胡鋒平　　　　　　　 鄧榮森 　　　　　　何洪　　　　　　　　　　　　 黃祁
（重慶大學(xué) 華東交通大學(xué)）（重慶大學(xué)）（南昌朝陽洲污水處理廠）（麥王國際商務(wù)（上海）有限公司）

　　摘　要：本文對(duì)城市污水處理廠污泥濃縮工藝的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并展望了城市污水處理廠污泥濃縮工藝的發(fā)展趨勢(shì)。
　　關(guān)鍵詞：城市污水處理廠 重力濃縮 氣浮濃縮 離心濃縮 工藝 進(jìn)展

1　引論

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日趨重視，城市污水處理廠的建設(shè)日益增多，相應(yīng)地污水處理廠所產(chǎn)生的污泥量也日益增多。污泥量的多少與污水的性質(zhì)（水質(zhì)濃度，生活污水與工業(yè)廢水的比例）、污水處理工藝以及污水處理程度等有關(guān)。城市污水處理廠產(chǎn)生污泥量約（以含水率97％計(jì)）占污水量的的4‰～6‰^[1]，1×10⁴ m³可產(chǎn)生干污泥1～2噸左右。
　　城市污水處理廠污泥具有含水率高，體積大，易腐敗，有惡臭的特點(diǎn)，污泥處理處置的目的是以減容化，穩(wěn)定化，無害化，資源化為原則。城市污水處理廠污泥處理處置費(fèi)用高，故污泥處理處置越來越引起人們的重視。
　　根據(jù)污泥中所含水分與污泥結(jié)合的情況，污泥中所含的水分可分為自由水和結(jié)合水兩大類^[2]，自由水和結(jié)合水的分類界限，不同的研究者提出了不同的定義，但廣為接受的是1956年Heukelekian和Weinberg^[3]提出的在某一特定溫度下（一般指-20℃）不凍結(jié)的水稱為結(jié)合水，通常采用膨脹計(jì)進(jìn)行測(cè)定，污泥中只有少部分水分以結(jié)合水的形式存在。自由水（free or bulk water）指的是不直接與污泥結(jié)合，也不受污泥顆粒影響的那部分水，這部分水可通過濃縮或機(jī)械脫水與污泥顆粒分離，污泥中大部分水是以這種形式存在。結(jié)合水可分為空隙水、毛細(xì)水、水合水?？障端╥nterstitial water）存在于絮體或有機(jī)體的空隙之間，條件變化時(shí)（如有絮體破壞時(shí)）可變成自由水；毛細(xì)水（vicinal water）指的是結(jié)合力大，結(jié)合緊的多層水分子，機(jī)械脫水時(shí)不能脫出這部分水；水合水（water of hydration）存在于細(xì)胞內(nèi)，機(jī)械脫水時(shí)也不能脫出這部分水，通過熱能才能脫出這部分水分。
　　污泥濃縮的主要目的是減少污泥的體積^[4]，減少后續(xù)構(gòu)筑物或處理單元的壓力；主要對(duì)象是去除污泥中的自由水和空隙水。污泥濃縮工藝的選擇主要取決于產(chǎn)生污泥的污水處理工藝、污泥的性質(zhì)、污泥量和需達(dá)到的含水率要求。
　　本文對(duì)城市污水處理廠污泥濃縮工藝的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并根據(jù)污水處理工藝的發(fā)展要求展望了城市污水處理廠污泥濃縮工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

2　污泥濃縮方法

　　污泥濃縮的方法通常有五種：重力濃縮，氣浮濃縮、離心濃縮、帶式濃縮機(jī)濃縮和轉(zhuǎn)鼓濃縮機(jī)濃縮等。
2.1　重力濃縮
　　重力濃縮本質(zhì)上是一種沉淀工藝，屬于壓縮沉淀^[5]。
　　初沉池污泥的比重平均為1.02～1.03，污泥顆粒本身的比重約為1.3～1.5，初沉污泥易于實(shí)現(xiàn)重力濃縮；活性污泥的比重約在1.0～1.005之間，活性污泥絮體本身的比重約為1.0～1.01，當(dāng)處于膨脹狀態(tài)時(shí)，其比重甚至小于1，因而活性污泥一般不易實(shí)現(xiàn)重力濃縮。
　　重力濃縮池一般采用固體表面負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，初沉污泥的固體表面負(fù)荷一般采用90～150 kg／m²·d，二沉池污泥含水率為99.2％～99.6％時(shí)，二沉污泥固體表面負(fù)荷一般采用10～30 kg／m²·d，污泥濃縮時(shí)間不小于12小時(shí)，濃縮后污泥含水率為97％～98％。在污水處理廠中一般將初沉污泥和二沉污泥混合后采用重力濃縮，這樣可以提高重力濃縮池的濃縮效果，重力濃縮池固體表面負(fù)荷根據(jù)取決于二種污泥的比例。
　　重力濃縮可以分為間歇式和連續(xù)式兩種，間歇式重力濃縮主要用于小型污水處理廠，連續(xù)式重力濃縮主要用于大、中型污水處理廠。
