凈水廠排泥水及其污泥的處置

童禎恭，童承乾，馮治華，衷 誠

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013）

隨著社會的發(fā)展以及人口的增長，人們對水的需求在增大，伴隨而來的便是在水的凈化過程中產(chǎn)生的大量凈水污泥。到目前為止，我國含水率為70%的水廠污泥年產(chǎn)量大約為2 200萬噸，到2015年底，預(yù)計該數(shù)據(jù)將超過2 600 萬噸［1］。也有調(diào)查顯示，英國自來水廠每年消耗32.5 萬噸混凝劑和生產(chǎn)超過18.2 萬噸干污泥［2］。凈水污泥的控制已經(jīng)成為日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題。目前來說凈水廠污泥處理處置技術(shù)還不完善，大部分仍然采用填埋的方式，不能根本上解決污泥問題。實際上，資源化利用才是凈水廠污泥的最終出路。

1 排泥水處理及其污泥處置必要性

隨著我國城市化進(jìn)程的加快加深，越來越多的自來水廠建立，公眾環(huán)保意識也在不斷加強，政府對環(huán)境污染治理程度也逐漸加大，開始把對凈水廠污泥的處理、處置方法和技術(shù)的研究提上日程。凈水廠污泥對環(huán)境危害性相對較小，其處理處置也容易被忽略，大多數(shù)凈水廠污泥被直接排入水體，其危害性主要表現(xiàn)在以下方面：

1）排泥水中大量泥沙、懸浮物會在河道產(chǎn)生泥沙淤積，影響其正常功能。室外給水設(shè)計規(guī)范也嚴(yán)格規(guī)定凈水廠排泥水排放水質(zhì)需要符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB8978。

2）排泥水中的大量懸浮物、有機物等污染物會造成水體污染。數(shù)據(jù)顯示［3］，2012年全國污水排放總量達(dá)到了684.6億噸，對環(huán)境的沖擊十分明顯。

3）凈水廠產(chǎn)生的大量鋁污泥，排入水體后會危害水中生物，破壞水體生態(tài)平衡。

妥善處置水廠排泥水，也有助于緩解水資源短缺和創(chuàng)建節(jié)水型社會。近年來，隨著人們用水量的增加，挖掘現(xiàn)有水處理構(gòu)筑物的產(chǎn)水能力已成為一個熱點方向，豐桂珍［4］通過斜管（板）沉淀池的優(yōu)化來提高澄清池產(chǎn)水能力。將排泥水處理回用也是一種利用現(xiàn)有構(gòu)筑物產(chǎn)水的方式。我國新建和改造的凈水廠均考慮了排泥水處理系統(tǒng)。如廣州市南洲水廠、內(nèi)蒙古某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)凈水廠［5］均對排泥水進(jìn)行了妥善的處置。

2 凈水廠排泥水組成及特性

城市凈水廠排泥水主要由沉淀池、澄清池排泥水和濾池的反沖洗廢水組成，占水廠總凈水量的4%～7%［6］，凈水廠排泥水總固體含量一般在0.1%～2%之間，以無機顆粒和泥沙為主，也不乏部分有機物，來源于原水中色度，浮游生物等。一般凈水污泥中BOD 大約含量為80 mg·L-1，有機化合物的大約含量為500 mg·L-1。

凈水廠排泥水總的來源有沉淀池（澄清池）排泥水、氣浮池浮渣和濾池反沖洗水等，每種來源的排泥水性質(zhì)不盡相同。文章著重討論沉淀池排泥水和濾池反沖洗水的區(qū)別。沉淀池排泥水主要包括原水中的懸浮物、溶解狀膠質(zhì)、有機物、微生物以及殘余凈水藥劑等［7］，約占總產(chǎn)水量的1.5%～2%，含水率相對較低（大約99.7%），沉速較慢；而濾池反沖洗排水主要包括懸浮膠體、粘土、有機物及化學(xué)藥劑殘余物等，水量較大（約占產(chǎn)水量3.5%～5%）、變化小、泥含水率較高（99.9%左右），排泥水沉速快，將其集中靜置于排水池后大部分可回流且回流水沉泥較少。

