhuǎn)子的椎體端，進一步脫水后排出。一般螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速略大于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。通過調(diào)節(jié)螺旋輸送器的速度和堰板的高度來達到較佳脫水效果。
2.2.3 離心脫水機的日常運行及相關(guān)參數(shù)
毛家坪水廠污泥脫水離心機自2015年4月份正式投入運行以來，調(diào)試后按照以下參數(shù)運行，進泥量為30～35m3/h，進泥含固率為1.0%～2%，PAM投加濃度為0.15%～0.20%，PAM投加量為4.0～6.3kg/（t·干泥），離心機轉(zhuǎn)筒工作速度為2650～2763r/min，離心機差速度為3.0～5.0r/min，出泥含固率約為25%～30%。
離心脫水系統(tǒng)在應對2015年“燦鴻”臺風帶來的高濁度原水的沖擊中以及板框機定期維護工作中起到了預期的作用。
3 板框式和離心式污泥脫水系統(tǒng)比較
3.1 兩種污泥脫水系統(tǒng)的技術(shù)差異分析
兩種污泥脫水系統(tǒng)存在著一些差異，下面分別從兩種污泥脫水系統(tǒng)的工作原理、占地投資、系統(tǒng)組成、工作方式、運行操作、運行控制等方面進行介紹：工作原理上，板框式壓濾機主要是通過擠壓達到污泥脫水的效果，而離心機則是通過離心力的作用降低污泥含水率；占地投資上，板框式壓濾機占用空間大，土建費用高，而離心機占用空間小，土建費用低；系統(tǒng)組成上，板框機的系統(tǒng)組成比較復雜，包含了隔膜擠壓系統(tǒng)、高壓沖洗水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等，只有各個部分協(xié)同工作才能保證整個板框機污泥脫水系統(tǒng)的正常運行，而離心機污泥脫水系統(tǒng)則相對簡單得多；工作方式上，板框式壓濾機為間歇性工作，一個周期工作時間不固定，與進泥含固率等因素相關(guān)，而離心脫水機則可以連續(xù)工作；運行操作上，板框式壓濾機運行操作較離心機復雜，比如在板框機不能自動卸泥的情況下需要在每個運行周期結(jié)束時將泥餅人工卸出，而離心機則是通過出泥管道和污泥螺旋輸送機自動出泥；運行控制上，板框式壓濾機主要以壓力控制為核心，運行控制較為復雜，離心脫水機的運行控制相對較為簡單；出泥效果上，板框式壓濾機的出泥含固率可達到35%以上，而離心脫水機的出泥含固率則只有25%左右。
不過，兩種污泥脫水系統(tǒng)也存在著相似點，比如兩種系統(tǒng)均要求進泥含固率要穩(wěn)定，否則效果會受到明顯影響。
3.2 兩種脫水污泥系統(tǒng)的投資和用地面積
3.2.1 設(shè)備投資費用分析
結(jié)合兩種污泥脫水系統(tǒng)的組成，分別說明板框式污泥脫水系統(tǒng)和離心式污泥脫水系統(tǒng)的投資費用，兩套系統(tǒng)中的管道安裝及配件、通訊及動力電纜、土建等費用均不予計入。
板框式污泥脫水系統(tǒng)的投資費用為12331784.04元，離心式污泥脫水系統(tǒng)的投資費用為2556145.34元。板框式污泥脫水系統(tǒng)的投資費用是離心式污泥脫水系統(tǒng)的5倍左右。此外，若考慮兩套污泥脫水系統(tǒng)的處理能力，按照水廠實際生產(chǎn)情況計算，板框式污泥脫水系統(tǒng)的日處理能力僅為離心脫水機的47%左右。按照每百萬元投資的處理量對比計算，這個差距將達到近11倍。僅從投資效益比而言，離心脫水系統(tǒng)占有絕對的優(yōu)勢。
3.2.2 兩套系統(tǒng)所需的用地面積比較
隨著城市建設(shè)的快速推進，對建設(shè)用地指標的控制也日趨嚴格，為充分比較兩套系統(tǒng)的優(yōu)劣對兩套系統(tǒng)所涉設(shè)備占用的基礎(chǔ)面積進行了統(tǒng)計（上下安裝的按照投影面積計算，并考慮一定的檢修空間）。
板框式污泥脫水系統(tǒng)的占地面積為252.47㎡，離心式污泥脫水系統(tǒng)的占地面積為71.75㎡。從設(shè)備和系統(tǒng)的本身來說，離心脫水系統(tǒng)在用地所需面積上有絕對的優(yōu)勢，僅為板框式脫水系統(tǒng)的28.4%，而這個優(yōu)勢還建立在單位時間處理能力比板框脫水系統(tǒng)高1倍的基礎(chǔ)上。
3.3 兩套污泥脫水系統(tǒng)的日常運行及維護費用分析
3.3.1 日常運行的相關(guān)費用
結(jié)合水廠兩套污泥脫水系統(tǒng)實際的運行參數(shù)，計算兩套污泥脫水系統(tǒng)在處理等量污泥情況下的處理與處置費用。
