德国常规黑臭水体处理方法

在城市降雨事件时，总有一部分混合污水会溢流进入接纳水体。即使在德国等发达工业国家，每个城市内都能找到接受溢流污染物质(CSO)的池塘，湖泊或者流速十分缓慢的河道。对于这些受污染的收纳水体来说，定期清淤实际是防止产生黑臭水体的主要技术措施和常态化的工作任务。

1. 黑臭水体的主要原因

河底有机污泥的沉积和厌氧发酵是水体黑臭的直接原因。其大致生物化学过程可以描述如下(图1):

2C13H25O7N3S + 12H2O ⇒ 13CO2 + 13CH4 + 6NH3 + 2H2S

- 夏季上层表面水体被强烈加热，上热下冷所以不会形成水体循环。水体底部所有氧气被消耗，开始厌氧发酵过程

- 在厌氧情况下，有机物质通过生物化学转化过程，会产生 H2S 臭味物质。

- 当H2S 浓度是和污水污泥中的蛋白质含量有关。当浓度到达0.05-0.1 ppm时，就会产生恼人的臭味。

- 与外部输入的泥土颗粒物质一起，会形成淤泥, 在金属硫化物的作用下，颜色转化成灰色至深黑色。 

1. 黑臭淤泥的主要来源

黑臭淤泥的形成一方面是来自水体本身的有机颗粒物质，例如水生植物和鱼类排泄物质组成，但更多是来自以下外源物质:

- 各种工业废水和市政污水流入

- 在降雨事件时，雨污混合污水携带粪浆物质进入水体。

- 此外，一些垃圾物质例如岸边树叶, 餐厨垃圾或动物粪便等进入河流，并沉积河底。

这些沉积有机物质会导致生物厌氧发酵，并使得水体变得浑浊和发臭。

从以上污染源分析知道，外源截留是黑臭水体治理的基础: 只有在防止外源污水和粪便垃圾进入河体的基础之上，才能进行黑臭水体的修复处理。

一般的做法是在沿河建造污水截留管道，将原来流入河道外源污水全部截留并送往市政污水处理厂集中处理。但即使在完全截留外源污水之后，一般仍然无法阻止城市河流富营养化过程的产生。主要原因说明如下: 

§ 目前中国市政污水处理厂的设计规模是按照旱季流量的1.3倍进行建造设计。多数城市内是合流制污水管网，每次出现降雨事件时仍然会有大量混合污水或者溢流污水(CSO: Combined Sewage Overflow)进入水体，造成水体污染(图2)。

§ 在降雨水量很大的情况下，还会将沉淀在管网底部的泥沙和粪浆物质携带进入河流。

§ 即使在分流制管网情况下，雨水降落在高度污染的城市地表之后，会将污染物质携带进入河流。

图2: 溢流污水(CSO)是造成城市河道污染的主要原因

从德国等欧洲国家的工作情况来看，主要是通过以下措施来降低溢流污水(CSO)的污染:

§ 在沿河截留管道上的所有溢流污水口处都安装水平溢流堰墙。虽然混合污水溢流进入河道，但多数泥砂物质被截留在污水管网，送往市政污水处理厂集中处理。

§ 在溢流堰墙上安装水平过滤格筛，将颗粒性污染物质如塑料袋，卫生纸，烟蒂等截留，不让进入河道。一般情况下所选用的筛网孔径小于6mm(图3)。

§ 在污水管网附近有地方的情况下，建造各种形式的雨水调蓄池，截留初期雨水，降低进入河道的溶解性COD含量。

图3: 溢流污水(CSO)溢流堰上安装水平过滤格筛

因为很多城市内的年降雨量分布很不均匀，有时暴雨期间所产生的混合污水流量是旱季流量的几十倍，很难通过建造调蓄池来截留所有CSO污染物质。但通过在溢流堰墙安装水平格筛等措施，可以有效降低部分溶解性和颗粒性污染物质，从而减少城市河道的清淤频率。

即使在德国等欧洲发达国家的城市之内，总是存在接受混合污水(CSO)的池塘，湖泊或者流速十分缓慢的河道。对于这些污染物收纳水体来说，定期清淤实际是防止产生黑臭水体的主要技术措施和常态化的工作任务。