3 凈水廠排泥水處理

水廠排泥水處理工藝流程應(yīng)根據(jù)水廠的具體情況來確定，一般來說處理工藝由調(diào)節(jié)、濃縮、脫水和泥餅處置4道工序或者其中某些組成。有研究者調(diào)查后列出了國內(nèi)南北有代表性的排泥水處理工藝見表1［8］，綜合分析了各種工藝流程。

表1 國內(nèi)典型排泥水處理工藝技術(shù)路線Tab.1 The domestic typical technology route of sludge treatment

3.1 調(diào)節(jié)工藝

根據(jù)濾池反沖洗水與沉淀池排泥水不同的水質(zhì)情況特點，排泥水常規(guī)處理方式大致可分為下面幾種［9］：

1）共同處理濾池反沖洗水與沉淀池排泥水后再回用（工藝流程如圖1所示），適用于濾池反沖洗水不能滿足回用要求或單獨濃縮無法滿足脫水機械的要求以及沉淀池排泥水沉降性能較差的水廠。雖然兩者混合后能省卻排水池，在一定程度上減少投資，但是由于濾池反沖洗水對沉淀池排泥水起了一個稀釋的作用，反而不利于后面的污泥濃縮，后期處理費用會增加。

圖1 濾池反沖洗水與沉淀池排泥水的混合處理工藝Fig.1 Mixing process of filter backwash water and sedimentation tank sludge

2）直接回用濾池反沖洗水，沉淀池排泥水處理后上清液回用（工藝流程如圖2所示），主要適用于濾池反沖洗排水可滿足直接回用的情況，本流程處理費用較低，但由于濾池反沖洗水中富含雜質(zhì)、藥劑，再加上回用水中的生物因素，所以在回用的時候要特別注意動態(tài)監(jiān)測水質(zhì)，嚴(yán)格控制反沖洗水的回用比，一旦回用水水質(zhì)達(dá)不到回用標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)馬上減小回用比例甚至放棄回用，為達(dá)到目的，可以考慮在濾池反沖洗水回用前增加一個調(diào)節(jié)池進(jìn)行對水質(zhì)水量進(jìn)行簡單調(diào)節(jié)，控制回用比，達(dá)到安全回用的目的；

圖2 濾池反沖洗水直接回用、沉淀池排泥水處理后回用工藝Fig.2 Recycling filter backwash water directly and sedimentation tank sludge after treatment process

3）分開處理濾池反沖洗水與沉淀池排泥水。沉淀池排泥水先濃縮處理，其處理后的上清液與濾池反沖洗水混合后處理，再回用（工藝流程如圖3所示）。主要適用于濾池反沖洗排水與沉淀池排泥水水質(zhì)水量相差極大，水廠對回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求較高的情況。這種方案有利于水廠對排泥水的分類回收，避免了反沖洗水與沉淀池排泥水的交叉污染，控制也相對簡單，但基建投資費用有所增加；

圖3 濾池反沖洗水與沉淀池排泥水的單獨處理工藝Fig.3 Separate treatment of filter backwash water and sedimentation tank sludge

鄭州柿園水廠排泥水處理就采用分建的方式，沉淀池排泥水進(jìn)行濃縮處理，濾池反沖洗水經(jīng)排水池預(yù)沉，上清液回用或排放，底部沉泥水與沉淀池排泥水一起濃縮。濾池反沖洗水含固率比較低，平均在0.03%～0.05%，而沉淀池排泥水的含固率平均在0.2%～2%左右，相對較大。如果采用綜合排泥池，即混合后處理，大量的濾池反沖洗廢水將沉淀池排泥水稀釋，導(dǎo)致進(jìn)濃縮池的污泥初始濃度降低，不利于污泥沉降與濃縮。長沙某水廠采用合建式收集系統(tǒng)將反應(yīng)、沉淀池排泥水和濾池反沖洗水混合收集，待排泥水沉淀后再回收，調(diào)查表明目前該水廠的排泥水回收處理系統(tǒng)不穩(wěn)定，回收水質(zhì)不佳。究其原因，在于沉淀池排泥水濁度遠(yuǎn)高于濾池反沖洗水濁度，濾池反沖洗過程排泥水的水質(zhì)不均勻也是其中一個因素。

