3種污泥機械脫水方式的工程應用
行業(yè)動態(tài)
隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和當代綠水青山環(huán)保理念的不斷增強，環(huán)保疏浚清淤得到蓬勃發(fā)展，如云南滇池治理工程、天津漢沽污水庫治理工程、株洲清水塘大湖清淤等，由此產(chǎn)生了大量的疏浚泥漿。這些泥漿具有含水率高、污染物含量多、體積龐大、不利于二次運輸和處置等特點，故需要對其 行脫水固化處理。
污泥脫水固化處理中的泥水分離技術(shù)涉及環(huán)保疏浚工程、地鐵盾構(gòu)及市政工程等多個工程領域，其中對河湖污染底泥一般通過開挖、抽吸、疏浚等方式，將污染底泥輸送上岸，再通過自然脫水法、傳統(tǒng)機械脫水法、真空預壓法、化學固化法、土工管袋法等進行泥水分離，形成含水率相對較低的干化泥，便于進一步處置。已有一些學者通過污泥沉降試驗驗證了有效的預處理措施能夠加快底泥的沉降速度，降低脫水污泥的含水率，大幅度提高了后續(xù)底泥脫水固化的效率。
對那些含水率高、壓縮性高、剪切強度低、滲透率低的底泥，直接脫水十分困難，因此，在脫水固化前需要對底泥進行預處理，通過向底泥中添加化學調(diào)理劑或者增加能量等方式，破壞底泥原有的結(jié)構(gòu)，使底泥中的結(jié)合水釋放出來，改善脫水性能，目前底泥脫水的預處理技術(shù)主要有物理方法、化學方法、生物方法及組合方法等。實際工程中，通常將預處理后的泥漿利用機械設備壓濾成方便運輸?shù)哪囡?，常用的壓濾機械設備主要有板框壓濾機、帶式壓濾機和離心脫水機。
污泥脫水固化涉及多個流程，通常需要基于相關室內(nèi)試驗評價調(diào)理后的污泥脫水性能及效果，用于指導實際工程應用。雖然目前關于泥漿脫水效果評價方法的研究較多，但系統(tǒng)性的檢測與評價方法體系較少。因此，擬通過梳理、分析參與的污泥脫水固化工程項目，總結(jié)污泥脫水效果的評價方法和機械脫水現(xiàn)場應用的成功案例，為今后相關污泥固化脫水工程提供一種有效的脫水效率評價方法和機械脫水設備選型思路。
1 污泥預處理試驗方法
原狀泥漿的脫水性能差異較大，所以在實際脫水固化應用之前需要進行相關的室內(nèi)預處理試驗，定量評價使用絮凝劑調(diào)理后污泥的脫水性能及脫水效果，隨后才可用于指導實際工程應用。常用的預處理試驗方法順序依次為SV沉降試驗，污泥比阻試驗和模擬壓濾試驗。
1.1 SV30沉降試驗
利用SV30沉降試驗方法，分析泥漿的沉降性能。SV30沉降試驗是指將泥漿液體在量筒靜止，沉降30min后計算污泥所占的體積百分比。SV30值越小，污泥沉降性能就越好；SV30值越大，沉降性能越差。
1.2 污泥比阻試驗
污泥比阻是一種常規(guī)污泥性質(zhì)檢測的方法，是指在恒定壓力過濾時單位質(zhì)量的污泥在單位過濾面積上所受到的阻抗。根據(jù)污泥比阻值可定量判斷其脫水性能，污泥比阻越小，脫水性能越好，反之脫水性能越差。一般條件下，比阻在1011～1012m/kg的污泥較難過濾；而在5×1010～9×1010m/kg的污泥為中等過濾，小于4×1010m/kg的污泥為易過濾。
1.3 模擬壓濾試驗
小型壓濾試驗是調(diào)理劑配方投入生產(chǎn)前的中試試驗，可實現(xiàn)對實際工程中機械壓濾生產(chǎn)泥餅這一物理過程的壓榨模擬。
2 污泥機械脫水現(xiàn)場應用
根據(jù)施工工藝、壓濾產(chǎn)生泥餅的含水率及設備成本等條件不同，常用的機械脫水方式主要包括板框壓濾脫水、帶式壓濾機脫水及離心式脫水。
2.1 河湖底泥板框處置工藝
板框壓濾機通過模板膨脹或進漿壓力擠壓濾板間泥漿，使得泥漿透過濾布進行快速脫水，形成泥餅。一般板框式壓濾脫水機主要由支撐架、液壓缸、濾板、給氣系統(tǒng)、濾布沖洗系統(tǒng)和限位裝置組成。板框脫水機具有處理效果好、濾餅含水率低、污泥處理量比較大的優(yōu)點，是其他脫水設備所不能比的，廣泛被污水處理廠采用。一些學者通過試驗表明，板框壓濾產(chǎn)生的泥餅含水率在40%～60%。
