（制冷及低温工程专业论文）高含水率生物质脱水技术研究.pdf

硕士论文 高含水率生物质脱水技术研究 摘要 脱水技术在环保、化工、制药、采矿冶金及食品加工等领域得到广泛的应用。高 含水率生物质，如市政污泥，由于减量化需要，脱水是其无害化处理的重要步骤，但 其面临着脱水量大，脱水能耗居高不下的现状。因此，本文以降低高含水率生物质脱 水能耗为研究目标，符合国家节能减排的大政方针，具有重要的应用前景。 本文选取市政污泥这一高含水率生物质作为研究对象，对其总含水率、自由水和 结合水含量、滤液密度及滤液粘度进行了测量。设计并搭建了高含水率生物质脱水试 验台，该试验台由以下几个部分组成：压滤脱水组件、高含水率生物质加热组件、超 声波组件以及温度压力监控组件。利用该试验台，对市政污泥在不同压力、不同料层 高度、不同加热温度以及不同功率的超声波作用下的脱水特性进行了研究，得到分段 累计滤液量随时间变化的实验数据。实验数据表明：在料层高度较小的情况下，随着 压力的增加分段累计滤液量增多，脱水效果更好；随着料层高度的增加，脱水效果逐 渐向双峰现象转变( 即随着压力上升，脱水效果先变好，再变差，再变好) ，随着料 层的进一步提高，脱水效果出现了明显双峰现象。通过对上述的实验数据的计算和分 析，得到市政污泥脱水时单位质量消耗的功率、过滤比阻和压缩性系数，根据能耗最 小的原则选取最佳建议工况点。在最佳工况的基础上，本文研究了温度对脱水性能的 影响，实验结果表明在一定温度下，升高温度会使脱水效果变好。最后本文初步研究 了超声波功率对脱水性能的影响，实验结果表明在特定功率的范围内，功率可以起到 增强脱水的作用。 关键词：高含水率，生物质，脱水，高度，温度，超声波 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t d e w a t e r i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e na p p l i e di ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , c h e m i c a l i n d u s t r y , p h a r m a c y , m i n i n ga n dm e t a l l u r g ya n df o o dp r o d u c t i o na n do t h e rf i e l d s t l l e d e w a t e r i n go fh i g hm o i s t u r ec o n t e n tb i o m a s s ，s u c ha sm u n i c i p a ls e w a g es l u d g e ，a sar e s u l t o fr e d u c t i o n , i st h ei m p o r t a n ts t e pi ni t sh a r m l e s st r e a t m e n t ，b u ti tf a c e st h es t a t u so fal a r g e a m o u n to fe n e r g yc o n s u m p t i o no fd e w a t e r i n g t h e r e f o r e ，i ti st h er e s e a r c ht a r g e ta n dh a s v e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf o r e g r o u n dt or e d u c et h eh i 曲m o i s t u r ec o n t e n tb i o m a s s d e w a t e r i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , 、析t 1 1t h en a t i o n a le n e r g y s a v i n ge m i s s i o nr e d u c t i o no ft h e f u n d a m e n t a lp o l i c y t h em u n i c i p a ls l u d g e 晰也l l i g hm o i s t u r ec o n t e n tb i o m a s sw a sc h o o s e da s t h e r e s e a r c ho b j e c t ，t h et o t a lw a t e rc o n t e n t ，f r e ew a t e ra n db o u n dw a t e rc o n t e n t ，f i l t r a t ed e n s i t y a n df i l t r a t e v i s c o s i t y w e r es t u d i e d 田1 eh i g hm o i s t u r ec o n t e n tb i o m a s sd e w a t e r i n g e