污泥深度脫水是采用一定的機械設備將污泥含水率降至60%以下的過程。然而，要實現污泥深度脫水，并不是單純提高脫水設備運行壓力的問題，而是需要統籌考慮污泥脫水設備、化學調理藥劑和調理方式，將各個環節有機結合、優化控制，從而形成高效的集成脫水工藝。由于含有離子化的功能基團，如羧基和磷酸基，故污泥通常帶負電，并以膠體的形式存在，且高度分散在水中，脫水比較困難。已有研究表明，由于污泥的高度具有可壓縮特性，單純維持高壓是無法實現深度脫水的。因此，為確保機械脫水的效率，化學調理過程就顯得十分重要。
在國內，污泥深度脫水方面的研究已有報道，但關鍵的化學調理技術研究卻相對缺乏。本實驗的主要目標為采用高壓隔膜壓濾過程，同時選擇適宜的化學調理方式，實現污泥深度脫水，即將污泥含水率降至60%左右，具體目標為：第一，對不同藥劑組合方式進行污泥化學調理后壓濾機的處理能力、污泥含水率和過濾通量等進行綜合比較，從而最終選擇出適宜于隔膜壓濾過程的調理方式；第二，以杭州市七格污水處理廠為例，對污泥處理處置工藝的成本進行核算，從而了解直接在水廠進行污泥深度脫水的經濟和技術優勢。
1 材料和方法
1.1 污水處理廠和污泥基本情況
杭州市七格污水處理廠采用厭氧/缺氧/好氧（A/A/O）工藝，后續進一步化學強化除磷，并采用重力濃縮和離心機進行污泥脫水，每天產生含水率為80%的污泥約300 t，年產生污泥質量超過10萬t。重力濃縮污泥取自污水處理廠離心脫水前調節池，污泥基本情況見表 1。其中含固率是將污泥在105 ℃下烘干后固體所占污泥的質量分數，有機質含量則是將固體在500 ℃下灼燒2 h后揮發物質占固體的質量百分數。
| 項目 | 含固率/% | pH | 上清液濁度/NTU | Zeta 電位/mV | 有機質含量/% |
| 數值 | 2.7~3.2 | 6.6~7.1 | 25.0~33.1 | -16.7~-21.6 | 27.5~31.6 |
1.2 化學調理藥劑介紹
主要藥劑包括有機和無機兩大類。無機藥劑：六水合氯化鐵（FeCl3·6H2O）、固體氯化鋁PAC（Al2O3有效質量分數為28%）、聚合硫酸鐵（PFS）、石灰和復合無機調理劑（主要成分包括氧化鋁、氧化鈣和氧化鎂）。有機高分子絮凝劑主要包括高分子聚二甲基二烯丙基氯化銨絮凝劑（HCA，藥劑呈黏稠的透明膠水狀）和陽離子型聚丙烯酰胺（PAM，相對分子質量為1 100萬）。各種藥劑的單價：PAC為1 500~1 700元/t、聚合硫酸鐵為1 600~1 800元/t、氯化鐵為1 500~1 800元/t、PAM 為1萬元/t、復合無機調理劑為750元/t、石灰為200~300元/t、HCA成本為3萬元/t。
1.3 污泥脫水實驗
1.3.1 小試實驗
采用六聯攪拌儀燒杯混凝實驗，并按一定的干污泥量投加混凝劑。取400 mL污泥于燒杯中，將燒杯放置好后，啟動混凝攪拌儀，迅速加入混凝劑，先以200 r/min速度快速攪拌30 s，再以100 r/min速度攪拌10 min，最后靜沉30 min。
1.3.2 中試實驗
選用杭州興源過濾科技有限公司小型隔膜壓濾機及其配套設備，主要有空壓機（最高可提供0.6 MPa壓強）、高壓清洗機、調理罐（配有變頻攪拌機）和聚丙烯氣動隔膜泵和螺桿泵。壓濾機的壓濾面積為8 m2，濾室總容量為0.15 m3，濾布孔徑為5 μm。
每次向污泥調理罐中裝入1 t濃縮污泥，投加化學調理劑，攪拌5 min后開始進料。壓濾程序為：開啟液壓裝置，將濾板壓緊，濾板壓強為2.2~2.7 MPa，保壓。整個壓濾過程包括注滿、低壓（0~0.8 MPa）壓濾和高壓（1.5~1.6 MPa）壓榨三步，每次進料量約為0.7~1 t。通過記錄不同的壓濾時間下調理罐的液位變化來計算污泥的進料速率。其中，調理罐液位下降速率非常緩慢時，停止進料，然后高壓壓榨維持40 min。
1.4 過濾脫水實驗