按處理污泥1000m3計算，PAM價格按28000元/t計算，電價按0.67元/kW·h計算，污泥填埋費用按75元/m3計算，水費按照3.2元/m3計算。
板框式壓濾機：進泥含固率按1.5%計算，出泥含固率按35%計算，PAM投加濃度及投加量分別按0.20%和4.0kg/（t·干泥）計算，一次進泥量按30m3計算，PAM消耗量按1m3/批次計算，運行中每3個批次清洗一次。
離心脫水機：進泥含固率按1.5%計算，出泥含固率按25%計算，PAM投加濃度及投加量分別按0.20%和6.0kg/（t·干泥）計算，進泥量按35m3/h計算，PAM消耗量按1600L/h計算。
可以發(fā)現(xiàn)在處理等量污泥的情況下，板框式壓濾機的處理與處置費用比離心脫水機高出211元，其中，板框式壓濾機的藥費、電費及污泥處置費用均比離心脫水機低，回收水費略高于離心脫水機。但是，由于板框式壓濾機的工程投資費用較大，需要人工輔助卸泥，設(shè)備折舊費、設(shè)備維護與檢修費用及人工費用明顯高于離心脫水機，這些導致了處理相同污泥量的情況下，板框式壓濾機的綜合處理費用相對于離心脫水機偏高。
3.3.2 板框式與離心式污泥脫水系統(tǒng)的維護及相關(guān)費用比較
板框式污泥脫水系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)較為復雜，參與運行控制的各種自動化監(jiān)控設(shè)備也很多，對日常的維護工作提出了較高的要求。
從毛家坪水廠運行該套系統(tǒng)的經(jīng)驗而言，由于整套系統(tǒng)為德國原裝進口，設(shè)備質(zhì)量可靠、性能出色，除去正常的維護保養(yǎng)以外，故障率相對較低。正常情況下需每兩年一次更換整機的濾布和液壓油一次，而諸如進泥泵、擠壓泵等設(shè)備的油料更換一般是一年一次，除此之后還涉及定子的更換等。
離心式脫水系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)相對簡單，按照相關(guān)的技術(shù)要求，需要每運行4000h（或1年）進行一次徹底的檢查，每8000h（或2年）需要對軸承、軸峰等部件進行更換，并對整個潤滑油系統(tǒng)進行清理，同樣齒輪箱油也需要進行更換。
由于離心式脫水系統(tǒng)非常依賴于廠方提供各種專業(yè)的售后服務，因此整個系統(tǒng)的日常維護費用和組成結(jié)構(gòu)相對更復雜的板框式脫水系統(tǒng)并沒有任何優(yōu)勢。
3.4 板框式與離心式脫水運行效果評價
板框機污泥脫水系統(tǒng)的效果優(yōu)于離心脫水機，另外，從脫水后污泥密度可以看出，在污泥重量相同的情況下，板框機脫水后的污泥體積僅為離心機脫水后污泥體積的77%。
4 結(jié)論與建議
4.1 結(jié)論
通過對水廠板框式壓濾機及離心脫水機的運行原理、設(shè)備組成及控制、運行效果、污泥處理與處置成本、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益等方面的比較與分析，得出如下主要結(jié)論。
（1）板框式壓濾機與離心脫水機在工作原理、設(shè)備組成及系統(tǒng)控制上存在本質(zhì)的區(qū)別，這些導致了兩種污泥脫水系統(tǒng)在管理、運行效果、運行成本上的一些差異。
（2）從整個投資、用地、運行的角度出發(fā)，當兩套污泥脫水系統(tǒng)均能滿足脫水后污泥含固率要求時，離心式脫水系統(tǒng)無疑具有更大的優(yōu)勢。
（3）板框式脫水系統(tǒng)雖然組成復雜，投資、占地、控制和運行要求較高，但是處理效果較為理想，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的深度脫水。
4.2 建議
（1）板框式脫水系統(tǒng)的技術(shù)性能能夠滿足污泥深度脫水的需求，可以滿足垃圾填埋場直接回填的需求，可用于對出泥含固率有較高要求的領(lǐng)域或行業(yè)。
（2）離心式脫水系統(tǒng)具有投資較少、占地面積較小、組成較為簡潔、處理能力較大和運行維護較為簡單等優(yōu)勢，在出泥含固率要求不高的領(lǐng)域或行業(yè)有獨特的優(yōu)勢。
（3）兩種污泥脫水系統(tǒng)作為目前主流的脫水方式已經(jīng)在各個行業(yè)獲得了廣泛的應用，在污泥水減量方面發(fā)揮了各自的作用和優(yōu)點，但是選擇哪一種脫水系統(tǒng)取決于污泥的處理需求，即根據(jù)項目的設(shè)計目的選擇合適的處理方式較為重要。
