通沟污泥处理技术的发展
发布时间：2020-10-19 16:19:48 来源： 作者：
1 通沟污泥处理现状
1.1 上海地区通沟污泥处理现状
据统计，上海市浦东新区每年产生的通沟污泥约54000 m³，平均污泥量为150 m³/d[3]，大量的通沟污泥存放、处置是个棘手的问题。例如：上海浦东新区的通沟污泥集中到码头收集站后，直接从码头送到上海老港填埋场进行填埋处理。因为距离老港填埋场的路程较远，每天产生大量运输费用和填埋费用，收集的通沟污泥不仅没有得到妥善处理，而且每天吞噬着大量土地资源。而且，在通沟污泥的外运处置过程中，也不可避免地存在跑冒滴漏的问题，造成对环境的二次污染。上海市水务局印发的《关于加快推进本市通沟污泥规范化处置工作的通知》(沪水务〔2016〕1742 号)文件中指出：要规范通沟污泥的处置，严禁随意倾倒和堆放；同时要加快推进通沟污泥处理设施的建设。上海市水务局印发的《2019年上海市排水设施管理重点工作的通知》（沪水务〔2019〕208号）文件中指出，要继续加大通沟污泥处理设施建设推进力度，2019年完成一定数量的通沟污泥处理设施建设；未建成通沟污泥处理设施的区域，应通过购买服务等形式，实现通沟污泥的规范处置。
1.2 国外通沟污泥处理现状
目前，发达国家的通过污泥大多经专门的排水管渠污泥处理设施处理，如日本横滨，排水管渠污泥经筛滤、粉碎、磁选、絮凝、沉淀处理后，有机垃圾可用于焚烧，污泥可用于绿化，砂石可用于修路；德国将该污泥筛分后进行机械脱水处理，含固率达到20%以上后大部分用于焚烧处置，其余用于农业或者景观处置。通过借鉴国外其他污泥处理经验，国内现有通沟污泥处理技术基本采用淘洗 筛分的物理方法。该模式的原理是利用水力和机械力、重力分选结合粒度分选，将通沟污泥分离为砂、污泥等相对单一、稳定的成分，不仅性质上发生很大变化，且总量上也得到了大幅度的减少，为其资源化利用创造条件。
随着国内各地通沟污泥项目的运行，问题逐渐显现，通沟污泥的处理技术面临着新的挑战。本研究将从通沟污泥处理技术的角度出发，以时间为序，着重讨论通沟污泥技术发展的状况，以期为从事该行业的相关设计人员提供参考。
2 通沟污泥处理技术的发展
2013年北京引入德国的筛分设备，完成国内第一个采用先进处理工艺，对通沟污泥进行系统化资源处置的项目，对通沟污泥进行淘洗和筛分，高效分离出不同颗粒尺寸的有机物、砂砾和污泥，减少了管网系统进入污水处理厂砂量的同时，回收了一批可作为建材的无机砂粒。随后类似的工艺又在上海、深圳、苏州等地得到了实施。随着对通沟污泥处理要求的不断提升，排放尾水中超细砂的回收问题、大块物料清理问题、淘洗水资源回收问题等先后得到了解决。在整个发展过程中，通沟污泥处理技术经历了以下几个发展阶段：
2.1 第一代通沟污泥处理技术
在早期项目中，对管网污泥的要求是对通沟污泥进行减量化、无害化、资源化。针对这个要求，设计理念如下：
（1）将污泥中的大于100 mm的大块故障物质进行分离，对成分复杂的通沟污泥进行匀化和软化处理，保障后续的设备稳定运行；
（2）对通沟污泥中颗粒物质进行逐级分离，实现减量化、无害化、资源化：先分离出粒径大于10 mm的粗大物质；再将通沟污泥中0.2～10 mm的无机砂砾分离，同时对无机砂砾进行淘洗，控制有机烧失量低于3%，作为资源回收利。
采用的工艺流程如图1所示，工艺流程说明如下：
（1）由罐车将管网中清淘出的疏浚污泥通过人工格栅（栅隙100 mm）进入到污泥储存池中，其中大于100 mm以上的大块物料，如石块、木块、各种生活垃圾等经人工收集后外运处置。污泥储存池中的暂存污泥采用全自动抓斗分批次运输至喂料装置内，喂料装置定量向洗涤转鼓装置喂料。
（2）洗涤转鼓装置通过孔径为10 mm的转鼓筛网和冲洗水的联合作用能够将通沟污泥中尺寸大于10 mm的粗大物质，如垃圾袋、垃圾和石块等分离出来。该粗大物质可与人工格栅分离出的大块物料一同外运至环卫部门处置：其中，一些大型有机物质，例如塑料袋、木块等可被筛分出来，可进行焚烧处理；剩下的物料，如比重较大的颗粒直径大于10 mm的石块和石砾，可进行简单填埋处理。经洗涤转鼓装置分离后的泥砂（粒径小于10 mm）随着冲洗水流入洗砂装置进行比重分选处理和洗涤处理。