2.2氣浮濃縮
　　根據(jù)氣泡形成的方式，氣浮可以分為：壓力溶氣氣浮、生物溶氣氣浮、渦凹?xì)飧?、真空氣浮、化學(xué)氣浮、電解氣浮等，在污泥處理中壓力溶氣氣浮工藝已廣泛應(yīng)用于剩余活性污泥濃縮中，生物溶氣氣浮工藝濃縮活性污泥也已有應(yīng)用，渦凹?xì)飧」に囋谖勰酀饪s中的應(yīng)用正在摸索中，其它幾種氣浮在污泥濃縮中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。
2.2.1　壓力溶氣氣浮
　　十九世紀(jì)末，溶氣氣?。―AF）最早應(yīng)用于采礦工業(yè)，二十世紀(jì)二十年代，溶氣氣?。―AF）技術(shù)開始應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。溶氣氣?。―AF）技術(shù)在工業(yè)廢水處理中得到廣泛應(yīng)用，也被應(yīng)用于城市污水處理廠的污水處理及污泥濃縮等領(lǐng)域^[6]。
　　自1957年第一個(gè)溶氣氣浮（DAF）裝置在紐約的Bay Park污水處理廠較成功地處理污泥以來，溶氣氣?。―AF）技術(shù)在許多國家城市污水廠得到了廣泛應(yīng)用，如挪威Gross污水處理廠采用DAF濃縮Biowin生物脫氮除磷工藝產(chǎn)生的剩余污泥，取得了滿意的結(jié)果。
　　溶氣氣浮（DAF）具有較好的固液分離效果，不投加調(diào)理劑的情況下，污泥的含固率可以達(dá)到3％以上，投加調(diào)理劑時(shí)，污泥的含固率可以達(dá)到4％以上^[7]，為了提高濃縮脫水效果，通常在污泥中加入化學(xué)絮凝劑，藥劑費(fèi)用是污泥處理的主要費(fèi)用。
　　我國80年代開始對(duì)溶氣氣?。―AF）濃縮城市污水處理廠剩余污泥進(jìn)行了研究，姚毅^[8]等通過對(duì)上海東區(qū)污水處理廠和彭浦新村污水處理廠的剩余污泥進(jìn)行濃縮試驗(yàn)，分析討論了污泥性質(zhì)、氣固比、固體負(fù)荷、氣浮池高度、混凝劑及刮泥等因素對(duì)氣浮濃縮效果的影響，認(rèn)為：沉降、壓縮性能、活性較好的污泥其氣浮濃縮性能也較好，固體負(fù)荷是影響浮泥濃度的主要因素。何群彪等^[9]采用溶氣氣浮（DAF）對(duì)上海北郊污水處理廠剩余污泥進(jìn)行了小試和中試研究，得出了污泥溶氣氣浮技術(shù)濃縮剩余污泥工藝的主要設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。主要參數(shù)為：氣固比為As=0.01～0.025，溶氣壓力：0.25～0.35MPa，固體負(fù)荷：350～450Kg/m²·d，水力負(fù)荷：150～200m³/m²·d，污泥含固率達(dá)4％，出水SS<200mg/L。當(dāng)溶氣氣浮工藝濃縮活性污泥時(shí)，其表面負(fù)荷通常取50～120Kg/m²·d^[7]。
　　我國成都市三瓦窯污水處理廠也采用了溶氣氣浮（DAF）濃縮來自二沉池的剩余污泥^[10]。設(shè)計(jì)進(jìn)泥含水率按99.4%，出泥含水率按96%，溶氣壓力為.0.5 Mpa，氣固比為0.015，負(fù)荷為50 Kg/m²·d，水力負(fù)荷為1.1 m³/m²·h。
　　壓力溶氣氣浮工藝濃縮剩余活性污泥具有占地面積小，衛(wèi)生條件好，濃縮效率高，在濃縮過程中充氧，可以避免富磷污泥磷的釋放等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備多，維護(hù)管理復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高。
2.2.2　生物氣浮濃縮
　　1983年瑞典Simoma Cizinska開發(fā)了生物氣浮工藝^[11]，利用污泥的自身反硝化能力，加入硝酸鹽，污泥進(jìn)行反硝化作用產(chǎn)生氣體使污泥上浮而進(jìn)行濃縮。硝酸鹽濃度、溫度、碳源、初始污泥濃度、泥齡、運(yùn)行時(shí)間對(duì)污泥的濃縮效果有較大影響^[12]。浮泥濃度是重力濃縮的1.3～3倍，對(duì)膨脹污泥也有較好的濃縮效果，浮泥中所含氣體少，對(duì)污泥后續(xù)處理在有利。
　　生物氣浮工藝應(yīng)用于瑞典的Pisek、Milevsko、Bjornlunda污水處理廠進(jìn)行了生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)^[11]，6.2，10.7，3.5g/L 的MLSS分別濃縮到59.4，59.7，66.7 g/L，每濃縮1g MLSS消耗的NO^3-分別為17.2，16.7，29.7mg。濃縮時(shí)間4～24小時(shí)。