以疏浚研究中心華中地區(qū)某湖環(huán)保疏浚工程為例，污泥質(zhì)量分數(shù)在10%～20%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)在8%～15%，有機質(zhì)和重金屬含量較多，屬于污染較嚴重的河湖底泥。針對該地區(qū)的試驗淤泥，采用激光粒度儀進行了粒徑檢測，發(fā)現(xiàn)黏粒質(zhì)量分數(shù)約占20%，砂礫質(zhì)量分數(shù)約占80%，由于該地區(qū)泥餅接受對壓濾產(chǎn)生泥餅的含水率要求較為嚴格，出運的泥餅含水率需要控制在40%左右。因此，該地區(qū)選擇了產(chǎn)生泥餅含水率較低的板框壓濾的機械脫水固化方式。
（1）絞吸船在湖中進行清淤疏浚工作，通過管道將泥漿泵送至底泥接受區(qū)域（儲泥池），等待后續(xù)處理。
（2）利用專用篩分設備將底泥中粒徑大于10cm的大石塊、磚塊等大垃圾篩除，粗大物篩分裝置將泥漿中的石子、塑料垃圾（粒徑為5～10cm）等篩除，處理后的泥漿進入洗砂分砂單元；此外，還設置有細格柵過濾裝置，能夠?qū)⒛酀{中的絮狀垃圾濾出。
（3）洗砂分砂單元通過雙螺桿洗砂分砂設備及斗輪洗砂機洗出泥漿中的中粗砂及粉細砂；隨后，泥漿水在固液分離池中通過重力作用下進行泥水分離，形成的上清液通過潷水器進入組合水池，高濃度的泥漿則利用輸送設備輸送到調(diào)質(zhì)池。
（4）按照1小節(jié)中的方法，根據(jù)室內(nèi)試驗確定本地泥漿較佳的調(diào)理藥劑添加量，當固液分離池中的高濃度泥漿進入調(diào)質(zhì)池，向調(diào)質(zhì)池中添加適當比例的固化劑，從而到達降低污泥比阻、提高滲透系數(shù)、構(gòu)建排水通道的效果。
（5）將調(diào)理后的泥漿泵送至板框壓濾機進行泥水分離，壓濾產(chǎn)生泥餅可直接外運，產(chǎn)生的余水經(jīng)管網(wǎng)送至污水處理罐，通過微生物分解余水中的有機物雜質(zhì)，達標后可直接排放。
經(jīng)過以上脫水工藝處理后，能夠有效實現(xiàn)污泥的減量化處置。根據(jù)疏浚泥漿在脫水固化過程中的體積變化，可評估板框壓濾產(chǎn)物脫水減容的百分比。其中，得到的泥餅相對于原泥漿體積能夠減小至45%～50%，產(chǎn)出的砂礫相對于原泥漿的體積能夠減小至25%～30%，產(chǎn)出的垃圾相對于原泥漿的體積能夠減小至2%～5%，剩下的部分為余水的占比。產(chǎn)生的泥餅含水率基本在40%，達到出運標準；產(chǎn)出的余水經(jīng)過污水罐處理后，SS指標均可達直接排放的標準。
2.2 河湖底泥帶式壓濾處置工藝
帶式壓濾機具有效率高、能耗低、脫水效果好、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，且在壓濾過程中絮凝劑的投加量可以隨時根據(jù)壓濾泥餅的含水率進行調(diào)節(jié)，從而保證生產(chǎn)出的泥餅含水率滿足外運處理要求。經(jīng)過絮凝處理的污泥被攤鋪到上濾帶上進行重力脫水，隨后被夾在上下2層濾帶中間進行壓榨脫水，形成濾餅排出。相關研究表明，帶式壓濾機處理形成泥餅的含水率在80%左右。
為了解華南地區(qū)某內(nèi)湖湖底污泥的泥性特點，對湖底的底泥進行取樣分析。根據(jù)取得的污泥樣品發(fā)現(xiàn)，該項目中的泥漿含有大量腐殖質(zhì)和有機污染物，顏色呈灰黑色，由湖中泵送過來的泥漿取樣結(jié)果和湖底的原狀泥經(jīng)過篩分后的粒徑組成情況可知，湖底污泥中的砂粒和貝殼含量較高。該地區(qū)泥餅接受對壓濾產(chǎn)生泥餅的含水率要求較為寬松，出運的泥餅含水率控制在70%左右即可滿足出運條件，因此，該地區(qū)選擇了產(chǎn)生泥餅含水率適中且較為經(jīng)濟的帶式壓濾的機械脫水固化方式。
