农村污水设施车载式剩余污泥脱水技术与设备研究

发布时间：2022-01-15所属分类：农业论文浏览：1525次

摘 要： 摘要：日益增长的农村污水设施剩余污泥已成为农村污水治理工作开展面临的新难题，农村剩余污泥适合采用多台污水设施共用车载式剩余污泥脱水设备进行脱水后收运集中处理，而农村道路的宽度和限高以及污水设施与道路间的距离等是主要的限制因素，因此急需研发适合农村作

　　摘要：日益增长的农村污水设施剩余污泥已成为农村污水治理工作开展面临的新难题，农村剩余污泥适合采用多台污水设施共用车载式剩余污泥脱水设备进行脱水后收运集中处理，而农村道路的宽度和限高以及污水设施与道路间的距离等是主要的限制因素，因此急需研发适合农村作业环境的小型车载式剩余污泥脱水关键技术与设备.本研究的车载式剩余污泥脱水通过主要脱水设备负压运行方式，有效减小设备的尺寸，设备外观尺寸为 5.995 m×1.905 m×2.56 m，吸污管道 50 m.结果表明：可适应农村的作业环境，满足 90% 以上的农村小型污水处理设施使用.该设备行驶油耗7.2 L·h -1，工作油耗1.88 L·h -1;脱水后的污泥含水率80%左右.模拟案例表明，车载式剩余污泥脱水设备脱水收运方式比不脱水直接收运方式每台户用小型设施每年可节省污泥收运费103.3元，在一个安装了4400台小型污水设施的农村区域，每年可节省污泥收运费约45.5万元.

　　关键词：农村;污水处理;剩余污泥;脱水设备;车载式剩余污泥脱水设备

　　1 引言(Introduction)

　　至 2018年，我国约有 6.6亿农村常驻人口，其生活污水总排放量每年约为 80亿~90亿(t 颜瑾等，2018). 随着“厕所革命”、“美丽乡村”等工作的开展，农村生活污水处理率快速增长.

　　农村污水处理设施产生的剩余污泥也逐年增加(Bai et al.，2020;甘玉柱，2020;邹敦强等，2010)，截至2020年，有统计数据表明我国农村剩余污泥产量已突破 1400万 t·a-1 ，这些污泥若处理不当，可能影响污水处理设施的正常运行和产生二次污染(杨瑞，2017;王霄等，2021). 农村污水处理设施产生的剩余污泥总体上具有分散面大，含水率高，总污泥量大(Linda et al.，2018)，但单台设施的剩余污泥量小且较长排放周期等特点，单台污水处理设施建设独立的剩余污泥脱水和处理设施将会增加农村污水处理设施的成本，且使用频率低，与农村技术经济条件不符(吴爱平等，2009;李银波等， 2015;徐一啸，2018;苏志升等，2021).农村地区常采用将含水剩余污泥运往市政污水厂统一处理的污泥处理方式，但面临运输费用高昂的问题(杨小文等，2002).因此，农村剩余污泥适合采用多台设施共用车载式剩余污泥脱水设备进行脱水后收运，然后运往市政污水厂或污泥集中点进行处理和处置，以提高设备利用率和降低运维费用.农村道路通常较窄和限高，且一般只规划建设单车道，宽度一般小于6.5 m，甚至只达到4 m，一些污水设施也离道路有一定的距离(尹德智等，2019;冯喆，2020;王永慧等，2021)，尺寸较大且吸程较短的车载式剩余污泥脱水设备难以适应农村的作业环境.

　　本研究针对小型污水处理设施剩余污泥的特征，结合农村作业环境对设备尺寸和吸程的要求，研发了适合农村污水处理设施作业环境的的车载式剩余污泥脱水技术与设备，同时对设备的主要性能进行了测试和分析，以期为农村污水设施剩余污泥的收运提供关键技术与设备.

