「污泥化学调质及深度脱水」.doc

污泥化学调质及深度脱水研究进展胡芝娟，董涛，钱秋兰，沈序辉，赵利卿（天津水泥工业设计研究院有限公司，天津，300400）摘 要水泥窑协同处置剩余污泥避免了其他方式处置不彻底，存在二次污染等问题，是一种理想的污泥处置手段。污泥入窑前的干化脱水过程需要消耗大量的热量和电能，导致成本偏高。采用化学调质+机械压滤的深度脱水方式先将污泥含水率降到55%以下，避开污泥的粘滞区，再采用废烟气余热进行干化，则可以显著降低污泥脱水的成本。本文概述了国内外污泥化学调质的研究进展，分析了污泥深度脱水和普通脱水的区别，以期为污泥化学调质和深度脱水方法的选择提供参考。关键词：污泥；化学调质；深度脱水1.前言活性污泥法处理污水过程中，会产生大量的剩余污泥，其体积约占处理水量的0.5%1.0%（以含水率97%计）1。随着污水处理率的提高和处理程度的深化，在污水处理过程产生的污泥量将大量增加。污泥中含有大量病原菌、重金属含量高、且易腐败产生恶臭，如处置不当，将引起严重的二次污染2。与填埋、堆肥和焚烧等目前常用的处置方式相比，用水泥窑来协同处置剩余污泥是一种非常理想处置手段。水泥窑的高温避免了二噁英等有害物质的产生，污泥中的大量重金属被固定在水泥熟料中，从而避免了其他方式处置不彻底，存在二次污染等问题。一般污水处理厂出厂污泥的含水率在80%85%，含有大量水分。目前，用水泥窑处置污泥的方式有两种，湿污泥直接入窑和湿污泥干化后入窑，这些协同处置方式均有工程实例。重庆拉法基南山工厂将污水厂来的污泥直接泵入分解炉中，由于污泥含水量大，为了避免破坏窑的热工制度，污泥的处理量较小，约为150t/d。湿泥干化后入窑可采用烟气间接干燥或直接干燥。我院参与设计的北京水泥厂污泥焚烧项目采用水泥厂高温烟气先对污泥进行间接干燥，然后投入回转窑中焚烧。我院设计的广州越堡水泥公司水泥窑处置污泥项目则采用烟气对污泥进行直接干燥，然后再入窑焚烧。湿泥干燥后，含水率降低到30%以下，减少了参照水分对窑况的影响，污泥处理量显著提高，以越堡为例，处置能力达730t/d3。去除污泥中水分的过程是能量净消耗的过程，高能耗导致的高处理成本，成为污泥深度脱水的瓶颈。特别是，含水率在55%65%之间的污泥，处于粘滞区域4。此时，污泥粘性大，输送和干燥的能耗电耗很高，也导致整个污泥干化过程能耗电耗居高不下。如果能先将污泥脱水至含水率55%以下，则可以大大降低污泥干化的能耗，同时还可以采用水泥厂余热发电出来的废热（180）作为干化热源，不但降低了污泥处置的成本，同时也降低了水泥生产的成本。污泥深度脱水是指对污泥进行调理，破除细胞壁，释放结合水、吸附水和细胞内水，改善污泥的脱水性能，使处理后的污泥含水率达到60%以下的脱水方式。目前来说，比较现实可行的污泥深度脱水方式是“化学调质+机械脱水”。污泥先经化学调质，使污泥中的间隙水和部分结合水释放出来，然后通过机械压榨将水分离出来。采用的压榨设备最好是隔膜压滤机或板框压滤机，离心式和带式压滤机无法满足低含水率要求。本文从污泥化学调质的角度，对目前污泥深度脱水的调质方法加以总结和论述。2.污泥中的水分污泥是由菌胶团和悬浮固体形成的胶体结构。由于污泥颗粒表面特性和污泥团的结构所决定，污泥颗粒表面吸附有各种荷电离子以及由微生物在其代谢过程中分泌于细胞体外的胞外聚合物等。这些荷电离子和胞外聚合物具有很强的持水性。污泥颗粒相互聚集组成污泥团，形成许多的毛细孔道。图1 污泥中水分的分类图2 污泥胶体的双电层结构污泥中的水分按其状态共分为四种（图1）：（1）间隙水或游离水，间隙水是存在于污泥颗粒间隙中的游离水分，一般占污泥总含水量的70%左右；（2）毛细水，毛细水是污泥颗粒之间或颗粒裂隙中由于毛细作用与污泥颗粒结合在一起的水分，占总水量的20%左右；（3）吸附水，吸附水是由于表面张力的作用吸附在污泥颗粒表面的水分，由于污泥颗粒小，具有极强的表面吸附力；（4）结合水或细胞水，结合水是包含在污泥中微生物细胞内的水分，或无机污泥中金属化合物所带的结晶水等，只有改变污泥颗粒的内部结构才能将结合水分离，结合水和吸附水共占污泥中总含水量的10%左右5。但这种划分目前没有定量测定的方法，因此在大多数对水分的定量测定中简单的将污泥中的水分划分为自由水和束缚水6,7。四种水分的结合强度依次为间隙水毛细水吸附水35）又会破坏絮体结构，使絮体变为碎块漂浮。目前大多数铝系、铁系的机絮凝剂偏酸性；而PAM则偏碱性，两者对pH值都有一定的要求。污水的pH值在8.5以上时就会影响有机高分子的水解作用，也影响其絮凝效果。而从铝系、铁系的水解反应可知，每一个水解过程都与H+有关，试验表明污泥混凝脱水最佳pH=6.58.0。混凝过程需要经混合和絮凝两个阶段。在混合阶段并不要求形成大的絮体，当混凝剂投入水中后就需激烈搅拌以使药剂迅速而均匀地扩散到水中（所谓快速混合），在絮凝阶段则要求水力紊动强度逐渐减弱，并延长停留时间，以创造足够的使絮体之间产生更多的碰撞机会和良好的吸附条件，使微小的初级絮体继续凝聚成为大絮体而沉降。