污泥深度脱水是采用一定的机械设备将污泥含水率降至60%以下的过程。然而，要实现污泥深度脱水，并不是单纯提高脱水设备运行压力的问题，而是需要统筹考虑污泥脱水设备、化学调理药剂和调理方式，将各个环节有机结合、优化控制，从而形成高效的集成脱水工艺。由于含有离子化的功能基团，如羧基和磷酸基，故污泥通常带负电，并以胶体的形式存在，且高度分散在水中，脱水比较困难。已有研究表明，由于污泥的高度具有可压缩特性，单纯维持高压是无法实现深度脱水的。因此，为确保机械脱水的效率，化学调理过程就显得十分重要。

在国内，污泥深度脱水方面的研究已有报道，但关键的化学调理技术研究却相对缺乏。本实验的主要目标为采用高压隔膜压滤过程，同时选择适宜的化学调理方式，实现污泥深度脱水，即将污泥含水率降至60%左右，具体目标为：第一，对不同药剂组合方式进行污泥化学调理后压滤机的处理能力、污泥含水率和过滤通量等进行综合比较，从而最终选择出适宜于隔膜压滤过程的调理方式；第二，以杭州市七格污水处理厂为例，对污泥处理处置工艺的成本进行核算，从而了解直接在水厂进行污泥深度脱水的经济和技术优势。

1 材料和方法
 
1.1 污水处理厂和污泥基本情况
 
杭州市七格污水处理厂采用厌氧/缺氧/好氧（A/A/O）工艺，后续进一步化学强化除磷，并采用重力浓缩和离心机进行污泥脱水，每天产生含水率为80%的污泥约300 t，年产生污泥质量超过10万t。重力浓缩污泥取自污水处理厂离心脱水前调节池，污泥基本情况见表 1。其中含固率是将污泥在105 ℃下烘干后固体所占污泥的质量分数，有机质含量则是将固体在500 ℃下灼烧2 h后挥发物质占固体的质量百分数。

表 1 污泥的基本性质

项目	含固率/%	pH	上清液浊度/NTU	Zeta 电位/mV	有机质含量/%
数值	2.7～3.2	6.6～7.1	25.0～33.1	-16.7～-21.6	27.5～31.6

1.2 化学调理药剂介绍
 
主要药剂包括有机和无机两大类。无机药剂：六水合氯化铁（FeCl3·6H2O）、固体氯化铝PAC（Al2O3有效质量分数为28%）、聚合硫酸铁（PFS）、石灰和复合无机调理剂（主要成分包括氧化铝、氧化钙和氧化镁）。有机高分子絮凝剂主要包括高分子聚二甲基二烯丙基氯化铵絮凝剂（HCA，药剂呈黏稠的透明胶水状）和阳离子型聚丙烯酰胺（PAM，相对分子质量为1 100万）。各种药剂的单价：PAC为1 500～1 700元/t、聚合硫酸铁为1 600～1 800元/t、氯化铁为1 500～1 800元/t、PAM 为1万元/t、复合无机调理剂为750元/t、石灰为200～300元/t、HCA成本为3万元/t。

1.3 污泥脱水实验
 
1.3.1 小试实验
 
采用六联搅拌仪烧杯混凝实验，并按一定的干污泥量投加混凝剂。取400 mL污泥于烧杯中，将烧杯放置好后，启动混凝搅拌仪，迅速加入混凝剂，先以200 r/min速度快速搅拌30 s，再以100 r/min速度搅拌10 min，最后静沉30 min。

1.3.2 中试实验
 
选用杭州兴源过滤科技有限公司小型隔膜压滤机及其配套设备，主要有空压机（最高可提供0.6 MPa压强）、高压清洗机、调理罐（配有变频搅拌机）和聚丙烯气动隔膜泵和螺杆泵。压滤机的压滤面积为8 m2，滤室总容量为0.15 m3，滤布孔径为5 μm。

每次向污泥调理罐中装入1 t浓缩污泥，投加化学调理剂，搅拌5 min后开始进料。压滤程序为：开启液压装置，将滤板压紧，滤板压强为2.2～2.7 MPa，保压。整个压滤过程包括注满、低压（0～0.8 MPa）压滤和高压（1.5～1.6 MPa）压榨三步，每次进料量约为0.7～1 t。通过记录不同的压滤时间下调理罐的液位变化来计算污泥的进料速率。其中，调理罐液位下降速率非常缓慢时，停止进料，然后高压压榨维持40 min。

