板框廂式隔膜壓濾機
引言
污泥是污水處理過程的副產(chǎn)物，其中含有大量的微生物、病原體及有機污染物，如處理不當(dāng)會造成嚴(yán)重的二次污染［1］。對于填埋場滲濾液處理廠而言，由于廠址位于垃圾填埋場內(nèi)，且污泥總量少，經(jīng)脫水后污泥運至垃圾填埋場與生活垃圾混合填埋是經(jīng)濟(jì)可行的，但污泥的含水率必須滿足填埋的相關(guān)要求［2］。對于垃圾焚燒廠，滲濾液處理產(chǎn)生的剩余污泥基本都是回爐與垃圾混燒處理，因此降低污泥含水率，能夠降低混燒難度。
根據(jù)《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889—2008)規(guī)定，進(jìn)入生活垃圾填埋場處理的污泥含水率須在60%以下。為了便于后續(xù)焚燒或干化處理，越來越多的焚燒廠滲濾液處理要求將剩余污泥含水率降至60%以下，如新建的上海松江生活垃圾焚燒廠二期工程等。
設(shè)備使用情況
常用的污泥機械脫水設(shè)備主要有板框式污泥脫水機、帶式污泥脫水機、離心式污泥脫水機、疊螺式污泥脫水機和旋壓式污泥脫水機5種［3］。大多數(shù)工程都選擇離心污泥脫水機作為剩余污泥處理設(shè)備，主要原因是離心污泥脫水機比其他脫水機自動化程度更高、運行管理更為便捷。
技術(shù)應(yīng)用情況
離心脫水設(shè)備只能將剩余污泥含水率降到80%左右，系統(tǒng)自動化程度高，脫水性能穩(wěn)定。多采用聚丙烯酰胺(PAM)作為污泥處理的混凝劑。為將剩余污泥含水率降到60%以下，國內(nèi)做了多種嘗試:朱偉青等［4］對江蘇兩座填埋場垃圾滲濾液剩余污泥的藥劑投加實際值進(jìn)行燒杯試驗復(fù)核，試驗結(jié)果表明，若PAM及PAC(聚合氯化鋁)復(fù)合投加，可降低污泥含水率。張洛紅等［5］在西安市江村溝垃圾滲濾液處理廠選用PAM+FeCl3和PAM+Al2(SO4)3調(diào)理污泥后，污泥脫水性能得到不同程度的改善。上述兩種工況，污泥脫水后含水率有所改善，但都未達(dá)到60%以下。張輝等［6］在合肥某污水處理廠采用污泥藥劑改性+廂式壓濾脫水工藝，通過生產(chǎn)性試驗，考察了壓榨壓力、藥劑種類和投加量、進(jìn)泥濃度等因素的影響，選用了無機絮凝劑和有機絮凝劑進(jìn)行污泥藥劑改性，可將污泥脫水至含水率60%以下。黃興剛等［7］采用離心脫水和投加石灰固化劑的組合方式，以南方某填埋場垃圾滲濾液處理站的剩余污泥為試驗對象，配備固化劑料倉和螺旋輸送機。當(dāng)滲濾液剩余污泥濃度為20g/L、絮凝劑投加濃度為0．2%～0．25%時，脫水污泥的含水率為80%，再投加脫水污泥質(zhì)量比為0．3的固化劑，可將污泥含水率降至60%。李君等［8］建議經(jīng)機械濃縮脫水后含水率為80%的污泥必須進(jìn)行干化處理，使其含水率達(dá)到填埋的要求。一般采用石灰堿化穩(wěn)定技術(shù)，通過摻加石灰進(jìn)一步干化，使污泥含水率降至60%以下，然后裝袋運至填埋場填埋。這一方法需配套石灰倉、螺旋輸送設(shè)備、裝袋設(shè)備等。然而填埋場滲濾液剩余污泥含水率的問題并沒有得到解決，實際情況是極少將污泥脫水至含水率60%以下，脫水后污泥含水率大多為80%，更有甚者直接將污泥回灌到填埋場，對填埋場的影響較大。
綜上所述，將垃圾滲濾液剩余污泥處理到含水率60%以下，在實際工程中尚未有廣泛的應(yīng)用，仍然是滲濾液處理的難點之一。
工程背景
老港滲濾液應(yīng)急項目(500m3/d)是老港基地的滲濾液處理工程之一，采用采購服務(wù)模式，服務(wù)年限為5年，處理單價為125元/m3(含投資)。項目和污泥處理相關(guān)的主要邊界條件:
①工程總用地為50m×40m;
②剩余污泥脫水至含水率60%以下，進(jìn)入填
埋場污泥庫區(qū)填埋;
③ 脫水污泥進(jìn)入填埋場的處理費為200元/t(含運費)。
進(jìn)、出水水質(zhì)
