藍文軍

(深圳市深水龍華水務有限公司，廣東深圳 518110)

隨著行業(yè)的環(huán)保要求越來越嚴格，自來水廠對污泥處置也越來越重視。自來水廠的污泥主要來源于沉淀池排泥水及濾池反沖洗廢水[1]，如果生產(chǎn)廢水及底泥不及時有效處理，上清液回收時會引起原水二次污染，若直接排放，會對環(huán)境水體帶來嚴重污染。當前國內(nèi)自來水廠傳統(tǒng)的排泥水處理工藝，采用污泥濃縮、離心脫水后泥餅外運填埋處置，脫水后的污泥含水率為70%～85%，已無法滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 混合填埋用泥質(zhì)》(GB/T 23485—2009)標準中污泥含水率<60%的要求。為了滿足環(huán)保要求，自來水廠亟需升級污泥脫水系統(tǒng)，尋求出泥含水率更低的脫水設備，其中，具有代表性的板框脫水機，由于其運行能耗低、出泥含水率低等特點，備受關注。觀瀾茜坑水廠污泥處理系統(tǒng)設計承擔了觀瀾和龍華2個自來水廠的尾水處理，服務的自來水處理規(guī)模為53萬m3/d，系統(tǒng)設計選用的是濾布走行式全自動板框壓濾機。由于系統(tǒng)前處理設計及輸送設備選型缺陷，導致系統(tǒng)在實際運行過程中出現(xiàn)諸如故障率高、產(chǎn)能不足等問題，直接影響2個自來水廠的安全生產(chǎn)。本研究主要對現(xiàn)有各工藝段運行狀態(tài)進行分析，并針對有問題的工藝段提出可行的升級改造方案：(1)改造輸送螺旋以保障新系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行；(2)在重力濃縮池前增設疊螺濃縮系統(tǒng)，通過兩級濃縮以解決重力濃縮池的堵塞問題，穩(wěn)定板框計進泥的含固率；(3)增設板框前加藥點，充分釋放板框脫水機的產(chǎn)能。

1 概述

1.1 觀瀾茜坑水廠概況

觀瀾茜坑水廠為深水龍華水務下屬的自來水廠，轄區(qū)供水范圍包括龍華區(qū)觀湖、觀瀾和福城片區(qū)，設計日供水規(guī)模為30萬m3，現(xiàn)狀供水規(guī)模約25萬m3/d，分兩期建設。其中，一期生產(chǎn)采用“混合-折板反應-平流沉淀-翻板濾池”的常規(guī)工藝，原水常年取自茜坑水庫，年平均渾濁度為2.5 NTU；二期生產(chǎn)采用“混合-折板反應-斜管沉淀-V型濾池”的常規(guī)處理工藝，原水取自東深水源，大部分時段從北線引水工程管線取水，水質(zhì)波動較大，年平均渾濁度為23 NTU。水廠常規(guī)藥劑投加主要有堿鋁、石灰及次氯酸鈉，水廠污泥主要表現(xiàn)為無機泥。

1.2 污泥處理系統(tǒng)工藝

觀瀾茜坑水廠污泥處理系統(tǒng)，于2014年水廠二期工程建設時同時設計施工，2017年底投入使用，主要承擔觀瀾茜坑水廠一期、二期生產(chǎn)線及龍華茜坑水廠的生產(chǎn)尾水處理(龍華茜坑水廠實際供水規(guī)模約28萬m3/d，原水常年取自管線水)，服務自來水處理規(guī)模為53萬m3/d，設計出泥含水率≤65%[2]，產(chǎn)泥量為26 tDs/d(干固量)。污泥處理設計工藝[3]為“重力濃縮-儲泥池-螺桿泵進泥-板框壓濾機-出泥”，如圖1所示。

圖1 觀瀾茜坑水廠污泥處理工藝簡圖 (原設計)Fig.1 Schematic Diagram of Sludge Treatment Process in Guanlan WTP (Original Design)

(1)重力濃縮系統(tǒng)：重力濃縮系統(tǒng)設置了4組斜管濃縮池和1個儲泥池，濃縮池采用中心傳動刮泥機，連續(xù)運行，底部配反向“L”型重力出泥管，管口以套筒閥控制排泥量及排泥濃度。該系統(tǒng)主要用于接收兩廠排泥水，在進泥管道上設置PAM藥劑投加點，選擇性投加。

