一种基于物料恒算下的污泥脱水减容计算方法

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.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 201200）

1 概述

众所周知，具有一定含水量的污泥，包括水处理过程中产生的污泥、工程实施过程中产生的污泥（比如河湖疏浚产生的污泥、灌注桩泥浆护壁或盾构掘进过程中产生的循环护壁泥浆等），一般来说，水在污泥中的存在形态主要包括以下四种[1]，详见附图1。

（1）间隙水或游离水：间隙水是存在于污泥颗粒间隙中的游离水分，一般占污泥总含水量的70%左右；这部分水比较容易脱除，可通过重力沉淀（浓缩压密）实现分离。

（2）毛细水：毛细水是污泥颗粒之间或颗粒裂隙中由于毛细作用，与污泥颗粒结合在一起的水分，约占总水量的20%左右；毛细水可通过施加离心力、负压力等外力，破坏毛细管表面张力和凝聚力的作用，而分离出去。

（3）吸附水：吸附水是由于表面张力的作用吸附在污泥颗粒表面的水分，由于污泥颗粒小，具有极强的表面吸附力，约占总水量的10%以下；吸附水一般无法用机械方法去除，但可采用混凝方法，使胶体颗粒相互絮凝，排除附着在表面的水分。

（4）结合水或细胞水：结合水是包含在污泥中微生物细胞内的水分，结合水和吸附水共占污泥中总含水量的10%左右。结合水较难去除，特别是微生物细胞内的结合水，必须从细胞内渗出才能去除，需要采用干化或焚烧的方法加以去除。

污泥处理的目的是使污泥减量化、稳定化、无害化及综合利用。通常使用的方法有：污泥浓缩、稳定、污泥调节、脱水等；一般来说，高含水量污泥经浓缩后，体积依然很大。为了后续的综合利用和最终处置，需对污泥作进一步的脱水处理。污泥脱水的主要作用是去除存在于污泥颗粒间以及颗粒内的水，从而使液态污泥的物理性能改变成半固态、固态，理想的脱水应当是最大限度地把水去除；同时，污泥的固体颗粒则应当全部保留在脱水后的污泥上，并要求这种操作所花投资最低。对污泥中的普通脱水减容，一般是考虑去除污泥中的间隙水、毛细水；而当研究污泥的深度脱水时，才将重点放在对污泥吸附水和结合水的去除上。受污泥最终处置的时空限制，污泥的脱水减容已经成为污泥四化处理（减量化、稳定化、无害化、资源化）的前提条件。

2 常规污泥的浓缩脱水减容计算方法及局限性

当污泥的含水量（P）比较大（含水量为质量比，通常大于70%以上时），可以近似的认为污泥的密度（ρ）不随含水量变化而改变，为一固定值（一般ρ=1.0t/m3）[2]，利用污泥在浓缩脱水过程中含固量（MS）不变的原则，来计算高含水量的污泥随含水量的变化，体积发生的变化，据此，有下式成立[1]：

图1 污泥中水的存在形态示意图

依据上述（2）式，可知，在污泥浓缩脱水过程中，污泥体积变化和污泥含水量变化的关系，从而只要知道原始污泥的体积、含水量及脱水后污泥的含水量，就可以求出脱水后污泥的体积，比如，原有1.0m3含水量为P=98%的污泥，经脱水后，含水量变为P=90%，则体积变为0.2m3；但实际上，污泥的含水量变化，会导致污泥的密度（ρ）发生变化，在高含水量的情况下，这个影响会比较小，但含水量变化比较大时，就会产生比较大的偏差；尤其在原始淤泥和脱水后的淤泥含水量都比较低的情况下，这种偏差就更加明显；导致实际计算结果产生偏离，为此，有必要寻求一种更加精确的计算方法。

3 物料恒算下计算的一般性假设条件

（1）污泥一般来说是作为三相体[3]出现的，由于污泥中空气的体积占比很小，可以忽略其体积，即把污泥看作是由土体颗粒和水体构成的两相体[3]。

（2）通常认为污泥中土体颗粒的干密度是不变的，并可以通过一定的方式加以测定；在污泥体积（V）和含水量（P）已知的情况下，可以采用加权平均的方式求出污泥的密度（ρ）。

（3）假设污泥中的土体颗粒是不可压缩的，或者压缩量很小，同样，水的体积也是不可压缩的，这样污泥的脱水减容，仅是由于污泥含水量减少，导致水体脱除，使污泥的体积产生变化。