　　生物氣浮濃縮工藝的日常運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用比重力濃縮工藝和壓力溶氣氣浮工藝低，能耗小，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作管理方便，但HRT比壓力溶氣氣浮工藝長，需投加硝酸鹽。
2.2.3　渦凹?xì)飧饪s
　　渦凹?xì)飧∠到y(tǒng)通過獨(dú)特的渦凹曝氣機(jī)將“微氣泡”直接注入水中，而不需要事先進(jìn)行溶氣，然后通過散氣葉輪把微氣泡均勻地分布于水中，污水回流通過渦凹抽真空作用而實(shí)現(xiàn)^[13]。
　　渦凹?xì)飧∽?997年3月由美國麥王國際企業(yè)公司引進(jìn)首臺(tái)CAF系統(tǒng)在中國昆明第二造紙廠廢水處理廠成功投入運(yùn)行以來，從而結(jié)束了中國廢水處理中一直沿用壓力溶氣氣?。―AF）的歷史。
　　渦凹?xì)飧饪s污泥的應(yīng)用尚無報(bào)道，筆者采用CAF－5型渦凹?xì)飧≡O(shè)備濃縮低濃度剩余污泥，已取得一些初步的結(jié)論，研究表明：渦凹?xì)飧∵m合于低濃度剩余污泥的濃縮。
2.3　離心濃縮
　　離心濃縮工藝的動(dòng)力是離心力，離心力是重力的500～3000倍^[5]。
　　離心濃縮工藝最早始于本世紀(jì)20年代初，當(dāng)時(shí)采用的是取原始的筐式離心機(jī)，后經(jīng)過盤嘴式等幾代更換，現(xiàn)在普遍采用的是臥螺式離心機(jī)。與離心脫水的區(qū)別在于離心濃縮用于濃縮活性污泥時(shí)，一般不需加入絮凝劑調(diào)質(zhì)，只有當(dāng)需要濃縮污泥含固率大于6％時(shí)，才加入少量絮凝劑。而離心脫水機(jī)要求必須加入絮凝劑進(jìn)行調(diào)質(zhì)。
　　離心濃縮占地小，不會(huì)產(chǎn)生惡臭，對(duì)于富磷污泥可以避免磷的二次釋放，提高污泥處理系統(tǒng)總的除磷率，造價(jià)低，但運(yùn)行費(fèi)用的機(jī)械維修費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)性差，一般很少用于污泥濃縮^[12]，但對(duì)于難以濃縮的剩余活性污泥可以考慮使用。
2.4　帶式濃縮機(jī)濃縮
　　帶式濃縮機(jī)主要用于污泥濃縮脫水一體化設(shè)備的濃縮段。重力帶式機(jī)械濃縮機(jī)(Gravity Belt Thickener， GBT) ^[14]主要由框架、進(jìn)泥配料裝置、脫水濾布、可調(diào)泥耙和泥壩組成。其濃縮過程是這樣的：污泥進(jìn)入濃縮段時(shí)被均勻攤鋪在濾布上，好似一層薄薄的泥層，在重力作用下泥層中污泥的表面水大量分離并通過濾布空隙迅速排走，而污泥固體顆粒則被截留在濾布上。帶式機(jī)械濃縮機(jī)通常具備很強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性，其進(jìn)泥量、濾布走速，泥耙夾角和高度均可進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)以達(dá)到預(yù)期的濃縮效果。
　　污泥濃縮脫水一體化設(shè)備濃縮過程是關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)，因此水力負(fù)荷顯得更為重要。一般，設(shè)備廠家通常會(huì)根據(jù)具體的泥質(zhì)情況提供水力負(fù)荷或固體負(fù)荷的建議值。應(yīng)當(dāng)注意的是，不同廠商設(shè)備之間的水力負(fù)荷可以相差很大，質(zhì)量一般的設(shè)備只有20～30m³／(m帶寬·h)，但好的設(shè)備可以做到50～60m³/(m帶寬·h)甚至更高，設(shè)備帶寬最大為3.0m。在沒有詳細(xì)的泥質(zhì)分析資料時(shí)，設(shè)計(jì)選型的水力負(fù)荷可按40～45m³/(m帶寬·h)考慮^[14]。
　　深圳羅芳污水處理廠，肇慶污水處理廠等采用了帶式機(jī)械濃縮機(jī)。
2.5　轉(zhuǎn)鼓機(jī)械濃縮
　　轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)篩機(jī)械濃縮機(jī)(Rotary Drum Thickener,RDT或Rotary Sieve Thickener,RST)或類似的裝置主要用于濃縮脫水一體化設(shè)備的濃縮段，轉(zhuǎn)鼓機(jī)械濃縮是將經(jīng)化學(xué)混凝的污泥進(jìn)行螺旋推進(jìn)脫水和擠壓脫水^[14]，是污泥含水率降低的一種簡(jiǎn)便高效的機(jī)械設(shè)備。