(2)板框脫水系統(tǒng)：設計配置了2套日本石垣濾布走行式全自動板框壓濾機，主要包括以下幾個部分：螺桿進泥泵、隔膜擠壓系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、板框壓濾主機、螺旋輸送及料倉系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)等。板框系統(tǒng)的批次運行流程為“濾板閉合-污泥進料-隔膜擠壓-隔膜泄壓-濾板打開-泥餅自卸-濾布清洗”。

觀瀾茜坑水廠的生產(chǎn)廢水主要為砂濾池反沖洗廢水及沉淀池排泥，兩廠均單獨配備了回收水池及污泥調(diào)節(jié)池?；厥账亟邮丈a(chǎn)廢水后，上清液回收，底泥排入污泥調(diào)節(jié)池，每日定時排入污泥處理系統(tǒng)進行脫水處理。

1.3 主要現(xiàn)況設備參數(shù)

原污泥系統(tǒng)包含重力濃縮及板框脫水2個處理單元：重力濃縮系統(tǒng)配備中心傳動刮泥機和套筒閥出泥設備；板框脫水系統(tǒng)包含進泥泵、板框脫水機及真空泵、擠壓泵、洗泵，如表1所示。

表1 原污泥系統(tǒng)工藝及設備參數(shù)Tab.1 Device Parameter of Original Sludge Treatment Process

2 工藝改造

2.1 存在的問題及分析

原污泥系統(tǒng)僅包含污泥濃縮池-板框脫水2個單元，雖設計產(chǎn)能正常，但在實際生產(chǎn)過程中，板框系統(tǒng)產(chǎn)能嚴重不足，實際污泥產(chǎn)量僅約12 t/d(含水率≤60%)，遠未達到設計65 t/d的產(chǎn)泥量(含水率≤60%)，不能正常滿足2個水廠的污泥處理需求。現(xiàn)狀各工藝段進泥及含水率如表2所示。

表2 原污泥系統(tǒng)各工藝段進泥及含水率 (2018年3月生產(chǎn)數(shù)據(jù))Tab.2 Sludge Amount and Water Content of Original Treatment System at Each Processing Section (Data in March 2018)

2.1.1 重力濃縮池效果差，板框機進泥含水率高，無法滿足其進泥要求

(1)濃縮池采用方形蘭美拉不銹鋼斜板連續(xù)式濃縮，斜板下部設濃縮機對濃縮區(qū)污泥進行慢速攪拌，實際濃縮效果不佳。

(2)濃縮池底部設置1條DN250 mm重力排泥管，呈反向“L”型，采用套筒閥控制排泥，該出泥方式，極易因雜質(zhì)異物等導致堵塞。

(3)若為了提高出泥濃度，常態(tài)化加藥濃縮，濃縮池會受限于底部排泥方式，易堵塞，影響污泥系統(tǒng)運行。

2.1.2 螺旋輸送機運行工況差，經(jīng)常出現(xiàn)故障導致系統(tǒng)全線停產(chǎn)

(1)原螺旋輸送機設計的減速比選型不合理，導致在實際生產(chǎn)中不能選擇合適的轉(zhuǎn)速(且過扭保護措施不足)，若出現(xiàn)堵塞，極易使螺旋葉片扭矩增大而變形。

(2)原螺旋輸送機采用“推送式”無軸螺旋，末端無法固定。在實際運行中，因污泥黏性大，螺旋不穩(wěn)，常出現(xiàn)出泥槽內(nèi)積泥，導致螺旋被“頂起”，摩擦蓋板，卡住橫梁而出現(xiàn)故障。

2.1.3 自來水廠排泥含水率波動大，泥性也隨季節(jié)出現(xiàn)變化

在污泥系統(tǒng)原設計中，板框進泥前未設置加藥調(diào)理，因此，板框脫水機進泥泥性及含水率均不穩(wěn)定，導致板框脫水機的產(chǎn)能不足，出泥效果不穩(wěn)定等異常情況。曾嘗試在進板框前的儲泥池出口加PAM(陰離子粉劑)，對污泥調(diào)理有一定的效果，但未經(jīng)過攪拌混合，存在調(diào)質(zhì)不充分及不均勻，且易加藥過量，造成濾布被藥劑附著、堵塞，喪失透水性(圖2)，從而更加影響板框脫水的產(chǎn)能及出泥效果。