（4）考虑污泥脱水过程中，携带流出的土体颗粒浓度很小，可以忽略，即认为脱除出去的仅仅是水，而不含土体颗粒或者含量很小，可以不考虑其影响。

（5）基于上述的假设条件，就可以利用物料恒算条件，来推导出脱水减容过程的各种变化。

4 物料恒算脱水减容的理论推导过程

假设体积（V1）的含水量为（P1）污泥中，土体颗粒的干密度为（ρS），土体颗粒的体积为（VS），土体颗粒的质量为（MS），水的密度为（ρW），水的体积为（VW1），水质量为（Mw1），则有如下等式成立：

由上述两式联立，可以求解得土体颗粒的体积（VS）和水的体积（VW1）分别为：

其中：体积为（V1）含水量为（P1）的污泥中土体颗粒的质量（MS）和水的质量（MW1）分别为：

于是，体积为 V1含水量为P1的污泥的密度（ρ1）为：

根据上述的假设条件，当污泥中的含水量变化为（P2）时，土体颗粒质量为（MS=ρS×VS）不变，而相应的水的质量（MW2）和水的体积分别变为：

于是污泥含水量变为（P2）后，污泥的体积（V2）和密度（ρ2）就分别变为：

于是，污泥含水量（P）变化引起污泥的体积变化（ΔV）和体积增（减）率（λ）分别为：

脱水减容过程中，脱除出去的水量为：

5 计算实例及分析

为了更好的理解上述计算，可以用一个简单的计算实例来加以分析，具体的计算结果详见附表1：

附表1 中输入的已知参数为：土体颗粒的干密度（一般认为 ρS=2.65t/m3）[3]；水的密度为（ρW=1.0t/m3）；污泥原始的含水量为（P1）；脱水后含水量变化为P2；原始污泥的体积（V1=1000m3），在此条件下：

（1）当原始污泥的含水量P1=98%时，可以分别计算出污泥中土体颗粒的体积为V3=7.64m3；VW=992.36m3；污泥密度为ρ=1.013t/m3；当污泥中的含水量发生变化时，上述的各数值也相应的发生变化。

附表1 物料平衡条件下脱水减容计算分析表

（2）当原始污泥的含水量由P1=98%变成时P2=95%，污泥的体积由原来的1000m3变为392.43m3；污泥的质量由原来的1013t 变为405.04t；相应的污泥中土体颗粒的体积变为V3=7.64m3；VW=384.79m3；污泥密度为ρ=1.032t/m3；脱除出去的水体积为607.57m3；脱水减容比为60.76%。

（3）从计算附表中可以看出，在高含水量条件下。比如当含水量由P1=98%变成时P2=95%时，与常规的减容计算方法相比，差别不大，分别为60.76%和60.00%；当在含水量比较低的条件下，比如由P1=60%变成时P2=40%时，与常规的减容计算方法相比，差别比较大，分别为44.39%和33.33%；在此条件下，常规的计算方法就产生了比较大的偏差，不再适用。

（4）当然，在原始污泥体积和含水量已知的条件下，本方法也可以通过设定需要达到的脱水减容比或需要脱除水的体积条件，来反推脱水减容后的污泥需要达到的含水量。

6 结束语

一般情况下，污泥中的土体颗粒密度为ρS=2.50~2.65t/m3；水的密度为 ρW=1.0t/m3；而污泥中的含水量（P，质量比）、对应含水量的体积都是可以准确测定的，这样，根据上述推导的结果，就可以编制程序，实现各种目标条件下计算和分析：

（1）在污泥的含水量和体积为定值的情况下，可以分别求出污泥中土体颗粒的体积、质量、水的体积；污泥的密度。

（2）当污泥的含水量发生变化时，可以计算出相应含水量下的土体颗粒的体积、质量、水的体积；污泥的密度、淤泥的体积及由此引起的污泥体积变化，从而进一步推算出污泥的体积增（减）率，从而判断污泥脱水减容的效果。

（3）污泥脱水过程中，当需要达到预定的含水量时，到底有多少的水被脱除出去。

（4）在污泥处置消纳场所容量已知的条件下，也可以反算原始污泥需要达到怎样的含水量或减容比，方能满足场地的消纳要求。

（5）由于推导过程是以污泥中含水量发生变化，污泥中土体颗粒不变的原则来建立的，因此，本方法不仅适用于浓缩脱水、自然干化脱水；通过一定的修正也可适用于混凝脱水、机械脱水等各种方式的计算。