應(yīng)急工程的處理對象主要為填埋場滲濾液，但老港基地有焚燒廠，滲濾液可用作碳源調(diào)節(jié)，因此工程中設(shè)有調(diào)節(jié)池，水質(zhì)按照調(diào)配后設(shè)計，其中進(jìn)水COD為20000～25000mg/L，氨氮為2000～2500mg/L，總氮為2500～3000mg/L。排水水質(zhì)執(zhí)行《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889—2008)表2標(biāo)準(zhǔn)。
主要工藝
應(yīng)急工程采用MBＲ+納濾的膜處理工藝，不設(shè)反滲透工藝段。納濾濃縮液采用物料膜濃縮減量后進(jìn)入焚燒廠焚燒，剩余污泥板框脫水到含水率60%后進(jìn)入填埋場污泥庫區(qū)填埋。滲濾液處理工藝流程見圖1。
污泥產(chǎn)量計算
污泥系統(tǒng)是MBＲ系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)多年的工程實證經(jīng)驗，結(jié)合老港地區(qū)水質(zhì)特點，在污泥計算中產(chǎn)率系數(shù)選擇了0．35kgMLSS/kgCOD，計算得出絕干污泥產(chǎn)量約為4．93t/d，具體計算見表1。
污泥脫水工藝設(shè)計
① 離心脫水方案
只能將污泥的含水率控制在80%左右，不滿足項目需求。
② 離心脫水+石灰固化方案
預(yù)計80%的污泥產(chǎn)量約25t/d，添加的石灰量約8t/d，需要填埋的污泥總量為30～33t/d，產(chǎn)生污泥總量比直接處理到含水率60%增加約20t/d，增加污泥處理費約4000元/d(折合到噸水處理成本約8元/m3)。
本項目占地受限，采用該法平面布置困難。
③ 板框壓濾方案
該項目為BOT項目，為降低成本，確保具有競爭性，綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，最終設(shè)計方案引入了生活污水處理廠的工藝路線，采用板框壓濾技術(shù)。
投加鐵鹽調(diào)理污泥，對上清液加堿處理，利用氫氧化鐵的沉淀性去除鐵離子，控制鐵離子對膜的污染。本工程選用的板框壓濾主要參數(shù):設(shè)計最大原泥量(含水率為97%～98．5%)200t/d，濾布面積300m2，壓濾機工作周期4h，每批次絕干污泥量不小于1．5t，每天工作2班(16h)，最大原泥進(jìn)泥量50t/次。當(dāng)污泥產(chǎn)量超出設(shè)計值時，則保持24h運行。
污泥脫水系統(tǒng)
污泥脫水系統(tǒng)主要由污泥調(diào)理系統(tǒng)、藥劑儲存和投加系統(tǒng)、污泥進(jìn)料系統(tǒng)、高壓板框壓濾機、污泥輸送系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等組成。核心是污泥調(diào)理系統(tǒng)和高壓板框壓濾機。
①污泥調(diào)理系統(tǒng)
污泥池含水率為97%～98．5%的原泥計量后進(jìn)入調(diào)理池，向調(diào)理池中投加復(fù)合調(diào)理劑，并通過攪拌機進(jìn)行充分混合反應(yīng)。反應(yīng)充分后的污泥進(jìn)入板框壓濾機。
②高壓板框壓濾機
高壓板框壓濾機由一定數(shù)量的濾板組成，上面覆蓋有濾布。在閉合位置時，相鄰濾板的凹面構(gòu)成了一個壓力密封室。調(diào)理改性后的污泥先后由低、高壓進(jìn)料泵送入板框壓濾機，首先由低壓進(jìn)料泵工作，將污泥輸送至板框壓濾機，壓力維持在0．8MPa左右，進(jìn)泥一段時間后，啟動高壓進(jìn)料泵進(jìn)泥，進(jìn)料壓力維持在1．5MPa。進(jìn)泥量到位后，啟動壓榨，約1h后壓榨腔內(nèi)的污泥含水率可降至60%以下。壓濾完成后，壓濾機自動對濾板進(jìn)行逐一移動，干泥餅自動掉入壓濾機下端的落泥斗。整個工作周期約為4h。
3 實證研究
3.1 第一階段(2018年5月—7月)該工程從2018年4月開始調(diào)試，5月中旬達(dá)到設(shè)計處理量(500m3/d)，污泥系統(tǒng)開始調(diào)試。
① 工況1:鐵鹽法
鐵鹽投加量為500～600kg/t絕干泥，經(jīng)板框壓榨后，泥餅成型，含水率在60%以下，泥餅較薄，有粘布現(xiàn)象。在不去除鐵離子的工況下，幾個批次后，生化池鐵離子濃度大幅上升，超濾膜污堵，產(chǎn)水通量急速下降。經(jīng)清洗后的超濾膜通量可恢復(fù)，但在半日內(nèi)產(chǎn)水量就下降30%以上，系統(tǒng)無法正常運行。
