上海污泥深度脫水運(yùn)行優(yōu)化探索
技術(shù)支持
污泥深度脫水是近幾年發(fā)展起來的應(yīng)急污泥處理工藝。在污泥 處理處置工程建成前，仍將發(fā)揮一段時(shí)間的作用。分析了某污水處理廠深度脫水運(yùn)行情況，重點(diǎn)開展了藥劑替代試驗(yàn)，提出可用于生產(chǎn)的替代藥劑組合，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目標(biāo)。
上海于1923年建成了國內(nèi)較早的城鎮(zhèn)污水處理廠，經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是“十一五”、“十二五”的大力建設(shè)，目前全市共有53座污水處理廠。2012年以前，上海市城鎮(zhèn)污水處理廠污泥多為簡(jiǎn)單脫水至含水率80%后填埋。隨著“關(guān)于加強(qiáng)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知”（環(huán)辦[2010]157號(hào)）出臺(tái)，以及原 環(huán)保部減排核查要求逐步將污泥處理處置納入核查范圍，由此導(dǎo)致單純依托污水處理廠的機(jī)械脫水工藝無法滿足環(huán)保要求。為此，2012年間，上海市興建了一批污泥應(yīng)急工程，采用板框壓濾機(jī)進(jìn)行深度脫水，以衛(wèi)生填埋為處置出路。全國范圍來看，廈門、杭州、無錫等地也紛紛先后建成投產(chǎn)了深度脫水。深度脫水路線長(zhǎng)期以來為上海市污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，截至目前，深度脫水在全市污泥處理處置中仍占比高達(dá)60%。在規(guī)劃污泥 工程仍處于建設(shè)或前期階段，現(xiàn)狀污泥深度脫水仍將持續(xù)發(fā)揮作用，應(yīng)急背景下該工藝路線確實(shí)存在諸多問題，有必要研究深度脫水工藝優(yōu)化改造的可行技術(shù)。
本文以某廠深度脫水為典型案例，分析了其多年來的運(yùn)行情況，以及后續(xù)提高產(chǎn)能及優(yōu)化成本的試驗(yàn)成果。
1 深度脫水概況
該廠位于浦東新區(qū)，緊鄰長(zhǎng)江，占地面積254h㎡，服務(wù)范圍包括閔行、徐匯、長(zhǎng)寧、黃埔、浦東新區(qū)等，服務(wù)面積1255k㎡。該廠建成于1999年，當(dāng)時(shí)以預(yù)處理后排放為主，隨后2004年建成了一級(jí)加強(qiáng)工藝，2008年建成了二級(jí)生物處理工藝，2013年新增了一級(jí)B工藝。隨著污水處理規(guī)模及處理程度的不斷提升，污泥產(chǎn)生量也在不斷增加。該廠原先污泥處理處置以脫水后填埋為主，應(yīng)政府部門要求，該廠于2012年12月建成了污泥深度脫水工藝，服務(wù)于本廠及外廠污泥的進(jìn)一步深度脫水后滿足填埋要求，運(yùn)往填埋場(chǎng)。
該深度脫水工程于2011年12月開工，工程總投資2.61億元，總占地面積2.67k㎡，位于廠區(qū)北側(cè)圍墻內(nèi)，建設(shè)規(guī)模為300tDS（含水率80%），經(jīng)過深度脫水后污泥達(dá)到60%含水率，負(fù)責(zé)接納共計(jì)11座污水處理廠產(chǎn)生的污泥。根據(jù)設(shè)計(jì)，深度脫水前的污泥需加入鐵鹽和石灰作為調(diào)理劑進(jìn)行污泥性質(zhì)調(diào)理，其投加量分別為8%、20%，經(jīng)深度脫水后的污泥應(yīng)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》（GB/T 23485-2009）標(biāo)準(zhǔn)的要求，即含水率≤60%，剪切強(qiáng)度≥25kN/㎡等指標(biāo)。
該廠深度脫水系統(tǒng)主要由4部分組成：
（1）混合調(diào)理系統(tǒng)。對(duì)濃縮污泥和脫水污泥進(jìn)行混合稀釋調(diào)理，調(diào)理后污泥的含水率控制在95%左右。
（2）藥劑系統(tǒng)。設(shè)置FeCl3溶液儲(chǔ)罐和熟石灰儲(chǔ)罐、消解罐，通過投加泵將藥劑投加至調(diào)理池。
（3）化學(xué)調(diào)理系統(tǒng)。對(duì)稀釋后的污泥先后通過定量投加FeCl3和石灰乳液進(jìn)行化學(xué)調(diào)理，改善其脫水性能。
（4）隔膜壓濾系統(tǒng)。利用隔膜壓濾機(jī)的2次壓榨（低壓、高壓）作用對(duì)化學(xué)調(diào)理后的污水進(jìn)行深度脫水，使污泥的含水率降至60%以下。隔膜壓濾機(jī)共計(jì)26套，其中國產(chǎn)設(shè)備20套，進(jìn)口設(shè)備6套，單臺(tái)處理能力不小于15tDS/d，每批次時(shí)間不大于4h。