x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw a sd e s i g n e da n db u i l t , t h ee q u i p m e n ti sc o m p o s e do ft h e f o l l o w i n gp a r t s ：t h ep r e s sf i l t e rd e w a t e r i n gc o m p o n e n t s ，h i g hm o i s t u r ec o n t e n tb i o m a s s h e a t i n gc o m p o n e n t s ，u l t r a s o n i cc o m p o n e n ta n dt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em o n i t o r i n g a s s e m b l y t h ed e w a t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm u n i c i p a ls l u d g ew i t ht h ee x p e r i m e n t a l e q u i p m e n ti nd i f f e r e n tp r e s s u r e ，d i f f e r e n tl a y e rh e i g h t ，d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n t p o w e ru n d e rt h ee f f e c to fu l t r a s o n i cw e r es t u d i e d ，b ea c c u m u l a t e df i l t r a t ev o l u m ec h a n g e s w i t ht i m eo ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a t ：i nt h es m a l l e r m a t e r i a ll a y e rh e i g h t ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fp r e s s u r es e g m e n ta c c u m u l a t e dt o t a lf i l t r a t e v o l u m ei n c r e a s e ，b e t t e r d e w a t e r i n ge f f e c t ；a st h eh e i g h ti n c r e a s e s ，d e w a t e r i n ge f f e c t g r a d u a l l yt o “d o u b l ep e a k p h e n o m e n o nc h a n g e ( a st h ep r e s s u r er i s e s ，d e w a t e r i n ge f f e c t b e c o m e sb e t t e r , g e tw o r s e ，a g a i nb e t t e r ) ，a l o n g 晰t l lt h em a t e r i a ll a y e rt of u r t h e ri m p r o v e ， s e g m e n ta c c u m u l a t i v et o t a lf i l t r a t ev o l u m ea p p e a r e dt h ep h e n o m e n o no f “d o u b l ep e a k b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t at h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fm u n i c i p a ls l u d g e ，t h ep a p e r g e tt h eq u a l i t yo fu n i tp o w e rc o n s u m p t i o n ，s p e c i f i cf i l t r a t i o nr e s i s t a n c ea n dc o m p r e s s i b i l i t y c o e f f i c i e n t ，t h eb e s tr e c o m m e n d e do p e r a t i n gp o mw a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o fm i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o n o nt h eb a s i so f w o r k i n gc o n d i t i o n , t h et