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住房和城乡建设部科技发展促进中心
上海市城市排水有限公司
主要起草人:
中国工程建设标准化协会
2019年月日
1总则
1.0.1编制目的
为了深化对城镇污水处理厂污泥深度脱水技术的原理和工艺的理解,提升我国污泥深度脱水工艺设计和运行管理水平,在查阅国内外相关技术材料、调研国内相关工程的基础上,依据国家和行业相关法律法规和标准规范,编制本指南。
1.0.2适用范围
本指南适用于城镇污水处理厂污泥深度脱水的工艺设计和运行管理。
1.0.3建设运行基本原则
(1)处置决定处理,处理满足处置
应根据污泥特性选择合理的污泥处置方式,污泥处理设施的工艺及建设标准必须满足处置方式的要求,实现污泥深度脱水与焚烧、土地利用等处置方式的衔接。
(2)绿色循环低碳
在解决污泥处理处置迫切问题、保障污泥安全环保处理处置的基础上,最大程度上减少污泥处理处置过程对外界能源和化学药剂的依赖,最大程度上避免对环境造成二次污染,最大程度上减少二氧化碳、甲烷等温室气体排放对外界的影响。
(3)全过程管理
污泥处理处置应进行全过程管理与控制。
工业废水排入市政污水管网前必须按规定进行厂内预处理,使有毒有害物质达到国家、行业或者地方规定的排放标准。
污泥处理处置应根据污泥最终安全处置要求,采取必要的工艺技术措施,并防止二次污染的产生。
污泥处理处置运营单位应建立完善的检测、记录、存档和报告制度;
对处理处置后的污泥及其副产物的去向、用途、用量等进行跟踪、记录和报告。
2术语和定义
2.0.1污泥深度脱水sludgedeeplydewatering
采用机械力作用的方式进一步去除浓缩污泥中的大量水分,使脱水后污泥含水率降至65%以下的过程,特殊条件下污泥含水率还可以更低。
2.0.2进料feedstock
在输料泵的压力作用下,将所要过滤的污泥输入由滤板组成的各个滤室。
[T/CECS537-2018,术语2.0.2]
2.0.3滤饼sludgecake
经机械脱水后,在滤室内形成的含水率较低的片状污泥。
2.0.4滤液filtrate
料浆经压滤脱水时透过过滤介质排出的液体。
2.0.5污泥调理sludgeconditioning
通过破坏污泥的胶态结构或减少泥水间的亲和力提高污泥的脱水效率的方法。
[T/CECS537-2018,术语2.0.5]
3污泥深度脱水工艺
3.1作用与原理
3.1.1污泥深度脱水的作用
在现行政策和标准下,众多污泥处理处置方式对污泥含水率有着越来越严格的要求。
根据《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB23486-2009)要求,污泥园林绿化利用中含水率应小于40%;
根据《城镇污水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》(GB/T24602-2009)要求,污泥单独焚烧时含水率应小于50%~80%;
根据《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》(GB/T23485-2009)要求,污泥混合填埋前含水率应不大于60%;