然而，就目前我國排泥池形式而言，合建式調(diào)節(jié)池（綜合排泥池）為分建式調(diào)節(jié)池的2倍以上。但是由于合建式調(diào)節(jié)池在節(jié)省占地的情況下也有不利的因素，具體的某個水廠該采用哪種方式，需要經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟的綜合分析。

3.2 濃縮

污泥濃縮的方法主要有重力濃縮法、氣浮濃縮法和離心濃縮法三大類。重力濃縮法是采用污泥濃縮池，有連續(xù)式和間歇式兩種。目前我國大多都采用重力濃縮池，像北京第九水廠、太原呼延水廠、田村山水廠等均采用重力濃縮池。而氣浮濃縮法與重力濃縮池相反，是使污泥顆粒附上微細(xì)氣泡而上浮至水面，然后用刮板將濃縮污泥刮入排泥槽，污泥水則從池底流出。氣浮濃縮法運行維護(hù)費用較高，且對污泥量變化失去了調(diào)節(jié)作用，不能適應(yīng)短時高濁度沖擊負(fù)荷，一般用于高有機質(zhì)活性污泥或者低密度無機親水性污泥，但這種方法能耗大，濃縮后泥渣濃度對脫水機械的要求高。目前氣浮池在國內(nèi)僅天津芥園水廠使用。離心濃縮法是在專門制造的離心濃縮器中進(jìn)行。利用污泥中固、液比重不同，有不同離心傾向，以分離泥水，達(dá)到濃縮的目的。

3.3 脫水

目前給水污泥脫水機械主要有離心脫水機和板框脫水機，帶式的在給水廠比較少見，從表1中可以看到僅有石家莊潤石水廠和河南馬嶺水廠采用此種方法。離心式脫水機是新型的污泥脫水設(shè)備，因其占地小、安裝調(diào)試方便、運行穩(wěn)定、適應(yīng)性強等優(yōu)點使用比例在不斷增加。板框脫水機的優(yōu)點是一次性處理量大、脫水泥餅含固率高，能夠很大程度上節(jié)省污泥堆置，但是板框脫水機本身的占地大。板框脫水機在南方使用較多，像深圳梅林水廠、深圳筆架山水廠、長沙第八水廠、上海臨江水廠等均有采用?？傊?，脫水機械的選擇需要根據(jù)污泥脫水特性、工程造價、運行費用、設(shè)備復(fù)雜程度、對環(huán)境影響程度、脫水污泥含固率等要求來綜合選擇。

3.4 污泥泥餅處置

污泥泥餅的最終處置是凈水廠污泥處理的最后一步，污泥處置費用相對較高，而且對環(huán)境的影響也大。一般來說，國內(nèi)外普遍采用的方式有填埋、改良土壤、海洋棄投等。

3.4.1 污泥填埋

關(guān)于污泥的填埋主要是針對污泥脫水后的處置，由于經(jīng)濟上的考慮，很多水廠污泥處置都采用陸上填埋或者垃圾場覆土的方式。陸上填埋需要遵循相關(guān)的法律法規(guī)，場地的選擇也是需考慮的。如果它作為垃圾場的覆土，既要達(dá)到衛(wèi)生填埋要求，也要考慮土地的利益價值。

3.4.2 改良土壤

雖然凈水廠污泥中跟污水污泥相比，無機物含量更多的，肥效方面有差別。但是適量的凈水廠污泥施于土壤后，類似絮凝反應(yīng)的過程可以增加凝聚力，土壤結(jié)構(gòu)也得到改善。其中的金屬氧化物對于土壤中的有毒衡量金屬有一定的吸附作用。布法羅大學(xué)的研究者［10］進(jìn)行了溫室和過濾試驗，證實污泥對草地生長有促進(jìn)作用。

3.4.3 海洋棄投

可供污泥陸上填埋土地在減少，海洋投放污泥也成為一種方式。海洋投放可以考慮直接將沉淀池排泥水和濾池反沖水泵送到海洋，或者將其脫水后的泥餅棄投。上述的過程對于海濱城市可能較為方便，如果是內(nèi)陸城市，就需要考慮經(jīng)濟因素了；海洋棄投也要遵守相關(guān)法律，投放場所的水質(zhì)需要監(jiān)測；另外像潮汛、水深、海洋地形等都會影響投放場所的選擇。