e m p e r a t u r eo n t h ed e w a t e r i n gp r o p e r t i e sw a sg o t ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta tac e r t a i nt e m p e r a t u r e ， e l e v a t e dt e m p e r a t u r ew i l li n c r e a s et h et o t a lq u a n t i t yo ff i l t r a t e f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e sa p r e l i m i n a r ys t u d y o ft h ee f f e c to fu l t r a s o n i c p o w e ro nd e w a t e r i n gp e r f o r m a n c e ， e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti nag i v e np o w e rr a n g ep o w e rc a l le n h a n c et h ee f f e c to f d e w a t e r i n g i t 硕士论文 高含水率生物质脱水技术研究 k e yw o r d ：h i g hm o i s t u r ec o n t e n t ，b i o m a s s ，d e w a t e r i n g ，h e i g h t ，t e m p e r a t u r e ，u l t r a s o n i c w a v e i i i 硕士论文 高含水率生物质脱水技术研究 1 绪论 1 1 高含水率生物质脱水背景与意义 脱水作为基本的化工过程操作已广泛应用到环保、化工、制药、采矿冶金及食品 加工等多个领域。高含水率生物质作为生物质的一种，如市政污泥，工业滤泥，鲜木 薯、酒糟等，其脱水技术越来越引起人们的重视。以市政污泥为例，不管采用倾倒、 填埋等处理手段，前提条件都需要干燥脱水，因为过高含水率的污泥和垃圾的渗滤液 会污染地下水。环境保护部出台的生活垃圾填埋污染控制标准( g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) 中明确规定，污泥混合填埋含水率应小于6 0 【l 】。在焚烧利用热能时，过高含水率的 生物质还需利用燃烧产生的热能来蒸发水分，使得燃烧物的热值极大地降低，极端情 况下热值为负。污泥制堆肥法要使得水分添加合适，如果水分过多，会使氮、磷、钾 等元素作为无机盐随水分流失【引。研究资料显示降低含水率还可以减少污泥体积，当 含水率9 5 的污泥经机械脱水后达到含水率8 5 左右时，污泥体积降低到原来的1 3 ； 当含水率降低到6 5 时，体积会相应降低到1 7 ；污泥含水率降低到2 0 ，体积只剩 下原来的1 1 6 2 1 。经过脱水后污泥使得占地面积小，便于运输【3 1 。 从以上介绍看到脱水技术的重要性是不言而喻的，但是高能耗的脱水分离技术是 制约生物质资源利用的重要瓶颈【2 】。尤其我国面对能源短缺的现状，高效的脱水成为 亟待解决的一大技术难题【3 j 。因为大多数高含水率生物质都是废弃物和发酵留下的残 渣，脱水干燥后的生物质不仅可以减少废弃物发酵后产生的臭气对环境的排放量，还 可以有效加以利用变废为宝，但是单纯的利用热量干燥生物质不仅导致能源的浪费， 还会导致高含水率生物质本身能量的损失及里面物性材料变性【3 】。国内外许多学者表 示，以污泥这种典型高含水率生物质而言，6 0 是填埋与堆肥的起点，5 0 是焚烧的 起点，含水率从8 0 到5 0 一6 0 左右的干化环节是污泥处理处置系统耗能的主要环 节 4 1 。因此如何降低脱水能耗成为本文研究的重点。 1 1 1 高含水率生物质的特征 常见物料分为两种，膏状物料和散状物料。膏状物料持水的主要特征为：固相通 常为细小的颗粒，当固相周围的的水分减少到一定程度，分散细小的固相颗粒依靠连 续的液相把固相粘结起来。由于细小的固相之间距离近表现出的粘滞力使得固液两相 混合物粘度加大变成不易散开的、粘塑性极强的非牛顿流体【4 】，根据外部形象特征称 之为膏状物料，如奶酪、果酱、泥浆油漆、塑料等等【阳l 。从以上的分析可以看出膏 状物料的固相大都具有粘性1 4 j 。沈善明对部分膏状物料的固相成分进行描述，认为膏 状物料大都含有蛋白质、粗脂肪、糖、纤维及维生素等成分1 3 】。这些物质本身就具有 较大的亲水性，水分在蛋白质的亲水作用和纤维的保水作用下遇到很大的传递阻力 l 绪论 硕士论文 【5 1 。这些膏状物料粘附性很强，不易散开易结成团，流变性较差使得进料困难，通常 含水率范围在3 0 - - 8 8 1 6 1 。物质含有的水分包括内在水分和外在水分。在相同含水 率条件下，膏状物料内在水分含量高，减少了流动固相所需的外在水分，再加上内在 水分的亲水性基团作用使得固相及水分子之间连接的更紧密，粘度更大1 6 。 散状物料颗粒大，固相之间距离大，而呈现气液固三相状态。