1、城市净水厂污泥处理、处置发展概况

　　在过去的城市净水厂建设中，污泥处理一直被忽视的一个环节，人们更多的关注于工业生产的排污治理，二十世纪七十年代以前，各国建设的净水厂排泥水处理设施，多是沿用污水处理厂的污水和污泥处理方法进行设计和应用，主要采用污泥塘与干化场处理和污泥。随着城市化进程的发展，六十年代开始，研究人员工着手认真研究净水厂排泥水处理和污泥处置工作，调查了净水厂的排泥与净水厂净水工艺间的关系，探讨了净水厂排泥与污水厂排泥的异同，七十年代，美国联邦政府颁布布《水污染控制法》，要求各州制定标准，水厂污泥必须经处理再行排放；并且拟定了一个污泥处理发展草案。其发展目标是：到七十年代末，应用可实行技术合理进行污泥处理，并要求各类水厂排除污水的pH值及总悬浮物达标。到八十年代初，必须考虑污泥处理工艺的经济性，要求对污泥处理后的析出液或滤液回用；到八十年代中期，在全国范围内消除污泥排放造成环境污染。日本于1975年也颁布布了《水质污浊防止法》，规定没有沉淀池和滤池的净水厂，其排出水必须经处理至符合水质排放标准。近年来，美、俄、日、英、法等发达国家的各大、中城市新建的净水厂中均设置了较为完善、自动化程度高的污水和污泥的处理设施。离心脱水、加压脱水等机械脱水方法应用普遍。欧洲有些净水厂，由于原水中的悬浮物含量低，浊度小，水厂排水中泥含量少，往往将排泥直接排入市政污水管理，输送到就近的污水厂统一进行污泥处理，据有关资料，欧洲许多国家净水厂经过浓缩和脱水处理的污泥量，占全部净水厂污泥量的70%。污泥脱采用的具体技术，因各国的自然条件和习惯，有明显差异。然而近年来的总体趋势是，干化声和干化塘的使用减少，离心与压滤脱水逐渐占统治地位。
　　我国的净水厂污泥处理和处置工作起步较晚，由于净水厂的排泥，在过去一般均认为其组成与水体的原有固体组分相当，只增加了处理过程中的一些絮凝剂，对环境害影响甚微，因而，目前为止绝大数净水厂的排泥还是直接排入水体，但随着我国政府对水资源保护工作的日益重视，特别是城市规模的不断的扩大，净水厂的排泥逐渐突出，据粗略统计，我国最大城市，上海市各净水厂每年能过排泥进入水体的悬浮就达30万tds（吨干固体），有机物按10%含量，可达3万tds以上。净水厂的排泥正受到有关部门的密切关注，《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国水污染防治法》等一系列水资源保护法律法规的颁布实行，我国在八十年代净水厂排泥被提上议事日程，对水厂污泥进行无害化处理已成为目前国内城市供水行业的重要任务。
　　目前我国在净水厂专设污泥处理并投入运行的只有少数几个大规模的城市净水厂，有北京市第九水厂、石家庄润石化厂、深圳梅林水厂、上海闵行水厂、河北保定二水厂。

　　2、福州市西区净水厂污泥处理研究

　　福州市西区水厂总规模为60万m³/d，已建成投产45万m³/d，计划于2000年再扩建功立业5m³/d达到终期规模。由于多方面的原因，目前西区水厂的排泥均未经处理直接排放。根据福州市自来水总公司2000年技术进行规划，西区水厂终期规模建成后，水厂的排泥水必须达标排放，即SS<70mg/L，同时由于江滨大道的建成，不经处理的生产污水直接排入作为饮用水源的闽江，大量污泥对市中心江段的景观造成不利影响，为此，我院与上海同济大学在西区水厂进行污泥干化处理试验研究。
　　⒉1福州市西厂水厂污泥干化试验方法
　　各种条件下污泥的测试的特性参数有：污涨的含固率、污泥的悬浮固体浓度（SS）、污泥的可挥发性悬浮固体浓度（VSS）、污泥的化学需氧量（CODMn）、污泥的比阻（r)、污泥的压缩系数（s）。
　　试验方法包括：
　　⑴重力沉降柱模型
　　如图1示，柱高1200mm，直径200mm，电动调速机转递0.5r/min。

