简介： 简要介绍了北京市第九水厂污泥处理工艺流程，小型、中型模拟工艺试验及生产运行情况。生产运行结果验证了模拟试验的结论。2002年12月，九厂日均处理污泥量17 822 m3，回收利用上清液15 848 m3/d，可节约水资源费16.18元/1 000 m3，相应污泥处理费用为 5.26元/1 000 m3。
关键字：污泥处理 浓缩 脱 上清液
北京市第九水厂(九厂)供水能力150万m3/d，分三期建成，每期各50万m3/d。其污泥处理厂主体工程随九厂二期工程同步建设，于1997年6月建成投产。并且随着九厂三期1999年7月正式通水，与三期工程配套的污泥处理厂设备安装也于2000年5月完工，从而实现了与九厂日供水量150万m3相适应的污泥处理规模。
1 九厂污泥处理工艺流程及主要构筑物
1.1 工艺流程
九厂原水取自北京市区东北部的密云水库和怀柔水库，输水管道全长75 km。净配水厂采用常规净水工艺加颗粒活性炭吸附。沉淀池形式一期为机械加速澄清池，二三期为侧向流波形斜板沉淀池；滤池一期采用虹吸滤池，二三期采用厚滤床均质滤料滤池。
九厂污泥处理厂的处理对象为净水厂机械加速澄清池、反应沉淀池排泥和滤池反冲洗产生的污泥。净水厂产生的污泥经一根DN=800的进泥管后，重力流入配泥井，再分由三根 DN=300的输泥管重力输送至污泥处理厂排泥池。排泥池上清液经提升泵房提升均匀回流至水厂回流泵房，最终回至原水混合池重复利用。排泥池底部出泥经泵提升至浓缩池，浓缩池底泥自流入脱水机房，经脱水机压榨脱水制成泥饼外运。污泥处理工艺流程见图1。
1.2 主要构筑物
1.2.1 排泥池
排泥池的作用一方面对净水厂的间断来泥起到调节作用，另一方面回收上清液，对污泥起到一定的浓缩、储存作用。池型采用上方下圆形辐流式排泥 池，单池尺寸24 m ×24 m，池有效水深4.5 m，并设浮动槽收集上清液，设中心悬挂式刮泥机将泥刮至中心。
图1 污泥处理厂工艺流程
1.2.2 浓缩池
浓缩池的功能是对调节后的泥水进一步浓缩，以提高机械脱水效率，缩小脱水机容量。由于给水污泥亲水性很强，污泥必须具备一定的浓度才能得到较好的脱水效果，浓缩池是污泥处理过程中的核心部分，其底流浓度将直接影响污泥脱水的效果。在高浊度和脱水机停机时段，浓缩池还应起到储留污泥的作用。池型采用中心进泥辐流式重力浓缩池，单池尺寸24 m×24 m，池有效水深4.5 m，设中心驱动式刮泥机，并带有垂直栅条，可以加速压缩沉淀过程。为提高浓缩效果，在浓缩池进口污泥提升泵前，预留高分子助凝剂（PAM）加药口以作备用。
1.2.3 脱水机房
脱水的目的是进一步降低污泥的含水率，以利于泥饼的搬运和最终处置。主要设备采用英国的EDWARDS & JONES公司隔膜挤压全自动板框压滤机2台，进泥加絮凝剂后由投料泵输入压滤机，脱水后泥饼外运。隔膜挤压板框压滤机脱水的工作原理是对密闭板框内的污泥进行高压挤压，使滤液通过滤布排出，固态颗粒被截留下来，以达到满意的固液分离效果。板框压滤机板框尺寸1.5 m×1.5 m，泥饼厚度30 mm，泥饼含水率应不大于70%，便于运输，滤框（泥饼）数量130块/台，运行压力1.0 MPa，要求进泥含固率2%。
2 污泥处理试验情况
由于九厂污泥处理投产前国内给水厂尚无成功应用的先例，仅就脱水机械的选择及污泥再利用进行了一些探索。同时国内也没有明确的规范和设计标准，该工程设计主要参照日本水道协会编写的《净水厂排水处理设计》，未经过任何试验验证，对于九厂低温低浊原水产生的以混凝污泥为主的亲水性污泥，排泥池、浓缩池能否实现预设功能，浓缩池底泥含固率能否达到2%，脱水机能否顺利压出泥饼，应该选取何种高分子药剂以帮助实现浓缩稠化、脱水功能，人们心中不免存在许多疑问。
针对上面具体问题，对九厂污泥的泥质泥量进行了调查，模拟实际工艺流程开展了小型、中型试验，最后通过生产运行加以验证。
2.1 污泥性质调查
九厂原水取自密云、怀柔水库。除暴雨季节外，原水浊度常年在5 NTU以下，经常为1 ～2 NTU。原水中主要投加聚合氯化铝和三氯化铁作为水处理药剂，使得水处理过程中的排泥压缩性、脱水性不佳，难以处理。
图2 全厂各处泥量对比情况
