一種基于物料恒算下的污泥脫水減容計算方法

姜震宇，迮思干，郭生昌

（1.上海迅翔水利工程有限公司，上海 200231；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 201200）

1 概述

眾所周知，具有一定含水量的污泥，包括水處理過程中產生的污泥、工程實施過程中產生的污泥（比如河湖疏浚產生的污泥、灌注樁泥漿護壁或盾構掘進過程中產生的循環護壁泥漿等），一般來說，水在污泥中的存在形態主要包括以下四種[1]，詳見附圖1。

（1）間隙水或游離水：間隙水是存在于污泥顆粒間隙中的游離水分，一般占污泥總含水量的70%左右；這部分水比較容易脫除，可通過重力沉淀（濃縮壓密）實現分離。

（2）毛細水：毛細水是污泥顆粒之間或顆粒裂隙中由于毛細作用，與污泥顆粒結合在一起的水分，約占總水量的20%左右；毛細水可通過施加離心力、負壓力等外力，破壞毛細管表面張力和凝聚力的作用，而分離出去。

（3）吸附水：吸附水是由于表面張力的作用吸附在污泥顆粒表面的水分，由于污泥顆粒小，具有極強的表面吸附力，約占總水量的10%以下；吸附水一般無法用機械方法去除，但可采用混凝方法，使膠體顆粒相互絮凝，排除附著在表面的水分。

（4）結合水或細胞水：結合水是包含在污泥中微生物細胞內的水分，結合水和吸附水共占污泥中總含水量的10%左右。結合水較難去除，特別是微生物細胞內的結合水，必須從細胞內滲出才能去除，需要采用干化或焚燒的方法加以去除。

污泥處理的目的是使污泥減量化、穩定化、無害化及綜合利用。通常使用的方法有：污泥濃縮、穩定、污泥調節、脫水等；一般來說，高含水量污泥經濃縮后，體積依然很大。為了后續的綜合利用和最終處置，需對污泥作進一步的脫水處理。污泥脫水的主要作用是去除存在于污泥顆粒間以及顆粒內的水，從而使液態污泥的物理性能改變成半固態、固態，理想的脫水應當是最大限度地把水去除；同時，污泥的固體顆粒則應當全部保留在脫水后的污泥上，并要求這種操作所花投資最低。對污泥中的普通脫水減容，一般是考慮去除污泥中的間隙水、毛細水；而當研究污泥的深度脫水時，才將重點放在對污泥吸附水和結合水的去除上。受污泥最終處置的時空限制，污泥的脫水減容已經成為污泥四化處理（減量化、穩定化、無害化、資源化）的前提條件。

2 常規污泥的濃縮脫水減容計算方法及局限性

當污泥的含水量（P）比較大（含水量為質量比，通常大于70%以上時），可以近似的認為污泥的密度（ρ）不隨含水量變化而改變，為一固定值（一般ρ=1.0t/m3）[2]，利用污泥在濃縮脫水過程中含固量（MS）不變的原則，來計算高含水量的污泥隨含水量的變化，體積發生的變化，據此，有下式成立[1]：

圖1 污泥中水的存在形態示意圖

依據上述（2）式，可知，在污泥濃縮脫水過程中，污泥體積變化和污泥含水量變化的關系，從而只要知道原始污泥的體積、含水量及脫水后污泥的含水量，就可以求出脫水后污泥的體積，比如，原有1.0m3含水量為P=98%的污泥，經脫水后，含水量變為P=90%，則體積變為0.2m3；但實際上，污泥的含水量變化，會導致污泥的密度（ρ）發生變化，在高含水量的情況下，這個影響會比較小，但含水量變化比較大時，就會產生比較大的偏差；尤其在原始淤泥和脫水后的淤泥含水量都比較低的情況下，這種偏差就更加明顯；導致實際計算結果產生偏離，為此，有必要尋求一種更加精確的計算方法。

3 物料恒算下計算的一般性假設條件

（1）污泥一般來說是作為三相體[3]出現的，由于污泥中空氣的體積占比很小，可以忽略其體積，即把污泥看作是由土體顆粒和水體構成的兩相體[3]。

（2）通常認為污泥中土體顆粒的干密度是不變的，并可以通過一定的方式加以測定；在污泥體積（V）和含水量（P）已知的情況下，可以采用加權平均的方式求出污泥的密度（ρ）。

（3）假設污泥中的土體顆粒是不可壓縮的，或者壓縮量很小，同樣，水的體積也是不可壓縮的，這樣污泥的脫水減容，僅是由于污泥含水量減少，導致水體脫除，使污泥的體積產生變化。