　　⑵玻璃干化柱模型
　　如图2示，柱高1500mm，直径100mm。

　　⑶小型干化床模型
　　如图3示，长1.2m、宽0.8m、高1.5m的砖砌小型干化床4个。滤床由10cm厚的粗砾石与30cm厚的建筑用沙组成，床底部沿长度方向安装有塑料穿孔集水管，及时排除下渗滤液。沙面以上不同高度安装有撇水阀门，可及时排除上澄水。

　　⒉2污泥量的确定
　　⒉2.1原水浊度与悬浮固体浓度间的关系
　　净水厂的化学凝聚沉淀污泥，主要由原水中的悬浮物、胶体物质、有机物、以及混凝剂形成的胶状金属氢氧化物组成。在原水中有机物含量不高情况，水厂污泥中的固体物含量，大体上可由原水中悬浮物总量加上投加的药剂量计算得到。
　　原水浊度（Turbidity)和悬浮固体含量（Suspension Solid)均可用来表征原水中含泥量的多少，水厂通常只有浊度指标。西区水厂原水浊度及其悬浮物含量的相关关系如图4，

　　经线性回归有如下关系：
　　SS=1.76T+4.9
　　式中SS——原水的悬浮固体含量，mg/L；
　　　　T——原水浊度，NTU。
　　回归分析中相关系数为R²=0.98，相关性很好。
　　⒉2.2.污泥量的计算
　　根据式（1）的回归关系，以及矾耗与生成的A1（OH）₃的重量比，可得出原水浊度、矾耗与污泥的干固体产量之间的关系如下式所示：
　　Cw=SS+P×A
　　式中Cw--单位水量的污泥干固体量，mg/L；
　　　　P—药剂和由药剂产生的固体物之间的重量比，这里取0.234。（西厂矾耗折算为A1₂（SO₄）₃.18H2O,　2A1(OH)₃/A1₂(SO₄)₃.18H₂O=0.234)
　　A—药剂投加量，mg/L。
　　Sw=Cw×Q×10^-6
　　式中Sw—日产干固体量，t/d；
　　　　Cw——单位水量的污泥干固体量，mg/L；
　　　　Q— 以终期日产量60万m³/d计。

　　西区水厂取水口上游建有水口水电站，对闽江上游的泥砂有较强的静沉和拦截作用，西区水厂原水浊度常年较低，但是由于受洪水及水口水库存放水的影响，常年在5——8月份有较大的波动。以最高浊度作为净水厂排泥处理设施的选择依据显然是不经济的，比较合理的作法是以95%保证率为基本要求，对最高浊度时进行校核调节容积。
　　以1999年西区水厂原水浊度作频率分析，得原水浊度频率曲线如图5。

　　由频率曲线及西厂生产报表可知，西厂原水平均浊度为24.9 NTU,相应矾耗为14.4mg/L；浊度较高时（即95%概率）浊度为35NTU，相庆矾耗为19mg/L；1%概率时浊度约为150NTU，相应矾耗为24mg/L。沉淀池出水浊度最不利时为8NTU，滤池出水浊度最不利时为0.5NTU。所以，在95%保证率下，西区水厂日产干污泥量Sw=42.6tds。
　　2.3.污泥的浓缩
　　污泥的重力浓缩是污泥脱水前必不可少的预处理过程，无论是天然干化或是机械脱水，经过浓缩预处理可以大大降低后续过程的设计规模和工作负荷。
　　2.3.1.西区水厂污泥性质
　　现场测试的西区厂沉淀池污泥性质如表1。