取待測污泥樣品100 mL于量筒中，在恒定壓強0.6 MPa的條件下過濾，每隔10 s記錄1次濾液體積，直到漏斗中濾餅層出現裂縫為止，停止抽濾，利用差量法測定濾餅含水率，然后進行污泥比阻（SRF）測定。SRF≥8×1011 m/kg屬于難脫水污泥，SRF 為4×1011~8×1011 m/kg 屬于中等可脫水污泥，SRF＜4×1011 m/kg為易脫水污泥。污泥比阻的計算公式如下：
式中：r——污泥比阻，m/kg；
P——過濾壓強，kg/m2；
A——過濾面積，m2；
μ——濾液的動力黏度，kg·s/m2；
w——濾過單位體積的濾液在過濾介質上截留的干固體質量，kg/m3；
b——反映污泥過濾性能的常數。
2 實驗結果
2.1 小試實驗
2.1.1 單一混凝劑投加對SRF的影響
不同混凝劑及其投加量下的SRF如圖 1所示。
從圖 1可以看出，用3種混凝劑調理污泥后，污泥的SRF均大幅降低，3種無機混凝劑對污泥的調理效果順序為FeCl3＞PFS＞PAC。
2.1.2 有機與無機藥劑復合調整及其投加順序對污泥比阻的影響
以干污泥質量計，在PAC、PFS、FeCl3的投加質量分數均為5%~30%，PAM投加質量分數0.5%條件下，有機和無機混凝劑不同投加順序對調理后SRF的影響見圖 2。
對于3種無機混凝劑而言，有機混凝劑PAM的投加順序對調理后污泥的脫水效果有顯著的影響。與單一混凝劑相比，投加有機與無機復合絮凝劑可以進一步改善污泥脫水性，同時可以有效降低無機絮凝劑的投加量。無機混凝劑形成的絮體較小，后續投加高分子絮凝劑后可以促使小的顆粒進一步成長為具有更大粒度的絮體，從而使得小顆粒的表面吸附水釋放出來，所以藥劑的投加順序也會影響調理效果，先無機絮凝劑再高分子有機絮凝劑的投加順序可以增強藥劑的化學調理效果。
2.2 中試實驗結果
2.2.1 中試化學調理方案
根據小試結果，中試化學調理方案共8套，見表 2。除了常規藥劑之外，中試還選擇了HCA型和復合無機調整劑，其投加方式和劑量根據廠家提供的經驗量，其中PAM配成質量分數為0.2%的溶液并按濃縮污泥的1%投加，HCA按濃縮污泥的0.01%投加，其他調理劑的投加質量分數均以干污泥計。
| 方案 | 化學調理藥劑及其投加量 |
| 1# | PAM,氯化鐵(8%)和石灰(10%) |
| 2# | PAM,聚合硫酸鐵(10%) |
| 3# | 復合無機調理劑(10%) |
| 4# | 聚合氯化鋁(10%) |
| 5# | PAM,氯化鐵(10%) |
| 6# | PAM,復合無機調理劑(20%) |
| 7# | HCA,氯化鐵(10%) |
| 8# | PAM,氯化鐵(10%)和石灰(10%) |
2.2.2 不同調理方案下的泥餅含水率和進泥總量
不同調理方案下，壓濾脫水后污泥的最終含水率及進泥總量見表 3。
| 方案 | 泥餅含水率/% | 污泥絕干質量/kg | 方案 | 泥餅含水率/% | 污泥絕干質量/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 |
為了使得樣品具有代表性，取樣位置設在濾板外周向內1/3處。由表 3可以看出，除4#調理方案獲得的污泥含水率較高（70.9%）外，其他調理各組污泥含水率均在59%~65%，即單獨采用PAC不能實現將污泥含水率降至60%左右的目標，而采用其他各種調理方案，均可以實現污泥的深度脫水。另外，結果也反映出在不借助石灰的條件下，只要選擇合適的化學調理藥劑和組合方式，亦可以實現污泥的高效脫水的目標。此外，采用7#調理方案污泥的進料量較多，干泥質量達到40.6 kg，采用2#、4#、8#調理方案次之，干泥質量為37.0~37.7 kg左右。而采用3#調理方案，干泥質量最低，僅為22.8 kg，其他各組泥餅量均為35 kg左右。
2.2.3 不同調理方案下的壓濾壓強和通量情況