　　2 材料与方法(Materials and methods)

　　2.1 小型污水设施简介及剩余污泥的不同收运方式

　　2.1.1 小型生活污水处理设施简介 试验涉及的小型生活污水处理设施采用AO工艺，包括夹杂物去除区、缺氧区、好氧区、沉淀区、消毒区，设备的有效容积约为1.6 m3 .污泥清理的设计周期为1~2 次·a-1 ，每次清理需将全部污水吸出.

　　2.1.2 剩余污泥不同收运方式 剩余污泥不同收运方式具体工作流程如表1所示.

　　2.2 车载式剩余污泥脱水技术与设备研发

　　针对上述农村污水设施剩余污泥脱水收运时对设备尺寸和吸程的要求，本研究的车载式剩余污泥脱水技术与设备通过图1所示工艺减小尺寸和增加吸程.

　　①真空吸污泵和脱水设备等均采用负压运行;

　　②脱水设备二次脱水运行，抽吸污水的时候，脱水设备用于去除大块杂物，减掉除渣设备;

　　③1台真空泵通过阀门切换实现吸污和排水功能，减掉水泵;

　　④储存池和混凝反应池合并，在管道和储存池内进行混凝反应;

　　⑤动力为液压传动，减掉柴油发电机.

　　针对小型污水设施的脱水收运流程及要求，研究的车载式剩余污泥脱水技术与设备的工作有吸污、絮凝、污水回送、污泥排放和3个辅助过程.具体如下： ①吸污过程：利用真空泵将泥水混合物通过真空管道进入脱水设备，泥水混合物首先经过脱水设备进行大型杂物的分离，纸片、塑料和浮渣等杂物进入储泥箱存放;分离的水流向储存池. ②絮凝过程：分离的水流向储存池过程中，通过管道投加混凝剂和混合，然后进入储存池，利用水流搅动进行反应. ③脱水过程：絮凝反应之后，切换阀门，利用真空污水泵，将混凝后的泥水混合物再一次送到脱水设备进行脱水;脱水污泥进入储泥箱存放，脱出水输送到小型污水处理设施用于回灌. ④污泥排放：当储泥箱内污泥满时或作业结束后，将该车开到指定地点，启动螺旋输送器将污泥排出. ⑤其他辅助过程;1)清洗单元，设有清水箱，作业人员可以进行个人卫生清洗;2)絮凝剂投加单元，设有药剂箱和投加系统;3)信息收集单元，收集移动设备的移动轨迹和工作状态等信息.

　　成型设备的主要参数：整体外观尺寸为5.995 m×1.905 m×2.56 m，底盘采用庆铃汽车股份有限公司的五十铃牌QL1040BUHACY型柴油车，油箱100 L;真空泵最大流量4 m³·h-1 ，椭叠机剩余污泥最大脱水能力约4 m³·h-1 ;吸污管道长50 m.

　　2.3 技术经济模拟分析村落信息

　　通过模拟对剩余污泥不脱水收运方式和脱水收运方式进行了运行成本分析.案例模拟示意图见图2.模拟村镇的信息如下：该模拟村镇位于长三角地区，所在区域1个镇21个行政村，约1.6万户，总人口4.2万人，区域面积约为68.17 km2 .该区域居民居住特征为沿水而居，该区域内共安装小型生活污水处理设施4400台. 收运依托镇区养护中心开展，按照每台小型生活污水处理设施每年清扫 1 次计算 .含水污泥或脱水污泥运送至模拟中的污泥集中点视为结束.

　　2.4 检测指标与方法

　　测试指标中的含水率(MC)、总固体含量(TS)、挥发性有机物含量(VS)、污泥沉降比(SV30)采用国标方法进行测定(中华人民共和国建设部，2006);毛细吸水时间(CST)采用 CST 测定仪(Triton 304M CST，Triton，英国)进行测定.油耗，运行费用等通过现场的运行情况进行测算.