該內(nèi)湖清淤項目使用氣動泵船對水下淤泥進行圍繞微擾動清淤，通過長排距輸送上岸后經(jīng)過振動篩除雜、斗輪洗砂機和旋流器洗沙等預處理技術(shù)，并通過大型錐形的濃密塔進行加藥濃縮，通入帶式壓濾機進行固化脫水，產(chǎn)生具有一定含水率的泥餅。
帶式壓濾機在該內(nèi)湖工程中的工藝流程主要內(nèi)容如下。
（1）氣動泵船在湖中進行清淤疏浚工作，通過管道泵送至底泥處理廠，等待后續(xù)處理。
（2）利用垃圾篩分設備將底泥中粒徑較大的大石塊、貝殼等垃圾篩除，處理后的泥漿進入洗砂分砂單元。
（3）洗砂分砂單元通過斗輪洗砂機和旋流器洗出泥漿中的中粗砂及粉細砂；隨后，泥漿水在固液分離池中通過重力作用進行泥水沉淀分離，沉淀池中高濃度的泥漿則利用泵送設備輸送到濃縮塔。
（4）同理，按照1小節(jié)中的方法，根據(jù)室內(nèi)試驗確定該湖中泥漿較佳的調(diào)理藥劑添加量。當固液分離池中的高濃度泥漿進入濃縮塔時，向濃縮塔中添加適當比例的固化劑，從而到達降低污泥比阻、提高滲透系數(shù)、構(gòu)建排水通道的效果。
（5）將調(diào)理后的泥漿泵送至帶式壓濾機進行泥水分離，產(chǎn)出的泥餅經(jīng)檢測合格后進行外運處置，產(chǎn)生的余水經(jīng)管網(wǎng)送至前面的處理步驟，達到循環(huán)利用、節(jié)能減排的綠色生產(chǎn)目標。
其中，該工程項目選用聚合氯化鋁（PAC）+聚丙烯酰胺（PAM）兩種藥劑復配對泥漿進行預處理和濃縮，為探究較佳藥劑配比，通過SV30沉降試驗及污泥比阻試驗得到，PAM、PAC添加量分別在1‰～2‰、2‰～3‰，為適宜添加量，此時污泥比阻為0.5×1011～0.7×1011m/kg，屬于中等脫水難度泥漿。該工程中預處理后的泥漿經(jīng)過該帶式壓濾機脫水后泥餅的含水率在60%左右，且出水澄清，SS質(zhì)量濃度低于10mg/L，滿足出運與外排標準。
2.3 華南地區(qū)某地鐵站盾構(gòu)渣土離心脫水現(xiàn)場試驗
臥式螺旋離心脫水機（簡稱“臥螺離心機”）是利用離心沉降原理分離懸浮液。離心脫水具有連續(xù)工作、功耗大、對進料泥漿特性要求高、泥餅含水率偏高的特點。臥螺離心機應用于污泥脫水中需要多因素的匹配，如絮凝劑的型號、配藥濃度、離心機轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和速差、進泥含水率、進泥流量等多種參數(shù)優(yōu)化組合才能達到理想的效果。趙林輝等研究表明，離心機得到泥餅含水率為70%～80%。
華南地區(qū)某地鐵盾構(gòu)主要穿越地層為全強風化混合花崗巖，局部穿越中風化混合花崗巖和砂質(zhì)黏土，地層含砂量在50%左右。針對該區(qū)間盾構(gòu)渣土含砂量大的特點，通過模擬壓榨配合離心機現(xiàn)場試驗探究較佳加藥比例。試驗通過車載式離心脫水設備主要對比了不同泥漿濃度、藥劑組合選型（DRC3660、DRC4950、PAC、陰/陽離子PAM）、進料量、離心機轉(zhuǎn)速參數(shù)條件下盾構(gòu)泥漿的脫水效果和出水水質(zhì)，從而得到較佳離心機工況。已有研究表明，有機聚合物PAM可以有效加速底泥的脫水固化效率。加入PAM后，離心機的出泥量速率明顯提升，泥餅呈現(xiàn)黏土球狀，掉落速度快，黏度降低不易黏手。