② 工況2:鐵鹽和鋁鹽復(fù)合藥劑
鑒于鐵鹽的性質(zhì)，采用鐵鋁鹽復(fù)合藥劑法，投加量維持在絕干污泥量的50%～60%，膜污染同工況1，系統(tǒng)無法運行。
③工況3:鋁鐵鹽+聚醚胺組合法
進(jìn)一步降低鐵鹽、鋁鹽用量，添加部分聚醚胺固
化劑，運行效果同工況1、2。
④工況4:加堿對上清液預(yù)處理
對工況1～3進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)無法正常運轉(zhuǎn)的主要原因是膜受到鐵、鋁鹽污染，通量達(dá)不到設(shè)計值。擬通過加堿去除污染離子，將鐵、鋁離子濃度控制在膜可容許的范圍內(nèi)。
在運行中發(fā)現(xiàn)以下問題:
上清液總硬度大幅上升
污泥調(diào)理時加入鋁、鐵鹽，清液pH值從8降為4～4．5，生化過程產(chǎn)生的鈣鎂碳酸鹽在酸性條件下重新溶解，導(dǎo)致清液總硬度大幅上升。所取水樣的總硬度從脫泥前的13mmol/L上升到21mmol/L，鐵離子在濾液中的殘留可達(dá)350mg/L。
堿投加量大
片堿投加量達(dá)到上清液的1%～2%，才可將pH值調(diào)為8～9，系統(tǒng)中產(chǎn)生大量沉淀，但幾種工況下鐵離子均未達(dá)到膜容許的范圍內(nèi)。小試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值調(diào)到13時，濾液中的鐵離子才能被完全去除，這給生產(chǎn)帶來了極大困難。
加堿產(chǎn)生的污泥去除困難
上清液加堿后產(chǎn)生大量污泥，大幅增加了板框的負(fù)荷，板框無法滿足運行需要。
結(jié)合工況1～4，由于設(shè)計中忽視了滲濾液中鈣鎂含量非常高、鐵鹽投加、pH值劇烈變化這些關(guān)鍵因素，污泥脫水系統(tǒng)無法按原設(shè)計運行，調(diào)試陷入困境。此階段只能降低處理量，維持系統(tǒng)運行。污泥脫水上清液回系統(tǒng)后對膜污染嚴(yán)重，這一現(xiàn)象在國內(nèi)文獻(xiàn)中未見報道。其間系統(tǒng)處理量降為150～200m3/d。
第二階段(2018年8月—9月)
由于無法解決鐵鹽、鋁鹽對膜的污染問題，經(jīng)過6月—7月實驗室試驗、生產(chǎn)運行總結(jié)，8月起對方案進(jìn)行了調(diào)整，不投加鐵鹽或者鋁鹽。通過對其他行業(yè)的調(diào)研，選用了食品、藥品行業(yè)的板框脫水藥劑方案，投加滲透劑+聚醚胺固化劑。
該方案的特點:滲透劑為無機濾水材料，多孔特性，不含水溶性鐵離子、鋁離子，在水中的溶解性極低，耐酸耐堿，不會對濾液造成污染。
滲透劑投加量為500～600kg/t絕干泥，聚醚胺投加量為25～30kg/t絕干泥，滲透劑良好的濾水性能保證了污泥脫水效率高，泥餅厚度達(dá)3～4cm，泥
餅含水率可穩(wěn)定在55%～60%，泥餅剝離性好，容易從濾布上掉落。濾液的電導(dǎo)率和堿度進(jìn)一步降低，對生化系統(tǒng)無影響。
采用該方案后，解決了膜污染問題，系統(tǒng)逐步穩(wěn)定，9月—12月系統(tǒng)處理量維持在500m3/d以上，但該方案存在以下問題:
① 設(shè)備無余量
每批次工作時間延長至約6h，板框需24h運行才能滿足系統(tǒng)要求。當(dāng)設(shè)備檢修時，無法滿足運行要求。
②環(huán)境差
藥劑(滲透劑)投加過程粉塵大，現(xiàn)場環(huán)境差，
勞動強度大。
③ 成本高
藥劑成本超過3000元/t絕干泥、30元/m3(不含污泥處理費)。該項目的經(jīng)濟(jì)性無法保證。第三階段(2018年10月—2019年5月)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但藥劑成本遠(yuǎn)超預(yù)算，項目虧損。為了降低成本，開展了大量的試驗，對藥劑進(jìn)行篩選。選擇的原則是混凝劑不污染膜。選擇藥劑先進(jìn)行小試，試驗可行后再進(jìn)行生產(chǎn)實證。
聚氧化乙烯
