污泥深度机械脱水的优化研究.docx

污泥深度机械脱水的优化研究姚尚安 1， 孙同华 1， 瞿赞 1， 应迪文 2， 贾金平 1， 王冠 1（1. 上海交通大学环境科学与工程学院； 2. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240）摘 要：降低污泥含水率是污泥处置的关键点。论文自制了高压恒压污泥过滤脱水装置，在 2 MPa 压力条件下 10 min 可快速将污泥 含水率降低至 75.30%；添加 3%氯化铁化学调理后，可进一步降低至 63.38%。添加氯化铝调理也可降至 71.98%；生物质添加剂也有较好的 效果，污泥分别与木屑和秸秆按质量比 21 调理后，压滤后污泥的含水率分别为 60.22%和 63.75%，木屑的效果优于秸秆；生物质还具有极 强的吸水性，生物质与污泥混合泥饼压滤后表观含水率仅分别为 43.83%与 45.90%；此外，生物质调理后有助于提升污泥热值，可用于制 备生物质污泥燃料。化学调理与生物质调理具有协同作用，优化后的污泥实际含水率及泥饼表观含水率低至 55.23%与 39.16%，污泥减量 效果相当明显。关键词：深度机械脱水； 化学添加剂； 生物质添加剂； 污泥-生物质混合燃料中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1003-6504.2014.03.025文章编号：1003-6504(2014)03-0126-06Optimization Research of Mechanical Dewatering of Sludge with High PressureYAO Shangan1, SUN Tonghua1, QU Zhan1, YING Diwen2, JIA Jinping1, WANG Guan1（1.School of Environmental Science and Engineering;2.School of Material Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China）Abstract：Reducing the sludge water content is the key point of sludge disposal. Based on filter-pressing test by self made constant pressure filtration device, under 2 MPa pressure and 10min filter time can quickly remove the moisture content and decrease to 75.30%. Adding 3% FeCl3 can decrease the moisture content to 63.38%, while adding 3% AlCl3 can decrease the moisture content to 71.98%. Biomass additives also have good effects, sludge with sawdust/straw at the ratio of 2 1 mixture, filter-pressured sludge moisture content can decrease to 60.22% and 63.75%, with the effect of adding sawdust better thanstraw. Due to the highly absorbent of biomass, the apparent moisture content of filter-pressured sludge cake is 43.83% and 45.90%. In addition, biomass which improves the heat value of sludge can be used for preparation of sludge-biomass mixture. When chemical additive and biomass additive are synergistic at the optimum conditions, the moisture contents decrease to 55.23 % and apparent moisture contents decrease to 39.16%, with quite obvious effect of sludge reduction.Key words：deep mechanical dehydration; chemical agent; biomass agent; sludge-biomass mixture fuel据文献报道，2011 年我国城市污水排放总量达 482.4 亿 t，产生剩余污泥（干质量）847 万 t，并且每年 排放的剩余污泥量以约年均 10%的速度递增1-3。