在荷蘭，污水廠的污泥目前主要通過離心機(jī)和帶式壓濾機(jī)脫水，但這些技術(shù)消耗大量的化學(xué)品（絮凝劑）和能量，成本不菲，并不是可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)之計(jì)。2008年荷蘭頒布過一份多年能效協(xié)議（MJA3），這份協(xié)議為荷蘭制定了一系列在2020年前提高荷蘭工業(yè)能效的措施建議，改善污水處理的能效也在其中。因此，在確保處理質(zhì)量的前提下，荷蘭各地的水委會(huì)也一直在尋找更節(jié)能、化學(xué)品消耗更少的污泥脫水技術(shù)。早在五年前，Rijnland水委會(huì)提出了一種新型污泥脫水技術(shù)，并得到了荷蘭水應(yīng)用研究基金會(huì)STOWA的資助。荷蘭水處理公司Tauw負(fù)責(zé)執(zhí)行，由Nieuw Weme團(tuán)隊(duì)提供設(shè)備，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的污泥處理處置效率和可靠性進(jìn)行測(cè)試。

　　這個(gè)新型污泥脫水裝置是一個(gè)帶毛刷的離心機(jī)。顧名思義，這是一個(gè)基于離心作用和刷子的污泥固液分離設(shè)備。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)稱它為旋轉(zhuǎn)毛刷分離器（Rotating Brush Separator，簡稱RBS）。這個(gè)設(shè)備獨(dú)一無二之處在于無需添加任何絮凝劑。單從就理論而言，它給大家提供了污泥脫水的新思路——因?yàn)樗馊チ诵跄齽┑拇鎯?chǔ)空間要求，而且可以省去濃縮直接進(jìn)行脫水，結(jié)合荷蘭的國情，這也許對(duì)一些小型污水廠特別有吸引力。為了驗(yàn)證其應(yīng)用潛力，2013年Rijnland水委會(huì)對(duì)一套小型毛刷離心機(jī)開展了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果得到了水委會(huì)的認(rèn)可，這促使STOWA擴(kuò)大了對(duì)研究的資助，并于2017年對(duì)一套更大型的中試系統(tǒng)進(jìn)行耐力測(cè)試，地點(diǎn)位于阿姆斯特丹西邊的Zwanenburg污水廠和Haarlem Waarderpolder污水廠。

　　工藝原理

　　如下圖1所示，這個(gè)旋轉(zhuǎn)毛刷分離器的外形像一個(gè)內(nèi)部帶有毛刷、垂直放置的滾筒離心機(jī)。

圖1. 毛刷離心機(jī)

　　一個(gè)脫水循環(huán)如下圖2所示，主要由四部分組成。首先滾筒開始轉(zhuǎn)動(dòng)（左一），然后污泥從底部進(jìn)料。污泥顆粒通過沿著刷毛的層流移動(dòng)到滾筒的內(nèi)側(cè)，并逐漸形成泥餅，水被甩出。當(dāng)滾筒充滿污泥的時(shí)候，機(jī)器停止進(jìn)料，離心機(jī)借慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到滾筒靜止。此時(shí)滾筒向上移動(dòng)（左二），接著刷子重新啟動(dòng)，刷子上的泥餅就被拋向擋泥板（右二），最后通過向下運(yùn)動(dòng)的刮泥刀從擋泥板上取下泥餅（右一），再用傳送帶移去污泥。

圖2. 脫水循環(huán)的四個(gè)階段

　　分析參數(shù)

　　中試測(cè)試的監(jiān)控參數(shù)和分析對(duì)象如下：

·      裝置的穩(wěn)定性和對(duì)故障的敏感度 (查閱數(shù)據(jù)日志)