2018年12月篩選出混凝劑為聚氧化乙烯(PEO)。聚氧化乙烯多在水溶液中用作分散劑，特點是陽離子含量高，多在造紙過程中分散長纖維，在水性油墨中分散無機顏料。在實證工程中，單一投加聚氧化乙烯量30～35kg/tDS;泥餅含水率為60%～65%，平均含水率62%，基本可滿足要求;泥餅厚度約3cm，卸泥順暢度好，不粘板;濾液對生化系統(tǒng)無影響;單一藥劑投加，配藥時間大大減少，勞動強度低，無粉塵;縮短了單一批次的時間，每批次平均時間為4h以內(nèi)，提高了效率;運行成本降低了60%左右。該藥劑于2019年1月在生產(chǎn)中全面投用。
聚胺法
分析聚氧化乙烯和離心機用的PAM發(fā)現(xiàn)，陽離子度對滲濾液污泥脫水影響較大，按此原則，2019年3月—5月繼續(xù)試驗尋找陽離子度高的藥劑。5月篩選出聚胺，該藥劑陽離子度更高，多用于工業(yè)循環(huán)水防治結(jié)垢。
在實證工程中，單一投加聚胺20～25kg/t絕干泥，即可達(dá)到效果，聚胺價格低于聚氧化乙烯，可將運行成本在聚氧化乙烯的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低50%左右。試驗成功后，在2019年6月使用新藥劑，項目經(jīng)濟(jì)性大幅提高。
工程總結(jié)
設(shè)計計算
2019年1月—12月，滲濾液平均處理量約527m3/d，生化設(shè)計平均進(jìn)水COD為21800mg/L，出水COD為800mg/L，實際污泥產(chǎn)量為12．4t/d(含水率為60%)。
板框壓濾機處理污泥量為120～150t/d(生化池原污泥，實際含水率95%～97%)，每日運行3～4個批次，每批次進(jìn)原污泥約30～40t，生產(chǎn)數(shù)據(jù)中平均絕干污泥產(chǎn)量約4．96t/d。經(jīng)驗算，絕干污泥設(shè)計產(chǎn)量和板框壓濾實際運行數(shù)據(jù)基本一致，類似工程設(shè)計可參照選用。在實際運行中，進(jìn)入板框壓濾機的原泥，含水率多在95%～97%波動，低于設(shè)計值(97%～98．5%);系統(tǒng)原泥實際進(jìn)泥量30～40t/批次，低于設(shè)計值(50t/批次)。所選設(shè)備運轉(zhuǎn)可以滿足實際要求，設(shè)計時必須關(guān)注壓濾機單批次絕干污泥產(chǎn)量，核算濾布面積和絕干污泥量之間的關(guān)系。
藥劑
2018年8月—2019年5月，生產(chǎn)中選用了4種藥劑(見表2)。根據(jù)表2可知:聚胺法為經(jīng)濟(jì)可行方案。投加量約20～25kg/t絕干泥，運行費用為600～750元/t絕干泥。
在工程中發(fā)現(xiàn)，適用于膜法剩余污泥處理的有機混凝劑突出特點是陽離子度高。采用單一有機混凝劑可以將脫水污泥含水率控制在60%左右，這種處理方式不會對污泥后續(xù)采用焚燒或者熱干化有不利影響，為污泥焚燒或者干化提供了一條可行的技術(shù)路線。
結(jié)論
①老港滲濾液應(yīng)急項目(500m3/d)，率先選用板框壓濾+有機混凝劑技術(shù)，應(yīng)用于滲濾液膜處理工藝中的剩余污泥處理，可將污泥含水率降至60%以下，解決了上清液污染膜的問題，減少了脫水污泥總量。污泥脫水系統(tǒng)穩(wěn)定運行了近2年，相關(guān)參數(shù)可供類似工程借鑒。
② 用板框壓濾+有機混凝劑技術(shù)，陽離子度越高，脫水效果越好。其中采用聚胺法，運行費最低，約為600～750元/t絕干泥。如脫水污泥后續(xù)采用焚燒或熱干化處理，該法不會產(chǎn)生不利影響。
③鐵鹽法或者鐵鋁鹽法結(jié)合板框壓濾可實現(xiàn)剩余污泥含水率低于60%，但上清液中殘留的大量鐵、鋁離子，會對膜系統(tǒng)造成污染，不能在膜工藝中使用。
④ 與離心脫水+石灰固化工藝相比，板框壓濾+有機混凝劑工藝操作簡單，處理后污泥總量少，后續(xù)填埋處理費用少(如采用離心脫水+石灰固化，填埋費折算到水處理費上約增加8元/m3)，適應(yīng)性強，更具有經(jīng)濟(jì)性和操作性。
作者：王聲東教授
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