（3）洗砂装置通过coanda比重分选机理对泥砂中的有机污泥和无机砂粒进行分选，经沉淀压榨后分选出的0.2~10 mm的细砂，有机烧失量低于3%，可长期存放并作为低档建筑材料或路基材料回收利用。该过程中大于0.2 mm的砂砾回收率可达95%以上。0.2 mm以上粒径的颗粒基本可以完全去除。
（4）一些粒径小于0.2 mm的物质随着洗砂装置的清洗液一同进入污水处理厂进行集中处理。
（5）洗涤水可采用回用水/中水。如果采用河水，可经过精细格栅过滤后进入回用水池，作为洗涤转鼓装置和洗砂装置的冲洗用水。
通过对成分复杂的通沟污泥进行洗涤筛分处理后，每30吨进料经过处理后分离出粒径大于100 mm和10~100 mm的物质约2.0~2.5 吨，含水率不超过40%；0.2~10 mm粒径的砂砾约3～4.5吨，含水率不超过20%，该部分物质可长期存放，无臭味，可作为低档建筑材料或市政回填砂回收利用。各工段图和各阶段筛分的物质详见图2和图3。洗砂装置的去除效果详见图4。从图4可以看出，经过洗砂装置处理后，出水中大于200 μm的颗粒基本全部被去除，且出水中75～200 μm的颗
粒比例也同时下降，说明该装置对于超细砂的颗粒也有部分的去除效果。
第一代通沟污泥处理技术特点如下：
（1）以资源化、减量化、无害化为核心理念，采用预处理 回收利用联合处理方式，能够更好地实现对通沟污泥的处置，响应政府环保政策；
（2）核心工艺设备如喂料装置、洗涤转鼓装置、洗砂装置采用德国精密机械设备加工制造，设备经久耐用，故障率极低，运行维护方便，筛分效果好[6]；
（3）设备全密闭，能够更好地收集臭气，有效解决了工作环境的恶臭问题；
（4）设备筛分过程中设置的精细冲洗装置，使得各种筛分物质很干净、无臭味，生活垃圾和大块物质填埋处理时不易产生二次污染；砂砾有机烧失量小于3%，便于后续资源回收处置。
2.2 改进的通沟污泥处理技术
该技术在上海、北京、苏州等多个城市的通沟污泥处理站中进行了应用。各个站点因思路与要求不同，工艺也略有不同，根据大量的经验总结，本研究归纳了以下几个不同点，总体改进流程详见图5。
2.2.1 超细砂沉积
有些站点不需要过分承担后续处理任务或者考虑超细砂由污水处理厂其他工艺合并处理，所以在通沟污泥处理工艺中未配置超细砂处理工艺段。但是超细砂的沉积远超想象，对日常运行带来极大困扰。以某项目为例，在实际运行过程中经处理后的尾水会先经过污水泵站的集水池，由于泵站运行和通沟污泥处理装置的错峰运行，通沟污泥处理后的尾水在泵站进水池有约2~3 h的静置沉淀时间，尾水中98%的颗粒会沉积，这些微小颗粒一旦沉积板结，水泵难以抽吸，影响了水泵和集水池的正常使用。某通沟污泥处理站运行3年来，集水井已清捞100 m3的超细砂，该超细砂（粒径小于 200 μm）影响了水泵站和集水池的正常使用，增加了管道和集水池的维护费用。另外，排水管网中超细砂（颗粒直径小于 200 μm）的高含量导致国内活性污泥中mlvss/mltss处于较低水平（0.3~0.6，正常值为0.6~0.8），影响了污水生化处理的效率[8]。因此，排水管网中超细砂的去除对于市政污水处理有着显著的意义。
改进措施：该尾水为通沟污泥洗砂水，污泥中大量的有机物进入该水中。除了有机物，还有大量的超细砂砾存在。据分析，尾水中含砂率为0.4%~0.5%，小于 200 μm的细砂体积占比约75%以上[6]。因此该部分废水可以通过处理后降低超细砂含量。洗砂分离过程中，200 μm以上的细砂被分离后出水中会存在有机浮渣，该部分有机浮渣会对后续旋流分离装置造成影响，因此，在洗砂装置后设置精细过滤装置（栅隙3 mm），将尾水中有机颗粒物质（粒径3~10 mm）分离出来，通过螺旋输送机压榨后排出。过滤装置的滤液泵入到水力旋流分离器进一步分离处理，将水中75～200 μm的超细砂分离，然后进入砂水分离器沉淀压榨后排出。
改进效果：苏州某通沟污泥项目，经过精细过滤装置后，有机颗粒物质（粒径3~10 mm）被分离出来，该部分物质有机含量高（70%～80%），含水率约60%。尾水中污泥体积在改进前后有明显的减少，尾水中有约40%的沉积物得以去除。水力旋流和砂水分离装置工段的去除效果详见图6，分离出的超细砂有机烧失率为12%，如果经过洗砂后，可将有机烧失率降低到3%以下。从图6中可以看出，经过水力旋流和砂水分离器处理后，出水中75～200 μm直径的颗粒明显比例降低，由15.73%降到8.89%，几乎减少一半的比例；50～75 μm直径的颗粒比例基本保持在16%~17%左右；小于50 μm直径的颗粒比例由65.68%增大到74.69%。从这些数据可以看出，水力旋流和砂水分离装置工段对于去除75～200 μm直径的颗粒有明显的效果。
