3.3.2 重力浓缩技术
重力浓缩技术发展至今已有50多年的历史，是目前主流的同时也是应用最多的污泥浓缩技术，不需要外加能量，在所有浓缩方法中最为节能。但重力浓缩法并非对任何污泥种类都适用，仅适用于质量较重的初沉池污泥，而对于活性污泥等一些相对密度接近于1的轻质污泥，其重力沉降效果不好。此外，如果采用重力浓缩法处理生物除磷剩余污泥时，污泥中的磷会大量释放，因此对上清液还需要进行除磷处理。
3.3.2.1 重力浓缩原理及影响因素
（1）重力浓缩原理
重力浓缩法的原理是利用污泥中固体颗粒的重力作用进行自然沉降与压密，从而形成高浓度污泥层，达到浓缩污泥的目的。不需要外加能量，是一种最节能的污泥浓缩方法。重力浓缩本质上是一种沉淀工艺。根据悬浮物质的性质、浓度及絮凝性能，沉淀可分为以下4种类型。
1）自由沉淀 当固体颗粒浓度不高时，颗粒在沉淀过程中相互之间不发生碰撞，而表现为单颗粒状态并各自独立地进行沉淀，可用牛顿第二定律及斯托克斯公式加以描述。沉降的粒子与上清液之间不形成清晰的界面，但可以见到澄清区域。不过，所含胶体粒子如果不失稳，还是得不到澄清的上清液。粒子的沉降速度不受固体颗粒浓度的影响，而决定于粒子的大小和密度。比较具有代表性的自由沉淀是沉砂池中的砂粒沉淀以及初沉池中的低悬浮物浓度污水沉淀。
2）絮凝沉淀 也称干涉沉淀，即当固体颗粒浓度范围介于50～500mg/L时，颗粒在沉淀过程中可能互相碰撞从而产生絮凝作用，使颗粒的粒径与质量逐渐加大，沉淀速度不断加快，故实际的絮凝沉淀速度很难用理论公式计算，主要靠试验测定。具有代表性的絮凝沉淀例子是二沉池中的活性污泥沉淀。
3）区域沉淀 又称拥挤沉淀或成层沉淀，即当固体颗粒浓度大于500mg/L时，在沉淀过程中，相邻的颗粒之间会发生相互干扰和妨碍，沉降速度大的颗粒无法超越沉降速度小的颗粒，因而被迫保持相对不变的位置，并在聚合力的作用下结合成一个整体向下沉淀的颗粒群，与澄清水之间形成清晰的液-固界面，此类沉淀表现为界面下沉。具有代表性的区域沉淀有二沉池下部的沉淀过程及浓缩池在开始阶段的沉淀等。
4）压缩沉淀 由于污泥固体颗粒的集结，上一层的污泥颗粒在重力作用下压缩下一层的污泥颗粒，而下一层的污泥颗粒又会对上一层的污泥颗粒起到支承作用，从而使污泥固体颗粒相互之间接触得更加紧密而挤出下层污泥中的间隙水，并不断提高固体浓度而使污泥得到浓缩。此类沉淀可以看作是区域沉淀的延续。
在重力浓缩池的实际运行过程中，以上4种类型的沉淀过程均依次存在，只是沉淀进行的时间不同，并在重力浓缩池中形成以下4个基本区域。
① 澄清区。为固体浓度极低的上层清液。
② 阻滞沉降区。在该区悬浮颗粒以恒速向下运动，一层沉降固体开始从区域底部形成。
③ 过渡区。其特征是固体沉降速率减小。
④ 压缩区。在该区上一层的污泥颗粒在重力作用下压缩下一层的污泥颗粒，从而使污泥颗粒之间的间隙水被排挤出来，直至达到所要求的底流污泥浓度并最终从底部排出。
活性污泥在二沉池中的沉淀曲线如图3-18所示。
图3-18 污泥在二沉池中的沉淀过程［1］
（2）重力浓缩的影响因素
污泥重力浓缩效果的影响因素主要有悬浮物浓度、温度、搅拌强度和设备结构等。