　　比阻r在4.7×10¹¹至2.5×10¹²cm/g的范围内变化，如果沉淀池及时排泥，絮凝污泥未因放置时间太长而失去活性，比阻不超过1.2510¹²cm/g，按AWWA的划分标准，西区水厂污泥的脱水性能在铝盐絮凝污泥中发球中间水平。西厂沉淀池排泥有时周期比较长。这虽然对提高排泥含固率有利，但对污泥脱水性能及控制浓缩池上清液浊度不利。因此及时排泥，有利于保证污泥的处理效果。压缩系数s在0.79-1.13之间变化。s太低污泥颗粒容易堵塞滤布，太高则颗粒刚性大，颗粒间的水分部不容易被挤压排出。西区水厂压缩系数在0.79-1.13之间属比较理想的范围。西厂污泥中VSS占SS的比例为10%左右，属河水水源的正常范围，比一般水库存水污泥的灰分低。有机物含量低，污泥的亲水性也就小，比较容易脱水。西厂污染性质测试的结果，从r、s、VSS等方面看，西区水厂的污泥脱水性能尚好，比多数水库水的污泥好；较浊度较高，且有机物含量低的河水污泥稍差。
　　2.3.2.西厂污泥的重力浓缩
　　迪克（Dick）的固体通量法⁵静态沉降试验是重力浓缩最常用的试验方法。
　　固体通量法可以表示为：
　　　　　　G=G_u+G_i=uC_i+v_iC_i
　　式中 G——总固体通量，kg/m².hr；
　　　　C_i--=-污泥固体深度，kg/m³_；
　　　　G_u----向下流固体通量，kg/m^2。hr_；
　　　　G_i----自重固体通量，kg/m².hr；
　　　　u----向下流济m/hr；
　　　　v_i---初始固体浓度为的界面沉速m/hr。

　　浓缩池的面积：

　　　　A≥Q_０C_０/G_L
　　式中Q₀--入流污泥流量，m³/hr；
　　C_O--入流污泥浓度，kg/m³；
　　G_L--极限固体通量，kg/m².hr；
　　A--浓缩池面积m²。

　　西区水厂沉淀池污泥进行了多次沉降性能的测定，图6、图7为其中两组。

　　由于试验污泥的比阻不同，试验得出的4条固体通量曲线存在明显差异。在不同的浓缩池出泥浓度要求下，可根据工程的污染设计比阻，由上述曲线得到相应的污泥极限固体通量如表2。同样的底流浓度，比阻越小，浓缩池的固体通量越大，相应的浓缩池面积越小。

　　2.4.污泥的脱水
　　目前常见的处理设施及脱水方法有：天然干化、真空过滤、回压过滤（带式，反框式等）、冰冻解冻、离心机脱厂、造粒技术、排入其它净水厂、进入下水道输送给就近的污水处理厂等。对西区水厂污泥的脱不我们主要进行现场小型干化床试验，由于试验经费和试验设备的原因，对机械脱水问题采取考察方式调研。
　　2.4.1.干化场
　　现场实验对干化床的脱水、干化效果进行了考察评价。图8反映了砂床上污泥的重力脱不过程。污泥脱水效果与污泥比阻、施泥厚度、进泥含固率及上澄水的撇除情况有关。通常在撇除上澄水情况下，重力脱水时间（脱除90%可重力脱除水量）为一至两天。脱水阶段结束后，泥饼含因率在20%——25%（与比阻及施泥厚度等有关）。
　　干化床运行中的一个重要问题是上澄水与渗滤液浊度是否满足排放要求。试验结果，上澄水中悬浮物浓度与污泥性质有关。沉淀池及时排泥所得的新鲜污泥，处理时所形成的上澄水悬浮物浓度一般均小于一级排放标准（SS<70mg/L），可直接向闽江排放。如果污泥在沉淀池内停留时间太长，已经压实失去了絮凝活性，在浓缩、及干化床撇水过程中所形成的上澄水不容易澄清，悬浮物浓度很大。所在，在水厂运行过程中，及时排泥，保持污泥活性是重要的。渗滤液浊度受污泥压缩系数影响。西区水厂污泥的压缩系数在0.79--1.13之间，干化床的渗滤液的SS很低，总是小于排放标准，可直接排放。另外，模拟滤床使用总次数达30次以上，以未发现污泥堵塞滤层或穿透滤层的现象。初步说明，西厂污泥的压缩系数已足够，用干化场处理不会发生污泥堵塞滤层问题。