隔膜壓濾過程可以分為4個階段：充滿階段、濾布截留階段、濾餅層過濾階段和壓榨階段。充滿階段和濾布截留階段壓強幾乎為0，濾餅層形成和過濾階段壓強逐漸上升，直至達到壓力平衡階段。壓濾機大小的選型主要通過濾室容積來確定，而往往忽略了過濾物料的特殊性。因此，充分認識物料壓濾過程中的通量變化情況可以使得機器選型更加準確，因為壓濾通量及其變化情況直接體現著壓濾機對不同物料的處理能力。
對過濾時間/過濾體積（t/V）和過濾時間做圖，其斜率可以表示過濾速率衰減快慢，稱為b值，b值越大，通量的衰減越快，過濾越困難。實驗表明，采用4#~8#方案時，b值分別為2.13、1.36、1.19、1.30、1.33。并且單獨使用PAC時（4#），過濾通量衰減最快，而采用PAM和復合調整劑（6#），污泥過濾速率較快，通量相對穩定，通量衰減速率相對也較慢，但和7#、8#兩組通量衰減速率差異不是很大。因此，相對而言，采用6#和7#可以從一定程度上提高壓濾機的處理能力。
2.3 不同化學調理方案的成本
不同方案的調理成本如表 4所示，成本分別以干污泥量和含水97%的濃縮污泥來計。
| 方案 | 藥劑總成本/(元·t -1 ) | |
| 絕干污泥 | 含水率為97%的濃縮污泥 | |
| 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 綜合成本的對比分析
就目前而言，污泥消納的主要方式為填埋和資源化利用兩種。下面將從這兩條工藝出發，對比核算兩種脫水方式的綜合成本（化學調理、設備運行和減量化效果），主要以杭州七格污水處理廠三期為例說明。
3.1 兩種脫水方式的運行成本
七格污水處理廠三期工程采用離心脫水的方式，每天產生含水率約為80%的污泥300 t，換算為含水率97%的濃縮污泥2 000 t。其中化學調理藥劑主要采用PAM，處理1 t含水率為97%的污泥其化學調理成本為3.33元；電費為30萬元/月（1 kW·h電價為0.75元），則電費成本為5元/t；人員工資以3 000元/月計（共30人），人工費用為1.5元/t，則總運行成本為9.83元/t。按照中試結果，隔膜壓濾機的化學調理藥劑為氯化鐵和PAM，折合成含水率97%污泥的成本如下：藥劑成本為5元/t左右，電費2.1元/t，人員成本（共40人）2.0元/t，總運行成本為9.1元/t。
3.2 污泥減量效果
考慮到污泥深度脫水將大幅地削減污泥量，即含水率從80%降至60%意味著污泥量將減少50%左右。目前，七格水廠污泥（含水率80%）產量為300 t/d，進行隔膜壓濾深度脫水工藝改造之后，污泥產量將下降至150 t/d。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
3.3 綜合成本
七格污水處理廠三期工程日產生含水率97%的污泥質量為2 000 t，則采用隔膜壓濾可節約的運行費用約為1 500元/d。1 t污泥的處置費用為100元（含運費）計，總的污泥處置費用為3萬元/d。采用深度脫水技術后，污泥量將降低至150 t/d，相應地污泥處置成本將降低至1.5萬元/d。因此，采用深度脫水工藝具有明顯的經濟優勢，通過脫水方式的轉變，可以為該廠三期節省污泥脫水和處置成本600萬/a左右。
4 結論
（1）從化學調理方式和成本來說，離心脫水藥劑主要采用PAM，1 t污泥（含水率為97%）的化學調理成本為3.33元，而隔膜壓濾機的化學調理藥劑為氯化鐵/聚合硫酸鐵（投加質量分數10%）和PAM（成本可以忽略），藥劑的總成本為5元。從運行成本來說，七格污水處理廠現采用的離心脫水運行總成本為6.5元/t，而隔膜壓濾機的運行總成本為4.1元/t。綜合對比來看，在采用隔膜壓濾機后，污泥的脫水成本將下降1 500元/d，而由于減量而節約的污泥處置成本將降低1.5萬元/d。
（2）從污泥減量效果來看，隔膜壓濾機脫水后污泥含水率會降至60%，意味著污泥量將在原來的基礎上削減50%左右，也就是說進行深度脫水工藝改造之后，污泥產量將下降至150 t/d。