1）悬浮物浓度 因污泥颗粒沉降而被置换出来的液体的上升速度随孔隙率减小而增大，会阻碍污泥颗粒的沉降。此外，如果污泥中悬浮物浓度增大，污泥颗粒与污泥中所含液体间的表观密度差减小，而且污泥的表观黏度会增大，流体力学条件也会随之发生变化，因此，污泥的沉降速度与其中悬浮物的浓度成反比。污泥种类和重力浓缩池类型确定后，给泥量应控制在一个最佳范围之内。当给泥量过低时，不但重力浓缩池得不到充分利用，从而影响其处理量，还会导致浓缩池中的污泥上浮，浓缩效果变差；当给泥量过大且超过重力浓缩池的浓缩能力时，会导致上清液固体浓度过高，而排泥浓度过低，浓缩效果同样也会变差。
污泥的悬浮物浓度与水力学条件有关，对其进行核算应主要考虑两方面因素：一是污泥固体表面负荷；二是水力停留时间。
固体表面负荷qs的大小与污泥种类、浓缩池结构和温度有关。初沉污泥的浓缩性能较好，其固体表面负荷一般可控制在90～150kg/（m2·d）。活性污泥的浓缩性能较差，一般在10～30kg/（m2·d）内。国内进行重力浓缩的常见污泥形式是初沉污泥与活性污泥的混合污泥，其qs一般控制在60～70kg/（m2·d），具体取值取决于两种污泥的比例。
水力停留时间一般控制在12～30h，水力停留时间的长短与温度密切相关。温度高时，停留时间短一些为宜，以防止污泥上浮；温度低时，停留时间则要相应延长。
2）搅拌强度 适宜的搅拌强度有利于促进污泥颗粒的凝聚，增大其沉降速度，但搅拌强度过大，则会破坏已凝聚的固体或者是絮凝沉淀法生成的沉淀物的凝聚状态，减小沉降速度。
由于污泥颗粒的凝聚状态的变化会改变压缩脱水的机制，因此搅拌对于污泥重力浓缩的影响较为复杂。在重力浓缩过程中，当悬浮液中粒子的容积百分率达到40%左右时，常发生沟流现象，主要表现为，从区域沉降状态至压缩沉降状态之间，常会在浓缩泥层中形成一些小通道，下方泥层中的液体经过这些小通道，直接到达泥层表面，因此会在泥层表面见到一些小突起，产生沟流后溶液直接通过这些小通道到达表面，界面的沉降速度急剧增大，致使沉降速度与浓度不成函数关系。沟流现象目前还缺乏定量的描述，成为沉降浓缩理论的一个盲点。
3）温度 温度也是影响污泥重力浓缩效果的重要因素之一，具有双向影响污泥重力浓缩效果的作用。当温度升高时，一方面，温度的升高会使污泥黏度降低，污泥中的间隙水更容易分离出来，从而加快污泥颗粒的沉降速度，改善重力浓缩效果。但另一方面，污泥更容易水解酸化，可导致污泥上浮，降低浓缩效果。此外，在温度升高的条件下，再加上重力浓缩池壁的冷却作用，池内的污泥会形成对流，同样也会影响污泥颗粒的沉降速度。当温度降低时，污泥浓缩效果的变化情况相反。
3.3.2.2 重力浓缩的设备及工艺过程
根据运行情况，重力浓缩池可以分为间歇式和连续式两种。当污泥量较少时，可采用间歇式浓缩池，这种形式的浓缩池运行管理较容易；当污泥量较多时，排泥池中的污泥连续排出，可采用连续式浓缩池。间歇式浓缩池主要用于小型污水处理厂等污泥量小的处理系统，连续式常用于大、中型污水处理厂。
（1）间歇式重力浓缩池
间歇式重力浓缩池一般为圆形或矩形水池，底部有污泥斗，其基本结构如图3-19所示。
图3-19 间歇式重力浓缩池［10］
间歇式重力浓缩池工作时，先将污泥充满全池，待静置沉降后，污泥颗粒将进行浓缩压密，这时池内将从上至下分为上清液、沉降区和浓缩后的污泥层3层。上清液从位于池侧面的分层导流管定期排出，导流管的位置可随污泥固体物质的沉淀而不断下降，直至污泥不再继续浓缩。污泥层的浓缩污泥位于最底部的泥斗，可将其吸出并进行后续处理处置。浓缩池一般不少于两个并交替使用，一个正常工作，另一个用于进泥。
（2）连续式重力浓缩池