1.4 过滤脱水实验
 
取待测污泥样品100 mL于量筒中，在恒定压强0.6 MPa的条件下过滤，每隔10 s记录1次滤液体积，直到漏斗中滤饼层出现裂缝为止，停止抽滤，利用差量法测定滤饼含水率，然后进行污泥比阻（SRF）测定。SRF≥8×1011 m/kg属于难脱水污泥，SRF 为4×1011～8×1011 m/kg 属于中等可脱水污泥，SRF＜4×1011 m/kg为易脱水污泥。污泥比阻的计算公式如下：

 式中：r——污泥比阻，m/kg；

P——过滤压强，kg/m2；

A——过滤面积，m2；

μ——滤液的动力黏度，kg·s/m2；

w——滤过单位体积的滤液在过滤介质上截留的干固体质量，kg/m3；

b——反映污泥过滤性能的常数。

2 实验结果
 
2.1 小试实验
 
2.1.1 单一混凝剂投加对SRF的影响
 
不同混凝剂及其投加量下的SRF如图 1所示。

 从图 1可以看出，用3种混凝剂调理污泥后，污泥的SRF均大幅降低，3种无机混凝剂对污泥的调理效果顺序为FeCl3＞PFS＞PAC。

2.1.2 有机与无机药剂复合调整及其投加顺序对污泥比阻的影响
 
以干污泥质量计，在PAC、PFS、FeCl3的投加质量分数均为5%～30%，PAM投加质量分数0.5%条件下，有机和无机混凝剂不同投加顺序对调理后SRF的影响见图 2。

对于3种无机混凝剂而言，有机混凝剂PAM的投加顺序对调理后污泥的脱水效果有显著的影响。与单一混凝剂相比，投加有机与无机复合絮凝剂可以进一步改善污泥脱水性，同时可以有效降低无机絮凝剂的投加量。无机混凝剂形成的絮体较小，后续投加高分子絮凝剂后可以促使小的颗粒进一步成长为具有更大粒度的絮体，从而使得小颗粒的表面吸附水释放出来，所以药剂的投加顺序也会影响调理效果，先无机絮凝剂再高分子有机絮凝剂的投加顺序可以增强药剂的化学调理效果。

2.2 中试实验结果
 
2.2.1 中试化学调理方案
 
根据小试结果，中试化学调理方案共8套，见表 2。除了常规药剂之外，中试还选择了HCA型和复合无机调整剂，其投加方式和剂量根据厂家提供的经验量，其中PAM配成质量分数为0.2%的溶液并按浓缩污泥的1%投加，HCA按浓缩污泥的0.01%投加，其他调理剂的投加质量分数均以干污泥计。

表 2 中试化学调理方案

方案	化学调理药剂及其投加量
1#	PAM,氯化铁（8%）和石灰（10%）
2#	PAM,聚合硫酸铁（10%）
3#	复合无机调理剂（10%）
4#	聚合氯化铝（10%）
5#	PAM,氯化铁（10%）
6#	PAM,复合无机调理剂（20%）
7#	HCA,氯化铁（10%）
8#	PAM,氯化铁（10%）和石灰（10%）

2.2.2 不同调理方案下的泥饼含水率和进泥总量
 
不同调理方案下，压滤脱水后污泥的最终含水率及进泥总量见表 3。

表 3 不同调理方案下的污泥处理情况

方案	泥饼含水率/%	污泥绝干质量/kg	方案	泥饼含水率/%	污泥绝干质量/kg
1#	59.4	34.5	5#	65.0	35.1
2#	63.2	37.0	6#	60.9	35.5
3#	64.7	22.8	7#	62.1	40.6
4#	70.9	37.7	8#	58.8	37.4

为了使得样品具有代表性，取样位置设在滤板外周向内1/3处。由表 3可以看出，除4#调理方案获得的污泥含水率较高（70.9%）外，其他调理各组污泥含水率均在59%～65%，即单独采用PAC不能实现将污泥含水率降至60%左右的目标，而采用其他各种调理方案，均可以实现污泥的深度脱水。另外，结果也反映出在不借助石灰的条件下，只要选择合适的化学调理药剂和组合方式，亦可以实现污泥的高效脱水的目标。此外，采用7#调理方案污泥的进料量较多，干泥质量达到40.6 kg，采用2#、4#、8#调理方案次之，干泥质量为37.0～37.7 kg左右。而采用3#调理方案，干泥质量最低，仅为22.8 kg，其他各组泥饼量均为35 kg左右。