·      毛刷離心機(jī)的設(shè)置

·      流量

·      每日運(yùn)行時(shí)間

·      污泥脫水前后的含固率

·      分離率

·      能耗

·      污泥類型對(duì)脫水和分離效率的影響

·      峰值進(jìn)料的影響

·      

圖3. 安裝在WWTPZwanenburg污水廠的中試裝置和毛刷污泥積聚效果

　　測(cè)試期間，他們?cè)谖勰噙M(jìn)料管和濃縮物排放管中放置了在線流量計(jì)(Promagx2)和含固率測(cè)量計(jì)(Endress+Hauserx2) ，另外還安裝了一個(gè)電量儀表(kwh)來監(jiān)控離心機(jī)的能耗，進(jìn)料泵也連接到該表。毛刷離心機(jī)自身也有各種傳感器（速度、溫度、平衡等），數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄在機(jī)器中。

　　耐力測(cè)試

　　第一階段的測(cè)試對(duì)象是Zwanenburg污水廠的剩余污泥。這些污泥的平均含固率為1.5%。測(cè)試為期一個(gè)月（2017年7月11日至8月11日）。理論上這套設(shè)備是可以無人化操作的，但測(cè)試剛開始的時(shí)候，出現(xiàn)了各種技術(shù)問題。經(jīng)過一段時(shí)間的檢測(cè)修理，問題得到了解決，離心機(jī)最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

圖4. 位于Zwanenburg污水廠的測(cè)試裝置(左)和脫水后的污泥(右)

　　第二階段的測(cè)試對(duì)象是Haarlem Waarderpolder污水廠的消化污泥。與第一階段的剩余污泥不同，這些污泥的含固率約3%。在這段測(cè)試期間，由于該污水廠的預(yù)處理效果不佳，導(dǎo)致后續(xù)的產(chǎn)生污泥含有纖維和其他污染物，毛刷離心機(jī)也因此遇到了許多故障。原本計(jì)劃12天的運(yùn)行期(2017年10月5-17日)只運(yùn)行了6天。在經(jīng)過調(diào)整后，在11月10-16日期間也只運(yùn)行了4天。

　　測(cè)試結(jié)果

　　如上所述，對(duì)于Zwanenburg污水廠的剩余污泥，毛刷離心機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。測(cè)試期內(nèi)，設(shè)備可以全天運(yùn)行，8小時(shí)內(nèi)最多可運(yùn)作16次（每次約30分鐘）。脫水后的污泥含固率升至13-16%，分離率超過95%。視乎運(yùn)行速率和持續(xù)時(shí)間，毛刷離心機(jī)的單位能耗為4-7kWh/次（包括進(jìn)料泵的能耗0.23kwh/次）。

    Haarlem Waarderpolder污水廠的污泥經(jīng)毛刷離心機(jī)脫水后，含固率升至15-22%。但因?yàn)楹搪蕼y(cè)量計(jì)不起作用，所以無法確定其分離率。單位能耗為5-8kWh/次（包括進(jìn)料泵的能耗0.23kwh/次）。

    研究團(tuán)隊(duì)在第一階段的測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步估算：他們假設(shè)每次運(yùn)行處理130kg，運(yùn)行時(shí)間為23-30分鐘，那么該系統(tǒng)對(duì)干物質(zhì)的處理容量為87-113kg。按照中試測(cè)得的單位能耗計(jì)算（3.5-4.6kWh/次），處理每噸干物質(zhì)的能耗為194-253kWh。這個(gè)估算結(jié)果與普通離心機(jī)和帶式壓濾機(jī)相比，還是比較高的。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這可能跟目前試驗(yàn)設(shè)備（RBS-500）的容量較小有關(guān)。他們正在開發(fā)新的型號(hào)，處理能力是目前的3-4倍。他們對(duì)新設(shè)備的能耗改善情況表示樂觀。