　　干化床的干化试验结果见图9。重力脱水阶段结束后，脱水性能好的污泥，脱水泥饼含固率可接近30%，基本达到运输、堆放要求。而通常情况下，泥饼还需一段干化时间才能达到清运要求（含固率≧30%）。图9曲线中的低谷是降雨的结果。污泥开裂之后（含固率≧20%），短时间的集中降水可通过裂缝快速下渗，对干化周期的影响不大。而施泥厚度大、污泥不易开裂时，降雨的影响较大。

　　西区水厂每年污泥量的最不利时段为洪水期的6月。由于干化床处理系统的容积很大，对污泥量波动具有良好的调蓄能力，所以按除汛期6月份之外的历年污泥量最大月作为设计污泥量的最不利时段。每扯季度为阴雨季节，蒸发量最小。选取一季度为气候最不利之校核期。为安全计，选取试验期间污泥的最大比阻1.25×10¹²cm/g为西厂污泥的设计比阻。根据污泥量的统计结果以及当地气象资料，各设计周期的计算参数如表3所示。各种设计条件下所需的干化面积如表5所示。

各设计周期的计算参数

表3

设计周期	干污泥量 （吨/周期）	平均蒸发速率 （cm/d)	污泥中水分的平均蒸发速率 （cm/d)
年度	9095.8	0.4	0.2
污泥量不利阶段（7月份）	1689	0.6	0.3
气候最不利阶段（1季度）	3690	0.22	0.11

 

不同设计周期及施泥厚度时干化场所需的面积

表4

设 计 条 件	干化床面积（亩）
	施泥厚度30cm	施泥厚度60cm	施泥厚度90cm
按年平均值计算	29.1	31.6	37.9
以气候条件的最不利阶段为计算周期	83.8	92.2	112.9
以污泥量最大阶段为计算周期	42.2	46.9	56.3

　　2.4.2.国内净水厂采用的机械脱水工艺
　　机械脱水有真空吸滤、板框压滤、带式压滤、离心脱水及螺旋压滤等。其中真空吸滤因能耗高、泥饼含水率高已逐渐被淘汰。而新出现的螺旋压滤在工程上尚未得到普遍应用。目前在工程上得到广泛应用的脱水设备是离心机、板框压滤机与带式滤机。
　　离心机是能连续运行的转筒式离心机，也称卧螺离心机。经高分子絮凝剂调质处理的污泥进入离心机转筒后，在高达3000g以上的强烈离心力作用下，比重较大的固体颗粒快速沉降在转筒内壁上形成泥饼，分离出的水分在泥饼表面形成液体层。转筒内的螺旋状输送器与转筒之间的转速差，使泥饼被螺旋输送器叶片挤压到转筒的锥形出口处排出。而分离出的水分则从转筒的圆柱端经溢流堰流出。
　　压滤机的工作原理是，多组滤板串联排列，经油压机紧形成一连串相邻的封闭空间滤板两侧覆有多孔的滤布。污泥泵将污泥压入相邻滤板之间的空间，污泥中的水分透过滤布被排出，固体颗粒被截留并压实成泥饼。目前污泥脱水中使用的压滤机，主要是膜式压滤机。有板框压滤和带式压滤机。
　　脱水装置本身的基本性能作简单归纳如表5。

　　脱水机械的选择，需考虑泥饼含固率、污泥回收率、调质药剂用量、电耗、设备投资、运行管理条件、对进泥及场地的要求等。水厂的污泥性质与规模等对工艺的选择有很大影响。项目组先后调研考察了上海闵行水厂等国内五个净水厂的污泥机械脱工艺，各水厂污泥脱水工艺基状况如表6：

各水厂污泥脱水工艺基本状况表

表6

项 目	上海闵行水厂	深圳梅林水厂	北京水源九厂	厂家庄润石	保定二水厂
净水规模	7万m3/d	60万m3/d	150万m3/d	30万m3/d	26万m3/d
水源	江水	水库水	水库水	水库水	水库水
设计原水浊度	80NTU	50NTU	30NTU	20NTU	20NTU
污泥规模	12tds/d	50tds/d	39tds/d	12tds/d	12tds/d
浓缩工艺	Lamella	浓缩池	间歇式浓缩池	Supaflo	Densadeg
脱水工艺	离心机	板框压滤机	板框压滤机	带式压滤机	离心机
制造厂商	Afla Laval	国产	Edvares&jones	Warman	Guinard
投药	PAM	PAM+石灰	PAM	PAM	PAM
设备投资	800万元	1000万元	1700万元	160万元	900万元