根据《城镇污水处理厂污泥处置土地改良用泥质》(GB/T24660-2009)要求,污泥土地改良利用中含水率应小于65%。
我国污水处理厂现有污泥处理工艺一般只可将污泥含水率降至80%左右。
而污泥深度脱水有显著的减容效果,可减轻污泥后续处理、运输及处置的难度,从经济效益上来说可以降低资本投入与运输管理费用,更好地满足污泥的处理处置需求、实现污泥减量化。
3.1.2污泥深度脱水的原理
污泥深度脱水主要通过机械脱水,其原理是以过滤介质两面的压力差作为推动力,通过机械的方式将调理后污泥中的部分细胞内部水、污泥颗粒间隙水分离出来,进一步减小体积,使脱水后污泥含水率达到65%以下。
目前污泥深度脱水主要依靠加压过滤来实现,即利用液压泵压力和螺杆泵的输送力将泥浆压入相邻两滤板形成的密闭滤室中,使滤布两边形成压力差,从而实现固液分离。
污泥深度脱水存在3个限制因素,即胶体颗粒物的难沉降性、污泥固体的强压缩性和胞外聚合物(extracellularpolymericsubstances,EPS)对水的高亲和性。
在深度脱水前必须进行污泥调理预处理,这是污泥深度脱水的关键步骤。
各调理方法与主要机械脱水方式相结合所能达到的脱水效果见表3-1。
表3-1各种调理方法与主要机械方式相结合的脱水效果
序号
脱水机械
调理方法
带式压滤机或离心脱水机泥饼含水率(%)
板框压滤机泥饼含水率(%)
1
采用有机高分子药剂
70~82
65~75
2
采用无机金属盐药剂
—
3
采用无机金属盐药剂和石灰
55~65
4
采用氧化剂和混凝剂
50~65
5
高温热工调理
<
50
6
化学和物理组合调理
3.1.3污泥脱水效果评价
通常采用泥饼含固率Cμ和固体回收率η两个主要指标来衡量脱水效果。
泥饼含固率的高低是评价脱水效果好坏的最重要的指标,含固率越高,污泥体积越小,脱水效果越高。
固体回收率是泥饼中的固体量占脱水污泥中总干固体量的百分比,用η表示。
η越高,说明污泥脱水后转移到泥饼中的干固体越多,随滤液流失的干固体越少,脱水率越高。
η计算公式如下:
(3-1)
式中:
Cμ——泥饼的含固率,%;
Ce——滤液中的含固率,%;
C0——脱水机进泥的含固率,%。
污泥脱水效果评价时需同时采用泥饼含固率和固体回收率两个指标进行评价,只获得较高的泥饼含固量,而固体回收率很低,或者固体回收率很高,但泥饼含固量很低,都说明脱水效果不佳。
此外,脱水机的脱水能力、絮凝剂投加量等也是评价脱水效果好坏的一些重要方面。
3.2主要技术
3.2.1隔膜压滤深度脱水技术
污泥隔膜压滤深度脱水是通过隔膜压滤机挤压,实现污泥深度脱水的过程。
隔膜压滤机是由隔膜板和厢式滤板排列组成滤室,在输料泵的压力作用下将料浆输入滤室,通过过滤介质(滤布)将料浆中的固体和液体分离;
当料浆中的固体形成饼后,再向隔膜通入水或空气,对滤室内的固体充分二次压榨,进一步降低含水率。
尤目前,隔膜滤板压滤机已经成为污泥深度脱水主流产品,在处理细粒物料时,隔膜压滤机不但截留效果好,而且可以获得更低的滤饼含水率。
对于污泥隔膜压滤深度脱水技术的原理、工艺及设备将在第6章中详细解释。
如无特殊说明,本指南第4-8章均以隔膜压滤深度脱水技术为背景进行阐述。
3.2.2低温真空脱水干化技术