圖2 濾布堵塞情況Fig.2 Filter Block of Original Sludge Treatment Process

2.2 改造方案

2.2.1 螺旋輸送機改造

針對螺旋輸送機設計存在的問題，采取了系統(tǒng)整改方案(圖3)。將推料螺旋改為拉料螺旋；將原輸送機驅(qū)動電機拆除，重新安裝在輸送機出料口端；在儲泥斗上方加支架托住螺旋驅(qū)動電機，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在螺旋輸送機分段處加裝3道加壓板，防止螺旋在運行過程中拱起。此外，加強日常的巡查與維護，設備問題早發(fā)現(xiàn)、早處理，保障污泥螺旋輸送系統(tǒng)的正常運行。

圖3 螺旋輸送機改造示意圖Fig.3 Mechanical Reconstrution of Original Screw Conveyor

2.2.2 新建污泥機械濃縮系統(tǒng)

針對重力濃縮池能力不足、板框進泥含水率高的缺陷，重新設計安裝了1套機械濃縮系統(tǒng)——疊螺濃縮機(圖4)。疊螺濃縮機對原泥有較強的濃縮能力[4]，經(jīng)過調(diào)節(jié)后能穩(wěn)定地將重力濃縮出泥(含水率98.5%左右)濃縮成含水率為92%～95%的泥，大大增加了板框進泥含固率[5]。

圖4 改造后的機械濃縮系統(tǒng)Fig.4 Modified Mechanical Thickening Device

機械濃縮系統(tǒng)設置由獨立控制柜、進泥螺桿泵、疊螺濃縮機、加藥系統(tǒng)和平衡池組成，安裝在重力濃縮池系統(tǒng)之后，管道連接在儲泥池后端。主要工作流程：通過螺桿泵把污泥送至污泥輸送口；污泥通過計量槽調(diào)整流量后被輸送到絮凝混合槽內(nèi)，注入高分子絮凝劑，通過攪拌器進行充分攪拌混合；通過攪拌器充分攪拌形成較大礬花后，被送入疊螺主體內(nèi)；送入的礬花在濃縮部一邊進行重力濃縮一邊向脫水部方向移動；脫水部的游動環(huán)和固定環(huán)之間的空隙變窄，再通過調(diào)整位于排出口的背壓板而進一步加壓脫水，最后排出泥餅。該系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)加藥量、調(diào)節(jié)輸送螺旋運行頻率及背壓板松緊，以調(diào)節(jié)出泥含水率。

2.2.3 增設板框進泥加藥裝置

為了提高板框進泥的泥水分離性，穩(wěn)定進泥泥質(zhì)，水廠嘗試在板框進泥管道上設置加藥點，并在加藥點后板框進泥口的管道上增加安德里茨管道混合器(圖5)，確保藥劑投加后能均勻混合，達到調(diào)理提質(zhì)效果[4]。在選擇加藥點位置時，水廠同時預留了泵前和泵后加藥點，在調(diào)試時進行了效果比對。管道混合器選用了安德里茨在線管道混合器，設置在板框進泥口前的管道上，距離加藥點的管路約10 m。

圖5 板框前加藥點示意圖Fig.5 Schematic Diagram of PAM Dosing Position

2.2.4 增設濾布堿洗裝置

圖6 氫氧化鈉堿洗工藝示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Alkaline Cleaning Process (Using Sodium Hydroxide)

為了避免板框前加藥對濾布帶來的負面影響，充分突出其提質(zhì)調(diào)理的優(yōu)勢，同時增設了濾布堿洗裝置(圖6)，并將堿洗系統(tǒng)接入板框機控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動運行。濾布在使用一定批次后，通過啟動堿洗系統(tǒng)對濾布進行在線浸泡的方法，緩減堵塞的情況，使濾布的透水性能保持較好的狀態(tài)。在線堿洗工藝流程為：將堿液原液通過原液泵打到藥液稀釋罐內(nèi)稀釋后備用；當板框機運行一定批次或觀察到濾布透水性下降時，可一鍵啟動濾布堿洗模式，依次完成濾布的藥洗、浸泡、藥液的回流和濾布的清洗。整個過程是自動運行的，其中，堿洗浸泡時間等參數(shù)可在控制盤上設定。