1. 黑臭水体的整体处理工艺

黑臭水体的处理的整体工艺主要是由生态清淤和淤泥脱水处理二个主要工段组成。为了能够顺利进行生态清淤和淤泥脱水处理，必须事先了解河道淤泥的厚度，并清理去除相应的故障物质。在德国常规使用的工艺路线描述如下(图4):

图4: 黑臭水体的整体处理工艺

- 河道淤泥的厚度测定

可以采用声纳扫描测试系统，可以快速确定河底淤泥层厚度。但一般为了准确测定，多数情况下采用手工标定污泥厚度。

- 河道故障物质预清理

为了防止抽吸水泵和输泥管道堵塞，必须事先将河道内所有大于40mm的粗大故障物质(例如树枝，塑料袋，石块和玻璃瓶等)分离去除。

- 生态清淤

通过一台浮动运行的淤泥抽吸装置将淤泥直接泵送至岸上污泥脱水处理装置，距离可达300m; 在运输管道中间安装安装增压泵的情况下，污泥泵送甚至距离可达1公里。

- 去除脱水机故障物质

例如将3mm以上的格筛装置去除筛渣物质，从而不会影响后续污泥脱水处理。取出的筛渣物质可以堆肥或焚烧处理。

- 污泥中间储存，同时去除沉砂物质

中间储存箱内一般配置搅拌器和料位仪，可对污泥进行调蓄匀质处理，同时将沉淀的沉砂物质分离取出。沉砂物质可通过后续安装的一台洗砂装置进行洗涤处理，洗涤后的细砂物质可以作为低档建筑材料回收利用。

- 采用带式脱水机对淤泥进行脱水处理

经过预处理之后的干净污泥被泵送后续安装的带式脱水机进行脱水处理。脱水后污泥固含量一般是在40%DS以上。

根据污泥的性质，污染程度和用户现场情况，可对脱水污泥分别采用河岸土地利用，农用，生态景观用土，卫生填埋和建材利用等处置方法。

1. 黑臭水体的生态清淤方法

在进行清淤过程中，传统方法是抽干河道，采用挖土机进行转运，但会带来以下缺点:

• 对周围环境产生臭味干扰和道路污染

• 对水体植物生态会产生破坏

• 人工量和能耗较大

替代方法是采用生态清淤方法，即采用现代化的淤泥抽吸装置(清淤机器人)，可在岸边遥控操作，对河体内直接进行淤泥抽吸，淤泥清理过程中不会或只是产生极少量臭味，对周围植物生态体系不会造成破坏。在通常情况下，整个清淤过程只需一个人工。

近十多年来，德国许多厂商都先后开发研制了各种小型生态清淤装置。这里以德国KLAWA公司产品为例，简单介绍其工作原理(见图5):

整套淤泥抽吸设备是安装在一个浮舟之上。在抽吸装置的头部区域额外安装配置了一根双头螺杆，因此可对河底淤泥同时进行送化，浓缩和抽吸处理。即使因为多年矿化沉积变硬之后的污泥也可以被松化处理，被运输污泥的固含量最高可达约8-10%DS。

通过三个浮筒可以保证底泥抽吸装置浮在水面之上。四个分别驱动控制螺旋叶驱动电机可以确保灵活运行，可以到达池塘内各个区域。运输软管可以被吸泥机携带移动。

泥水混合物是通过一个可液压精确升降控制的浸没式抽吸管口进行, 抽吸管道上配置特殊泥浆泵。在抽吸处理底泥时，吸泥清理耙下沉，螺杆开始运转，污泥抽吸清理开始。当转子泵开始抽吸泥水混合物时，可通过柔性管道将污泥泵送至岸上池塘之内，也可以直接泵送至岸上污泥处理处置。

底泥抽吸装置可进行遥控操作，对以下设备功能进行控制:

· 各种更改和移动方向的部件

· 运输泵的开/关控制

· 清理耙的升/降控制

· 运输螺杆的开/关控制

· 平衡浮桶的操作

图5: 德国KLAWA公司的生态清淤机械人

清淤装置的外形和主要参数见以下参数表格。根据配置吸泥深度可分别为3.5m,5.5m和5.8m，水泵最大运输能力分别为40，60，90和120 m³/h。

表1: 以下是清淤装置在不同各种规格情况下的主要参数表格:

与传统清淤设备相比较，这一装置具有以下特点:

- 清淤装置体积较小，运输投运十分方便

- 清淤时水体不需要抽水排放

- 清淤时不会散发臭味

- 通过柔和抽吸方式，不会产生湍流，因此在对河道、湖泊作业时不会污染接受水体或附近水域。

- 在对公园湖泊，城内河流和大型养鱼池塘进行清淤时不会影响水体内动植物生活和岸边生态环境。

1. 黑臭淤泥的脱水处理处置

对于每小时污泥处理量为100-130m3/h的整套处理装置来说，一般需要500-600平米的面积。而在许多大城市内，特别是在市区河道附件很少情况可以提供这么大的装置安装位置，有时即使空地也因为交通原因不允许占用很大面积。

鉴于这一市场需求，瑞士和德国一些专业厂商最近几年向市场提供了效率很高的一体化处理装置。这一些集成化污泥处理装置通常是固定安装在一个40英尺的平板集装箱上，是由几个多功能模块组合而成。絮凝液制备装置，各种水泵和控制系统是安装在一个拖车之内。

这里以德国克莱因公司的SRD 130 污泥处理装置为例，对其设备结构和工作原理进行简单介绍(见图 6):

1. 筛渣分离:

底泥抽吸装置被抽吸出的淤泥首先被泵送进入转鼓格筛，经过2.5mm的筛网过滤之后，在重力作用之下流入位于转鼓之下的沉砂装置。在此过程中，所有大于2.5mm的筛渣物质都被分离去除。

这些筛渣物质可被堆肥处理或者焚烧处理。

固液分离装置是一个过滤转鼓, 在运输操作期间可以向外伸出，在运输过程期间重新缩入沉砂装置之内。

2. 沉砂分离:

在沉砂装置之内，内部配置缓慢旋转的搅拌器，底部呈现椎体形状。所有颗粒直径大于0.2mm的砂砾沉淀之后，通过搅拌器刮入沉砂池底椎体区域，并按一定间隔时间通过砂泵泵送至外部集装箱。

这些沉砂物质可通过一台洗砂装置处理之后产生低档建筑材料被回收利用。

3. 浓缩沉淀:

经过脱砂处理之后的污泥别分别泵送至二个圆形污泥浓缩沉淀装置之内。此反应单元是由二个圆形浓缩罐 (不锈钢)组成，各配置一个椎体底部。

罐体直径: 2.40 m

这两个浓缩罐都配置一个缓慢搅拌装置。

在此过程中，被注射投加少量絮凝药剂。原浆污泥在絮凝药液的作用下回快速产生固液分离，使得污泥得到浓缩处理。

浓缩污泥在搅拌器的作用下集中沉淀在浓缩池底椎体区域，而上清液体侧通过溢流堰槽流出装置。

这些上清液体一部分作为冲洗过程水用于转鼓格筛和带式脱水机，剩余液体则在水质检测之后返送河道水体。

4. 污泥脱水: 

整套脱水装置 (带式脱水装置) 是由以下部件组成:

- 12 轴棍, 驱动电机 (3.00 kw, 400V, 50Hz)

- 坚固的机械支架是由 防扭曲槽钢制成

- 倾斜安装的过滤液收集槽箱，包括冲洗系统

- 过滤带 (2 根)。宽度1800mm 和长度 15250 mm

- 出料螺杆

- 过滤带清洗装置

- 全自动偏带矫正系统

通过这一高效带式脱水装置的处理，污泥固含量最高可达 50% DS。

沉砂, 水, 污泥和絮凝液是由各种水泵进行运输。通过中央控制系统可对这些水泵进行全自动控制操作，并对装置内配置的以下各种测试仪表进行监视和数据采集，同时将这些数据传往中央控制系统。

- 水位

- 各种流量

- 污泥固含量

- 水质

- 污泥料位高度

图5: 德国KLAWA公司的生态清淤机械人

清淤装置的外形和主要参数见以下参数表格。根据配置吸泥深度可分别为3.5m,5.5m和5.8m，水泵最大运输能力分别为40，60，90和120 m³/h。

表1: 以下是清淤装置在不同各种规格情况下的主要参数表格:

与传统清淤设备相比较，这一装置具有以下特点:

- 清淤装置体积较小，运输投运十分方便

- 清淤时水体不需要抽水排放

- 清淤时不会散发臭味

- 通过柔和抽吸方式，不会产生湍流，因此在对河道、湖泊作业时不会污染接受水体或附近水域。

- 在对公园湖泊，城内河流和大型养鱼池塘进行清淤时不会影响水体内动植物生活和岸边生态环境。

1. 黑臭淤泥的脱水处理处置

对于每小时污泥处理量为100-130m3/h的整套处理装置来说，一般需要500-600平米的面积。而在许多大城市内，特别是在市区河道附件很少情况可以提供这么大的装置安装位置，有时即使空地也因为交通原因不允许占用很大面积。

鉴于这一市场需求，瑞士和德国一些专业厂商最近几年向市场提供了效率很高的一体化处理装置。这一些集成化污泥处理装置通常是固定安装在一个40英尺的平板集装箱上，是由几个多功能模块组合而成。絮凝液制备装置，各种水泵和控制系统是安装在一个拖车之内。

这里以德国克莱因公司的SRD 130 污泥处理装置为例，对其设备结构和工作原理进行简单介绍(见图 6):

1. 筛渣分离:

底泥抽吸装置被抽吸出的淤泥首先被泵送进入转鼓格筛，经过2.5mm的筛网过滤之后，在重力作用之下流入位于转鼓之下的沉砂装置。在此过程中，所有大于2.5mm的筛渣物质都被分离去除。

这些筛渣物质可被堆肥处理或者焚烧处理。

固液分离装置是一个过滤转鼓, 在运输操作期间可以向外伸出，在运输过程期间重新缩入沉砂装置之内。

2. 沉砂分离:

在沉砂装置之内，内部配置缓慢旋转的搅拌器，底部呈现椎体形状。所有颗粒直径大于0.2mm的砂砾沉淀之后，通过搅拌器刮入沉砂池底椎体区域，并按一定间隔时间通过砂泵泵送至外部集装箱。

这些沉砂物质可通过一台洗砂装置处理之后产生低档建筑材料被回收利用。

3. 浓缩沉淀:

经过脱砂处理之后的污泥别分别泵送至二个圆形污泥浓缩沉淀装置之内。此反应单元是由二个圆形浓缩罐 (不锈钢)组成，各配置一个椎体底部。

罐体直径: 2.40 m

这两个浓缩罐都配置一个缓慢搅拌装置。

在此过程中，被注射投加少量絮凝药剂。原浆污泥在絮凝药液的作用下回快速产生固液分离，使得污泥得到浓缩处理。

浓缩污泥在搅拌器的作用下集中沉淀在浓缩池底椎体区域，而上清液体侧通过溢流堰槽流出装置。

这些上清液体一部分作为冲洗过程水用于转鼓格筛和带式脱水机，剩余液体则在水质检测之后返送河道水体。

4. 污泥脱水: 

整套脱水装置 (带式脱水装置) 是由以下部件组成:

- 12 轴棍, 驱动电机 (3.00 kw, 400V, 50Hz)

- 坚固的机械支架是由 防扭曲槽钢制成

- 倾斜安装的过滤液收集槽箱，包括冲洗系统

- 过滤带 (2 根)。宽度1800mm 和长度 15250 mm

- 出料螺杆

- 过滤带清洗装置

- 全自动偏带矫正系统

通过这一高效带式脱水装置的处理，污泥固含量最高可达 50% DS。

沉砂, 水, 污泥和絮凝液是由各种水泵进行运输。通过中央控制系统可对这些水泵进行全自动控制操作，并对装置内配置的以下各种测试仪表进行监视和数据采集，同时将这些数据传往中央控制系统。

- 水位

- 各种流量

- 污泥固含量

- 水质

- 污泥料位高度

图6: 德国克莱因公司的生产的一体化淤泥处理装置

通过一体化污泥处理装置在岸边现场脱水处理，其污泥减量化程度十分明显。这里可以通过举例来计算说明(见图 7):

河底淤泥固含量假定是4.8%DS，被稀释一倍后被泵送产生的每小时污泥处理流量为104 m3/h (固含量为2.4%DS)，产生干泥饼 5 m3/h (固含量为50 %DS)。脱水后处理结果:

- 污泥体积减量化程度为95%，卡车运输时不会污染交通马路。

- 如采用5吨卡车运输，原来需要21辆卡车，脱水处理之后只需要1辆卡车。

图7: 生态清淤和淤泥脱水之后污泥减量化程度说明

这些集成化污泥处理装置的优点可以总结如下:

§ 滤带冲洗采用机械本身的过滤水，不需要外来补充新鲜水。

§ 对返回河道的水质进行检查监视。工作过程中连续检测水质状况: 浊度, 氧含量, pH 值, 电导度和温度，

§ 所有装置斗安装在一个平板集装箱上，可以通过卡车运输，并直接开车至河边进行处理

§ 占地很小，总共需要的占地面积大约为200平米

§ 全自动操作系统，整套装置 (包括污泥抽吸) 只需要 2-3 人工

§ 脱水装置基本都是带式脱水处理系统，污泥脱水干度最高可达50%DS

1. 总结

所有国家或者人口较多的城市内实际都有黑臭水体问题: 在降雨事件时，总有一部分污染物质溢流进入收纳水体。在这些接受污染物质的池塘湖泊或者流速缓慢的河道内，有机沉淀污泥的厌氧发酵是产生黑臭水体的直接原因。

即使在外源污水进行完全截留的情况下，因为溢流污水(CSO)问题，很难完全阻止粪浆泥沙等污染物质在雨季进入河流水体。为了防止城市河道富营养化和黑臭现象的产生，定期清淤将属于常态化工作。

通过声纳扫描测试系统和手工标定，可以快速确定河底淤泥层厚度，从而制定清淤频率，时间和清淤工作计划。

为了防止环境污染和不影响居民生活，清淤工作应该采用轻型淤泥装置。这不仅降低运输和清淤成本，并且还可以在抗涝期间和夏季黑臭高发期间带水作业，进行生态清淤工作。

抽吸出来的淤泥可以直接泵送附近岸上进行污泥脱水处理。如果采用集成化污泥脱水设备。一般只需在占地很小情况下就对淤泥进行除渣脱砂和高效污泥脱水处理，然后外运进行污泥处置。

参考文献

1. 高颖, 杨蓉，黄瑞东: 排水管网的溢流污染控制技术. 部分1 – 溢流水的调蓄方式. 亚洲给水排水. 2010年3月/4月: 45 – 51.  ISSN: 0219-5674

2. 高颖, 杨蓉，黄瑞东: 排水管网的溢流污染控制技术. 部分2 - 溢流排放口处的固体 物截留技术. 亚洲给水排水. 2010年5月/6月: 40 – 45.  ISSN: 0219-5674

3. 高颖: 德国合流制管网的溢流污染控制技术. 亚洲给水排水. 2012年3月/4月: 51 – 56.  ISSN: 0219-5674

4. 高颖:溢流污水(CSO)调蓄池内的洗涤清理技术. 亚洲给水排水. 2013年5月/6月: 46 – 53.  ISSN: 0219-5674

5. 高颖: 采用暴雨格筛降低 CSO污染负荷. 亚洲环保（月刊）2013年11月号: 15 - 20. ISSN: 1818-5835.

6. 高颖: 混合溢流污水CSO的过滤处理. 水工业市场 2014年9月: 57-62.

7. 高颖:黑臭水体的产生原因和治理方法(一). 亚洲给水排水. 2016年7月/8月: 14 – 16.  ISSN: 0219-5674

8. 高颖:黑臭水体的产生原因和治理方法(二). 亚洲给水排水. 2016年9月/10月: 16 – 19.  ISSN: 0219-5674

9. 高颖，李学义:城镇黑臭水体治理的理论和实践. 2016年《中国给水排水》杂志社第十三届年会暨水环境治理热点高峰论坛会议论文集: 会议时间: 2016年10月17-19日.会议地点:苏州. PP: 215-221. 

10. 高颖:以生态清淤为基础的黑臭水体处理方法. 2016年《中国给水排水》杂志社第十三届年会暨水环境治理热点高峰论坛会议论文集: 会议时间: 2016年10月17-19日.会议地点:苏州. PP: 222-225. 

11. 李学义，高颖，王冰: 黑臭水体治理方法 – 生态智能清淤技术. 全国排水委员会2016年年会论文集. 会议时间: 2016年10月28-30日.会议地点:海口. PP: 69-75.

12. 高颖，王京南: 德国DEW黑臭水体治理方案. 亚洲环保(月刊)2016年12月号: 48 - 51. ISSN: 1818-5835.

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