通常根据其外部特 征形状来称之为散装物料，如酒糟、木薯渣、蔗渣等。另外由于散状颗粒物料呈现出 气液固三相状态导致其中的水分布不均匀，而是聚集成水珠或小水滴p j 。 高含水率生物质不仅与固相颗粒有关，还与高含水率生物质中水的分布及存在形 式相关。 高含水率的生物质主要由胶质构成且结构复杂、亲水性强、含水率高等特点瞵j 。 掌握水分的存在形式对于水分的分离具有重要的作用。对于生物质中的水分分类方法 有很多种。v e s i l i n d 曾把生物质中的水分分为自由水( f r e ew a t e ro rb u l kw a t e r ) 、间隙 水( i n t e r s t i t i a lw a t e r ) 、表面吸附水( s u r f a c eo rv i c i n a lw a t e r ) 和水合水( w a t e ro f h y d r a t i o n ) s l 。a k r a m a m a h n o u d 等人和赵庆祥描述了各种水的定义：自由水指的是 不与固相颗粒直接接触，也不受固相颗粒所影响及相互作用的那部分水分【9 】。这种水 占据了大部分且自由水也是极易除去的【9 1 。间隙水指的是存在于絮体和有机体之间， 被絮状物固体颗粒包围所截留那部分水，条件变化时( 如有絮体破坏时) 可变成自由 水；表面吸附水因为固体颗粒是粘性胶状物构成并且由于这种胶体颗粒极易带上电荷 极易吸附水分子1 9 1 。表面吸附水是与固体颗粒结合力大、结合紧密的多层水分子，吸 附和支撑在固相表面的水。表面吸附水仅靠重力浓缩是很难去除的，而要靠机械和热 作用来脱出其中的水分【l o 】。毛细结合水是通过表面张力的作用所表现出来的毛细现象 【1 0 】。由不同部位所表现出来的毛细现象可把毛细结合水分为裂隙毛细水和楔形毛细水 1 1 0 。其中楔形毛细水示意图如图1 1 所示。水合水是指存在于细胞内，只有热处理才 能去除这部分水【1 1 1 。膏状物料的水分分布示意图如图1 2 所示。 c a r b e r r y 对各种水在污泥中所占的比例进行了描述，在9 5 浓缩污泥中，7 0 的 间隙水通过浓缩来分离，2 2 的表面吸附水和毛细水可通过机械脱水法( 离心脱水、 正压脱水和负压脱水) 和加热法脱水，8 的水合水则要通过高温高压等破坏细胞膜 的方法来脱出其中的水分【l 引。 2 硕士论文高含水率生物质脱水技术研究 图1 1 楔形毛细结合水示意图图1 2 膏状物料的水分分布示意图 1 1 2 脱水规模及应用行业背景 从汉朝淮南王刘安明的豆腐制作到现代环保、化工、制药、采矿冶金及食品加工 等行业，固液分离都有所应用。以环保领域的污泥脱水及畜牧粪便脱水为典型代表的 固液分离是为了实现发酵稳定化，减少固液混合物容积，降低固液混合物处置的费用 及使固液两相混合物最大利用化。煤炭领域的煤泥脱水也面临着用较低的能耗获取煤 炭的最大热值的难题。褐煤含水量高，热值低，但世界地质褐煤储量4 万亿t ，占全 球煤炭储量4 0 ，在我国褐煤储量也有1 3 0 0 亿t ，占总煤炭储量1 3 t 1 6 】。我国煤炭 多分布在偏远的内蒙古东部及云南西南地区，这也就使得开采出的褐煤需经过脱水干 燥处理后往外运输，一方面可以节省运力、降低运输成本，另一方面可以提高热值和 褐煤的利用率，降低设备成本【17 博j 。食品领域的啤酒麦汁、水果粉末等及有色金属 钼，化工领域的石膏液、钛白粉( t i 0 2 ) 和沉淀碳酸钙( p c c ) 脱水等无机盐行业、 制药行业及染料行业都存在着脱水能耗较高问题。 生物质种类很多，下面列举生物质脱水典型应用。造纸污泥是一种较高含水率的 污泥，其来源有一次污泥、脱墨污泥和二次污泥【1 3 1 。从造纸的污泥种类可以看出造纸 污泥成分复杂，处理量之大，山东大学李静论文里统计过，在2 0 0 7 年7 5 0 0 万吨造纸 产量中就有4 9 7 6 万吨造纸污泥，而山东省在2 0 1 0 年1 5 0 0 万吨造纸产量中就有9 9 5 万吨【1 4 】。曾有人做过统计每吨的再生纸将会产生含水量6 5 的污泥7 0 0 k g ( ”】。养殖业 的迅猛发展导致了禽畜粪便也成倍的增长，从1 9 8 8 年1 8 8 4 亿吨的禽畜粪便猛增到 2 0 0 0 年已经超过2 7 亿吨，有人曾做过统计3 2 亿吨的禽畜粪便量相当于1 5 7 亿吨的 标准煤【1 9 2 0 l 。在生产酒精行业里，每生产一吨酒精就产出1 2 吨废槽液【2 l - 2 2 1 。另外味 精、赖氨酸、抗菌素等发酵行业也需要大量的固液分离【2 3 1 。以污泥为典型代表的膏状 物料，从以下数据可以看到污泥不仅数量多、增长速度之快，而且带来的污染风险影 响也是巨大的。伴随着我国经济的快速发展和城市进程不断的加快，城市污水、污泥 的产量也在与日俱增。从2 0 0 5 年污泥排放量的1 4 1 4 2 万吨到如今的污泥排放量3 0 x1 0 4 t ( 以8 0 含水率计) ，而我国城镇污水处理厂每年排放污泥量( 干重) 大约为 3 l 绪论 硕士论文 1 3 0 万吨，且年增长率大于1 0 2 3 1 。有专家预测2 0 2 0 年污水排放量将达到 5 3 6 x 1 0 8 m 3 d - 1 2 4 1 。