　　各厂运行效果而言，各厂的进口设备的自动控制系统均比较先进，如使用超声传感器与PLC保证沉淀池排泥浓度，控制排泥水量；污泥浓度计控制浓缩池排泥，污泥浓度计、液位仪与变频泵控制离心机的进泥；北京水源泉九厂的板框压滤机的也完全实际了自动控制。
　　对比脱水工艺，离心机运行的适应性较好，国外实测报告的结论：在洪水期间，污泥量增加时，可以在较高的进泥流量下工作，处理更多的污泥，代价是稍多的PAM用量，较低的出泥含固率。闵行厂的结论比这个更多的污泥，代价是稍多的PAM用量，较低的出泥含固率。闵行厂的结论比这个更乐观，进泥量提高30%，出泥含固率并未下降。带式压滤的回收入率容易出现问题，现状润石水厂的带式机的滤液是不宜达到直接排放标准的。梅林水厂的设计进水浊度较北京市第九水厂高，因此其120万m³/d水量的大，但梅林水厂用了6台1.2m×1.2m国产压滤机，设备台数多而且国产设备何种较大，国产设备的使用、维修、保养情况下待今后考察。
　　对比浓缩工艺，闵行水厂的Lamella浓缩池作用不是明显，进泥浓度>3%，离心机的运行结果就十分令人满意。Lamella浓缩池是引进专利产品，出泥含固率>6%，参数储备较大。似乎意义不大。但是，保定二水厂的Densadeg不但有浓缩作用，毫无疑问还有澄清出水的作用，最大表面负荷可达20m/m^2.hr，澄清水水质较好<70mg/L，达到排放标准。
　　其他方面，润石水厂排泥水收集、浓缩系统运行没有北京第九水厂的理想、可靠。梅林水厂的回收入水系统简单、实用。对梅林水厂，用石灰调质可能是重要的，但是使用了石灰，预处理从操作到设备都变得十分复杂。
　　系统上各家水厂的污污泥处理能力都有很大的余量，这是原水设计浊度及设备处理能力两方面都取了充分的安全系数所致。
　　西区厂水厂污泥的处理重要目标是污泥的减容外运，根据剪切力的测试，达到外运要求一般含因率应大于33%。从水质特性上看与闵行水行厂接近。有关文献对原水水质及投药情况与污泥比阻的关系进行了统计。表7将有关数据与闵行水厂、西区水厂的数据进行了汇总比较。可见，西区水厂污泥用离机脱水，是可以达到比较满意的效果的。预计在PAM投加量1‰-2‰时，泥饼含固率可达到25%-35%（闵行水厂PAM用量1.0‰--1.5‰，泥饼含固率≧42%）。运行中如遇到特别不利的时段，可适当增加絮凝剂用量。离心机的污泥回收入率通常≧95%，但出水仍不能直接排放，宜设Densadeg将析出液回流处理后排放。因而可以初步确定西区水厂机械脱水工艺方案的基本由一格Densaedg池（通量为6kg/m².hr)，两台离心机脱水机（45m³DS/h)和附属PAM干粉投加器共同构成。

　　#：原水浊度变化范围15-280NTU，平均80NTU。
　　*：西区水厂的浊度与矾耗均为平均值。

　　2.5.投药调质
　　投药调质就是对污泥进行化学预处理，从而降低污泥的比阻，使其易于脱水，常用的方法有：石灰处理、酸处理、碱处理、高分子絮凝剂处理等，目前广泛采用高分子PAM，效果显著。
　　2.5.1.调质药品的选择
　　PAM（polyacrylamide)是一种水溶性高分子，属聚电解质。聚丙烯酰胺具有“头尾相连构，有絮凝性和粘合性，其线型聚合物在200℃以上软化后分解。PAM可分阳离子型、阴离子型和非离子型三类，它们的分子量可达1000万以上。一般结构式可如下表示：