连续式重力浓缩池可采用沉淀池的形式，分为竖流式和辐流式两种。按污泥浓缩池的横断面形状，可分为矩形和圆形两种。相较于矩形浓缩池，圆形浓缩池的土地使用效率虽然较低，但是其结构简便，采用钢结构以及混凝土结构均可，而且排泥问题也已基本得到解决。再加上矩形浓缩池易积泥，设备也易发生损坏，故浓缩池通常设计为圆形。
以圆形池为例，连续式重力浓缩池如图3-20所示。
图3-20 圆形连续式重力浓缩池［10］
1—中心进泥管；2—上清液溢流堰；3—底泥排出管；4—刮泥机；5—搅动栅；6—钢筋混凝土池体
在圆形池中，水流通常从中心配水部分呈辐射状流至外围的出水堰，由于在此过程中的辐射面积越来越大，很难保持均匀，故圆形池的效率有时会低于预期。为了有利于浓缩污泥的收集，池底通常设计为倾角较小的圆锥形，并设有刮泥机以将泥刮向中心的污泥井，底部带污泥刮削机械或设有漏斗，这样可将污泥刮入靠近底部的排泥管且还可防止污泥板结。
在通常情况下，剩余活性污泥经从圆形连续式重力浓缩池的中心管流入，一般用Q0、C0分别表示入流污泥的流量及其固体浓度。浓缩池中存在着3个区域，从上至下分为澄清区、阻滞区、压缩区。澄清区的上清液由溢流堰溢出，称为出流，其流量与固体浓度分别以Qe、Ce表示。如果忽略上清液所含的固体重量，则单位时间内进入浓缩池的固体重量与排出浓缩池的固体重量相等。在阻滞区，当连续排入污泥时，固体浓度基本保持恒定不变，这时不起任何浓缩作用，但该区的高度将影响下部压缩区污泥的压缩程度。在压缩区，浓缩污泥从池底排出，即为底流，其流量与固体浓度分别以Qu、Cu来表示。通过浓缩池任一横断面的固体通量均由两部分组成：一部分是污泥在重力作用下压密而引起的固体通量；另一部分是因浓缩池底部连续排泥而引起的方向向下的固体通量。
圆形连续式重力浓缩池的基本构造特点是装有垂直搅拌栅。搅拌栅以2～20cm/s的圆周速度与刮泥机一起缓慢旋转，从而形成微小涡流，颗粒之间发生凝聚作用并造成空穴，从而破坏污泥的网状结构，促进污泥颗粒间的间隙水与气泡逸出，提高浓缩效果达20%以上。但应控制搅拌栅的搅拌程度，过大的搅拌程度将扰动传至外部的沉淀区，这时反而会影响浓缩效果。
目前，应用最多的连续式污泥重力浓缩装置有垂架式中心传动浓缩池、周边传动浓缩池和悬挂式中心传动浓缩池，其结构分别如图3-21～图3-23所示。另外，为了节省设备的占地面积，开发了多层辐射式浓缩池，实际上是将单层浓缩池重叠，因此其大体结构与单层浓缩池相同，见图3-24。
图3-21 垂架式中心传动浓缩池［1］
图3-22 周边传动浓缩池［1］
图3-23 悬挂式中心传动浓缩池［1］
图3-24 多层辐射式浓缩池［1］
3.3.2.3 重力浓缩池的设计要点和参数
（1）设计要点和参数
连续式污泥浓缩池的合理设计与运行效果取决于对污泥沉降特性的确切掌握程度，而污泥的沉降特性又与污泥的来源、性质及浓度有密切关系，所以在设计浓缩池时，最好先进行污泥静沉浓缩试验，最大限度地掌握沉降性能，进而得出设计参数。
1）一般设计规定 有如下10点具体要求。
① 矩形浓缩池易积泥，设备也易发生损坏，因此浓缩池通常采用圆形设计。当采用矩形池形时，可参照圆形浓缩池的设计参数。但必须考虑排泥点位置和排泥机长度这两个因素。当将浓缩后的湿污泥作为肥料时，污泥浓缩可采用方形池，有效水深1～1.5m，池底坡度0.01，并坡向一端。
② 浓缩池容积应根据排泥方法和两次排泥间的时间而定。池容积按浓缩10～16h核算。当采用定期排泥时，两次排泥间一般可采用8h。有效水深一般宜为4m，最低不小于3m。
③ 构造及附属设施一般采用水密性钢筋混凝土建造，污泥进泥管、排泥管、排上清液管一般采用铸铁管。