    在能耗的基礎(chǔ)上，他們對(duì)毛刷離心機(jī)的成本效益也進(jìn)行了估算，以便評(píng)估它在小型污水廠的應(yīng)用前景。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，對(duì)于荷蘭的小型污水廠而言，將經(jīng)重力濃縮后的污泥送到集中式的污泥處理廠脫水的成本可能很高，這種新型脫水設(shè)備也去可以為這些污水廠節(jié)省成本。他們對(duì)另一座污水廠（位于Haarlem南部的Heemstede污水廠）進(jìn)行估算對(duì)比：該污水廠目前并沒有對(duì)污泥進(jìn)行濃縮或脫水，如果安裝了這套毛刷離心機(jī)，每年可節(jié)省1.2-3.7萬歐元。與帶式壓濾機(jī)處理相比，毛刷離心機(jī)的年成本更低，因?yàn)闊o需使用絮凝劑，而且毛刷離心機(jī)可以達(dá)到更高的含固率，從而也減少了運(yùn)輸成本。

圖5. RBS毛刷離心機(jī)的整體外觀

　　評(píng)估討論

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，Haarlem Waarderpolder污水廠由于狀況不斷，此次中試無法對(duì)毛刷離心機(jī)對(duì)消化污泥處理性能作有效評(píng)估。而在Zwanenburg污水廠的測(cè)試盡管在開始階段遇到各種問題，但經(jīng)過調(diào)整后，毛刷離心機(jī)已經(jīng)證明能對(duì)剩余污泥進(jìn)行全自動(dòng)脫水。然而根據(jù)目前的性能計(jì)算顯示，該系統(tǒng)的單位能耗較高，需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

　　研究團(tuán)隊(duì)也坦誠指出，因?yàn)槿萘坑邢蓿壳斑@款毛刷離心機(jī)尚不能替代傳統(tǒng)的脫水設(shè)備（例如離心機(jī)和帶式壓濾機(jī)），而且脫水效果也沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。但從長遠(yuǎn)來說，他們認(rèn)為這種設(shè)備對(duì)小型污水廠還是有吸引力的，因?yàn)樗喕宋勰嗟念A(yù)處理工序，而且大大節(jié)省了運(yùn)輸成本。他們?cè)僖訦eemstede污水廠為例，使用毛刷離心機(jī)的話，每年的初級(jí)能量消耗為210,000MJ，遠(yuǎn)低于目前濃縮污泥外運(yùn)的能耗（500,000-750,000/年）。他們希望通過進(jìn)一步的研究開發(fā)節(jié)能型的毛刷離心機(jī)，從而進(jìn)一步提高能耗節(jié)省率。

　　最新進(jìn)展

　　研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，新型毛刷離心機(jī)若想更加實(shí)用，需要進(jìn)行技術(shù)調(diào)整。他們?cè)趫?bào)告最后提了幾點(diǎn)建議：第一點(diǎn)是改進(jìn)進(jìn)料方式，使其不易堵塞；另一個(gè)建議是增加處理容量，從而減少能耗和改善脫水效果?；谶@些研究建議，設(shè)備供應(yīng)商N(yùn)ieuw Weme已經(jīng)對(duì)進(jìn)料口進(jìn)行改進(jìn)。他們?cè)诤商m西部的一間食品公司的污水處理廠安裝了一套改進(jìn)后的毛刷離心機(jī)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)運(yùn)行。由于啟動(dòng)程序的優(yōu)化，能耗情況據(jù)稱比此前已經(jīng)減少18%。想了解這個(gè)中試研究更多細(xì)節(jié)的讀者，可以查閱STOWA官網(wǎng)搜索報(bào)告原文。https://www.stowa.nl/publicaties/slibontwatering-met-borstelcentrifuge

  目前國內(nèi)要求新建污水廠污泥脫水后的含水率要小于60%。要達(dá)到此要求，目前國內(nèi)的常用技術(shù)是高壓板框壓榨、石灰調(diào)理或是帶低溫干化的脫水。但在實(shí)際操作中，也允許污水廠將污泥含水率降至80%，然后運(yùn)至污泥處理廠作集中處理。顯然荷蘭這款毛刷離心機(jī)要滿足低于60%的含水率是不可能的，但如果下一步優(yōu)化成功，可能如其所說，也能適用于國內(nèi)一些小規(guī)模的污水廠。