无需絮凝剂的污泥脱水新技术测试：荷兰新型毛刷离心机
在荷兰，污水厂的污泥目前主要通过离心机和带式压滤机脱水，但这些技术消耗大量的化学品（絮凝剂）和能量，成本不菲，并不是可持续发展的长远之计。2008年荷兰颁布过一份多年能效协议（MJA3），这份协议为荷兰制定了一系列在2020年前提高荷兰工业能效的措施建议，改善污水处理的能效也在其中。因此，在确保处理质量的前提下，荷兰各地的水委会也一直在寻找更节能、化学品消耗更少的污泥脱水技术。早在五年前，Rijnland水委会提出了一种新型污泥脱水技术，并得到了荷兰水应用研究基金会STOWA的资助。荷兰水处理公司Tauw负责执行，由Nieuw Weme团队提供设备，对这项技术的污泥处理处置效率和可靠性进行测试。
这个新型污泥脱水装置是一个带毛刷的离心机。顾名思义，这是一个基于离心作用和刷子的污泥固液分离设备。项目团队称它为旋转毛刷分离器（Rotating Brush Separator，简称RBS）。这个设备独一无二之处在于无需添加任何絮凝剂。单从就理论而言，它给大家提供了污泥脱水的新思路——因为它免去了絮凝剂的存储空间要求，而且可以省去浓缩直接进行脱水，结合荷兰的国情，这也许对一些小型污水厂特别有吸引力。为了验证其应用潜力，2013年Rijnland水委会对一套小型毛刷离心机开展了测试。测试结果得到了水委会的认可，这促使STOWA扩大了对研究的资助，并于2017年对一套更大型的中试系统进行耐力测试，地点位于阿姆斯特丹西边的Zwanenburg污水厂和Haarlem Waarderpolder污水厂。
如下图1所示，这个旋转毛刷分离器的外形像一个内部带有毛刷、垂直放置的滚筒离心机。
图1. 毛刷离心机
一个脱水循环如下图2所示，主要由四部分组成。首先滚筒开始转动（左一），然后污泥从底部进料。污泥颗粒通过沿着刷毛的层流移动到滚筒的内侧，并逐渐形成泥饼，水被甩出。当滚筒充满污泥的时候，机器停止进料，离心机借惯性继续转动直到滚筒静止。此时滚筒向上移动（左二），接着刷子重新启动，刷子上的泥饼就被抛向挡泥板（右二），最后通过向下运动的刮泥刀从挡泥板上取下泥饼（右一），再用传送带移去污泥。
图2. 脱水循环的四个阶段
中试测试的监控参数和分析对象如下：
装置的稳定性和对故障的敏感度 (查阅数据日志)
毛刷离心机的设置
流量
每日运行时间
污泥脱水前后的含固率
分离率
能耗
污泥类型对脱水和分离效率的影响
峰值进料的影响
图3. 安装在WWTPZwanenburg污水厂的中试装置和毛刷污泥积聚效果
测试期间，他们在污泥进料管和浓缩物排放管中放置了在线流量计(Promagx2)和含固率测量计(Endress+Hauserx2) ，另外还安装了一个电量仪表(kwh)来监控离心机的能耗，进料泵也连接到该表。毛刷离心机自身也有各种传感器（速度、温度、平衡等），数据自动记录在机器中。
第一阶段的测试对象是Zwanenburg污水厂的剩余污泥。这些污泥的平均含固率为1.5%。测试为期一个月（2017年7月11日至8月11日）。理论上这套设备是可以无人化操作的，但测试刚开始的时候，出现了各种技术问题。经过一段时间的检测修理，问题得到了解决，离心机最终实现自动化运行。
图4. 位于Zwanenburg污水厂的测试装置(左)和脱水后的污泥(右)
第二阶段的测试对象是Haarlem Waarderpolder污水厂的消化污泥。与第一阶段的剩余污泥不同，这些污泥的含固率约3%。在这段测试期间，由于该污水厂的预处理效果不佳，导致后续的产生污泥含有纤维和其他污染物，毛刷离心机也因此遇到了许多故障。原本计划12天的运行期(2017年10月5-17日)只运行了6天。在经过调整后，在11月10-16日期间也只运行了4天。