④ 含水率。进泥含水率：当为初次污泥时，其含水率一般为95%～97%；当为剩余活性污泥时，其含水率一般为99.2%～99.6%。浓缩后污泥含水率：由曝气池后二次沉淀池进入污泥浓缩池的污泥含水率当采用99.2%～99.6%时，浓缩后污泥含水率宜为97%～98%。
⑤ 进泥管和排泥管。进泥管的设计应保证配水均匀避免短流，大多数处理城镇污水的圆形浓缩池都采用底部进泥管中心配水的方式。大多数的工业废水处理也可采用一些其他的配水构造和方式。对于一个垂直向下流的进水系统，管道采用通过T形结构的切线或反切线进水。
排泥管必须设置于泵站进泥口和浓缩池的出泥口之间，其设计长度越小越好，但必须有足够的清洗空间，这是因为对于含石灰污泥的浓缩处理，排泥管应采用清洗措施以避免其堵塞。重力浓缩池的排泥管最小管径采用150mm，管内污泥流速一般在0.5～1.5m/s，由于水头损失较大，排泥管的设计数量应为2根。排泥泵应设于浓缩池的一侧以便于运行和维护，并宜设置于污泥液面以下的位置，泵自身管路也要设计合理。
⑥ 重力浓缩池应设置撇渣设备和挡板以去除浮渣和其他漂浮物。
⑦ 刮泥设备的设计。刮板通常是由一定角度的铁片或管道排列而成，间距150～460mm，高度0.6～2m，刮板能在污泥层中运转。在较薄的污泥区中，刮泥机也能提供同样有效的搅拌作用。在单管或类似结构的吸泥机中，采用刮板可收到很好的效果。
刮泥机的转速取决于浓缩池的直径，线速度一般保持在4.6～6m/min。此外，为了克服阻力，刮泥设备的结构、驱动设备的传动装置以及电机功率均必须满足足够的转矩要求。浓缩池运行的正常转矩不应大于最大转矩值的10%。转矩设计足够大，当需要时可以转动设备。其中连续式重力浓缩池需要更好的设备，因为设备的负荷会大大缩短齿轮和轴承的使用寿命。
⑧ 应在重力浓缩池不同深度、不同方向上设置上清液排除管，以便运行时排除浓缩池中的上清液，并应使浓缩池的上清液重新回流至初沉池或调节池，进行重新处理。上清液的数量和其中有机物的含量可根据参与全厂的物料平衡计算。
⑨ 在撇渣设备、挡板、刮泥设备的设置过程中，应充分考虑并避免由于该类设备震动造成的污泥飞溅问题，从而影响浓缩效果。
⑩ 污泥重力浓缩池一般均会散发臭气，要采用防臭和除臭等控制措施，并安装臭气探测装置。防臭和除臭措施可以从封闭、吸收和掩蔽三方面考虑。封闭指加盖或用设备封住臭气发生源以防止臭气外逸，吸收指用化学药剂或生物方法氧化或净化臭气，掩蔽指采用掩蔽剂使臭气暂时不向外扩散。
2）间歇式重力浓缩池 对于间歇式重力浓缩池，其主要设计参数是水力停留时间。如果水力停留时间过短，重力浓缩就达不到理想效果，特别是当存在营养物质时，经除磷富集的多聚磷酸盐会从积磷菌体内分解释放到污泥中，这部分富含磷元素的水与浓缩污泥分离后将回流到污水处理流程中，从而增加了污水处理除磷的负荷与能耗。反之，如果水力停留时间过长，不仅会占用大量土地，还可能造成有机物的厌氧发酵，从而破坏浓缩过程。因此，水力停留时间应该适中。
3）连续式重力浓缩池 对于连续式重力浓缩池而言，其主要设计参数有固体通量和水力负荷等。
① 连续式重力浓缩池的固体通量指单位时间内通过浓缩池任一断面的干固体量，单位是kg/（m2·h）或kg/（m2·d）。固体通量是主要的控制因素，浓缩池的体积依据固体通量进行计算。一般情况下，重力浓缩池的固体通量为30～60kg/（m2·d）。当为初次污泥时，污泥固体负荷宜采用60kg/（m2·d）；当为剩余法泥时，污泥固体负荷宜采用30kg/（m2·d）。
