关于智慧污泥体系的建立与初步思考
编者按：作者借鉴“智慧水务”的概念，尝试给“智慧污泥”下定义，并对智慧污泥平台体系的7大核心关键问题（智慧排泥管理技术、智慧精准泥龄控制技术、污泥在线精准计量与核算方法、智慧污泥调理技术、智慧污泥脱水优化技术、智慧污泥消化处置优化技术、智慧污泥干化焚烧节能管理技术）进行阐述，呼吁运用系统化思维做好污泥处理处置工作。
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01智慧污泥体系建立的背景
污泥是指在污水处理过程中产生的固体沉淀物质。它主要由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成，是一种极其复杂的非均质体。污泥的形成主要来源于生活污水、工业废水和雨水处理等过程。在污水处理厂，生活污水经过沉淀、生物处理等环节会形成污泥；在工业废水处理中，造纸、化工等行业的废水会生成含有纤维、化学药剂和有机物的污泥；雨水处理过程中也会产生少量污泥。污泥作为污水处理的过程产物，富集了污水中30%~50%的有机物和其他污染物质，具有“污染”和“资源”的双重属性，如果没有得到有效的处理，将造成严重的环境污染与资源浪费，污水处理设施的减排效益将大打折扣。近年来，我国城镇生活污水收集处理取得显著成效，但仍存在“重水轻泥”问题，污泥管理成为环境治理难题之一。由于污泥处理起步晚、基础差，市场投资及项目运营的资金匮乏，污泥处理的设施建设远落后于污水处理。近几年中央环保督察陆续公布了多个污泥违法处理处置案例，暴露出部分地区在污泥方面统筹不力、监管缺失等问题。
2022年9月22日由国家发展改革委、住房和城乡建设部、生态环境部等三部委联合印发的《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》的4.12条特别指出：强化监督管理，鼓励各地根据实际情况对污泥产生、运输、处理进行全流程信息化管理，结合信息平台、大数据中心，做好污泥去向追溯。强化污泥处理过程数据分析，优化运行方式，实现精细化管理。
由此可见，运用系统化思维去开展污泥管理工作尤为重要，而要开展全过程的污泥数据分析工作，智慧污泥平台搭建尤为迫切和必要。
02智慧污泥的内涵与智慧污泥体系的构成
智慧水务作为水务行业的新兴发展趋势，在我国已经深入水务领域各项工作范畴，在智慧水务框架下，本文将提出“智慧污泥”概念，并尝试剖析智慧污泥体系的核心问题。
2.1 智慧污泥的定义借鉴智慧水务的定义，我们尝试给予智慧污泥以下定义：指通过综合运用物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术，对污泥的产生、处理收集、运输、处置及资源化利用进行全面管理、监测和调控的一种新型模式。其核心目标是提高污泥处理处置效率、改善污泥脱水、降低污泥治理的能源浪费，从而实现可持续的污泥管理。智慧污泥是通过新一代信息技术与水处理行业深度融合，充分挖掘数据价值和逻辑关系，实现污泥处理处置业务的控制智能化、数据资源化、管理精细化、决策智慧化，保障污泥处理处置设施安全运行，使污泥处理处置系统运营更高效、管理更科学和服务更优质。
2.2智慧污泥体系的构成智慧污泥体系强调“系统性思维”和全过程污泥的数据分析与应用。近几年，随着国家相关部委关于污泥处理处置的政策文件密集推出，污泥处理处置乃至污泥产物出路明显改善。污泥处理用脱水设备种类繁多，脱水方式呈现多样化；在污泥处置路线选择上也明晰出焚烧、消化、堆肥等三种形式。在现实工作中，行业更多关注的是结果导向，往往忽视了过程问题，而智慧污泥体系尝试从污泥的全过程去分析问题，包括排泥、污泥回流、污泥输送、污泥调理、污泥脱水、污泥消化和污泥干化焚烧等7个方面。
图1 智慧污泥体系数据管控分布
03智慧污泥体系的关键问题与解决思路