離心試驗結(jié)果：進料量為1m3/h，原泥漿在不添加藥劑的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和速差，含水率保持在34.5%附近，含水率低至31.9%。隨著泥漿濃度上升，離心機的進料量減少，含水率變化不大。原泥漿單獨添加陰/陽離子PAM后，含水率上升1%～2%，均值在37%左右。在使用組合藥劑（DRC3660+PAM）和PAC+PAM后，泥餅含水率降至36%。有機藥劑的加入使得泥質(zhì)發(fā)生變化，出渣黏度降低，呈現(xiàn)黏土球形態(tài)，便于運輸。若需要繼續(xù)降低泥餅含水率，只能通過調(diào)整離心機內(nèi)部攔液板，降低1%～2%的泥餅含水率，但是此方法較為繁瑣，不適用于大規(guī)?，F(xiàn)場應用。
根據(jù)現(xiàn)場的應用結(jié)果可知，離心機的優(yōu)劣勢如下表所示：
序號 | 優(yōu)勢 | 劣勢 |
1 | 占地面積?。簷C器占地面積遠小于板框壓濾機 | 離心機轉(zhuǎn)軸長時間工作易磨損發(fā)生故障 |
2 | 自動化程度高：可實現(xiàn)24h連續(xù)進料出泥 | 若未安裝自動化監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，離心機的脫水率受諸多參數(shù)影響，調(diào)節(jié)麻煩 |
3 | 處理能力大：可處理80m3/h（水下方） | 對于盾構(gòu)泥漿，脫水效果不如板框機，且泥餅黏度高不宜運輸 |
4 | 人工成本低：每班組操作運營人員僅需3～4人 | 在不加藥的情況下，出水水質(zhì)偏黃，不如板框壓濾機出水質(zhì)量 |
5 | 操作簡單：安裝快速簡單、施工周期短，在保證含固率的情況下，脫水過程全自動無需人為控制 | 受用范圍窄，適用于低濃度污水、泥漿、污泥、油泥的脫水 |
離心式脫水機處理污泥的質(zhì)量較高，外運污泥含水率較低、處理濕污泥量多、產(chǎn)生外運污泥量多、處理能力強，且離心機的藥劑消耗也較少，其可操控性較高，能通過較多的途徑來控制外運泥餅的含水率，然而離心機也有一些不足與缺點，如其產(chǎn)生的噪音較大，容易對周圍的居住環(huán)境產(chǎn)生影響，不適宜在人口密集分布的城鎮(zhèn)中使用。
3 結(jié)論
通過梳理有關污泥脫水的常用工藝及脫水效率評估方法，結(jié)合已有工程項目的實際應用案例，進一步形成了針對河湖淤泥及高雜質(zhì)含量污染底泥的大規(guī)模處置的河湖疏浚底泥脫水干化配套工藝。該工藝同樣適用于其他地區(qū)有機質(zhì)含量高、含水量高、黏粒含量低及砂礫含量較高污染底泥的處置，同時也通過其他幾類機械脫水試驗，總結(jié)了其脫水效果的優(yōu)劣勢，為今后相關污泥固化脫水工程提供了脫水效率評定方法和工藝選取思路。主要結(jié)論如下。
（1）建立了完整的脫水效果評價試驗體系，分析了待處理污泥的脫水效果。通過SV30沉降試驗初步確定藥劑的選型與用量，隨后經(jīng)過污泥比阻試驗，確定藥劑用量對污泥脫水性能的影響，利用模擬壓榨試驗以及小型隔膜式板框壓濾機中試試驗預測實際生產(chǎn)條件下污泥的脫水固化效果。
（2）相較于其他機械脫水方法，板框壓濾機脫水深度較高，其形成的泥餅含水率在40%左右，且工廠化運營成熟，目前得到了廣泛應用；而離心機和帶式壓濾機的產(chǎn)量雖較高，但其產(chǎn)生的泥餅含水率較大，在60%～70%，可根據(jù)工程所在地對泥餅外運的要求條件選擇使用。
（3）對于地方環(huán)保政策要求嚴格的地區(qū)，建議采用板框壓濾機脫水方式，壓濾產(chǎn)品基本可以滿足要求；對于地方環(huán)保政策要求寬松的地區(qū)，可以采用離心機和帶式壓濾機等方式，成本較少、生產(chǎn)能力較大且壓濾產(chǎn)品可以滿足相關要求。
（4）污泥種類不同，藥劑的選型與用量也不同，針對不同地區(qū)、不同種類的污泥，建議按照文中提及的室內(nèi)試驗方法確定其藥劑的選型與用量，進而用于指導實際工程應用。