2.2.3 不同调理方案下的压滤压强和通量情况
 
隔膜压滤过程可以分为4个阶段：充满阶段、滤布截留阶段、滤饼层过滤阶段和压榨阶段。充满阶段和滤布截留阶段压强几乎为0，滤饼层形成和过滤阶段压强逐渐上升，直至达到压力平衡阶段。压滤机大小的选型主要通过滤室容积来确定，而往往忽略了过滤物料的特殊性。因此，充分认识物料压滤过程中的通量变化情况可以使得机器选型更加准确，因为压滤通量及其变化情况直接体现着压滤机对不同物料的处理能力。

对过滤时间/过滤体积（t/V）和过滤时间做图，其斜率可以表示过滤速率衰减快慢，称为b值，b值越大，通量的衰减越快，过滤越困难。实验表明，采用4#～8#方案时，b值分别为2.13、1.36、1.19、1.30、1.33。并且单独使用PAC时（4#），过滤通量衰减最快，而采用PAM和复合调整剂（6#），污泥过滤速率较快，通量相对稳定，通量衰减速率相对也较慢，但和7#、8#两组通量衰减速率差异不是很大。因此，相对而言，采用6#和7#可以从一定程度上提高压滤机的处理能力。

2.3 不同化学调理方案的成本
 
不同方案的调理成本如表 4所示，成本分别以干污泥量和含水97%的浓缩污泥来计。

表 4 不同化学调理方案的成本

方案	药剂总成本/（元·t -1 ）
	绝干污泥	含水率为97%的浓缩污泥
1#	123.4～147.4	3.7～4.4
2#	150.4～180.4	4.5～5.4
3#	150	4.5
4#	150～170	4.5～5.1
5#	150.4～200.4	4.5～6.1
6#	150.4	4.5
7#	150.3～180.3	4.5～5.4
8#	153.4～203.4	4.6～6.1

3 综合成本的对比分析
 
就目前而言，污泥消纳的主要方式为填埋和资源化利用两种。下面将从这两条工艺出发，对比核算两种脱水方式的综合成本（化学调理、设备运行和减量化效果），主要以杭州七格污水处理厂三期为例说明。

3.1 两种脱水方式的运行成本
 
七格污水处理厂三期工程采用离心脱水的方式，每天产生含水率约为80%的污泥300 t，换算为含水率97%的浓缩污泥2 000 t。其中化学调理药剂主要采用PAM，处理1 t含水率为97%的污泥其化学调理成本为3.33元；电费为30万元/月（1 kW·h电价为0.75元），则电费成本为5元/t；人员工资以3 000元/月计（共30人），人工费用为1.5元/t，则总运行成本为9.83元/t。按照中试结果，隔膜压滤机的化学调理药剂为氯化铁和PAM，折合成含水率97%污泥的成本如下：药剂成本为5元/t左右，电费2.1元/t，人员成本（共40人）2.0元/t，总运行成本为9.1元/t。

3.2 污泥减量效果
 
考虑到污泥深度脱水将大幅地削减污泥量，即含水率从80%降至60%意味着污泥量将减少50%左右。目前，七格水厂污泥（含水率80%）产量为300 t/d，进行隔膜压滤深度脱水工艺改造之后，污泥产量将下降至150 t/d。。

3.3 综合成本
 
七格污水处理厂三期工程日产生含水率97%的污泥质量为2 000 t，则采用隔膜压滤可节约的运行费用约为1 500元/d。1 t污泥的处置费用为100元（含运费）计，总的污泥处置费用为3万元/d。采用深度脱水技术后，污泥量将降低至150 t/d，相应地污泥处置成本将降低至1.5万元/d。因此，采用深度脱水工艺具有明显的经济优势，通过脱水方式的转变，可以为该厂三期节省污泥脱水和处置成本600万/a左右。

4 结论
 
（1）从化学调理方式和成本来说，离心脱水药剂主要采用PAM，1 t污泥（含水率为97%）的化学调理成本为3.33元，而隔膜压滤机的化学调理药剂为氯化铁/聚合硫酸铁（投加质量分数10%）和PAM（成本可以忽略），药剂的总成本为5元。从运行成本来说，七格污水处理厂现采用的离心脱水运行总成本为6.5元/t，而隔膜压滤机的运行总成本为4.1元/t。综合对比来看，在采用隔膜压滤机后，污泥的脱水成本将下降1 500元/d，而由于减量而节约的污泥处置成本将降低1.5万元/d。

（2）从污泥减量效果来看，隔膜压滤机脱水后污泥含水率会降至60%，意味着污泥量将在原来的基础上削减50%左右，也就是说进行深度脱水工艺改造之后，污泥产量将下降至150 t/d。