（4）考慮污泥脫水過程中，攜帶流出的土體顆粒濃度很小，可以忽略，即認為脫除出去的僅僅是水，而不含土體顆粒或者含量很小，可以不考慮其影響。

（5）基于上述的假設條件，就可以利用物料恒算條件，來推導出脫水減容過程的各種變化。

4 物料恒算脫水減容的理論推導過程

假設體積（V1）的含水量為（P1）污泥中，土體顆粒的干密度為（ρS），土體顆粒的體積為（VS），土體顆粒的質量為（MS），水的密度為（ρW），水的體積為（VW1），水質量為（Mw1），則有如下等式成立：

由上述兩式聯立，可以求解得土體顆粒的體積（VS）和水的體積（VW1）分別為：

其中：體積為（V1）含水量為（P1）的污泥中土體顆粒的質量（MS）和水的質量（MW1）分別為：

于是，體積為 V1含水量為P1的污泥的密度（ρ1）為：

根據上述的假設條件，當污泥中的含水量變化為（P2）時，土體顆粒質量為（MS=ρS×VS）不變，而相應的水的質量（MW2）和水的體積分別變為：

于是污泥含水量變為（P2）后，污泥的體積（V2）和密度（ρ2）就分別變為：

于是，污泥含水量（P）變化引起污泥的體積變化（ΔV）和體積增（減）率（λ）分別為：

脫水減容過程中，脫除出去的水量為：

5 計算實例及分析

為了更好的理解上述計算，可以用一個簡單的計算實例來加以分析，具體的計算結果詳見附表1：

附表1 中輸入的已知參數為：土體顆粒的干密度（一般認為 ρS=2.65t/m3）[3]；水的密度為（ρW=1.0t/m3）；污泥原始的含水量為（P1）；脫水后含水量變化為P2；原始污泥的體積（V1=1000m3），在此條件下：

（1）當原始污泥的含水量P1=98%時，可以分別計算出污泥中土體顆粒的體積為V3=7.64m3；VW=992.36m3；污泥密度為ρ=1.013t/m3；當污泥中的含水量發生變化時，上述的各數值也相應的發生變化。

附表1 物料平衡條件下脫水減容計算分析表

（2）當原始污泥的含水量由P1=98%變成時P2=95%，污泥的體積由原來的1000m3變為392.43m3；污泥的質量由原來的1013t 變為405.04t；相應的污泥中土體顆粒的體積變為V3=7.64m3；VW=384.79m3；污泥密度為ρ=1.032t/m3；脫除出去的水體積為607.57m3；脫水減容比為60.76%。

（3）從計算附表中可以看出，在高含水量條件下。比如當含水量由P1=98%變成時P2=95%時，與常規的減容計算方法相比，差別不大，分別為60.76%和60.00%；當在含水量比較低的條件下，比如由P1=60%變成時P2=40%時，與常規的減容計算方法相比，差別比較大，分別為44.39%和33.33%；在此條件下，常規的計算方法就產生了比較大的偏差，不再適用。

（4）當然，在原始污泥體積和含水量已知的條件下，本方法也可以通過設定需要達到的脫水減容比或需要脫除水的體積條件，來反推脫水減容后的污泥需要達到的含水量。

6 結束語

一般情況下，污泥中的土體顆粒密度為ρS=2.50~2.65t/m3；水的密度為 ρW=1.0t/m3；而污泥中的含水量（P，質量比）、對應含水量的體積都是可以準確測定的，這樣，根據上述推導的結果，就可以編制程序，實現各種目標條件下計算和分析：

（1）在污泥的含水量和體積為定值的情況下，可以分別求出污泥中土體顆粒的體積、質量、水的體積；污泥的密度。

（2）當污泥的含水量發生變化時，可以計算出相應含水量下的土體顆粒的體積、質量、水的體積；污泥的密度、淤泥的體積及由此引起的污泥體積變化，從而進一步推算出污泥的體積增（減）率，從而判斷污泥脫水減容的效果。

（3）污泥脫水過程中，當需要達到預定的含水量時，到底有多少的水被脫除出去。

（4）在污泥處置消納場所容量已知的條件下，也可以反算原始污泥需要達到怎樣的含水量或減容比，方能滿足場地的消納要求。

（5）由于推導過程是以污泥中含水量發生變化，污泥中土體顆粒不變的原則來建立的，因此，本方法不僅適用于濃縮脫水、自然干化脫水；通過一定的修正也可適用于混凝脫水、機械脫水等各種方式的計算。