4 凈水廠污泥資源化利用

凈水廠污泥處置方法眾多，但都存在或多或少的潛在危害性。資源化利用是污泥處置方式中普遍看好的一種。大量針對凈水廠污泥的再利用的研究指出了污泥資源化的合理性。大體來說，資源化利用途徑有以下幾種：

1）做建材使用。凈水廠污泥的處置可以與磚廠，水泥廠等配合，將其作為工廠原料或配料［11］，這種方式在安全性方面有保證。Yu Chi Lee，Shang Lien Lo［12］評估了凈水廠污泥有益性，通過測定污泥的化學(xué)和物理特性，指出滲濾液浸出過程低毒性的特點（TCLP）、良好的機械性能、適當(dāng)?shù)目杉庸ば院偷吞幚沓杀臼沟脙羲畯S污泥在混凝土混合過程中成了一種有益的可替代能源。此外，凈水廠污泥中作為混凝劑添加的鐵、鋁也可做某些建材的添加劑。

2）回收混凝劑。凈水廠在水質(zhì)凈化過程中投加了大量混凝劑，鐵鹽或鋁鹽。從凈水廠污泥中回收鋁鹽或鐵鹽，一方面減少污泥的總固體量，降低后續(xù)處理成本。另一方面，回收的鐵鹽或鋁鹽可繼續(xù)作為混凝劑投加，節(jié)省開支。魏美潔將凈水廠污泥中回收的鋁鹽混凝劑用于印染廢水的處理，這種方式使得整個工藝的水力停留時間縮短了12 h，與PAC相比，在滿足排放要求的前提下出水水質(zhì)也更好［13］。

3）作為吸附劑。有研究者通過實驗驗證了凈水廠污泥作為重金屬吸附劑的可行性。同時，王天曉、蔣雅真［14］，Lan Yang［15］等都指出了凈水廠污泥對正磷酸鹽有一定的去除效果。而仇付國［16］則說明了水廠鋁污泥對水中的陰離子有很強的親和吸附能力，水中的很多污染物都可以得到一定的去除。也有國外研究者將凈水污泥用于吸附水溶液中的氟化物，取得良好效果。

4）生產(chǎn)沸石。F Espejel-Ayala，R Schouwenaars［17］等做了用凈水廠污泥來合成沸石的研究，發(fā)現(xiàn)用凈水廠污泥合成的沸石相比其他商業(yè)和實驗室合成的沸石來說具有很高的陽離子交換能力，能夠去除水中高含量的Cd2+，Pb2+，Cu2+，F(xiàn)e2+等金屬離子以及銨離子，這可以用于污水處理和土壤修復(fù)。這樣合成的沸石相比于天然沸石和斜發(fā)沸石也能夠更廣泛的用于廢水處理。

5）作催化劑。Kung Yuh Chiang，Yun Xi Lin［18］等發(fā)現(xiàn)了含F(xiàn)e，Mn 的凈水廠污泥用作稻草氣化催化劑的潛在可能性。研究指出添加了含F(xiàn)e，Mn凈水污泥的稻草催化氣化時能量產(chǎn)生更高效，實驗結(jié)果也表明可燃?xì)怏w的產(chǎn)量從0.61 m3·kg-1增長到了0.72 m3·kg-1。

5 結(jié)論

針對凈水廠不同來源排泥水的各自特點，在其處理方式的選擇上需要綜合考慮；盡管凈水廠污泥對環(huán)境的危害性相對污水廠污泥來說較小，但其危害性不容忽視；國內(nèi)外研究者對凈水廠污泥資源化的方式的研究很多都是僅僅停留在可行性分析或者實驗室水平上，都屬于探索性的研究，還沒有大規(guī)模推廣使用，加上很多凈水廠為節(jié)省成本，普遍采用填埋等簡單的方式處理凈水污泥，浪費資源的同時也有可能帶來不可預(yù)見的危害。綜上所述，污泥資源化才是凈水廠污泥處置的最終出路。但真正想要實現(xiàn)凈水廠污泥批量資源化，達(dá)到綜合利用還需要很深入的研究。

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