　　宜興華都琥珀環(huán)保機(jī)械制造有限公司采用德國琥珀公司的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)制造的ROS2系列污泥濃縮機(jī)采用濃縮擠壓，對(duì)含固率大過0.5％的污泥可濃縮到含固率6～10%以上。ROS2.1， ROS2.2， ROS2.3，ROS2.4污泥濃縮機(jī)污泥處理量分別為8～15，18～30，35～50，60～100m³/h。
　　轉(zhuǎn)鼓機(jī)械濃縮/帶式脫水或轉(zhuǎn)鼓機(jī)械濃縮/轉(zhuǎn)鼓機(jī)械脫水一體機(jī)的工藝參數(shù)主要是單臺(tái)設(shè)備單位時(shí)間的水力接受能力及固體處理能力。ROS2.1，ROS2.2，ROS2.3，ROS2.4污泥濃縮機(jī)污泥處理量分別為8～15，18～30，35～50，60～100m³/h。
　　德國ROEDIGER公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)鼓預(yù)濃縮與帶式一體化污泥脫水機(jī)已被應(yīng)用于天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠，ROS2系列污泥濃縮機(jī)已應(yīng)用于重慶北涪污水處理廠，江西南昌朝陽洲污水處理廠等。

3　污泥濃縮工藝的發(fā)展趨勢(shì)

3.1　逐步取代重力濃縮工藝
　　隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，歐洲以單一去除COD為目的的污水處理工藝已不多見，代之以除磷脫氮為主要對(duì)象的生物營養(yǎng)物去除工藝^[15]，在我國以后的污水處理工藝亦將如此。釋磷條件需要改變。
　　重力濃縮法，維修管理及動(dòng)力費(fèi)用低，但占地面積大，衛(wèi)生條件差，濃縮效果較差，不能有效地去除污泥中的水分，由于污泥在重力濃縮池停留時(shí)間長，濃縮池中形成厭氧環(huán)境，富磷污泥在濃縮中釋磷現(xiàn)象嚴(yán)重，使整個(gè)系統(tǒng)的除磷效果變差，使用受到了限制，在污水處理廠中會(huì)逐步被取代。
3.2　進(jìn)一步完善濃縮脫水一體化設(shè)備
　　濃縮脫水一體化設(shè)備具有工藝流程簡(jiǎn)單、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行連續(xù)、控制操作簡(jiǎn)單和過程可調(diào)節(jié)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，正得到越來越多的設(shè)計(jì)單位和用戶特別是中小污水處理廠用戶的關(guān)注。國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)、國家稅務(wù)總局二OOO年二月二十三日關(guān)于公布《當(dāng)前國家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)保產(chǎn)業(yè)設(shè)備（產(chǎn)品）目錄》（第一批）的通知將帶式脫水機(jī)與污泥濃縮機(jī)一體化裝置和臥螺式離心脫水機(jī)與污泥濃縮機(jī)一體化裝置列為國家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)保產(chǎn)業(yè)設(shè)備（產(chǎn)品），主要用于城市污水及工業(yè)廢水處理。
　　在采用污泥濃縮脫水一體化機(jī)的工程中，各污水處理廠的污泥進(jìn)入污泥濃縮脫水一體化設(shè)備前，均有污泥貯泥池或污泥均質(zhì)池（實(shí)際上相當(dāng)于濃縮池），其停留時(shí)間甚至比重力濃縮池停留時(shí)間還長，如天津經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠采用德國ROEDIGER公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)鼓預(yù)濃縮與帶式一體化污泥脫水機(jī)，SBR反應(yīng)池剩余污泥排入貯泥池，經(jīng)48小時(shí)沉淀后排入污泥脫水機(jī)房進(jìn)行污泥脫水，進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓預(yù)濃縮前的污泥含水率大多數(shù)情況在94～96％^[16]。昆明市第三污水處理廠將含固率為0.7％～0.85％的剩余污泥從ICEAS池泵入貯泥池（HRT=7日），在池中間歇曝氣間歇濃縮交替進(jìn)行以防止磷的析出，并使污泥濃縮到含固率為1.5％，然后進(jìn)入帶式濃縮機(jī)和帶式脫水機(jī)^[10]。