2 實(shí)際運(yùn)行情況
2.1 主要運(yùn)行數(shù)據(jù)
經(jīng)統(tǒng)計(jì)2013～2017年運(yùn)行數(shù)據(jù)，該深度脫水系統(tǒng)實(shí)際處理量與設(shè)計(jì)規(guī)模相近，隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累、設(shè)施設(shè)備改造的投入，實(shí)際處理量呈現(xiàn)逐漸提高的趨勢(shì)。
由于污泥性質(zhì)隨著氣溫、污水處理工藝等影響，深度脫水的處理能力也受其影響，以2014年為例，年平均處理污泥量為283tDS/d，F(xiàn)eCl3投加率11.8%，石灰投加率30.3%。分析該廠污泥VSS/SS變化趨勢(shì)，1～4月VSS/SS介于60%～70%，污泥較難脫水，此階段污泥處理量普遍低于250tDS/d，石灰投加率達(dá)到30%～50%。5～8月，VSS/SS接近50%，污泥處理量高于300tDS/d，石灰投加率基本穩(wěn)定低于30%。9月期間，深度脫水系統(tǒng)卸料、調(diào)理分組清淤檢修，處理量異常。10～12月，VSS/SS逐步提高，污泥處理量維持略低于300tDS/d。
2.2 存在問題
盡管日平均處理量已逐年提高，基本達(dá)到設(shè)計(jì)值，但藥劑投加量仍遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。實(shí)際運(yùn)行表明，一旦藥劑投加量降低，極易導(dǎo)致進(jìn)泥壓力過高，進(jìn)泥量受限，壓濾后泥餅不成形等問題，因此實(shí)際運(yùn)行中藥劑投加量始終居高不下。這帶來一系列問題：污泥調(diào)理過程中添加大量的石灰及FeCl3，對(duì)設(shè)施設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕磨損；添加的藥劑全部轉(zhuǎn)移到深度脫水后的污泥中，減量效率大大下降，侵占了大量的填埋空間；投加石灰的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境石灰粉塵四溢，設(shè)備磨損嚴(yán)重，對(duì)職工職業(yè)健康危害極大；調(diào)理后的污泥pH高達(dá)11～12，導(dǎo)致大量的氨氣在調(diào)理區(qū)、壓濾車間散發(fā)，臭氣問題嚴(yán)重影響操作空間作業(yè)人員安全。此外，隨著該廠污水處理量的不斷攀升，污泥產(chǎn)量也在不斷增長(zhǎng)，急需污泥深度脫水提高產(chǎn)能應(yīng)對(duì)增長(zhǎng)的污泥。
3 優(yōu)化改進(jìn)試驗(yàn)及結(jié)果分析
鑒于存在上述問題，有必要探索使用替代藥劑，從而大大減少石灰用量，以期提高污泥產(chǎn)量，以應(yīng)對(duì)污泥處理量增長(zhǎng)的需求；提高污泥減量效率，減少污泥脫水產(chǎn)生的泥餅體積，降低處置壓力；降低運(yùn)行成本，一定程度改善作業(yè)環(huán)境。藥劑選擇的原則是原料易得，盡可能避免二次污染，脫水后的泥餅符合當(dāng)前處置的要求（含水率、橫向剪切力），兼顧處置的多種方向可能性。在借鑒天津、嘉興、杭州等地板框脫水運(yùn)行成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，擬從藥劑選型方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。由于該深度脫水系統(tǒng)規(guī)模較大、影響范圍廣，優(yōu)化改進(jìn)試驗(yàn)宜穩(wěn)妥開展，試驗(yàn)過程經(jīng)歷了小試藥劑選型、中試模擬試驗(yàn)，單臺(tái)生產(chǎn)性驗(yàn)證，以期探索較佳藥劑選型及組合，較佳運(yùn)行工況，較優(yōu)運(yùn)行結(jié)果。
3.1 小試
試驗(yàn)?zāi)康模撼醪胶Y選有機(jī)藥劑，確定藥劑投加比例組合，減少無機(jī)藥劑投加量。
試驗(yàn)方案及過程：針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)深度脫水進(jìn)泥，進(jìn)行壓濾試驗(yàn)對(duì)比，測(cè)定藥劑添加前、后污泥的CST。首先確定鐵鹽投加，從1%開始，每1%作為一個(gè)提高梯度，不斷提高鐵鹽的投加量，同時(shí)記錄投加鐵鹽進(jìn)行反應(yīng)以后的污泥CST值的變化。在得出合適的鐵鹽投加量和反應(yīng)時(shí)間之后，再進(jìn)行石灰投加量梯度試驗(yàn)結(jié)合不同離子度、相對(duì)分子質(zhì)量以及分子結(jié)構(gòu)反相乳液型聚丙烯酰胺的交叉投加試驗(yàn)，以確定濾水速度較優(yōu)和投加量較少的產(chǎn)品作為候選產(chǎn)品，初步篩選優(yōu)化藥劑組合。