② 水力负荷指单位时间内通过单位浓缩池表面积的上清液溢流量，单位是m3/（m2·h）或m3/（m2·d）。
③ 当连续式重力浓缩池较小时，可采用竖流式设计，一般不设刮泥机，污泥池的截锥体斜壁与水平面所形成的角度不应小于50°。中心管的设计参数按污泥流量进行计算。沉淀区按浓缩分离出来的污泥流量设计。竖流式有效水深采用4m，并按沉淀部分的上升流速不大于0.1mm/s进行复核。池容积按浓缩10～16h核算。定期排泥时的两次排泥间隔可取8h。
④ 若连续式重力浓缩池采用辐流式设计，当不设刮泥设备时，池底一般应设置泥斗，泥斗与水平面的倾角不应小于50°。当设置刮泥设备且刮泥设备选用吸泥机时，池底坡度可采用0.003；当选用刮泥机时，池底坡度不宜小于0.01。刮泥机的回转速度为0.75～4r/h，吸泥机的回转速度为1r/h，其外缘线速度一般宜为1～2m/min。同时，在刮泥机上还可安设栅条，以便提高浓缩效果，在水面设除浮渣装置。
重力浓缩池的设计参数一般通过污泥静沉试验取得，在无试验数据时也可根据污泥的种类采用表3-8中的数据。
表3-8 重力浓缩池设计参数
（2）设计计算
1）浓缩池面积A的相关计算 浓缩池总面积的计算方法见公式（3-3）：
（3-3）
式中，Q为污泥量，m3/d；C为污泥固体浓度，g/L；M为浓缩池污泥固体量，kg/（m2·d）。
则其单池面积A1为：
（3-4）
式中，n为浓缩池数量，个。
同时，也可计算出浓缩池单池的直径D，公式为：
（3-5）
2）浓缩池高度H的相关计算 由已知的污泥量Q和公式（3-3）计算得到的浓缩池总面积A可以计算浓缩池工作部分高度，计算方法见公式（3-6）：
（3-6）
式中，T为设计浓缩时间，d。
则浓缩池的总高度H为：
（3-7）
式中，H1为工作部分高度，m；H2为超高，m；H3为缓冲层高度，m。
3）浓缩后污泥体积V2 浓缩后污泥体积V2的计算方法见公式（3-8）：
（3-8）
式中，P1为进泥浓度，%；P为浓缩后污泥含水率；V1为浓缩前污泥体积。
4）浓缩池表面积F的相关计算 连续式重力浓缩池表面积F的确定方法如下：选定固体通量，计算并得出浓缩池表面积Fs，将其与用水力负荷计算得出的浓缩池表面积Fw进行比较，取较大者即可。
按固体通量计算浓缩池表面积，见公式（3-9）：
（3-9）
式中，Q为污泥量，m3/d； ω为污泥含固量，kg/m3；qs为选定的固体通量，kg/（m2·d）。
按水力负荷计算浓缩池表面积，见公式（3-10）：
（3-10）
式中，Q为污泥量，m3/d； qw为水力负荷，m3/（m2·d）。
则 
（3-11）
5）有效容积W的相关计算 根据由以上步骤已经确定的浓缩池表面积F计算浓缩池的有效容积W，再通过W来复核污泥在池中的停留时间t。若t大于10～16h，则应对固体通量进行修订，重新计算并最终确定浓缩池表面积F、有效容积W和停留时间t等各值。
（3-12）
式中，h2为有效水深，m。
停留时间t的复核方法，见公式（3-13）：
（3-13）
6）刮泥设备转矩 典型浓缩池所需要的刮泥设备转矩一般由公式（3-14）来计算：
（3-14）
式中，T为转矩，kgf·m；K为常数，kgf/m；D为浓缩池的直径，m。
参数设计根据每个浓缩池所处理的污泥的不同而变化。重力浓缩刮泥设备的设计标准如表3-9所列。
表3-9 重力浓缩刮泥设备的设计标准［10］