　　污泥濃縮脫水一體化設(shè)備的目標(biāo)與實(shí)際應(yīng)用存在一定的差距，如果把長HRT的貯泥池看成是重力濃縮池的話，甚至可以認(rèn)為污泥濃縮脫水一體化設(shè)備比傳統(tǒng)污泥處理工藝在工藝流程上更加復(fù)雜，多了濃縮段，污泥濃縮脫水一體化設(shè)備的應(yīng)用需進(jìn)一步要完善。
3.3　研究開發(fā)低濃度污泥濃縮工藝
　　典型城市污水處理廠初沉污泥含水率為95～97%，二沉污泥含水率為99.2～99.6％，有些變革工藝，如重慶大學(xué)自行開發(fā)研究的一體化氧化溝工藝，不設(shè)二沉池，經(jīng)固液分離器的剩余污泥含水率更高。
　　根據(jù)各環(huán)保設(shè)備廠樣本介紹，污泥濃縮脫水一體化機(jī)適用于進(jìn)泥含水率在99.5％以下，含水率高于99.5％不宜直接進(jìn)入一體化污泥濃縮脫水機(jī)，需要先經(jīng)過其它濃縮方法濃縮。實(shí)際應(yīng)用上一體化設(shè)備的對(duì)進(jìn)泥含固率的要求更高，故需進(jìn)一步研究開發(fā)對(duì)低濃度污泥濃縮新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 張辰.城市污泥集約化處理.給水排水. 2002, 28（6）：21～22
　　[2] P. Aarne Vesilind. Role of water in sludge dewatering. Water Environment Research. 1994,66 (1) : 4～11
　　[3] Tai Hak Chung, et al. Significance of Pressure and Recirculation in Sludge Thicking by Dissolved Air Floatation. Wat.Sci.Tech., 1997,36（12）: 223-230
　　[4] 周少奇編著.城市污泥處理處置與資源化.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2002.3
　　[5] 王洪臣主編.城市污水處理廠運(yùn)行控制與維護(hù)管理.北京：科學(xué)出版社，1997
　　[6] M. Sugahara , et al. Parameters influencing sludge thickening by dissolved air flotation，Wat.Sci.Tech. 1993 ,28 (1): 87-90
　　[7] Harish Arora, et al. Evalution of Dissolved Air Floatation Process for Water Clarification and Sludge Thicking . Wat.Sci.Tech., 1995, 31（3.4）: 137-147
　　[8] 姚毅.溶氣氣浮法濃縮剩余活性污泥.上海環(huán)境科學(xué). 1986, 7（6）: 4-7
　　[9] 何群彪，高廷耀.剩余活性污泥氣浮濃縮技術(shù)研究.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào). 1995, 23（4）:417～419
　　[10]丁亞蘭主編.國內(nèi)外廢水處理工程設(shè)計(jì)實(shí)例.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.5
　　[11]Simona Cizinska, et al .Thicking of Waste Activated Sludge by Biological Floatation .Wat.Res., 1992, 26（2）: 139-144
　　[12]劉軍.生物氣浮法濃縮剩余活性污泥工藝的研究.上海:同濟(jì)大學(xué)博士論文，1996.3
　　[13]寧平等.CAF渦凹?xì)飧。炷两倒に囋谠旒垙U水處理中的應(yīng)用.環(huán)境工程. 1998, 23（4）
　　[14]張超英，吳緒文.濃縮脫水一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)選型.中國給水排水.16(2),2000
　　[15]郝曉地等.歐洲城市污水處理技術(shù)新概念--可持續(xù)生物除磷脫氮工藝(上).給水排水. 2002, 28（6）
　　[16]陳金梅. 石鳳林污泥濃縮脫水一體化設(shè)備在TEDA污水處理廠的應(yīng)用，中國土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)排水委員會(huì)第四屆第一次年會(huì)論文集，2001.7