大量污水处理设施的运行将有效地改善水质环境状况，而伴随污 水处理产生的污泥又成为新的环境问题，污泥作为污水处理的副产物，其产量也在迅 速增加。目前世界污泥年产量已达1 亿吨( 干污泥) ，我国城市污水处理厂每年排放的 污泥量f 干重) 约为1 3 0 x1 0 6 t ，而且年增长率大于l o 【l 25 。英国污泥以每年5 * o - 1 0 的增长速度增长，已经达到每年1 7 x1 0 6 t 的干污泥，美国15 3 0 0 个城市污水处理厂每 年干污泥产量达到1 千万吨以上，欧盟各国年产污泥量也在6 5 0 万吨，日本污泥产量 为2 4 0 万吨1 2 6 1 。污泥大量激增与人民的生活水平的提高，城市人1 2 1 增多及市政建设的 加快有着密切的联系，另外处理的标准不断提高也使污泥大量的增长1 2 6 】。 生物质物料有许多资源化利用方式，但每种方式都离不开脱水干燥流程。因此大 力发展脱水设备对其资源化利用和减少排放起着至关重要的作用。另外从以上概述可 以看出固液脱水量相当的庞大，而且所用范围也是相当广泛的。因此提高固液分离设 备的效率是当前实现节约型社会亟待解决的一大难题。 1 1 3 处理处置技术 生物质的种类纷繁复杂，其处理处置手段同污泥处理方法类似。由于每种生物质 所含成分不同，其利用方式也会有所差异，但其共同目的是减少污染排放，提高能源 利用效率。下面对已有的处理技术做一些介绍 ( 1 ) 海洋倾倒 利用海洋的循环和净化能力消除污泥占用大量土地及发酵的影响，其优点是无需 脱水，处理量大【2 引。海洋倾倒方法很早就被许多国家采用，但会导致大量的有害物质 融入到海水中。随着污泥量的增加，有害物质增多，人们环保意识的增强及海洋处理 污染能力限制，美国1 9 8 8 年已禁止污泥海洋倾到，而我国也在1 9 9 4 年接受了国际协 议停止了向海洋倾倒废弃物的规定【2 9 】。 ( 2 ) 填埋处理 填埋处理始于2 0 世纪6 0 年代是一种发展相对比较成熟的技术。填埋处理因处理 简单，不需深度脱水，早前曾被法国、意大利、丹麦等发达国家所采用。但由于这项 技术需要很大的填埋场、滤液渗透到地下及有时雨水渗漏到填埋场等诸多问题。污泥 产量呈几何级的增长和城市用地资源的紧张的现状使得许多国家发现填埋处理的弊 端。其实填埋处理并不能减少环境污染，而只是延缓了污染的时间1 3 们。另外如果处理 不当，还会产生泄露、塌崩这样事件。自从深圳清水河“崩塌事件发生以来，人们 对填埋处理变得更加谨慎。 ( 3 ) 堆肥利用 堆肥将不稳定的含碳化合物在微生物的作用下转变成稳定的有机化肥，减少污泥 4 硕士论文 高含水率生物质脱水技术研究 的发酵 2 9 】。污泥堆肥将不稳定脱水后的泥饼在木屑、禾杆、稻壳等有机调理剂和为增 加物料和空气接触面积的固体颗粒膨胀剂作用下经过筛分等其他一些工序转变成稳 定的腐殖质残渣 3 2 j 。堆肥技术分为好氧堆肥和无氧堆肥【3 l 】。在2 0 世纪5 0 年代，日 本建造了第一个堆肥中心。现在日本北海道的札幌市建造了机械化、自动化程度很高 的最大堆肥厂【3 。英国、法国、德国及荷兰均采用污泥堆肥技术，美国的贝尔茨维尔 利用好氧堆肥法把美国每年4 9 1 拘污泥用于堆肥【4 l 】。我国的许多市政设计院对北京 的高碑店污水处理厂的污泥分别进行堆肥、高温堆肥及污泥与垃圾混合堆肥试验 3 7 】。 通入微生物的木薯渣或污泥利用微生物自身的生长繁殖来消耗部分水及自身发酵产 生大量热蒸发其中的水分f 3 8 1 。堆肥法如果处理不当就会使重金属、病原体及有毒物质 污染地下水及地表水和用于制肥有用的n 、p 元素流失【3 9 】。酒精的废醪液制作复合肥 料及饲料【3 9 】。 ( 4 ) 热能利用 热能利用方式种类繁多，通常有热解产物的利用，高温、高压下液化技术和直接 作为燃料焚烧释放出热量的利用【3 6 1 。热解技术是在无氧或缺氧条件下把还原性的碳氧 化合物进行热分解使其变成可以直接利用的具有高附加值的气体或液体燃料【3 6 1 。在能 源短缺，石油危机的大背景下，热解技术的开发为了寻求一种能替代石油的产品【3 7 1 。 美国正是最早基于寻找替代能源而研发热解技术的国家，而日本研发的热解技术为了 达到减少废弃物排放的目的1 3 引。热解技术是根据煤的干馏制成焦炭而研发的一种技术 d 9 。在2 0 世纪初的时候，德国最早尝试在高温高压条件下加氢，利用分解出来的煤 焦油来制取液体燃料，后来一些发达国家不断研究，利用稻草、木屑、纸浆及污泥等 含有较多有机物生物能源来制取燃料油【3 5 】。据有人统计可以把4 0 的有机质转化成 热值大于3 3 m j k g 的燃料油，有机碳的转化率达到了9 0 以上【4 0 1 。 直接焚烧作燃料热能利用，无高温高压的要求，是应用最普遍的一种方法【加】。国 外称此项技术为r d f 技术，即r e f u s ed e r i v e df u e l 3 5 】。1 9 3 4 年美国在密歇根州安装 了第一台焚烧锅炉【3 5 1 。焚烧法可以快速杀灭病原菌，使有害物最大限度减量化，利用 其焚烧发出的热量来达到发电、供暖需求，但是焚烧后的残渣含有大量重金属及其他 有害物，并且在燃烧过程中还会产生如二嗯英、二氧化硫及氮的氧化物等酸性气体【训。 