　　3 结果与讨论(Results and discussion)

　　3.1 车载式剩余污泥脱水技术与设备对农村作业环境适应性分析

　　对北京、山东、江苏和上海农村道路宽度、限高的调研结果表明 .大部分农村村内和村周边的道路宽度仅可容两辆轿车会车，部分道路宽度不支持两辆轿车会车 .如南方某镇域村内的道路实地调查结果表明，户用设施临近的公路中 10%为 4.5 m宽的沥青公路， 20% 为 3.5 m 宽的新建村庄水泥路，45% 为 3.0 m 宽的村庄水泥路，25% 为 2.5 m 宽的水泥路 .调研结果还表明，南方村落进出口很少设置限高杆，而北方村落进出口可能会设置限高杆，其高度在2.5 m左右.

　　对南方某区域的 300 多台小型生活污水处理设施调研表明，设施与公路距离为 0~1 m 占 3.5%，距离为 1~5.m占 7.6%，距离为 5~10 m占 27.0%，距离为 10~20 m占 42.1%，距离为 20~50 m占 10%，距离大于 50 m的占9.9%，即80%的设施离公路20 m以内，90.1%的设施离公路50 m以内.

　　本研究的车载式剩余污泥脱水设备整车的外观尺寸为5.995 m×1.905 m×2.56 m，吸污管长50 m.现场的作业环境调研和实际运行结果表明，本研究设备具有的宽度 1.905 m、高度 2.56 m和 50 m的吸污范围，可支持在大部分道路上作业时会车，服务90%以上小型生活污水处理设施，但北方部分村落由于限高杆的限制，需要协调后才能入村作业.

　　3.2 车载式剩余污泥脱水技术与设备主要性能参数

　　3.2.1 作业时间 现场试验表明，该剩余污泥脱水收运设备对上述每台小型污水处理设施的作业时间为：吸污和絮凝时间为20~25 min，脱水和排放时间为20~25 min，合计作业最大时间约50 min，加上收放管路，效率约为 60 min服务 1台小型污水处理设施;储泥箱约可存储 10台小型污水处理设施的污泥，满足全天工作储泥的需求.

　　3.2.2 脱水污泥含水率 对3台上述小型污水处理设施的污泥进行了取样和分析，取样点为夹杂物去除区(污泥主要集中段)的浮渣层污泥、底部污泥和混合污泥样品.其污泥的性质如表2所示.

　　由于小型设施原水未经过化粪池预处理，可在夹杂物去除槽中发现大块纸巾和粪便，表层浮渣污泥的厚度为 5~20 cm，底部污泥厚度为 25~ 35 cm.

　　从表 3 可以看出，3 台污水处理设施中夹杂物去除槽不同位置污泥的 TS 变化较大，浓度为 15.59 ~58.63 g·L-1 ，同时 3 台设施中均是底泥中 TS浓度最高，浮渣层、底泥、混合泥样中 TS平均浓度分别为23.10、55.41、52.57 g·L-1 .不同取样点污泥的 VS 为 14.21 ~46.29 g·L-1 ，与 TS 类似，3 台设施中均是底泥中 VS 浓度最高，且浮渣层、底泥 、混 合 泥 样 中 VS 平 均 浓 度 分 别 为 17.94、 42.61、37.84 g·L-1

　　3 台设施里所有样品的 SV30为 45%~62%，变化范围不大，底泥中 SV30最高 . 从 CST 来看，3 台设施中浮渣、底泥与混合污泥 CST 为 265.3~412.5 s，属于相对难脱水污泥，需要添加脱水剂改善脱水性能(谢敏等，2021).

　　混合污泥的 VS/TS 为 0.57~0.91，有机物含量占污泥比重高，具有较高的资源化前景.

　　实际运行过程中，对设备脱水后的污泥进行了含水率测试，结果见表2.结果表明，本研究的车载式剩余污泥脱水设备的脱水污泥的含水率为75%~82%.