低温真空脱水干化技术集成机械压滤与真空干化工艺,其原理为环境压强减小水沸点降低,通过低温真空脱水干化及特殊的滤板过滤技术,将物料的脱水与干化工序合成一体,在同一设备上连续完成,可将污泥含水率一次性由99%降至20%以下。
其主要工艺流程如下:
(1)进料过滤阶段。
含水率90%-99%的污泥经进料泵送入低温真空脱水干化成套技术设备的各个密封滤室内,同时在线投加絮凝剂,利用泵压使滤液通过过滤介质(滤布)排出,完成液固两相分离,当物料充满滤室时过滤期结束。
(2)隔膜压滤(密实成饼)、吹气穿流阶段。
通过滤板内的高压水产生压榨力,破坏了物料颗粒间形成的“拱桥”,使滤饼压密,将残留在颗粒空隙间的滤液挤出;
利用压缩空气强气流吹扫进行穿流置换,使滤饼中的毛细水进一步排出,以最大限度地降低滤饼水分。
(3)真空干化阶段。
在隔膜压滤结束后,滤板中通入热水,加热腔室中的滤饼,同时开启真空泵,对腔室进行抽真空,使其内部形成负压,降低水的沸点。
滤饼中的水分随之沸腾汽化,被真空泵抽出的汽水混合物经过冷凝器,汽水分离后,液态水定期排放至污水处理系统,尾气经净化处理后达标排放。
污泥经进料过滤、隔膜压滤、吹气穿流以及真空热干化等过程处理以后,滤饼中的水分已得到充分的脱除,污泥含水率降至20%以下,污泥量大大减少,基本达到污泥减量化和无害化的要求,同时为后续进一步资源化创造了条件。
3.2.3超高压弹性压榨技术
超高压弹性压榨技术组合了叠螺机与超高压弹性板框压榨机,可将污泥含水率降到60%以下,其处理流程如图3-1所示。
图3-1超高压弹性压榨技术工艺流程图
污泥在叠螺式浓缩机中经过浓缩后,由泵打入污泥调理池中,使三氯化铁和镁系胶凝调理剂等药剂与污泥有效地快速混合均匀,达到污泥改性的目的。
改性后的污泥再通过高压泵送至超高压弹性压榨机,使滤板之间空隙内的污泥再次压滤,得到含水率在60%以下的块状泥饼。
泥饼再由皮带输送机输送至污泥车,由污泥车外运至污泥堆场。
3.3工艺流程与工艺设计
3.3.1工艺流程
城镇污水处理厂污泥深度脱水工艺主要包括污泥储存与输送系统、污泥浓缩系统、污泥调理系统以及污泥深度脱水系统4部分,此外还有动力和控制系统和化学及生物除臭系统等辅助系统。
一般工艺流程图如图3.2所示。
图3-2污泥深度脱水一般工艺流程示意图
污泥储存与输送系统:
污泥深度脱水工程中污泥来源有两方面。
一方面,污水处理过程中伴随产生大量的污泥,主要包括初沉污泥(含水率95%~97%)和剩余污泥(含水率99.2%~99.6%),两者分别输送至贮泥池进行完全混合后处理;
贮泥池还兼有短期储存污泥、消除污泥产量波动影响的功能。
另一方面,是接收外运来的离心脱水或者带式压滤脱水污泥(含水率80%左右),以便后续进一步脱水。
污泥输送针对不同含水率污泥的流动性特点,在各系统中进行污泥的转运,包括浓缩污泥、外来污泥、调理后的污泥、泥饼等。
污泥储存包括浓缩后初沉和剩余污泥的储存、外运来离心和带式脱水污泥的储存、深度脱水泥饼的储存等。
污泥浓缩系统:
污泥浓缩能够去除污泥中的游离态水分,大幅减少污泥体积,从而提高后续单元污泥的处理效率。
污泥浓缩方法主要有重力浓缩、机械浓缩和气浮浓缩,其中重力浓缩与机械浓缩应用较广。
重力浓缩是指污泥中悬浮固体颗粒在自身重力作用下进一步沉淀与固化的过程,其优点有储泥能力强、操作要求不高、运行费用低等,但浓缩池中污泥易发酵、产生臭气,导致污泥浓缩效果变差,同时厌氧条件下可造成污泥中磷的再释放,增加了污水除磷的负荷与能耗,因此在工程设计中逐渐被机械浓缩的方式代替。