含水率高、热值低，需辅助燃料帮助焚烧，是造成运行成本高的重要原因【4 0 1 。从热值 的大小可以看到生物质本身含有很大的能量。曾有学者统计干燥的污泥本身含有的潜 热大约为11 6 2 2 - 2 0 9 2 0 k j k g 【3 9 1 ，造纸干活性污泥的热值为1 0 0 0 0 k j k g 3 5 】。从以上统 计的数据可以看出，只要经过有效脱水处理的污泥其热值还是相当大的。对于污泥热 值的利用，曾有学者对污泥的热值与含水率的关系做过统计，具体的数值见表1 1 【3 5 1 。 由此可见降低含水率对热利用有重大影响。 l 绪论 硕士论文 表1 1热值与含水率的关系f 3 5 】 ( 5 ) 制造建材及其他有用物质 在污泥做建材使用时，利用其中无机矿物成分来替代沥青作路面材料、水泥和砖 瓦的建筑材料、陶瓷颗粒、纤维板及玻璃态骨料等m 。污泥因具有粘性和热值等诸多 特性，通常作为煤的黏结剂增强碳的燃烧【4 1 1 。另外污泥中含有大量的蛋白质、脂肪、 维生素等有机物可以用来制造动物饲料( 4 0 1 。方解石作为造纸污泥重要成分，添加硅后 消除钙的成分可以制成沸石( 3 6 】。另外在一定温度下造纸污泥还可以与氧化锌混合制成 活性炭【3 4 1 。味精的残渣富含多种氨基酸也可以用来做饲料【3 5 j 。 ( 6 ) 制取甲烷、乙醇等气液燃料 污泥厌氧发酵经过乙醇化阶段、乙酸化阶段最后制取甲烷【3 引。日本的大阪将制取 的甲烷通过处理等一系列手段作燃料电池的可燃性气体燃料 3 4 1 0 有研究表明造纸污泥 中含有大量的碳水化合物( 木纤维素、葡萄糖等) 经过酶作用可转化成乳酸和乙醇p 。 1 2 高含水率生物质脱水研究现状 1 2 1 脱水前的预处理技术 通过化学的、物理的或者热工的预处理方法改善污泥的脱水性质，减小水与污泥 固体颗粒的结合力，加速水与固体颗粒的分离过程称为调理【3 9 】。大量的文献研究结果 表明污泥的稳定处理和调理对脱水性能有极大的影响【4 2 删。生物稳定时间不足，或 者稳定程度不够的污泥，其可脱水性能比未稳定的污泥差。只有达到足够稳定的污泥， 其可脱水性能才得以改善。稳定的时间越长，污泥的可脱水性能越好；另外好氧消化 生物稳定的污泥可脱水性能比厌氧消化稳定的污泥差【4 2 】。因为厌氧消化可以减少碳水 化合物、蛋白质、脂肪形式的有机物与水的结合程度1 4 3 j 。通过使高分子物质转变为低 分子物质的消化，使细胞中水合水释放出来，减少了胶体与毛细水结合的几率阳j 。因 此有必要加大污泥的厌氧消化及好氧消化。 污泥调理包括温差调理、化学调理、生物絮凝调理及淘洗法调理m j 。调理破坏细 胞壁释放细胞中的水，降低水与污泥颗粒的结合能【4 3 j 。李笃中等人就曾做相关的试验 验证，测出在不同含水率的条件下污泥与水分结合能，并进行两种典型的污泥脱水试 验。其一为真空过滤脱水，污泥层厚约为5 m m ，真空度为5 3 3 k p a ，抽滤至污泥滤层 出现裂缝，其含水率记为w f i l ：其二为压滤脱水，应用压力达3 1 m p a ( 一般压滤操 6 硕士论文高含水率生物质脱水技术研究 作最大压力约为2 4m p a ) ，至样品不再失水，其含水率w e x p 【4 3 。对于污水厂污泥w f i l 对应的结合能为1 0 - 2 0 l ( j k g ，w e x p 对应的结合能为7 0 一8 0 l ( j l 【g 【4 3 】。水分结合能与 含水率关系测定还可用于分析污泥调理对其机械可脱水性改善的作用【4 3 1 。李笃中等发 现结合能为7 0k j k g 的活性污泥经冻融调理后使对应的含水率从3 8 k g 水k g 污泥总量 降至2 o 埏水k g 污泥总量，而加入4 0 m g l 聚丙烯酰胺调理后的污泥结合能为8 0k j k g ， 其污泥样品的含水率从3 8 k g 水肛唱污泥总量降至1 2 k g 水l 【g 污泥总量【4 3 l 。 ( 1 ) 温差调理 温差调理包括高温高压调理、低温调理、冷冻融化调理【4 川。高温高压调理是将温 度升高至1 7 0 2 0 0 c ；压力为9 8 1 1 0 4 1 4 7 1 0 6 p a ；反应时间为l 2 h 1 8 】。高温高压 作用下的调理可以破坏微生物的细胞壁，破坏疏水键，不仅释放出细胞内的水，而且 也可以减少水与污泥间的联系【4 5 】。调理后再经过真空脱水的污泥含水率可以降低到 2 5 6 5 t 4 6 1 。清华大学教授王伟和他的学生团队做了有关于污泥的热水解及厌氧消化 的实验，分别测定了化学需氧量( c o d ) 、溶解性c o d ( s c o d ) 、总c o d ( t c o d ) 、 碱度( p h ) 、悬浮性固体( s s ) 、总固体( t s ) 、氨氮、挥发性脂肪酸( v f a ) 、挥发分 ( v s ) 、挥发性悬浮固体( v s s ) 及甲烷势( b m ) 等含量，从实验数据得出固体有 机物不断的水解进程减弱1 4 7 1 。由于有机物易与水结合，而使得大量的毛细水及水合水 释放出来1 4 8 l 。通过扫描量热法( d s c ) 测定了水热处理在1 7 0 ，3 0 m i n 后束缚水的含 水量及束缚水的强度下降”j 。