智慧污泥强调需要系统化思维去提出解决方案。城市污水处理厂的运行往往分成“水区”与“泥区”两班组，污泥脱水系统和污水处理系统割裂，各自作为系统独立单元去工作。运行管理者更多关注出水的常规各项指标是否达标，对于污泥管理环节更多则是达到一定脱水要求后外运或委托第三方专业公司进行后续处置。
3.1 智慧排泥管理技术首先，我们把污泥的管理工作聚焦到前端的污水处理工艺环节，污泥从哪里产生的？现阶段，污水处理厂的初沉池、二沉池及高效沉淀池剩余污泥通常为主要处理处置对象。然而，由于进水的波动和工况的改变，导致污水处理过程中污泥实际产量与设计值存在较大差异，基于传统定时排泥的控制方式，以初沉池排泥为例，其含固率可在1%~6%之间频繁波动。
因此，现有污水处理体系下排泥控制系统响应速度和控制能力存在较大的提升空间，特别是在“低碳经济”的发展背景和可持续发展的理念指导下，通过精准控制排泥含固率，确保仅排放高污泥浓度污水，排放浓度可以确定成某一精准值，不仅可缩减污泥处理量，而且可大幅降低排泥泵和污泥脱水机的运行工时和运行负荷，实现污水处理厂的降本增效。
目前，污水处理厂排泥主要依赖污泥界面仪泥位监测的方式控制排泥泵的启停，而排泥含固率无法有效掌握，导致排泥控制系统在响应速度和控制能力等精准化控制层面存在瓶颈。因此，开发一套智慧排泥技术，在确保出水指标稳定的前提下，实现污水处理厂能耗、药耗的降低具有重要意义。
北京城市排水集团对该技术的研发与应用做了良好的引领作用。他们以初沉池排泥浓度为目标量，结合初沉池污泥浓度变化特征，采用实时污泥反馈控制手段，调整污泥排放策略，及时合理调整排泥泵启停，实现初沉池排泥浓度稳定在设定值的±15%，提高后续污泥处理单元的效率及稳定性，优化污泥在“泥区”和“水区”的良性循环。该技术已入选国家科技部《国家绿色低碳技术先进技术成果目录》（国科发社[2023]89号）。
3.2 智慧精准泥龄控制技术泥龄在污水处理系统中具有重要作用，直接影响微生物的生长和活性，从而影响生化系统的稳定性和污水处理效果。合理的泥龄可以保证出水水质的稳定，较长的泥龄有助于提高氮、磷等污染物的去除效率，降低出水中这些物质的含量。通过精准泥龄控制技术确定每日剩余污泥排放质量理论值，进行剩余污泥泵的自动控制，计算对应的实际反馈好氧泥龄值。通过仪表监测及物料衡算稳定获得污泥浓度，并提出时间控制常规模式、连续排泥稳定模式、电费谷值排泥节能模式等多种排泥模式，实现优势菌群定向调控及氮磷双达标，污泥龄控制在设定范围内。智慧精准泥龄控制技术要运用基于污泥物料平衡，建立曝气池MLSS和回流/剩余污泥浓度在线仪表实时校核模型和基于传统泥龄公式及多参数在线仪表数据建立实时精准泥龄控制模型等。
3.3 污泥在线精准计量与核算方法污泥计量与结算是污泥处理处置的一个重要环节，对科学、准确分析污泥处理处置设施的使用效率和制定科学的作业规划意义重大，故建立科学的污泥测量与核算方法也成为监管单位的目标。
由于污泥成分复杂，含水率时刻变化，污泥的实时在线计量一直是世界性难题。流量与浓度的结合计量通常用于确定单位时间内流经某一截面的流体中某种组分或物质的含量。城市污水处理厂剩余污泥都是通过管网输送到污泥脱水车间，对于低浓度的污泥进行流量测量是可行的，这样就可以精确测量单位时间内流经管道的介质总质量。污泥浓度目前在芬兰维美德引领下开发的微波-速度互相关原理污泥浓度计已经成为全球公认可靠精准的测量工具，可以实现精准的测量数据获取。在获得流量和浓度的测量值后，将二者相乘即可得到单位时间内流经某一截面的流体中介质的总绝干量。这个乘积通常被称为“流量-浓度乘积”或“每小时的产量”。通过简单的模型建立，就可以轻松实现污泥在线计量，计算出城市污水处理厂污泥的绝干值总量。
3.4 智慧污泥调理技术污泥调理指对污泥进行一种预处理，通过该过程可以改善污泥的脱水性能，提高污泥浓缩和脱水的效率，以便经济地进行后续的污泥处理步骤。这一措施通常包括采用化学、物理或生物方法，有计划地改变污泥的物理、化学性质，使其更有利于后续的处理和处置。