污水 处理所产生的剩余污泥具有较高的含水率，由于水分 与污泥颗粒结合的特性，采用机械方法脱除具有一定 的限制。目前我国污泥脱水方式以机械脱水为主4-7， 包括压力挤压脱水与离心式脱水等。常用脱水机械包 括板框压滤机、带式压滤机、真空过滤机和离心机械 脱水机等，经这些常规机械脱水设备脱水后污泥的含水率仍然普遍高达 80%以上。含固率在 20%30%范围 的机械脱水污泥基本上可形成泥饼，泥饼较高的含水 率使其仍然具有流体性质，不仅污泥减量化程度有 限，其后续处置难度和成本也仍然较高，无法达到“稳 定化、无害化、减量化、资源化”的要求，因此亟需进一 步提高剩余污泥脱水效率。发达国家早在 20 世纪 80 年代已开始污泥深度 机械脱水技术的研究，如日本等，并取得了一定的进 展8-9。然而当前的污泥深度机械脱水研究仍然存在诸环境科学与技术编辑部：（网址）（电话电子信箱）收稿日期：2013-07-17；修回 2013-09-11作者简介：姚尚安（1989），男，硕士研究生，从事污泥深度机械脱水及资源化利用的研究，（电子信箱）。多问题：（1）深度脱水机械过于单一。深度脱水工艺与常 规脱水有很大差异，而在深度脱水机械开发商，往往 沿用常规脱水设备，只是提高脱水压力，提高的效果 有限。在高压滤压力条件下，如何利用好污泥的流体 性质，能否在机械结构上改进，或者更好的高压力污 泥过滤效果。（2）采用过于复杂的工艺进行深度脱水。热水解、 超声波、磁场、电场等方法均可以用来改善污泥的脱 水性能，然而这些技术过于复杂，投资成本高，且操作 运行复杂，难以在脱水装备上实现较好的效果。（3）采用了某些产生二次污染的药剂用于改善污 泥的深度脱水性能。用于改善污泥脱水性能的药剂种 类众多，如果一味追求降低压滤后污泥含水率而盲目 选择药品，极有可能带来严重的二次污染，应谨慎选 择对环境友好的脱水试剂或者具有良好环境效益的 生物质原料。本研究充分考虑目前污泥深度机械压滤脱水存 在的问题，使用实验室自制高压恒压脱水过滤装置模 拟污泥深度机械压滤脱水，并探讨铁系盐（九水硝酸 铁、硫酸铁、七水硫酸亚铁、氯化铁）、铝系盐（十八水 硫酸铝、硝酸铝、氯化铝、氧化铝）作为化学添加剂和 以木屑、秸秆作为生物质调节剂对污泥深度脱水效果 的影响，本研究也为衍生污泥-生物质混合燃料配方 的确定和工艺设计提供基础。1材料与方法1.1实验材料实验采用的剩余污泥取自上海市闵行区江川污 水处理厂离心脱水污泥储运池。该厂位于上海西南郊 区，为典型的中型城市污水处理厂；采用活性污泥 A/O由高压液压压滤筒、液压缸压力指示表、丝杠、压滤机 底座（液压缸）、压把等部件组成。压滤筒结构如图 2 所示，由压柱、外筒、底座三部分组成，材料为特种钢 经淬火处理，能够满足实验所需的高压工作环境。1.3 实验方法实验中先将预裁剪好的 2 片滤布覆于压滤筒底 座上，套上外筒，放入一定量的污泥后用压柱密封，再 用两把 G 型夹加固。然后将压滤筒放置于压滤机底座 上方，旋转丝杆至其夹紧压滤筒为止，此时转动压把 直到压滤表上显示的压力达到实验要求为止。污泥含水率采用国标法测定11-12。取一定质量 W处理工艺，日处理能力约为 3 万 m3；污泥经二次沉淀 后，再经过机械离心脱水，处理后剩余污泥含水率约 为 85%。污泥样本采用四分法采集，以保证样本的典型性，采集后 4 保存待用10。实验采用的木屑取自上海市松江豪峰木材加工厂，粒径约为 1.5 mm，经筛分后 密封待用。实验采用的秸秆取自上海市闵行区附近农1的压滤后污泥置于干燥的培养皿中，于 105 下烘干2 h，取出放置在干燥器内 30 min 冷却至室温，再次称 量污泥重量，重复上述步骤烘干 2 h 再次称量，至污泥 重量不变（或者两次称量的重量差0.4 mg），视为烘 干至恒重 W2。含水率的计算公式为：W -W田，收割后自然烘干，经高速粉碎机（YJ-500A 型）粉含水率=21 100%（1）W1碎，工作转速 10 000 r/min。秸秆粉碎后呈粉末状，密封待用。实验所采用的 3927 型滤布购自杭州坤源过添加生物质添加剂压滤后混合物中污泥含水率 的推算采用如下计算公式：滤设备有限公司，该滤布采用涤纶短纤维织造，耐酸碱，裁制为直径 65 mm 待用。含 水 率 =m1- k k+1m216%- 1 k+1m2- 1 k+1m2c1.2实验装置实验采用自制高压恒压脱水过滤装置对剩余污m1- 1 1k+1 m2- k+1 m228.1%100%（2）泥进行深度机械压滤脱水。装置如图 1 所示，该装置式（2）中，m1为压滤后混合物的质量；m2为压滤前混合物的质量；k 为污泥与木屑的质量比；16%为实 验污泥的原始含固率；c 为生物质的饱和吸水率，其中 木屑为 0.281，秸秆为 0.231。