机械浓缩方法主要有带式浓缩、转鼓浓缩与离心浓缩,该方法通过机械力作用均可有效降低污泥含水率,污泥经浓缩处理后含水率可降至97%~98%,一般在95%以上。
污泥调理系统:
作为关键环节,污泥调理系统的调理效果将直接影响污泥脱水后含水率高低。
调理方法主要有化学调理、物理调理和生物调理三种类型。
目前,工程设计中主要通过添加无机调理剂,如FeCl3、CaO等絮凝剂或混凝剂加剧污泥的松散结构,形成坚硬的网络骨架,并缓解亲水现象。
加药量对出泥含水率有重要影响,实现污泥深度脱水需根据污泥泥质特点经现场试验论证达到预期效果。
污泥深度脱水系统:
污泥深度脱水系统是整个工艺的核心环节,一般采用机械脱水的方式。
污泥隔膜压滤深度脱水的设备与工艺见3.2.2。
动力和控制系统:
包括仪表、管道管件及阀门、电气及自控等。
化学及生物除臭系统:
对产生臭气的工艺段进行加盖密封处理,通过风机抽送到生物除臭塔处理达标排放。
3.3.2工艺设计要点
1脱水能力
污泥含水率通常以水分在湿污泥中的质量百分比表示(%)。
污泥含水率是深度脱水工艺关注的主要指标,污泥通过深度脱水可实际达到的最低含水率取决于污泥调理的有效性、压滤系统的设计和运行和进料污泥的含水率。
2进料速率
进料速率影响调理剂的使用量和脱水机的生产能力。
水力负荷和污泥负荷都是表征进料速率的参数,都是重要的控制变量。
在离心脱水机中,水力负荷影响澄清能力,污泥负荷影响传送能力;
在压滤机中,进料速率与系统压力及稳定性有关。
3污泥调理
污泥调理有化学调理、物理调理及生物调理三种方式。
目前普遍采用投加调理剂的方法进行污泥调理,成熟且普遍的药剂有FeCl3+石灰或高分子聚合物(如PAM)、Fenton试剂。
加药量和投加比例对出泥含水率有重要影响,需根据污泥量计算确定。
4泥饼处理
泥饼的处理应考虑泥饼排放、传送系统及污泥最终处置方法的要求。
压滤机中运出泥饼可采用带式传送机、螺旋输送机以及泵输送的方式,可以设贮存仓斗、破碎设施等。
当用卡车外运时,最简单的方法是将滤饼直接卸入卡车中。
当采用焚烧处置时,一种方法为在压滤机底部留有空间,贮存泥饼并将其计量后输送至焚烧炉,另一种方法是在压滤机及焚烧炉之间设置泥饼贮存设施。
5除臭系统
在污泥深度脱水工艺中,产生臭气的工艺段主要有:
储泥池、贮泥池、外来污泥接收仓(卸料池)、脱水车间、泥饼卸料区等。
其中污泥脱水车间应设置通风设施,考虑到污泥隔膜压滤脱水过程中通常需要工作人员在机旁值守,为保障工作人员职业卫生健康,脱水车间每小时换气次数宜为8次~12次。
臭气处理系统宜由臭气源盖罩、臭气收集、臭气处理和排放等部分组成,并应符合现行行业标准《城镇污水处理厂臭气处理技术规程》CJJ/T243的有关规定。
3.3.3工程设计参数
污泥深度脱水系统在工程中的主要设计参数如表3-2所示。
表3-2污泥深度脱水工程主要设计参数
设计参数
备注
设计污泥干基量(tDS/d)
含水率以80%计
设计进泥含水率(%)
设计出泥含水率(%)
设计污泥进泥量(m3/d)
设计污泥出泥量(t/d)
设计滤液量(m3/d)
脱水滤液经滤液管排至机房外污水井中,最终回到污水厂处理