低温调理的处理方法在1 5 0 温度以下充分利用其他 资源的余热，比高温热调理有更好的发展潜力【5 叭。在反应温度为1 6 0 ，压力为 o 8 3 m p a ，脱水后污泥含水率可以达到3 3 7 5 0 5 t 5 2 j 。冷冻融化调理的污泥冷冻后颗 粒被向上压缩富集，而水分挤向冷冻界面，且不断的冷冻使胞内的水结晶形成冰晶粒， 引起细胞膨胀而破坏细胞壁释放其中的水合水【4 3 j 。该法可以不可逆地改变污泥结构， 使其不生成胶体，破坏污泥的絮状结构【4 9 1 。 ( 2 ) 化学调理 化学调理通过电性中和和吸附架桥作用，破坏污泥胶体颗粒稳定性，使分散小的 颗粒之间相互聚集形成大颗粒，从而改善污泥的脱水性能【5 3 1 。其中石灰、铁盐、铝盐 无机调理剂主要起到电性中和作用，而聚铁、聚铝无机高分子化合物和聚丙烯酰胺等 有机高分子化合物起到吸附架桥作用。阳离子有机高分子聚合物既起到电性中和作用 又起到吸附架桥作用【5 4 j 。郑州大学高健磊曾对聚合硫酸铁( p f s ) 、丙烯酸钠一丙烯 酸酰胺共聚物、异丁烯酸一甲基丙烯酸共聚物和阳离子聚丙烯酰胺( p a m ) 效果进行 比较 5 s - 5 6 j 。研究表明在压力0 6 m p a ，压滤脱水时间3 0 m i n ，聚丙烯酰胺适宜投加量为 2 4 5 k g t 干污泥；过大的压力会出现跑料现象；当然脱水时间越长效果越好，但时间 过长会导致效率低下；在各种调理剂调理下发现聚丙烯酰胺( p a m ) 效果会更好一些 m 5 7 5 8 j 。另外添加絮凝剂也可以达到更好的脱水目的。青岛建筑工程学院苗群等人 7 l 绪论硕士论文 利用正交试验发现混凝剂种类影响因素比较大，而混凝剂投加量影响因素比较小【5 引。 日本中央电力工业研究院利用液化二甲醚( d m e ) 在3 6 、0 7 8 m p a 作为脱水剂从褐 煤提取水，用过滤方法使固相和液相分离出来，然后再在2 5 、0 5 3 m p a 的条件下回 收二甲醚( d m e ) 6 0 l 。 ( 3 ) 微生物絮凝调理 微生物絮凝调理剂包括直接利用微生物细胞的絮凝剂、利用微生物细胞提取物的 絮凝剂和利用微生物细胞代谢产物的絮凝剂，目前机理主要为：桥连作用、中和作用 和卷扫作用【6 i 】。目前，比较流行的学说是离子键、氢键结合的学说，该学说可解释大 多数微生物絮凝剂引起的絮凝现象【2 5 1 。现在流行做法采用化学解偶联剂使生物的合成 代谢和分解代谢解偶联，这样造成的能量泄露将使生物的合成代谢速率小于分解代谢 速率，进而使微生物产量减少，从根本上实现污泥减斟6 2 1 。另外天津大学的张书廷及 他们的团队采用加碱和磁力搅拌、加热和加热联合加碱破壁的方法，该实验表明5 0 下的加热联合加碱可以加速污泥的破壁【2 1 1 。国外也有研究超声波加碱联合破除污泥 细胞壁技术【6 。近年来研究的比较流行热解法、水解酸化法、碱处理来提高污泥厌氧 消化性能；通过臭氧氧化、超声波技术、解耦联代谢等措施进行污泥减量化措施【6 2 j 。 1 2 2 脱水机理研究 脱水方法分为真空吸滤脱水、加压过滤脱水、离心脱水、超声波脱水和电渗透脱 水。每种脱水方法的机理各不相同。真空过滤脱水和加压过滤脱水是利用压差作用推 动物料中的液相穿过过滤介质，而固相颗粒则被截留在过滤介质上方【l o 】。离心脱水是 通过离心力作为推动力使固液两相混合物中的液相穿过过滤介质进而达到固液两相 分离旧1 。 一 超声波是一种弹性的机械波，通常的频率范围为2 0 k h z 至1 0 0 m h z l 6 4 1 。超声波作 用会使大量气泡产生和破灭【6 5 1 。气泡依靠吸收液体中的空气和蒸汽变大并最终在瞬间 破灭的现象称为空化作用州。气泡的破裂会产生极短暂的强压力脉冲，并在气泡的周 围产生局部的高温( 5 0 0 0 k ) 、高压( 5 0 0 1 0 4 k p a ) 吲。因气穴破裂和侵蚀而产生的高 温高压，可以使液体蒸发，降低液体的粘度 2 4 1 。超声波以微射流的形式，通过剪切力 的作用，破坏细胞壁，释放细胞液，从而达到更好的脱水效果【6 。超声波引起的诸如 高速射流、扰动、空化及界面破稳及衍生的二次波、辐射压、声捕捉、自由基等会对 污泥的结构产生影响【3 6 1 。超声波还可清洁过滤介质界面，防止过滤介质堵塞并且还可 使滤饼的通道打开【6 8 】。另外超声波产生的高活化性基团( h 和o h ) 具有较强的 氧化性可以使污泥发生破解反应【2 9 “1 6 9 1 。有学者提出超声波所发生的机械波震荡作 用可以阻止滤网堵塞及减小水流过颗粒的阻力【7 0 7 l j 。另外两个相向平面发出的超声 波产生两个正弦波使得有的地方振动速度为零能量小，在能量最小的地方颗粒发生聚 8 硕士论文高含水率生物质脱水技术研究 集，而水分穿过能量大的地方流走，达到固液分离【7 2 1 。 电渗透脱水就是在电场作用下，带电颗粒向某一电极运动，而符号相反离子带着 液体介质向另一电极运动，从而达到电渗透脱水的目的r 7 3 】。水的流动方向和污泥絮体 流动方向相反，水分可不经过泥饼的空隙通道，而与污泥分离【7 4 】。因此不受污泥压密 引起的通道堵塞或阻力增大的影响，脱水效率较高【3 引。另外电渗透脱水引起的加热作 用也可使脱水效果更加明显】。 