这就是混凝工艺对水力条件的要求。复合混凝剂是由无机混凝剂、助凝剂和有机高分子絮凝剂的组合，对污泥中的有机物所构成的分散系具有破坏其双电层结构的高效絮凝作用。但当有机高分子絮凝剂过早地与无机混凝剂混合时会使有机高聚物凝固而丧失其絮凝作用，特别是铁盐和PAM的衍生物联合使用时，由于铁会引起PAM降解，更应特别注意。因此两种混凝剂不能同时在同一地点投加，而必须分批加入才能充分发挥无机与有机两种混凝剂各自的作用。4.污泥深度脱水与普通脱水不同目前，污泥深度脱水与普通脱水并没有明显的界定。从污水处理厂经调质压滤后，污泥的含水率在80%左右。只有将污泥的含水率降至60%以下，才属于深度脱水的范畴。可以人为以60%的含水率脱水效果作为界定污泥深度脱水和普通脱水的分界点。由于环保政策的要求，国内对污泥脱水的研究多集中在普通脱水，而对深度脱水关注较少。在普通脱水时的一些研究结论并不能完全适用于深度脱水。比如，在污泥普通脱水时，认为PAM类高分子有机絮凝剂的效果和脱水成本远低于无机混凝剂，但对于污泥深度脱水，使用有机高分子絮凝剂是不可能达到低含水率要求的。有机高分子絮凝剂能加速污泥的沉降，但对污泥自由水的含量影响不大，因此，无法提高污泥的脱水程度38。深度脱水则必须要使部分毛细水和结合水变成自由水，否则无法满足低含水率的要求。此外，有机高分子絮凝剂主要作用是架桥絮凝作用，使污泥絮体尽可能的增大并沉降下来，但增大的污泥絮体也会使更多的水分包含在絮体中，不易被脱除39。从这个角度讲，有机高分子絮凝剂反而对深度脱水是不利的。因此，在污泥深度脱水时，铁盐和石灰的组合要更优于高分子絮凝剂。目前用于深度脱水的配方也都是以铁盐+生石灰的组合为主。广州普得环保7对已脱水泥饼进行二次深度脱水，调质添加剂含Fe3+盐0.32%和Ca2+盐0.55%。首先将污泥稀释为含水90%，按湿基比例，先加入铁盐，搅拌若干分钟后，再加入钙盐，搅拌后采用板框机在1.52.5MPa下保压3070分钟，可脱水至含固率3545%。谢小青等40以FeCl3和CaO对污泥，进行调质，然后采用高压隔膜厢式压滤机研究污泥的深度脱水效果，结果表明，污泥经深度脱水后，泥饼含水率60。调质过程提高了泥饼的透气性，自然放置7d后，含水率可进一步降至45左右，且泥饼基本无臭味。20d后泥饼含水率降至14.5%。污泥普通脱水最常用的带式压滤机和离心式脱水机不能深度脱水的要求，深度脱水一般都采用板框压滤机或者隔膜压滤机。总而言之，污泥的深度脱水和普通脱水有很多的不同，对污泥普通脱水时得到的一些结论或研究成果，用于深度脱水时要谨慎对待。5.结语我国污泥产生量已达到3000，0000吨/年（以含水率80%计），如果污泥通过干化使含水率降至30%，则需要大量的能耗和电耗。采用化学调质+机械压滤的方式先将污泥含水率降到55%以下，避开污泥的粘滞区，再采用废烟气余热进行干化，则可以显著降低污泥脱水的成本。但是，必须认识到采用化学调质对污泥进行深度脱水是一个新的课题，需要大量的实验研究和工程实践，才能实现污泥的成本最优处置。参考文献1 高健磊，闫怡新，吴建平等.城市污水处理厂污泥脱水性能研究.环境科学与技术，2008，31（2）：108111.2 林红艺.城市生活污泥化学混凝脱水的研究.化工技术与开发，2010，39（8）：5963.3 胡芝娟，李海龙，赵亮等.利用水泥窑协同处置废弃物技术研究及工程实例.中国水泥，2011，4（增）：103109.4 赵培涛，牟占杰，张长飞等.旋转导热污泥干燥粘滞区特性实验研究.化工装备技，2010，31（1）：812.5 黄瑛，赵培涛，袁凌飞.一种污泥深度脱水的方法.中国专利.CN 101863611A，2010.6 邓文义，李晓东，王飞等.不同污泥的水分分布特性研究.第二届城镇水务发展国际研讨会，2007：641645.7 荀锐，王伟，乔玮.水热改性污泥的水分布特征与脱水性能研究.环境科学，2009，30（3）：851855.8 李雷，杨海英，黄智贤等.污泥深度脱水的添加剂.中国专利.CN 1962495A，2007.9 陈嘉愉，吴学伟.污水污泥有机调质浓缩和无机调质脱水工艺研究.环境工程学报，2009，3（3）：529532.10 柴朝晖，杨国录，刘林双等.污泥机械脱水前处理方法研究进展.2010，8（5）：157161.11 杨岳平，徐新华，刘传富.废水处理工程及实例分析M.北京：化学工业出版社，2002，121122.12 希莫，张永利.不同混凝剂作用下的污泥性能研究.当代化工，2010，39（3）：255258.13 Erik Andersson,Vedran Malkoc.Dewatering of sludge. http:/www.chemeng.lth.se/exjobb/E087.pdf.14 C. 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