九厂污泥由一期机械加速澄清池排泥、二期反应沉淀池排泥、回流水池沉泥三处污泥汇集而成。其中一期排泥结构松散，易发生上浮，呈红棕色；二期排泥，沉降性能良好，沉降颗粒细密，呈棕黄色；回流排泥，比较粘稠，呈黑黄色。各处泥量对比情况见图2，混合污泥性质见表1，全厂泥量统计见图3。
表1 混合污泥性质
| 项目 | 混合污泥 | 原水 |
| pH | 7.14～7.90 | 7.60～8.00 |
| 浊度/NTU | 100～300 | 0.71～1.61 |
| 含泥量/mg/L (相当于含水率/%) |
200～900 (99.91～99.98) |
|
| ζ电位/mV | -20.13 | -10.80 |
| Fe2O32(%) | 34.4 | |
| Al2O32(%) | 13.47 |
图3 排泥量统计
2.2 模拟排泥池和浓缩池试验，验证浓缩底泥含固率
利用量筒静沉试验模拟排泥池、浓缩池小型试验。利用沉降柱静沉试验及动态沉降试验模拟浓缩池中型试验。试验数据见表2。在动态模拟浓缩池中，经过128 h，即5.33天的动态沉降，底泥含泥量可达2.2%。
表2 沉降试验数据
| 项目 | 试验污泥浓度 (mg/L) |
不同沉淀时间沉后 底泥含泥量(时间)(％) |
|
| 量筒静 沉小试 |
模拟排泥池 模拟浓缩池 模拟浓缩池加药混凝 |
200～900 5000～7000 5000～7000 |
(24 h)0.3～0 .75 (24 h)1.0～1.6 (24 h)1.2～1.9 |
| 沉降柱中试 | 静态模拟浓缩池 动态模拟浓缩池 |
5000 3800～6800 |
(24 h)1.3 (72 h)1.8 (128 h)2.2 |
在污泥处理车间的实际运行中，浓缩池刮泥机设置了垂直栅条搅拌，可以加速压缩沉淀过程，加上池深较大，沉淀路径长，其浓缩沉降效果应远优于中试沉降柱。
2.3 小型压缩率试验优选脱水药剂
试验装置见图4，将备选药剂等量加入泥样中，搅拌均匀后，倒入5.5 cm布氏漏斗(内置玻璃纤维滤纸)，开启真空泵及闸阀，控制抽滤时间持续10 min，抽滤过程中注意保持漏斗内泥面高度恒定。通过比较投加不同药剂，滤过水体积的变化，选择脱水性能优良且价格低廉者作为优选脱水药剂。试验结果见表3。
图4 压缩率试验装置
表3 药剂脱水性能比较
| 投加药剂 | 空白 | 7#(阳) | 6#(阴) | 9#(阳) | 4#(阴) |
| 滤液体积(mL) | 16.8 | 31 | 24 | 44 | 46 |
| 价格(万元/t) | 5.5 | 3.5 | 2.2～2.5(25%) | 3.5 |
比较表3中几种药剂，可以得出 4#药剂效果较优且价格相对便宜。同样采用上述试验方法，比较4#药剂在不同投量下的脱水效果，优选加药量，结果见图5。
图5 4#药剂药量选择曲线
试验得出：在污泥含固率达到2％以上时，4#药剂的适宜投配率为2.5‰；而污泥含固率2 ％以下时，其适宜投配率为2‰。
2.4 小试模拟浓缩池优选浓缩药剂及药量配比
根据厂家推荐和类似用户使用情况，选取8种药剂进行对比试验，其中5种为阳离子型，3 种为阴离子型药剂(见图6)。在量筒静沉试验中，将加入待选药剂的泥样快速注入1 L量筒，比较静沉的效果(见图7和图8)。
按照沉降速度快，沉降效果优，底泥浓度高，投 加药量低的原则，选出6#药剂和4#药剂作为试验的首选药剂。而其中加入6#药剂静沉一段时间后，污泥上浮严重，故略去不计。
图6 药剂价格比较
图7 投加浓缩药剂沉后对比
图8 浓缩药剂优选曲线
对4#药剂配制储备液质量分数1％，使用液质量分数1‰，采用不同药量分组平行试验，结果见图9，适宜加药量为1.8 mg/L。
图9 4#药剂药量选择曲线
聚丙烯酰胺的使用效果在水解时比未被水解的好，生产中应尽量采用水解体。其水解比通过试验求得。
将4#药剂配制成0.05‰，0.1‰，1‰，1.5‰四种不同质量分数的溶液，放置一天待溶液完全溶解均匀后，以相同的固体投加量加注到1 L浓缩污泥中，进行模拟浓缩池量筒静沉平行试验，观察投加不同浓度的药剂对污泥沉降的影响。试验结果见图10。
图10 投加不同质量分数药剂的污泥沉降曲线