实验流程如图 3 所示。1.3.1 自制高压恒压污泥机械脱水装置脱水性能的 测定低效果并不明显。分别取施加压力分别为 0.5、1、2、3、4、5 MPa，压 滤时间为 2、4、6、8、10、15、20、30 min 的污泥泥饼，测 定压滤后滤饼含水率。1.3.2添加剂种类及添加量对压滤后污泥含水率变 化的影响加入一定比例的化学添加剂 （添加剂比例按 g/g 污泥计）、生物质添加剂（添加剂比例按污泥质量 g生 物质质量 g 计）13-16，化学添加剂的添加比例按污泥质 量的 1%6%，生物质添加剂按与污泥质量比从 11 至 16，分搅拌均匀后置于高压恒压污泥机械脱水过滤装 置中，压滤时间 10 min，压滤后滤饼的含水率采用国 标法测定。1.3.3化学添加剂与生物质添加剂协同对压滤后污 泥含水率变化的影响选取污泥与生物质混合后脱水效果与压滤后滤 饼成形性、抗压性较好的配比，在此基础上添加脱水 效果较好的化学添加剂，充分搅拌混合后压滤，测量 压后滤饼含水率变化情况，并估算滤饼内污泥的含水 率变化。2结果与分析采用高压力对污泥进行过滤的过程中也存在这 样两个脱水阶段。图 5 为 0.55 MPa 压力下泥饼含水 率跟压滤时间的关系。如图 5 所示，分别采用 0.5、1、 2、3、4、5 MPa 对污泥进行压滤总体趋势类似，开始阶 段（前 10 min）脱水率下降较快，而 1030 min 脱水率 变化不大，各条曲线均在约 10 min 存在明显的拐点。 实验进一步采用以下公式计算了各曲线 10 min 脱出 水量占 30 min 脱出总水量的比率。 84%-p10 2.1高压滤条件下压滤压力对污泥脱水性能的影响污泥机械压滤通常分为 2 个阶段17，分别是快递Ka= 84%-p30K =1-K100%（2）（3）ba脱水段与慢速脱水段。大部分的水分在快速脱水段被 排出，此时污泥颗粒见存在大量的空隙及颗粒间自由 水，压缩阻力较小，脱水速度较快；进入慢速脱水段 后，部分可以已开始碰撞，压缩阻力开始增大，污泥开 始成饼，脱水速率也开始下降。图 4 是典型的板框压 滤机污泥脱水时间曲线。图 4 中可以看出，A 段与 B 段斜率差别较大。A 段加压 7 h 后污泥的含水率由原 始的 98.21%降至 84.52%，降低 13.69%。而 B 段加压714 h 共 7 h 后，污泥的含水率只降为 78.64%，仅仅降低 5.88%，远小于 A 段。可见，当污泥含水率降低至80%后，延长普通板框压滤机压滤时间对含水率的降式（3）中，Ka 为 A 阶段脱水率百分比；Kb 为 B 阶 段脱水率百分比；p10 为压滤 10 min 后污泥的含水率； p30 为压滤 30 min 后污泥的含水率。结果如表 1 所示。由表 1 可见，当过滤压力为 0.5 MPa 时，压滤 10 min（A 阶段快速脱水段）可脱出 53.68%的水量，脱水 后污泥含水率为 82.20%，而当过滤压力为 2 MPa 时， 仅快速脱水段（ka）可以脱除脱除总水量的 94.77%，脱水后污泥含水率为 75.30%，可见，采用改进后的装置 进行高压脱水，不仅可有效提高快速脱水段脱出水量的比例，还能提高总的脱水效率，实现快速脱水。表 1 不同压滤压力条件下两阶段脱水率百分比Table 1 The percentages of sludge dewatering ratio in each dewatering stage under varies pressures两阶段脱水率百分比/%好的压滤脱水性能。铁盐能有效降低压滤后污泥的含 水率，其中氯化铁的效果最为明显，当加入 3%氯化铁 后压滤含铁盐污泥含水率降为 63.38%，当加入 6%的压滤压力/MPakakb氯化铁后含水率降为 60.78%，相比相同压滤条件不加0.553.6846.32181.7318.27294.775.23386.8113.19483.3216.68584.115.9但过高的压力无论对总体脱水率还是脱水速度 均无显著效果。当压力达到 5 MPa 时，前 10 min 可脱 出总水量的 84.1%。如图 5 所示，压滤 10 min 后，0.5 MPa 条件下的脱水率为 1.75%，而 2 MPa 下为 8.69%， 提高了 6.94%；当压力提高到 5 MPa 时，脱水率为 9.47%。可见，压滤压力越大脱水效果会越好。但压力 从 2 MPa 提高到 5 MPa，脱水率仅仅提高 0.78%，因 此，当压力超过 2 MPa 后，继续增大压力，脱水效果增 加并不明显。因此，通过适当提高过滤压力对污泥进行深度机 械脱水是可行的。