7
脱水机数量(台)
使用与备用台数
8
单台脱水机处理能力(m3/h)
9
脱水机日工作时间(h)
10
加药量(kg/d)
一种或多种药剂
3.4总体布置
污泥深度脱水工程的总体布置需考虑如下事项:
(1)污泥深度脱水工程应按功能分区布置,生产管理建筑物和生活设施应集中布置;
(2)构筑物布局应满足施工、设备安装、管道敷设、污泥运输以及设备检修的要求;
(3)考虑到构筑物检修的需要和运转中可能出现故障等因素,污泥接收、储存、调理等构筑物和设备不宜少于2个,按同时工作设计。
(4)在污泥隔膜压滤深度脱水工程中,污泥隔膜脱水机一般不宜少于2台,其中包括备用,当污泥量很少时也可为1台。
4污泥接收、输送与储存
4.1污泥的接收
从污泥来源来看,在污泥深度脱水系统中,污泥的接收主要分为以下两个路径:
1初沉/剩余污泥
城镇污水处理厂产生的初沉污泥和剩余污泥分别运至贮泥池中,通过输送泵将贮泥池污泥输送至污泥浓缩系统,经浓缩处理后的污泥(含水率为97%~98%)由输送泵输送至后续污泥调理池。
2离心/带式压滤脱水污泥
为进一步降低含水率,外运进入的经离心脱水或带式压滤后的脱水污泥(含水率为80%左右)运至污泥处置中心储泥池,经物料转移泵进入污泥稀释罐,再输送至污泥调理池调质。
4.2污泥的输送
1污泥输送系统的主要环节
从工艺阶段来看,在污泥深度脱水系统中,污泥的输送主要包括以下三个环节:
(1)储泥池-调理池阶段
该阶段采用输送泵将储泥池污泥输送至污泥浓缩机,经浓缩处理后的污泥同稀释处理后的污泥通过污泥输送管道一并送入污泥调理池。
在此过程中需保证污泥储池的破拱及污泥输送性能。
(2)调理池-压滤机阶段
该阶段通过污泥进料泵把调理后的污泥送入压滤机进行压滤脱水。
进料泵的流量、扬程应满足压滤机正常工作的要求,配备相应控制安全保护装置。
(3)卸泥泥饼输送阶段
污泥经压滤后形成的泥饼需卸泥输送。
在选择从压滤机排泥处移走泥饼的设备时,需考虑压滤机的特殊结构,安装布置及提升装置的不同。
泥饼运输系统一般包括带式传送机,螺旋输送机及泥泵。
成品泥输送部分主要为下料斗和皮带输送机(或螺旋输送机),每台压滤机配套一套皮带输送机及料斗。
采用多级输送泥饼时,输送能力应以第一级设计输送量为基准,后一级输送设备的输送能力不应小于前一级输送设备的输送能力。
1)皮带输送机
皮带输送机应包含与其他皮带输送机、设备的衔接装置,至少应包括滚筒、驱动装置、胶带、上、下托辊、跑偏装置、张紧装置、清扫器、进出料口、自动卸料器等保证运行平稳的结构。
供货单位需根据实际情况,配套皮带输送机安装所需辅材,保证皮带输送机的正常运行。
电动机的绝缘等级不低于F级。
防护等级室内不应低于IP45,室外不应低于IP55,水下不应低于IP68。
输送机倾角应符合现行国家标准《室外排水设计规范》GB50014的有关规定。
2)倒料斗
皮带输送机输送滤饼到倒料斗;
倒料斗泥斗采用碳钢材质制作。
3)泥饼破碎
泥饼破碎必须保证破碎量及力度以便于后期处理。
如污泥经隔膜压滤深度脱水处理后,泥饼呈块状,应在压滤机下方设置格栅,将泥饼破碎成小块,以便于运输。
格栅距离压滤机底部的高度应能满足泥饼破碎要求,一般宜大于2m。
2污泥输送系统的一般规定
在污泥输送系统中,污泥、药剂和滤液输送管道应符合下列规定:
(1)管道应采取防腐蚀措施,并满足放空和冲洗要求;
(2)管道材质应与输送介质性质和压力相适应;
(3)泵出口处管道应合理配置传力接头、伸缩接头或柔性接头。
阀门的选型应符合下列规定:
(1)阀门应能承受输送介质的最大工作压力;
(2)阀门的形式和材质应与输送介质性质相适应。
此外,药剂储存罐、储泥池、调理池、压榨水箱、滤布清洗水箱等设施应设置物位计,并应根据工艺要求配置物位报警系统。
在污泥卸料间等封闭构筑物内,应设置氨气、硫化氢、甲烷自动监测报警装置。
4.3污泥的储存
需要考虑的因素包括污泥类型、污泥浓度范围、产生污泥工艺单元等。
污泥浓度的波动较小时,滤机运行较好。
如不保持污泥浓度的恒定,就有可能出现问题。
从有混合作用的贮存容器或浓缩池底部吸取污泥,并伴有连续的打碎装置,对保持污泥浓度的恒定是很有利的。
在污泥深度脱水系统中,污泥的储存主要包括以下三个部分:
(1)初沉/剩余污泥的贮泥池;
(2)外来离心/带式压滤脱水污泥的储泥池;
(3)深度脱水泥饼的储存。
泥饼根据需要可设置储存设施,储存容量宜根据污泥出路和运输条件等因素确定,并配置防雨、防吹散设施和风炮喷洒简易除臭装置。
5污泥调理
5.1作用与原理
对污泥进行有效调理是深度脱水前的一个关键环节。
调理作用机制主要是对污泥颗粒表面的有机物进行改性,或对污泥的细胞和胶体结构进行破坏,降低污泥的水分结合容量;
同时降低污泥的压缩性,使污泥能满足高干度脱水过程的要求。
5.2主要技术
5.2.1化学调理
化学调理是通过凝聚或絮凝作用提高污泥的沉降性能。
化学絮凝剂调理污泥的原理是加入带正电基团的絮凝剂,通过压缩双电层、电荷中和、吸附架桥和网捕作用使污泥胶体脱稳,添加骨架构建增强污泥的可压缩性,释放EPS中水分或促进污泥中水分的形态转化,实现固液相分离,并通过重力沉降进一步降低污泥含水量。
化学调理所投加药剂主要包括无机絮凝剂和有机絮凝剂等,各药剂具体分类如表5.1所示。
表5.1化学调理剂的分类
分类
属性
代表性药剂
作用机理
无机絮凝剂
无机低分子絮凝剂
氯化铁、硫酸铝等铁铝盐阳离子型及生石灰、碳酸钙等阴离子型
与带电颗粒电性相反的异电离子能够中和电荷压缩双电层、降低斥力,减少粒子和水分子的亲和力,粒子间更易碰撞结合成大颗粒物
无机高分子絮凝剂
聚硫酸铁、聚氯化铁在内的聚铁盐和以聚硫酸铝、聚氯化铝为代表的聚铝盐等阳离子絮凝剂
高分子絮凝剂分子量大,高分子链聚合度高,可形成“胶粒-高分子物质-胶粒”的集合体,充分发挥吸附架桥作用
有机絮凝剂
有机高分子絮凝剂
聚丙烯酰胺、聚二甲基二丙烯基氯化铵、氨基甲基化聚丙稀酰胺、聚丙烯酰胺、聚氧乙烯
有机高分子絮凝剂相对分子量大,架桥吸附能力强,网捕性能较好
天然高分子絮凝剂
淀粉类、纤维素类、壳聚糖类、植物胶类、蛋白质类和藻类等
避免产生二次污染。
但电荷密度较小,分子量较低,且已发生生物降解而失去絮凝特性,因此应用受到一定限制
化学调理的优点有:
适用范围广,流程简单,操作简便,调质效果稳定;
缺点有:
成本较高,有些絮凝剂(如聚丙烯酰胺、聚合氯化铝等)有毒性且难生物降解,存在生态安全隐患。
深度脱水技术中常用的药剂有无机盐金属药剂(铁铝盐、聚铁铝盐)和有机高分子絮凝剂。
5.2.2物理调理
物理调理是通过物理的方法破坏污泥中的微生物细胞,改变污泥