基于热喷泉现象研制出的热压干燥脱水机，其原理是滤饼中毛细管中的水在受到 热蒸汽加热和通入蒸汽双重作用使得其中的水蒸汽瞬间急剧膨胀，驱使毛细管的水在 水蒸气产生的压差作用下源源不断从滤饼中渗出【7 5 】。通常研制的热压干燥机在滤室的 中间放置干燥板，通过在干燥板中流入热介质起到间接加热的作用或者直接通入蒸汽 来达到热压过滤脱水的目的【瑚。 1 3 脱水装备概述 最早脱水利用的设备是布袋包裹豆腐渣手挤压豆浆技术到现代机械技术。现有的 装备已经从过去的单一作用变成多种作用共同来达到脱水的目的。目前常用的过滤脱 水设备如下： 1 3 1 真空过滤脱水设备 真空过滤脱水设备又可细分为转鼓真空过滤机、水平带式真空过滤机、转盘式过 滤机及翻盘式真空过滤机。 ( 1 ) 转鼓真空过滤机 过滤介质在圆柱形转鼓的外表面，滤饼在槽中通过圆柱形转鼓抽真空逐渐形成 【| 瑚。转鼓在不断的旋转，当转鼓转出泥浆时，通过真空作用泥浆被吸附在旋转的履带 上进一步抽吸达到脱水的目的最终形成干燥的滤饼7 7 1 。经过干燥后的滤饼在履带上突 然的转向把滤饼最终卸掉，卸掉滤饼的履带最终又回到槽中周而复始重新进行循环， 其示意图如图1 3 所示【7 9 1 。西德b a y e r i s e h e b e 唱h i t t e r u n d s a l z w e r k e ( b h s ) 公司创制 的b h s f e s t 型旋转加压真空过滤机是一种独特结构的连续加压真空过滤装置，如下图 1 4 所示就是旋转加压真空过滤机和过滤机剖面图【7 8 】。另外英国的f i l t r a t i o ns e r v i c e s l t d 也生产转鼓真空过滤机，其如图1 5 所示【7 9 1 。 9 l 绪论 硕j j 论文 ， l 镧1 3 真空过滤机示意图 蚓l 一旋转加压真空过滤机和剖面图【7 8 1 图1 5 英田生产的旋转加压真空过滤机【7 9 j ( 2 ) 水平带式真空过滤机 固液两相混合物放在底部抽成真空的橡胶带上，其中的液相透过过滤介质经过气 液分离装置后被收集，固相在橡胶带上形成滤饼，脱水后的滤饼被浮动滤布刮刀将滤 饼刮掉【8 ( ) 】。对于这种水平橡胶带式真空过滤机需要对橡胶带进行纠偏、除皱，另还要 对周边及后面进行密封，防止滤液侧面及后面流出，因此在过滤机的后面安装了阻液 辊，把周边羽胶带进行密封【8 1 】。具体详见水平真空过滤机示意图1 6 所示。水平带式 真空过滤机可分为固定托盘式过滤机、托盘往复移动式和托盘和滤布连续循环。固定 托盘式过滤机是把滤布和托盘固定，d h t i - 槽来回移动把固液两相混合物倒入吲定的滤 布和托盘1 7 8 0 】。液相在托盘内真空的作用下穿过滤布进入托盘，当滤饼形成后，真空释 放，卸掉滤布上的滤饼【8 0 】。德国b w f 公司生产的a d p e c 匿 定托盘水平带式真空过滤 机，其如图1 7 所示。 1 0 蘸秘镉辊 斟1 6 水平带式真空过滤机的示意图f 7 9 】 硕士论文高含水率生物质脱水技术研究 祭臼 幕 名锄i 、蓄鞫彰一 图1 7 固定盘水平带式真空过滤机1 7 9 】图1 8 为移动式带式真空过滤系统【7 9 j 托盘往复移动式是滤布载着物料连续移动，而过滤托盘随滤布造成真空吸滤的环 境运行一段时间后再返回到迸料端，过滤托盘与滤布间歇接触，图1 8 就是荷兰u t r e c h t 生产的移动式带式真空过滤机【7 9 】。托盘和滤布连续循环是托盘和橡胶带固定在一起， 在连续条件下进行操作8 0 1 。英国的d o r r - o l i v e r 公司生产的托盘和滤布连续循环的真空 过滤机【7 9 1 。 ( 3 ) 转盘式过滤机 圆盘真空过滤机通过垂直圆盘的内壁抽成真空作用使固相沉积在垂直圆盘的外 表面【7 9 1 。圆盘真空过滤机过滤面积要远远大于转鼓真空过滤机，因此在同等处理量的 条件下，转鼓真空过滤机占地面积比圆盘真空过滤占地面积大【7 9 1 。法国的g a u d f i i n s a ，s t g e r m a i n e e n l a y e 公司和芬兰的o u t o k u m p u 公司都生产圆盘真空过滤机，具体 如图1 9 所示【7 9 1 。 ( 4 ) 转台真空过滤机 转台真空过滤机有数个铺有过滤介质的叶片构成的圆形台面，叶片下部与真空源 图1 9 圆盘真空过滤机( a )图1 9 圆盘真空过滤机( b ) 7 9 】 相连接，真空吸滤作用后的滤饼在转台真空过滤机的叶片上表面形成【7 9 】。过滤完成后， 可以从叶片的底部收集液体【8 0 1 。滤饼的卸除是利用转台和滤布的的径向螺旋来进行， 英国的d o r r - o l i v e r 公司和美国的b i r dm a c h i n ec o 公司生产转台真空过滤机如图1 1 0 所 示【7 9 】。 硕士论文 图1 1 0 转台真空过滤机机( a )图1 1 0 转台真空过滤机机( b ) 1 7 9 1 1 3 2 压榨过滤脱水设备 压榨脱水机械设备从1 9 6 3 年的西德人根据造纸机械丌发的污泥带式压滤机到奥 地利安德瑞茨( a n d r i t z ) 公司在两德基础上研发的尾矿脱水，带式压滤机也在不断的演 变，f 1 本的立式、奥地利的水平式、法国的半