自制的高压恒压压滤机相比普通板 框压滤机也具有更高的脱水效率，出泥含水率更低， 这是因为高压恒压污泥压滤装置改进了压力施力方 向与压滤后滤液流向不一致的缺陷，同时克服了传统 板框压滤机滤布上形成水膜阻碍滤液脱出的弊端，使 其无论在脱水效率和脱水效果上都优于传统板框压 滤机。后续实验将采用过滤压力为 2 MPa，压滤时间 为 10 min 进行污泥压滤。2.2添加剂对压滤后泥饼含水率变化的影响2.2.1污泥化学调理对压滤泥饼含水率的影响 化学添加剂对污泥脱水性能具有显著的影响19-20。图 6 和图 7 所示分别为在自制高压恒压污泥压滤装 置 2 MPa 压力，压滤 10 min 条件下，污泥中添加不同 比例、不同种类的铁盐和铝盐后污泥压滤的含水率。如图 6 所示，加入铁盐添加剂调理的污泥具有更任何添加剂的情况下，压滤后污泥含水率分别降低了 11.92%和 14.52%，且压滤后泥饼更加结实，泥饼呈固 态。由图 7 可知，加入铝盐添加剂对压滤后污泥含水 率的影响不明显，效果最好的氯化铝也仅能将含水率 降至 72%左右，且硫酸铝、氯化铝随着添加量的增加， 压滤后污泥含水率的变化出现反复。2.2.2生物质添加剂对压滤泥饼含水率的影响 生物质添加剂对污泥脱水也具有显著影响。生物质不仅能吸收污泥中的自由水，还能在污泥压滤中起 到骨架支撑的作用。实验在污泥中添加不同比例、不 同种类的木屑和秸秆，考察生物质对污泥脱水性能的 影响，结果分别如图 8 和图 9 所示。表观混合物含水 率指压滤后滤饼的含水率，污泥真实含水率指压滤后 滤饼中污泥的含水率。由图 8、9 可知，木屑、秸秆均能降低压滤后污泥 的含水率。添加少许比例的木屑（61）时，推算的泥饼 中污泥真实含水率从 75.3%降为 68.82%，表观含水率 为 57.65%；而当木屑添加比例提高至 31 时，真实含 水率更下降为 61.75%，表观含水率为至 47.51%；当木屑添加比例进一步提高至 50%，即 11 时，改含水率达 到 58.73%，表观含水率低至 39.92%。可见，随着木屑 加入比例的提高，污泥的脱水性能得以提升。加入秸秆也具有类似的效果。加少许比例的秸秆（61）时，推算的泥饼中污泥真实含水率从 75.3%降为 70.22%，表观含水率为 58.63%；而当秸秆添加比例提 高至 31 时，真实含水率更下降为 65.78%，表观含水 率为 52.03%；当秸秆添加比例进一步提高至 50%，即 1 1 时，改含水率达到 61.27%，表观含水率低至 40.35%。添加入木屑、秸秆后使表观混合物含水率以及污 泥真实含水率均有较明显的下降，但相比木屑，秸秆 的效果要稍差。这主要是由于实验所用的木屑粒径大 于秸秆粒径。国内外研究表明较大的颗粒粒径有利于 污泥脱水过程中形成“导流渠道”20，使水分易被导 出。对于性状相同的污泥颗粒来说，通常颗粒粒径越 小，污泥越难以脱水，将相同比例的木屑和秸秆添加 入污泥搅拌均匀以后，形成的木屑-污泥混合物粒径 大于秸秆-污泥混合物，从而加入木屑的脱水效果好 于加入秸秆后的脱水效果。但当添加比例过高后，压 滤后泥饼的成形性和抗压强度降低，为了研究能应用 于实际，采用污泥与木屑质量比 21 作为最优实验配 比。2.3 氯化铁与生物质协同调理对泥饼脱水性能的影响分别向污泥与木屑质量比 21 的混合物中加入污 泥质量 3%的氯化铁，在 2 MPa 的压力条件下压滤 10 min，压滤后测得泥饼的含水率为 39.16%，污泥含水率 为 55.23%，整体含水率及污泥含水率皆低于相同压滤 条件下仅添加木屑或氯化铁，同时加入氯化铁可以作 为助燃剂，木屑可以提升燃烧的热值，降低起燃点，两 者协同作用对污泥-生物质混合燃料的研究有重大意 义。3 结论（1）改进后的板框压滤机对污泥脱水率去除的提 升有显著效果，当 2 MPa 压力条件下压滤 10 min 可 将污泥含水率降低至 75.3%，在降低污泥含水率的同 时也大幅度减少了污泥压滤的所需的时间，提高了污 泥压滤脱水的效率。（2）通过添加铁系盐有助于压滤后污泥含水率的 降低，当添加氯化铁 3%时，可将压滤后污泥的含水率 降至 63.38%。添加铝系盐对污泥含水率降低效果不明 显，效果最好的氯化铝也仅能将压滤后的污泥含水率降至 72%左右。（3）生物质添加剂与污泥混合后有助于污泥含水 率的降低，而相比较而言同等条件下添加木屑的效果 要优于添加秸秆的效果。当加入污泥与木屑的质量比 为 21 时，压滤后污泥的含水率为 60.22%，整体混合物的含水率为 43.83%，当加入污泥与秸秆的质量比为21 时，压滤后污泥的含水率为 63.75%，整体混合物含 水率为 45.90%。参考文献1 尹军, 谭学军, 廖国盘, 等. 我国城市污水污泥的特性与处 置现状J. 中国给水排水, 2003, 19(13): 21-24.Yin Jun, Tan Xuejun, Liao Guopan, et al. 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