2.3 升級工藝運行調(diào)試

觀瀾茜坑水廠污泥脫水系統(tǒng)經(jīng)過上述整改，優(yōu)化了故障率高的螺旋輸送系統(tǒng)，增加了機械濃縮，增設了加藥及濾布藥洗裝置，全面升級了系統(tǒng)工藝。目前，升級后的污泥系統(tǒng)工藝流程為“原泥—重力濃縮—疊螺濃縮機—加藥調(diào)理—板框脫水”(圖7)，工藝改造完成后，水廠全力組織對升級后的工藝進行調(diào)試，重點對疊螺濃縮機、板框前加藥測試進行一系列的優(yōu)化試驗，提高系統(tǒng)出泥效果和處理能力。

2.3.1 疊螺濃縮機運行情況

疊螺濃縮機主要用于輔助強化重力濃縮效果，它可以通過加藥調(diào)理、調(diào)節(jié)螺旋運行頻率以及調(diào)節(jié)背壓板松緊等措施，控制污泥濃縮效果。升級工藝設計安裝了2臺“四軸”疊螺機，1用1備，疊螺機設計出泥含水率可調(diào)節(jié)的范圍較大，一般在90%～98%。水廠通過一系列參數(shù)優(yōu)化，在原泥含水率較高，且重力濃縮效果不好的情況下，可以將板框進泥含水率控制在94%～95%(圖8)，且保證疊螺濾液清澈。當兩廠出現(xiàn)渾濁度激增，導致排泥濃度高時，疊螺的進泥含水率下降，其出泥含水率會隨之下降，有效提高了單位進泥含固率，確保了板框處理產(chǎn)能。

2.3.2 板框進泥加藥調(diào)試

在板框進泥管道增設了加藥點后，水廠組織人員進行了大量的小試和中試試驗，如表3所示，在經(jīng)過小試確認藥劑種類后，進入上機中試。主要是加藥前后、泵前泵后加藥以及加藥量優(yōu)化等對比試驗。由表3可知：粉狀陰離子PAM藥劑，不適用于板框前投加，極易導致濾布堵塞，泥餅“包水”而影響出泥含水率；而乳狀的陰離子PAM投加后具有非常明顯的提產(chǎn)效果。

注：(1)疊螺濃縮系統(tǒng)、2#加藥系統(tǒng)、氫氧化鈉堿洗系統(tǒng)均為新增系統(tǒng);疊螺濃縮系統(tǒng)含進泥螺桿泵、疊螺濃縮機、平衡池及1#加藥系統(tǒng)；2#加藥系統(tǒng)為板框前加藥；堿洗系統(tǒng)用于板框定期浸泡堿洗；(2)板框脫水后，泥餅經(jīng)螺旋輸送系統(tǒng)送入料倉暫存，按計劃安排車輛外運處置，其中，螺旋輸送機為升級改造設施圖7 觀瀾茜坑水廠污泥處理工藝簡圖(升級工藝)Fig.7 Schematic Diagram of Sludge Treatment Process in Guanlan WTP (Upgraded Design)

圖8 觀瀾茜坑水廠疊螺出泥含水率變化Fig.8 Comparison of Water Content of Raw Sludge and Sludge Processed by Modified Screw Conveyor

(1)無加藥和泵后加藥對比

利用1號板框系統(tǒng)，對無加藥和投加0.32%的PAM時的污泥進料流量進行比較(圖9)。投加PAM后，污泥的進料流量遠大于無加藥流量，這也說明投加PAM后，增加了板框機單批次處理污泥量。在板框出泥的泥餅上，通常無加藥的泥餅厚度為3～5 mm，含水率約60%，如圖10(a)所示。加藥后的出泥泥餅為6～20 mm，含水率約53%，如圖10(b)所示(加藥后，由于污泥透水性變好，在底部的泥餅會較厚)。

表3 觀瀾茜坑水廠板框加藥生產(chǎn)試驗結(jié)果對比Tab.3 Comparison of Various Pilot Experiment Results of Dosing Device of Frame Dehydrator

圖9 無加藥和泵后加藥的污泥流量比較Fig.9 Comparison of Flow Rate of Sludge Processed by PAM Dosing or Dosing Free