試驗(yàn)結(jié)果：隨著鐵鹽投加量的增加，CST呈現(xiàn)下降后上升的變化趨勢(shì)。隨著反應(yīng)時(shí)間增加、石灰投加量增加、絮凝劑的投加量增加，CST的數(shù)值都呈現(xiàn)下降隨后升高的現(xiàn)象，選取CST低點(diǎn)作為合適投加點(diǎn)進(jìn)行正交叉試驗(yàn)后得到的數(shù)據(jù)作為優(yōu)選推薦加藥量和反應(yīng)時(shí)間。多輪小試試驗(yàn)比較結(jié)果表明，攪拌反應(yīng)時(shí)間較優(yōu)的區(qū)間為30～90min（持續(xù)攪拌），在鐵鹽投加量為6%的前提下，石灰的投加量需要10%（干基折算氧化鈣含量）左右，絮凝劑的投加量10kg/tDS，此時(shí)能實(shí)現(xiàn)泥餅含水率低于60%的要求，該初選配方作為中試的基礎(chǔ)。
3.2 中試
試驗(yàn)日期為2016年7月～2017年10月，試驗(yàn)通過小型板框試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬該廠現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)、工藝條件，進(jìn)行不同藥劑配方的篩選、對(duì)比、優(yōu)化，尋求較優(yōu)配方。
試驗(yàn)方案及過程：用潛污泵直接從污泥稀釋池抽取實(shí)際生產(chǎn)污泥，按照小試試驗(yàn)結(jié)果，在污泥調(diào)理罐內(nèi)分布投加鐵鹽和石灰進(jìn)行無機(jī)調(diào)理，同時(shí)在絮凝劑制備罐內(nèi)按照合理濃度溶解制備絮凝劑溶液；按照實(shí)際生產(chǎn)同樣的進(jìn)泥壓力、保壓時(shí)間、壓榨壓力、壓榨時(shí)間設(shè)定試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)，分別通過調(diào)理罐內(nèi)加藥、在線加藥（泵前、泵后、經(jīng)過混合器、不經(jīng)過混合器）等不同的工藝方式進(jìn)行壓濾試驗(yàn)。通過對(duì)泥餅的含水率、橫向剪切力等進(jìn)行測(cè)試作為評(píng)判試驗(yàn)是否成功的標(biāo)準(zhǔn)。
試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過在現(xiàn)場(chǎng)不同季節(jié)共計(jì)200個(gè)批次的試驗(yàn)，鐵鹽的加藥量從4%～10%，石灰投加從5%～20%，絮凝劑投加量由4～16kg/tDS進(jìn)行交叉試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同的外廠污泥配比、差異化的溫度條件，并且對(duì)大部分配方進(jìn)行二次試驗(yàn)論證，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合比較、分析，基于該廠的污泥性質(zhì)以及運(yùn)行工況，使用6%FeCl3+10%石灰+EM440HIB的配方，完全能夠達(dá)到現(xiàn)有石灰加鐵鹽工藝的深度脫水效果以及處理量的要求，并比較綜合處理成本、配方穩(wěn)定性等因素，確定為生產(chǎn)性試驗(yàn)推薦配方。
3.3 生產(chǎn)性試驗(yàn)
3.3.1 試驗(yàn)方案及過程
試驗(yàn)日期為2017年1月～2018年3月，選取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的1臺(tái)板框機(jī)作為生產(chǎn)性試驗(yàn)用機(jī)，新增臨時(shí)儲(chǔ)泥罐，將卸料池內(nèi)污泥提升入儲(chǔ)泥罐，在罐內(nèi)添加FeCl3、石灰等藥劑，乳液絮凝劑則通過進(jìn)泥螺桿泵（高壓）前管道接口在線投加，進(jìn)入該板框機(jī)試驗(yàn)。為了盡量減少對(duì)正常深度脫水生產(chǎn)的影響，以及每天對(duì)試驗(yàn)情況有更好的總結(jié)，試驗(yàn)安排在白天進(jìn)行，晚上切換回廠里現(xiàn)狀運(yùn)行方式。對(duì)于效果理想的試驗(yàn)配方至少進(jìn)行3d以上的重復(fù)驗(yàn)證，以排除偶發(fā)現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)的影響。
3.3.2 試驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)
本次生產(chǎn)性試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)狀深度脫水后填埋處置的要求，檢測(cè)污泥含水率及抗剪強(qiáng)度，具體檢測(cè)指標(biāo)見下表：
檢測(cè)指標(biāo) | 檢測(cè)方法 | 檢測(cè)頻率 |