如上所述，对于Zwanenburg污水厂的剩余污泥，毛刷离心机已经可以实现全自动运行。测试期内，设备可以全天运行，8小时内最多可运作16次（每次约30分钟）。脱水后的污泥含固率升至13-16%，分离率超过95%。视乎运行速率和持续时间，毛刷离心机的单位能耗为4-7kWh/次（包括进料泵的能耗0.23kwh/次）。
Haarlem Waarderpolder污水厂的污泥经毛刷离心机脱水后，含固率升至15-22%。但因为含固率测量计不起作用，所以无法确定其分离率。单位能耗为5-8kWh/次（包括进料泵的能耗0.23kwh/次）。
研究团队在第一阶段的测试结果的基础上作了进一步估算：他们假设每次运行处理130kg，运行时间为23-30分钟，那么该系统对干物质的处理容量为87-113kg。按照中试测得的单位能耗计算（3.5-4.6kWh/次），处理每吨干物质的能耗为194-253kWh。这个估算结果与普通离心机和带式压滤机相比，还是比较高的。研究团队认为这可能跟目前试验设备（RBS-500）的容量较小有关。他们正在开发新的型号，处理能力是目前的3-4倍。他们对新设备的能耗改善情况表示乐观。
在能耗的基础上，他们对毛刷离心机的成本效益也进行了估算，以便评估它在小型污水厂的应用前景。研究团队认为，对于荷兰的小型污水厂而言，将经重力浓缩后的污泥送到集中式的污泥处理厂脱水的成本可能很高，这种新型脱水设备也去可以为这些污水厂节省成本。他们对另一座污水厂（位于Haarlem南部的Heemstede污水厂）进行估算对比：该污水厂目前并没有对污泥进行浓缩或脱水，如果安装了这套毛刷离心机，每年可节省1.2-3.7万欧元。与带式压滤机处理相比，毛刷离心机的年成本更低，因为无需使用絮凝剂，而且毛刷离心机可以达到更高的含固率，从而也减少了运输成本。
图5. RBS毛刷离心机的整体外观
研究团队表示，Haarlem Waarderpolder污水厂由于状况不断，此次中试无法对毛刷离心机对消化污泥处理性能作有效评估。而在Zwanenburg污水厂的测试尽管在开始阶段遇到各种问题，但经过调整后，毛刷离心机已经证明能对剩余污泥进行全自动脱水。然而根据目前的性能计算显示，该系统的单位能耗较高，需要进一步的优化。
研究团队也坦诚指出，因为容量有限，目前这款毛刷离心机尚不能替代传统的脱水设备（例如离心机和带式压滤机），而且脱水效果也没有明显的优势。但从长远来说，他们认为这种设备对小型污水厂还是有吸引力的，因为它简化了污泥的预处理工序，而且大大节省了运输成本。他们再以Heemstede污水厂为例，使用毛刷离心机的话，每年的初级能量消耗为210,000MJ，远低于目前浓缩污泥外运的能耗（500,000-750,000/年）。他们希望通过进一步的研究开发节能型的毛刷离心机，从而进一步提高能耗节省率。
研究团队认为，新型毛刷离心机若想更加实用，需要进行技术调整。他们在报告最后提了几点建议：第一点是改进进料方式，使其不易堵塞；另一个建议是增加处理容量，从而减少能耗和改善脱水效果。基于这些研究建议，设备供应商Nieuw Weme已经对进料口进行改进。他们在荷兰西部的一间食品公司的污水处理厂安装了一套改进后的毛刷离心机，目前已经实现完全自动运行。由于启动程序的优化，能耗情况据称比此前已经减少18%。想了解这个中试研究更多细节的读者，可以查阅STOWA官网搜索报告原文。
https://www.stowa.nl/publicaties/slibontwatering-met-borstelcentrifuge
目前国内要求新建污水厂污泥脱水后的含水率要小于60%。要达到此要求，目前国内的常用技术是高压板框压榨、石灰调理或是带低温干化的脱水。但在实际操作中，也允许污水厂将污泥含水率降至80%，然后运至污泥处理厂作集中处理。显然荷兰这款毛刷离心机要满足低于60%的含水率是不可能的，但如果下一步优化成功，可能如其所说，也能适用于国内一些小规模的污水厂。