从图10可以看出，投加药剂浓度越低，初始沉降性能越好。但在沉降700 min时，投加药剂质量分数0.05‰，0.1‰与质量分数1‰的污泥沉降效果已基本接近。经24 h沉降后，投药质量分数1‰的污泥沉降效果最佳。可以认为，使用液质量分数1‰时，4#药剂的水解效果最好。
2.5 模拟板框压滤机试验
试验装置见图11。进料桶内放置加药搅拌后的浓缩污泥，将滤板配好滤布(压滤前预先浸湿)，放置整齐。转动螺杆推动压紧板压紧滤板，压紧程度以通入物料不发生泄漏为宜。启动齿轮泵，开始压滤,调节压滤机的进料压力保持在0.3 MPa左右。压滤结束后，反向转动螺杆，松开压紧板拉开滤板，取出滤板间的泥饼，测定其含泥量及有机物含量。试验结果见表4和图12。
图11 压滤试验装置示意
压力控制在0.3～0.35 MPa，含固率范围1.7%～3.6％的污泥，经过4～10 h的压滤过程，均可顺利压制出泥饼，所得泥饼含固率24.7%～31.1％，泥饼中有机物含量为37.83%～4 2.66％；随着压滤时间的延长，泥饼含固率开始阶段呈现显 著增加的趋势，直到接近某个极限值后，不再有明显增加；而且进泥含固率越高，压滤时间越短。并且在较优加药率(即进泥含固率为2％以上时，4#药剂投加率2.5‰)下，压滤时间较短。
图12 压滤时间与泥饼含固率关系
表4 压滤时间比较
| 项目 | 进泥含固率(%) | 加药率(%) | 压滤时间(h) | 泥饼含固率(%) |
| 不同进泥含固率 | 2.5～2.6 3.5～3.6 |
2.5 2.5 |
8.05 5.87 |
26.40 27.7～29.5 |
| 不同加药量 | 2.6 2.5～2.6 |
1.3 2.5 |
8.8 4.05 |
24.7 25 .37 |
| 低含固率污泥 | 1.7～1.9 | 2.0 | 10.0 | 31.1 |
2.6 高分子有机物单体分析
根据我国卫生部2001年《生活饮用水卫生规范》生活饮用水水质非常规检验项目中，丙烯酰胺限值为0.000 5 mg/L。因此，委托核工业北京化工冶金研究院有机所对PAM药剂，小型静态模拟浓缩池上清液及模拟板框压滤机试验滤出液进行丙烯酰胺残余单体分析。样品测定结果见表5。
表5 样品中聚丙烯酰胺残余单体含量比较
| 样品名称 | 药1# | 药2# | 药3# | 药6# | 药4# | 上清液 | 滤出液 |
| 聚丙烯酰胺残余单体含量(mg/L) | 27 | 157 | 32 | <1 | 8 | <1 | <1 |
现有分析技术测定微量单体丙烯酰胺浓度极为困难，对于模拟浓缩池上清液及模拟压滤试验滤出液，单体含量在其检出限以下，即小于1 mg/L。于是假定丙烯酰胺单体在浓缩、脱水过程中不再有析出，则投加药剂中的单体含量是含在分离液中的最大量值。通过以下计算可得出单体丙烯酰胺浓度：
A=C×a/100 (1)
式中A -- 分离液中残余的单体丙烯酰胺浓度， mg/L；
C --高分子絮凝剂投加浓度，mg/L；
a--高分子絮凝剂中单体丙烯酰胺的质量分数，%。
根据式(1)推算， 4#药剂中单体丙烯酰胺含量为8 mg/L，即a为0.0008，模拟浓缩池投加4#药剂浓度C为1.8 mg/L，则
A1=1.8×0.000 8/100=1.44×10-5mg/L
模拟板框压滤试验，投加4#药剂质量分数2.5‰(以干泥计)，含泥量0.02～0.06，以高值0.06估算，C=0.06×2.5‰=0.15‰=150 mg/L，则
A2= A1+150×0.0008/100
= 1.214 4×10-3mg/L
由上得出，模拟浓缩试验上清液中聚丙烯酰胺残余单体含量A1小于0.000 5 mg/ L，符合饮用水水质要求。而模拟板框压滤试验滤出液A2计算结果略大于0.000 5 mg/L。但实际应用中，上述分离液回用时还要在混合池内与大量的排泥池上清液以及原水混合、稀释，其单体含量可完全符合饮用水水质要求，保证安全。
2.7 生产运行
排泥池、浓缩池生产运行情况见表6。
表6 九厂污泥处理车间运行情况
| 项目 | 进泥量(m3/d) | 上清液 | ||||