CST | 便攜式CST0測(cè)試儀 | 每個(gè)批次原泥、調(diào)理后污泥 |
含水率 | 快速水分測(cè)定儀 | 每個(gè)批次固定3塊板框，各取2個(gè)平行樣 |
抗剪強(qiáng)度 | 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999） | 不同工藝或配方重復(fù)檢測(cè)2次 |
3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
（1）主要運(yùn)行參數(shù)分析：試驗(yàn)主要采用藥劑新配方組合，同時(shí)對(duì)比現(xiàn)狀藥劑配方組合，經(jīng)長(zhǎng)期試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，平均藥劑投加率及其他參數(shù)如下表所示：
參數(shù) | 新配方 | 原配方 | 對(duì)比 |
PAM投加率/kg/tDS | 10 | - | - |
FeCl3/% | 6 | 11.83 | 降低49% |
石灰投加率/% | 10 | 30 | 降低67% |
批次進(jìn)泥量（純污泥）/tDS | 3.24 | 2.75 | 升高18.9% |
批次處理時(shí)間 | 3：17 | 3：18 | 相近 |
泥餅含水率/% | 54.16 | 57.37 | 降低5.6% |
泥餅抗剪強(qiáng)度/kN/㎡ | 72.2 | 80.8 | 相近 |
與現(xiàn)狀運(yùn)行模式對(duì)比，污泥處理量顯著提高，平均達(dá)到18.9%；鐵鹽及石灰用量顯著下降，下降幅度分別達(dá)到49%、67%；壓濾后的泥餅含水率更低，含水率及抗剪強(qiáng)度均符合填埋標(biāo)準(zhǔn)。
（2）經(jīng)濟(jì)性分析：根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，分析試驗(yàn)藥劑替代經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)藥劑單價(jià)、污泥運(yùn)輸處置單價(jià)不變的情況，根據(jù)上述運(yùn)行結(jié)果，經(jīng)綜合比較后，藥劑費(fèi)、運(yùn)輸處置費(fèi)可下降22%，顯著節(jié)約運(yùn)行成本。
（3）環(huán)境影響分析：采用試驗(yàn)配方，調(diào)理后污泥pH為8.8，而現(xiàn)狀生產(chǎn)中調(diào)理后污泥pH高達(dá)12。由于pH的大幅降低，有助于減少污泥中氨氣的釋放。
3.3.4 試驗(yàn)結(jié)論
針對(duì)該廠深度脫水工藝，生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果表明，新的藥劑配方組合在現(xiàn)狀設(shè)備上能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)，在顯著提高產(chǎn)能的同時(shí)，大幅降低了石灰、FeCl3的投加量，產(chǎn)生的泥餅量也有所降低，藥劑及運(yùn)輸處置費(fèi)進(jìn)一步降低，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)一步改善，驗(yàn)證了其生產(chǎn)可行性，為整體改造提供了充分的依據(jù)。
4 結(jié)語
（1）該廠污泥深度脫水自2012年投產(chǎn)以來，實(shí)際處理情況一直處于滿負(fù)荷運(yùn)行，處理能力接近設(shè)計(jì)值，但為了保證處理效果，投加藥劑量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，帶來一系列問題。隨著該廠污水處理量的不斷攀升，對(duì)污泥深度脫水產(chǎn)能提高的需求不斷加劇。
（2）經(jīng)過小試、中試、生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證后，采用乳液絮凝劑部分替代石灰、FeCl3，在出泥含水率及抗剪強(qiáng)度保障的前提下，可實(shí)現(xiàn)處理能力的提升及藥劑的節(jié)約，經(jīng)綜合成本比較分析，藥劑及污泥后續(xù)運(yùn)輸處置成本可降低22%。
（3）上述試驗(yàn)成果為該廠污泥深度脫水的改造提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及依據(jù)。此外，生產(chǎn)性試驗(yàn)期間氣溫較低，污泥不易脫水，實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著季節(jié)變化還可進(jìn)一步探索減少石灰甚至不加石灰的可行性，以期進(jìn)一步提高產(chǎn)能。
