污水处理过程中产生的生化污泥总量不断增大，生化污泥、芬顿污泥由于结合水含量多，可压滤性差，常规机械脱水方式处理的出泥干度低，不能进入锅炉直接焚烧。而废纸制浆工序产生的浆渣是主要废弃物之一，以细沙、短小纤维为主，沉降速度快、滤水性好。将污泥与浆渣混合，采用螺旋挤压脱水方式进行处理，可以有效解决污泥和浆渣脱水的综合处理问题。
1 污泥与浆渣混合脱水工艺特点
1.1生化污泥和芬顿污泥的水分构成
生化污泥来自于污水厂经生化处理后的二沉池，主要以微生物尸体及代谢产物为主。二沉池沉淀污泥浓度一般为2%左右的浓度，单独脱水效果非常不理想，已成为各个污水厂的工艺瓶颈。
芬顿污泥是污水高级氧化深度处理工艺过程产生的，主要以铁离子为主的无机盐沉淀物，由于其铁离子成分较高，容易结垢，保水性较强，常规机械脱水难以达到理想效果。
要有效分离出污泥中的水分，有必要了解污泥中水分的存在状态[1]和污泥在不断浓缩过程中的物理状态变化。污泥含水率是污泥的主要性能指标[2]，污泥中所含水分为自由水和结合水，生化污泥在脱除自由水过程中，由于自身颗粒细密，属无定型状态，在受压脱水过程中，阻碍了自由水的出水通道，导致了生化污泥和芬顿污泥采用机械脱水方式时脱水效果差。
1.2低浓废浆渣的来源与特点
废纸制浆过程中产生的细小沙粒及纤维经由低浓除渣器[3]排出，在未经沉淀时，浓度约为1.5%～2.5%。其特点是灰分高，并含有一定量细小纤维，经初步沉降后含水率仍然较高。现有处理方式是经沉沙沟沉淀回用少量纤维，其余沉淀物则作为固体废弃物另作处理。
表一：浆渣、污泥在不同混合比工况下的出泥含水率
| 序号 | 生化、芬顿污泥绝干量占比/% | 浆渣绝干量占比/% | 螺旋挤压机转速/(r/min) | 平均出泥含水率/% | 产量/(绝干t/d) |
| 1 | 100 | 0 | 0.2 | 75.56 | 8 |
| 2 | 100 | 0 | 0.5 | 81.23 | 15 |
| 3 | 90 | 10 | 0.2 | 61.15 | 14 |
| 4 | 90 | 10 | 0.5 | 66.78 | 25 |
| 5 | 80 | 20 | 0.2 | 44.25 | 22 |
| 6 | 80 | 20 | 0.5 | 49.36 | 46 |
生化污泥和芬顿污泥密度与水近似，难以沉降，虽通过添加聚丙烯酰胺等药剂可絮凝成为较大絮团，进行进一步浓缩，但由于其细胞水含量高、颗粒细密，经常规机械脱水后含水率仍在80%左右。低浓除渣器排出的低浓浆渣经沉沙沟沉淀后，可以回收一部分纤维，剩余沉淀物浓度达到20%以上，仍具有一定流动性，其滤水性较好，但可絮聚性较差，采用单独脱水时，细沙容易随滤液流失，且对设备磨损程度较大。
利用浆渣的滤水性及污泥的可絮性，将污泥与低浓浆渣在低浓度条件下进行充分混合后，其滤水性和可絮性满足螺旋挤压脱水工艺处理要求。
2 现场应用及效果评价
螺旋挤压脱水设备是近年来发展起来的一种过滤技术，具有结构简单、构造密闭、脱水性能好、污染小、无噪音、节能环保等优点[4,5]，主要针对纸厂初沉污泥，特别是含有一定纤维含量、灰分较高的初沉污泥使用效果良好，污泥含水率可降至50%以下，目前正越来越多地应用于造纸企业的污泥脱水工段。
2016年，生化污泥、芬顿污泥与浆渣混合脱水工艺首先在国内造纸企业作为技改项目立项实施，着力解决污泥和浆渣的综合处理问题。该项目采用了晨钟公司研制的螺旋挤压脱水系统，出泥干度达到50%以上，污泥与浆渣最终通过流化床锅炉进行焚烧处理。
2.1现场应用
2017年，螺旋挤压脱水系统正式生产运行，日处理40t生化、芬顿污泥和10t吨浆渣，浆渣添加量保持在20%时，出泥平均干度约50%，DCS自动控制系统运行稳定，达到项目设计要求。在系统调试期间进行了测试，相关运行参数及出泥含水率见表1。
如表1所示，螺旋挤压脱水系统针对单纯的生化、芬顿污泥脱水时，最终处理之后的污泥含水率较高且产能较低；随着浆渣掺入比例的增加，污泥含水率逐渐降低，产能显著提高。这是由于单纯生化、芬顿污泥滤水性较差，需要降低设备转速来延长污泥在设备中的脱水时间；在添加浆渣后，通过增加污泥中的纤维及细沙含有量，增加了污泥的滤水通道及骨架，使污泥的滤水性及可挤压性增强，达到了大幅提高出泥干度和产能的目的。
2.2效果及评价