| 日均 | 最高日 | 最低日 | 浊度(NTU) | pH | 回收量(m3/d) | |
| 排泥池 | 5522 | 14676 | 1446 | 3.4～6.2 | 7.68 | 2222 |
| 浓缩池 | 3300 | 6854 | 200 | 5.2 | 7.63 | 排弃 |
脱水机实际运行，参考每日进泥情况，采取一天或两天压一次泥饼，使用4#药剂。在进泥含固率2.28％，投药率2.58‰下，经过一个压滤周期，所得泥饼含固率为31％。当进泥含固率5%～6%时，制得泥饼含固率可高达46%；单块泥饼成型尺寸1500 mm×1500 m m，厚约3 cm，呈深棕红色。完全验证了前期试验的结论。
3 现状运行情况及成本分析
九厂污泥处理车间自1997年正式运行以来，已经历了近6个年头。污泥处理车间现有操作人员8人，三班运行方式，每日制泥4～6车。工艺在原设计基础上进行了优化，如在进入污泥处理厂前的6号闸井内加设篦子，避免排泥池表面有漂浮物；将浓缩池上清液回流至混合池，节约原水资源；在浓缩池泥水界面处增设浓度计，监测污泥浓度的变化；在加药罐出口设一手阀，便于人工控制进泥过程加药。
随着环保要求的日益提高，节约水资源意识不断加强，水厂自用水量的控制越来越严格，九厂封闭了设备故障时用的污泥排放口。2002年10月运行数据见表7。进入11月下旬，密云水库发生水华，水厂预处理工艺由预加氯改为投加高锰酸钾，使滤池负担增加，反冲洗周期缩短，污泥量猛增。污泥处理车间通过增加制泥班次，增加浓缩池上清液回收，保证了正常生产。12月运行数据见表7。污泥处理成本估算见表8。
表7 九厂污泥处理车间现状运行情况
| 月份 | 进泥量(m3/d) | 排泥池上清液 (m3/d) |
浓缩池上清液 (m3/d) |
制泥量 (t/d) |
| 200210 | 10869 | 7584 | 2106 | 18.39 |
| 200212 | 17822 | 8177 | 7671 | 19.68 |
表8 九厂污泥处理费用估算
| 净生产1000 m3 自来水相应处理费 |
药费 | 电费 | 设备折旧 | 设备维护 | 人工 | 合计 |
| 0.15 | 1.36 | 3.26 | 0.05 | 0.44 | 5.26 | |
| 节约水资源费 | 16.18 | |||||
| 回收居民用水费 | 33.36 | |||||
②回收上清液量15848 m3/d(以2002年12月计)；
③机械折旧期采用20年；
④人工工资为1.9万元/(人·年)；
⑤电费为0.57元/(kW·h)；
⑥水资源费以0.97元/m3计；
⑦水厂日均净产水量以95万m3计；
⑧居民用水费以2.0元/m3计。
4 存在问题及建议
实践证明，九厂污泥处理工艺合理，技术可行，适应变化能力强，处理效果好，运行成本较低，值得推广应用。
但同时，也还存在一定的客观问题，九厂二三期工程为贷款项目，关键设备多采用国外设备，工程施工、设备订货、安装及使用未能维持在一个合理有效的期间内进行。设备运行投产之时，早已过了售后服务期限，以致没有完整的售后技术支持和培训，设备出现质量问题时，无法对生产厂家进行索赔。一些国外设备很难在国内买到原装零配件，使用国内类似产品替代，效果不佳。今后应合理安排工程建设计划进度，避免发生类似情况。
另外，设计考虑欠妥，给生产带来不必要的麻 烦。如脱水机前，国外配套设备包括一个提升罐，以保证为脱水机提供足够容量和浓度的污泥。国内设计中未予考虑。长期运行中发现，由于脱水机进泥压力是一个由大到小变化的过程，而浓缩污泥浓度较高，流动性差，池底积泥不均匀，在污泥抽吸过程中，经常会有污水清液进入，依靠泵的直接抽吸很难保证污泥的浓度和容量，从而造成制泥班次成倍增加，降低了工作效率。应尽快补充这一设备。
前面试验分析过污泥脱水滤出液中高分子有机物单体浓度可以满足生活饮用水要求，今后还要从生产厂家入手，进一步分析其毒理性，以尽快实现滤出液回收利用，更有效地节约有限的水资源。
污泥处理运行管理的重心在于针对不同水质变化，找出最佳的运行模式、运行参数；更重要的是尽可能从开始阶段稠化污泥浓度，切实做到污泥减量增稠，从而降低各个处理环节的成本。