圖10 無加藥(a)和泵后加藥(b)的泥餅比較Fig.10 Comparison of Filter Cake Processed by Dosing Free (a) and PAM Dosing (b)

圖11 泵前加藥和泵后加藥的污泥流量比較Fig.11 Comparison of Flow Rate of Sludge Processed by PAM Dosing at Site before Sludge Pump to that of Mixer Device (after Pump)

(2)PAM投藥點變化試驗

在PAM的投加點上，對污泥進料泵前和在線PAM攪拌裝置處(泵后)的污泥進料泵流量進行比較，PAM的投加率為0.32%，如圖11所示。泵前加藥的整體流量高于泵后加藥，即相同狀態(tài)下泵前加藥的污泥處理量大于泵后加藥。主要原因是污泥濃度較高，PAM和污泥在混合后需充分的時間反應形成絮團，泵前加藥通過進料泵和攪拌器的雙重攪拌，絮團狀態(tài)更好。

(3)加藥量優(yōu)化對比

在泵前加藥試驗中，PAM的投加率為0.2%～0.45%，對污泥進料泵的流量進行比較(圖12)。由圖12可知，該乳液狀PAM在投加率的對應范圍上變化較大，在污泥濃度變化較大時也能發(fā)揮很好的效果。

圖12 泵前加藥PAM投加量變化的污泥流量比較Fig.12 Comparison of Flow Rate of Sludge Processed by Different PAM Dosage

2.3.3 堿洗系統(tǒng)運行情況

在前期進行了大量的加藥試驗，且濾布已經(jīng)使用了6個多月時，對濾布進行堿洗。堿洗主要是用堿液(濃度為3%～5%)對濾布進行6 h的浸泡，再進行濾布低壓水清洗后恢復使用。PAM投加率設定在0.35%，濾布堿洗前，污泥進料壓力在5 min時達到設定值0.4 MPa，進料15 min時污泥流量低于5 m3/h；濾布堿洗后，進料壓力在13 min時達到設定值0.4 MPa，進料15 min時污泥流量還有9 m3/h，充分論證了濾布經(jīng)堿洗后，堵塞問題可得到了一定的緩解。

3 結(jié)論

經(jīng)過試驗驗證，升級后的“重力濃縮-機械濃縮-加藥調(diào)理-板框脫水”工藝，能高效應對設計規(guī)模為53萬m3/d的自來水廠污泥。

(1)增設疊螺機械濃縮后，有效提高了污泥濃縮效果，且穩(wěn)定了板框進泥狀態(tài)，提高了板框脫水的產(chǎn)能和出泥效果。板框系統(tǒng)運行時間從原來24 h縮短到18 h左右，且出泥含水率下降至60%。

(2)板框進泥前增設了加藥點，分析對比試驗可知：乳狀陰離子PAM比粉劑更適用于板框進泥加藥；泵前加藥效果更優(yōu)于泵后加藥；針對觀瀾、龍華兩廠的排泥性質(zhì)，經(jīng)過疊螺濃縮后的污泥加藥比約0.3%～0.6%，藥劑配藥濃度保持0.5%，折算污泥投加量約1.5～3 mg/L。在實際生產(chǎn)中，因不同季節(jié)污泥泥性變化，投藥量可根據(jù)燒杯試驗進行優(yōu)化。

(3)疊螺濃縮有效規(guī)避了重力濃縮池的設計缺陷，且穩(wěn)定了污泥濃縮效果，根據(jù)實際生產(chǎn)對比，疊螺系統(tǒng)的運行，對板框壓濾機的產(chǎn)能有較大的影響。建議在每年污泥處理高負荷期間(雨汛期及夏季供水高峰期，每年5月—10月)，保證疊螺系統(tǒng)運行；其余時段，可選擇性啟用疊螺濃縮。

(4)觀瀾水廠污泥全段工藝運行時，可大幅度提升板框脫水機的產(chǎn)能，板框單批次運行時間縮短1/3，單批次產(chǎn)能可提升3～5倍(泥餅厚度由原來的4 mm左右上升至10 mm以上)，出泥含水率穩(wěn)定在55%～60%，板框系統(tǒng)的運行時間再次縮短至10 h，大大保障了污泥系統(tǒng)的安全運行。