　　根据药剂初筛结果，选用三种阴离型PAM：A-3001800、AN910SH及AN905SH进行污泥调质试验。图10为加药对污泥比阻的影响。试验结果的趋势与文献报道的一致，比阻先是随投加PAM下降，然后又上升。图11反映了调质对压缩系数的作用。

　　2.5.2.调质对干化床效果的影响
　　调质对污泥干化效果的影响见图12。加药改善了干化床的运行效果，其原因主要是加药调质后，污泥形成较大絮体，更易脱除自由水。在其它条件不变的情况下，污泥中重力脱除的水分比例增加，脱水泥饼含固率明显增加。因此大大减少脱水泥饼的蒸发风干时间。

　　经过投加高分子絮凝剂PAM，污泥脱水速度加快，干化周期缩短到4--7天。加药使干化床的负荷能力明显提高。调质后西区水厂污泥干化床所需面积如表8所示，计算结果对照表4可见调质将使干化床的面积大大缩小。

　　2.5.3.调质对机械脱水效果的影响
　　同济大学在闵行水厂离心机脱水作了运行试验，图13表示AN910OPWG阴离子PAM投加于进口Alfa Laval公司的DSNX-4550型离心机（离心机工况：进泥流量，11m³/h；转速2920r/min；产量，638kg/min；进泥浓度，5.8%；差数，7.2-10.5r/min。）可以看出，由于投加PAM>0.5%时分离水的SS迅速下降，污泥回收入率可达99%以上。

　　图14表示AN910PWG阴离子PAM投加于国产SA-140型离心机，（离心机工况：进泥流量，7.2m³/h，转速3284r/min；产量，410kg/min；进泥浓度，5.7%；差数，11-15r/min。）说明可取得类似的效果，只是投加率略有增加，最佳PAM投药率为1.5‰-1.8‰，从运行参数上对比，国产设备与进口设备存在一定的差距。

　　3.结束语

　　净水厂是水源污染的直接受害者，由于原水污染给净水工艺在技术上带来许多困难造成净水成本的不断上升，保护水源，走可持续发展的道路，净水厂的排泥要首先做到达标排放是责无旁代的。福州市西区水厂污泥处理的目标定位为：排水以达标<70mg/L，污泥含固率>33%。针对福州市西区水厂污泥处理的调研初步可得到以下几点结论：　
　　⑴福州市西区水厂常年浊度在95%概率下为35NTU，原水SS与浊度有较强的直线相关性，其排出污泥比阻r在4.7 ×10¹¹至2.05× 10¹²cm/g的范围内变化，压缩系数s在0.79-1.13之间变化。西区水厂污泥的脱水性能在铝盐絮凝法泥中属于中间水平。西厂污泥中挥发性悬浮固体浓度占悬浮固体浓度的比例为10%左右，属河水水酒泉的正常范围。沉淀池及时排泥，有利于保证污泥的处理效果。
　　⑵经过PAM加药调质的污泥其比阻可以缩小几倍甚至到一个数量级，可以有较地缩小浓缩池面积，减少干化床的占地，显著改善机械分离水的SS，最佳的投药率约为0.1%干固体量。
　　⑶无论是采用干化床或是采用机械脱水，污泥的重力浓缩预处理过程是必要的，调研中考察的各水厂浓缩池形式多样，其中Lamella池和Densadeg池效率较高，有很好的澄清水出流，满足澄清水达标排放的要求，离心机分离水回流浓缩池后，可弥补分离水不能直接排放的缺陷，浓缩池工艺选择有待深入考察。
　　⑷福州市西区水厂的污泥脱水处理，采用干化床和离心机脱水均可达到33%以上，满足脱水、减容、外运的目的。前者占用土地多，后者经常性电耗大，福州市区水厂污近期可以采用干化床工艺，远期的趋势是采用机械方式脱水，工程实施中需近、远期结合进一步做好工程技术经济分析。

　　参考文献：
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　　5 污泥处置，金儒霖等，中国建筑工业出版社，1982
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　　7 排泥水处理工程生产性研究，陈静，同济大学，1998