污泥调理过程中的含水率控制对于提高处理效率、降低处理成本、改善污泥性质以及减少环境污染等方面都具有重要作用。因此，在污泥处理过程中应严格控制含水率，以确保污泥处理的质量和效果。通过污泥含水率在污泥调理前后的数据对比结合人工智能模型搭建，可以实现卓越的调理效果。深圳市深水生态环境技术有限公司基于智慧污泥调理技术对后续板框压滤机污泥脱水实现了降本增效的良好示范。
3.5智慧污泥脱水优化技术（Smart Sludge Dewatering Optimizer，SSDO）污泥脱水车间的无人值守一直是污泥管理工作者所期盼的目标。借鉴欧美发达国家在污泥脱水车间无人值守自动化实现经验以及芬兰维美德SDO系统的开发应用，我国污泥脱水车间的无人值守系统SSDO也已经开始了探索与实践。分享一个选用离心脱水机实现污泥脱水的案例，通过SSDO系统，可以轻松控制污泥的输送流速、絮凝剂的选型与精准投加、离心脱水机的速差与扭矩等，进而实现污泥脱水的高效稳定运行。
图2 芬兰维美德（Valmet）公司污泥脱水优化器系统方案（SDO）
根据维美德公司提供的数据，北美一家大型污水处理厂每年产生250万美元化学品消耗，采用SDO系统可以节约30%甚至更多。在另一座欧洲市政污水处理厂，通过优化离心机TSS值，每年可节省约3万欧元；工厂内循环物料实现最小化（减少絮凝剂，离心机电力成本和化学品消耗）。
上海城投污水处理有限公司在《中国给水排水》杂志举办的第十三届城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会上也特别提到，对于污泥脱水系统的优化，保证脱水后污泥含固率稳定控制在20%以上，一方面保障了脱水机高效稳定运行，另一方面提高了焚烧炉进泥的稳定性，同时实现药耗较传动手动投加平均节省19.3%。
3.6 智慧污泥消化处置优化技术智慧污泥消化处置优化技术系统主要包括两个子系统：热水解含水率精准控制系统和消化进出料精准控制系统。
首先，污泥热水解过程中需要合理控制污泥的含水率，以实现热水解效果的最大化及后续处理的高效化。污泥热水解过程如果有实时可观的污泥含水率数据获取，可以优化其所需能量，并影响热水解产物及后续处理。
其次，污泥消化效率的关键之一是固体浓度控制，进消化罐前对污泥浓度进行测量，可以提高消化进泥浓度产生更多沼气，提高消化效率，减少加热能耗，控制污泥的消化时间来产生更多的沼气。从芬兰维美德公司提供的表1数据可以清晰看到，如果保证了高的固体浓度，污泥的消化反应时间可以被用来产生更多的沼气，从而增加电力能源。因为进泥有较高的浓度，只需要少量的加热能耗，甚至有更多的电力可以产生并转化到消化装置的反应中去，这样就减少了能源的成本。
表1 污泥浓度增加与能耗关系变化
3.7 智慧污泥干化焚烧节能管理技术污泥干化焚烧过程中污泥含水率的变化对于设备的运行稳定性乃至使用寿命有着重要的影响。通过污泥干化焚烧过程的实时含水率监测数据可以更好地优化干化焚烧设备的运行调控，从而起到降本增效的作用。通过表2、3的数据可以清晰地看到，污泥含水率的每个变化，对于污泥干化焚烧均意义重大。
表2 不同含水率的脱水污泥在一定热值情况下的干化焚烧系统理论碳排放
表3 不同含水率的脱水污泥在一定热值下的干化焚烧热平衡
注：污泥干基高位热值13.13 MJ/kg。数据来自《给水排水》2023年第1期“污泥单独焚烧工艺在上海的演变发展”。
04结语
智慧污泥体系的建立可为污泥管理工作带来良好的助力。当然，智慧污泥平台体系的建立不限于文中提到的7大核心关键问题，还包括优化污泥运输路径和收集频率，污泥资源化利用的过程数据收集等多过程、多专业的平台搭建工作等。智慧污泥管理系统能够实时监控污泥的产生量和质量，提高污泥处理处置的自动化和智能化水平。智慧污泥平台体系在提高污泥处理效率与质量、促进污泥资源化利用、改善城市环境质量、推动智慧城市建设以及提升管理水平与决策效率等方面都具有重要意义。