2.2.1应用效果
项目改造前，原有带式污泥脱水设备处理生化污泥、芬顿污泥含水率在75%～80%（见图1），日处理湿泥总量约200t/d，低浓除渣器排出浆渣总量约为40t，设备现场环境差，物料运输困难，转运过程中容易出现跑冒滴漏等情况。
通过采用污泥与浆渣混合处理工艺，针对螺压脱水的特点[6]，重新设计了一套新型螺旋挤压脱水系统进行处理，最终出料含水率降到50%（见图2、图3），等同总绝干量的污泥和浆渣的日出料总量仅为96t/d，总量较原先减少60%，并且出料为松散状的固态，可直接与煤混合送入锅炉焚烧。该系统设备现场环境整洁、自动化程度高，减少了人力、物力，实现连续化生产。
2.2.2工艺流程及关键设备如图4所示，来自污水处理厂的生化污泥、芬顿污泥（浓度约2%～4%）及造纸低浓尾渣（浓度约20%）按比例在混合池充分混合均匀，经污泥输送泵与来自药剂制备系统的絮凝剂在立式絮凝槽内进行反应，并通过选择合适的絮凝剂提升污泥的脱水性能[7，8]。在产生滤水性较好的絮团后，溢流进入旋转过滤机内进行第一次泥水分离，去除大量的游离水后，形成半固态的污泥，再落入螺旋挤压机进料口内。污泥在锥度螺旋轴和变径螺旋的双重作用下，使物料中的水分通过孔状滤筒迅速被分离出去，含水率逐渐下降，最终降低到50%以下，最后在螺旋的输送作用下排出机外。被分离出来的滤液在重力作用下收集到积水盘内，通过管路返回污水处理系统处理达标后排放。
螺旋挤压机、旋转过滤机是进行高干度脱水的关键核心设备。螺旋挤压脱水机通过合理的变径变螺距结构对物料进行缓慢挤压，设备运行转速在0.2～1.0r/min之间，设备振动和磨损小，物料在设备内部停留和脱水时间长，出料含水率低，综合运行成本比带式脱水机低[9]。旋转过滤机是预脱水设备，通过重力和滚筒旋转离心力作用对物料进行自由脱水，脱水效率高，经浓缩后的物料絮团没有被破坏，确保后续螺旋挤压脱水设备的浓缩效果。
该工艺处理方案的整体设计较为合理，针对两种废弃物的不同特点，在没有增加其他辅料的情况下，采用自动化程度更加先进的螺旋挤压脱水系统，达到了技改的预期效果。
2.2.3自控技术及应用
该系统以Siemens公司的Simatic PCS 7软件和ET200S系列硬件为核心，配以ABB公司的高端变频器880系列和联想电脑工作站，组成一套性能可靠、运行稳定的小型DCS系统。
根据工艺流程描述可知，生化污泥、芬顿污泥、低浓浆渣的混合比例是保证该系统成功运行的前提条件之一。控制系统实时在线检测生化污泥和芬顿污泥的浓度和利用低浓浆渣的实验室浓度测算值，按照系统设定的污泥与浆渣的绝干比自动确定生化污泥和芬顿污泥及浆渣的流量，以满足进入螺旋挤压脱水系统混合污泥池的工艺值。混合后的污泥与絮凝剂的混合比例直接决定着物料的脱水性能，决定着螺旋挤压机的出泥干度和滤液浊度。
控制系统通过采用比例算法，先将污泥和絮凝剂的混合比例确定下来，再根据污泥的实时流量自动计算出所需絮凝剂的用量，并精确控制其流量。螺旋挤压机是整套系统的核心设备，为保证其出泥干度的稳定性，系统采用了恒转矩变频控制，转矩越平稳，出泥干度就越稳定。由于螺旋挤压机工作转速很低，转速调整与转矩反馈存在严重的滞后现象，属于大滞后型自动控制系统[10]。因此，算法上采用了模糊控制和PID相结合，辅以极限限幅的混合控制方式。
另外，定时喷淋、断链保护、级间联锁、组启组停、液位监测、历史曲线等功能均设计在内，确保整个系统实现全自动化连续稳定地运行。
3 系统运行及经济效益
技改前，原有浆渣、污泥量约为240t/d，综合处理费用约为330元/t，日费用为79200元。
技改后，由于浆渣中的纤维及污泥中的有机质含量较高，可进入锅炉焚烧处理，焚烧过程中并没有多消耗燃煤。该螺旋挤压脱水系统的运行费用与原有带式压滤机基本相同，没有增加额外的电费或药剂费用，且实现了操作全自动化、现场环境整洁、运行稳定故障率低。综合对比：技改后，每天可节约成本约8万元，年节约成本2880余万元，经济效益显著。
4 结束语
生化、芬顿污泥与低浓尾渣混合脱水工艺利用了污泥与低浓尾渣的不同脱水特性，结合螺旋挤压脱水系统的技术优势，实现了污泥与低浓尾渣的高干度脱水，浓缩混合料进入锅炉焚烧，实现了固废的资源化利用。该工艺符合造纸污泥的减量化、稳定化、无害化低成本处理的发展趋势，应用前景广泛。