经改进处理后，每60吨通沟污泥产生约1~1.5吨有机栅渣，约0.5~1吨超细砂。上海某通沟污泥处理站自运行2个多月以来，已分离出4.5 m3的超细砂，极大地缓解了管道沉砂压力。各装置设备图和分离的栅渣详见图7。
左图为颗粒分布图，右图为不同尺寸颗粒体积比例图
2.2.2 冲洗水回用
大部分项目经过精心选址后有低成本的冲洗水，同时考虑整套工艺的成本控制及稳定性，均没有采用回用水系统，但是洗砂装置需要的冲洗水量较大，约为通沟污泥处理量的7~9倍。本着节能减排的原则，将处理后的尾水进行循环回用。
改进措施：将经过精细格栅装置处理后的出水，经沉淀后上清液可作为要求不高的洗涤转鼓装置冲洗水。
改进效果：优化后的通沟污泥处理工艺节约新鲜冲洗水 40 m³/h，提高了废水重复利用率[10]。
2.2.3 增加污泥储存池分层功能
新鲜的通沟污泥含水量较高，经过一段时间的自然沉降后，污泥分层显著。有资料表明，一般通沟污泥经过24 h沉降后含水率可从80%降至70%以下，这表明通沟污泥可以通过重力浓缩进一步降低含水率。人工格栅上的大块物质产量大，人工收集效果不高。
改进措施：提高污泥储存池的停留时间，在储存池内增设5 mm的格栅，将储泥池分隔为大颗粒物质沉积的浓缩池和小颗粒悬浮的取水池，待静置污泥减量后，启动抓斗将污泥运输至洗涤转鼓处理；将人工格栅修改为水平振动筛网，将大尺寸砖块、树枝等杂物自动分离到集渣筐内。
改进效果：实施污泥沉降措施后，上海某通沟污泥处理站的洗涤转鼓装置日处理量由60 t/d降至30 t/d，运行时间由原来的10 h降至 5h，冲洗水用量减少50%。该措施亦显著降低后续洗砂装置的消耗量，每日可节省用电 9.7 kw∙h。
2.3 第二代通沟污泥处理技术
水力旋筛 砂石分离的通沟污泥处理技术已经在上海、苏州、北京等地得到了较多的应用。对于已实施的项目，各排水站普遍反馈良好，整体设备达到设计要求，故障率低、出砂稳定。但是随着项目的深入实施，要求也在不断提高。例如超细砂虽然已分离，但是未经洗涤，里面有机物含量高，如图7d所示，不能直接被资源化利用；某些项目中通沟污泥油脂含量较高，影响超细砂沉淀的效果等问题。针对这些问题，huber推出了第二代处理技术。其设计理念是：增加除油装置和洗砂装置，提高超细砂的资源化利用率，其工艺路线如图8所示。
工艺流程说明：
经过精细格栅装置分离出3~10 mm有机栅渣后，滤出液进入高效沉砂池，详见图9，通过曝气将废水中的油类物质在气泡作用下上浮到水面，然后通过撇渣装置收集，进入到排放贮水池。废水中的超细砂沉降到底部，采用水下螺杆排出到集砂槽后，经过排砂泵排入到超细洗砂装置中。高效沉砂池对75 μm以上的超细砂去除率可达95%以上，通过洗砂装置，可将砂砾的有机烧失率降到3%以下，出砂较为洁净，直接作为资源回收。
经过该工艺处理后，预计每60吨通沟污泥，可分离1~1.5吨超细砂（75～200 μm），将比第一代改进工艺中超细砂的产量提高一倍，且能提供干净的超细砂，无恶臭，可长期保存，可直接作为资源回收；同时将废水中的油类物质分离，便于尾水根据排放需要做进一步的处理。
3 结论
（1）针对目前现有的通沟污泥含砂量高的特点，采用水力旋筛 砂石分离的技术能满足条件，可将污泥中95%以上的0.2~10 mm的细砂分离，该细砂有机烧失量小于3%，且同时能分离大于100 mm和10~100 mm的物质。
（2）根据不同需求，结合现场实际情况，对通沟污泥技术进行了分析和改进。经过改进措施后，超细砂沉积集水池的问题得到解决，污水泵站管网清洗工作得到缓解；冲洗用水部分回用，实现了节约资源的原则。
（3）针对运行后期可能出现的超细砂资源化利用问题和尾水达标排放问题，增加了高效沉砂池装置，将原有的水力旋流 砂水分离器替换为超细洗砂装置，这样能使超细砂也得到充分清洗，可直接资源回收利用，提高了资源回收利用率；同时可实现污泥中油渣的分离收集，便于后续进一步处理。
随着城市化水平的提高，通沟污泥产量逐年上升，在泥量和处置双重作用下，因地制宜地选择集约化的处理处置途径已势在必行。在原有的通沟污泥处理工艺基础上，以国内通沟污泥政策为向导，不断地调整和改进工艺路线，以期实现通沟污泥的减量化、无害化、资源化的应用。