　　多台设施实测结果表明，有效容积约为1.6 m3 的上述小型生活污水处理设施如1年清运1次，脱水后含水率为80% 的剩余污泥重约为50 kg

　　3.2.3 运行能耗和工作时间 实际运行结果表明：该设备从停放点行驶至农村进行实地测试，厂区至测试地距离53.4 km加满100 L柴油，在时速约50 km·h-1 时，可行驶6.5个来回，共计694.2 km.实际耗油每百公里 14.4 L或7.2 L·h-1 .

　　根据连续工作实际测试：对就近 5 台小型污水处理设施开展连续作业，6 h 耗油约 11 L，实际耗油 1.88 L·h-1 .

　　按时速约50 km·h-1 进行计算，设备可连续行驶的时间为：

　　乡村可行驶时间=单位油耗距离×(油量/单位耗油量)/速度 =100×(100/14.4)/50=13.89 h

　　按实际耗油1.88 L·h-1 进行计算，设备可连续行驶的时间为：

　　着车作业时间=油量/单位耗油量 =100/1.88 =53.19 h

　　因此，加满一箱油可以保证连续在外工作13 h以上，满足整天工作不需要中途加油的需求.

　　3.3 技术经济分析

　　根据实际的运行结果和预测，对不脱水直接收运方式和车载式剩余污泥脱水设备脱水收运方式的运行费用进行测算，结果见表4.

　　不脱水直接收运方式：对 2.3节模拟区域内上述小型污水设施中剩余污泥进行不脱水吸污清理 .1台吸污车每天可完成4台小型污水设施清理(包括泥水混合物的清运以及设施水的回灌)，单台污水设施清理所需费用约238.3元·a-1 .该方式优点为现场吸污操作简单，缺点为需寻找水源回灌污水设施、泥水混合物的运输量大、泥水混合物需要再次脱水，本分析中含水污泥集中脱水费用未计.

　　车载式剩余污泥脱水设备脱水收运方式：对 2.3节模拟区域内上述小型污水设施中剩余污泥进行脱水收运.1台移动式脱水吸污车每天可完成6台小型污水设施清理，清理单台小型污水设施需花费约135元·a-1 . 该方式优点为集吸污与污泥脱水为一体，脱出水直接回灌设备节省水源及其运输过程;其产出的污泥含水率可至80%左右，减少大量运输量;缺点为脱出水的回灌，设施需约5~7 d恢复出水水质.

　　模拟分析结果表明，该区域通过“不脱水直接收运方式”产生的含水污泥约 7000 (t 4400台×1.6 t·台-1 )，采用“移动式脱水收运方式”产生污泥约 220 (t 4400 台×0.05 t·台-1 )，每年可节省污泥收运量为 6780 t.通过 “不脱水直接收运方式”每台设施费用238.3元·a-1 ，采用“车载式剩余污泥脱水设备脱水收运方式”每台设施费用 135元·a-1 ，采用“车载式剩余污泥脱水设备脱水收运方式”每台设施节省费用 103.3元·a-1 ，该区域每年可节省污泥收运费约45.5万元((238.3元·a-1 ·台-1 -135元·a-1 ·台-1 )×4400台). 4

　　结论(Conclusions)

　　1)本研究的车载式剩余污泥脱水设备外观尺寸为5.995 m×1.905 m×2.56 m，吸污管道50 m，适应农村道路宽度和高度及设施与道路见的距离限制的作业环境，可满足务90%以上的农村小型污水处理设施.

　　2)实际运行结果表明，该设备行驶油耗7.2 L·h-1 ，工作油耗1.88 L·h-1 ;脱水后的污泥含水率80%左右.

　　3)模拟案例分析表明，车载式剩余污泥脱水设备脱水收运方式比不脱水直接收运方式每台小型设施每年可节省103.3元，在一个安装4400台小型污水设施的乡镇，每年可节省污泥收运费约45.5万元，具有较大的经济价值.——论文作者：詹俊1，2，王培京3，李现瑾4，唐晶5，徐素1，2，刘俊新1，2，胡明3，郭雪松1，2，*

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