基于鋼帶式壓榨過濾機(jī)的制漿造紙污泥深度脫水工藝

呂文彬 肖紅雷

(浙江華章科技有限公司，浙江桐鄉(xiāng)，314500)

制漿造紙生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢水，廢水經(jīng)處理后才能達(dá)標(biāo)排放，在廢水處理過程中會產(chǎn)生大量的污泥，隨著環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng)，對廢水處理的要求越來越高，伴隨著廢水的深度處理，廢水中的污染物進(jìn)一步向污泥集中，使得污泥處理量和處理難度與日俱增，污泥的處理處置已成為制漿造紙企業(yè)節(jié)能減排任務(wù)中的重要環(huán)節(jié)，如何經(jīng)濟(jì)有效地解決污泥問題已成為制漿造紙企業(yè)普遍面臨的難題。

長期以來，我國制漿造紙污泥脫水設(shè)備以帶式壓濾機(jī)和離心機(jī)為主，即用該設(shè)備將含固率為2%～5%的經(jīng)過調(diào)理劑調(diào)質(zhì)的混合污泥進(jìn)行機(jī)械壓榨，使其含水率降至20%～30%，然后外運(yùn)，主要進(jìn)行填埋處置。這些脫水后的污泥體積龐大、含水率高、流動性好，外運(yùn)填埋不僅占用大量土地資源，滲濾液對地下水的污染以及在此過程中帶來的其他二次污染也逐漸引起人們的重視。

制漿造紙污泥有機(jī)物含量高，成分相對簡單，近年來焚燒、堆肥農(nóng)用等處置方式取得了較快的發(fā)展，而高干度脫水處理是各種污泥處置方式的共同要求［1-6］，污泥的機(jī)械深度脫水是經(jīng)濟(jì)有效解決污泥問題的關(guān)鍵所在。鋼帶式壓榨過濾機(jī)作為一種新型深度脫水設(shè)備，在污泥深度脫水方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢及應(yīng)用前景，本文在介紹鋼帶式壓榨過濾機(jī)的基本構(gòu)造和脫水原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例分析其在工程應(yīng)用中的應(yīng)用效果。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與脫水原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖1 鋼帶式壓榨過濾機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

鋼帶式壓榨過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備分為布料區(qū)、預(yù)壓脫水區(qū)、高壓脫水區(qū)和卸料區(qū)，具體由布料器、脫水系統(tǒng)、張緊系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)架等組成。鋼帶式壓榨過濾機(jī)為全自動連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)時(shí)污泥輸送至布料器中，在雙軸螺旋的攪拌下，沿設(shè)備寬幅橫向均勻布料至下濾網(wǎng)，下濾網(wǎng)載著污泥一起運(yùn)行至預(yù)壓脫水區(qū)與上濾網(wǎng)重合，在預(yù)壓脫水區(qū)污泥被壓密變得平整，同時(shí)在這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)污泥的初步脫水，緊接著污泥進(jìn)入高壓脫水區(qū)，兩層濾網(wǎng)帶著污泥沿S形運(yùn)行，在高壓脫水區(qū)運(yùn)行過程中，受強(qiáng)大擠壓力和剪切力作用，污泥大量脫水，污泥離開高壓脫水區(qū)后在設(shè)備末端被刮刀刮下，卸料后污泥經(jīng)皮帶機(jī)輸送至污泥堆場，卸料后，上下濾網(wǎng)回到設(shè)備起始端再次生產(chǎn)。

圖2 高壓脫水單元示意圖

布料器采用的是雙軸螺旋布料器，主要作用是沿設(shè)備寬幅橫向均勻分配污泥，并能根據(jù)車速的大小調(diào)整布料量。脫水系統(tǒng)主要由預(yù)壓脫水區(qū)和高壓脫水區(qū)組成，其中高壓脫水區(qū)由幾個(gè)高壓脫水單元組成 (如圖2所示)，高壓脫水區(qū)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要調(diào)整高壓脫水單元數(shù)量，一般選用1～3個(gè)高壓脫水單元，污泥脫水主要在高壓脫水區(qū)完成，高壓脫水區(qū)也是整個(gè)設(shè)備的核心部分。張緊系統(tǒng)分為鋼帶張緊和濾網(wǎng)張緊，分別用于調(diào)整鋼帶和濾網(wǎng)的松緊程度。糾偏系統(tǒng)由鋼帶糾偏部分和濾網(wǎng)糾偏部分組成，防止鋼帶和濾網(wǎng)在運(yùn)行過程中跑偏。清洗系統(tǒng)分為鋼帶清洗和濾網(wǎng)清洗，使鋼帶和濾網(wǎng)始終保持清潔狀態(tài)，避免鋼帶和濾網(wǎng)堵塞而影響脫水效果。控制系統(tǒng)由變頻傳動控制、進(jìn)料與布料控制、糾偏系統(tǒng)控制等組成，保證設(shè)備自動化穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 脫水原理

污泥中所含的水分一般認(rèn)為有4種形態(tài)，即間隙水、毛細(xì)結(jié)合水、表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水。其中，間隙水占總含水量的65%～85%，毛細(xì)結(jié)合水占總含水量的15%～25%，表面吸附水和內(nèi)部結(jié)合水一起占總含水量的10%。間隙水是指污泥顆粒包圍著的游離水分，這部分水不與污泥顆粒直接結(jié)合，很容易分離，是污泥濃縮的主要對象。污泥由高度密集的細(xì)小固體顆粒組成，在固體顆粒接觸的表面上，由于毛細(xì)力的作用，形成毛細(xì)結(jié)合水，濃縮作用不能分離毛細(xì)結(jié)合水，需借助機(jī)械作用力才能去除這部分水分。污泥顆粒細(xì)小，比表面積大，由于表面張力吸附的水稱為表面吸附水，表面吸附水難以用普通的濃縮或脫水方法去除。內(nèi)部結(jié)合水是指包含在微生物細(xì)胞內(nèi)的水分，只有破壞細(xì)胞膜才能去除內(nèi)部結(jié)合水。

從理論上講，必須施以至少等于毛細(xì)壓力的外加壓力才可能去除毛細(xì)水。毛細(xì)水壓力 (P)如式 (1)所示:

式中，σ為表面張力;θ為接觸角;r為毛細(xì)管半徑。

鋼帶式壓榨過濾機(jī)在壓榨脫水時(shí)，除張緊的濾網(wǎng)對泥餅施加壓力之外，張緊的鋼帶對泥餅也施加了強(qiáng)大的擠壓力，高壓脫水區(qū)泥餅所受到的壓榨壓力P總?cè)缡?(2)所示:

式中，Q為濾網(wǎng)張力;Qh為鋼帶張力;Rh為高壓脫水輥半徑。

濾網(wǎng)的張力Q一般能達(dá)到4～10 kN/m，鋼帶的張力Qh一般能達(dá)到50～150 kN/m，最大可以達(dá)到300 kN/m，鋼帶機(jī)可根據(jù)污泥的性質(zhì)選擇高壓脫水單元的數(shù)量，當(dāng)鋼帶式壓榨過濾機(jī)采用多個(gè)高壓脫水單元時(shí)，鋼帶張力設(shè)置成依次逐步升高，如當(dāng)采用3個(gè)高壓脫水單元時(shí)，第一條鋼帶的張力若設(shè)置為50 kN/m，第二條鋼帶的張力可設(shè)置為100 kN/m，第三條鋼帶張力則可提高至150 kN/m，這種逐步升高的壓榨壓力，結(jié)合泥餅在運(yùn)行過程中所受到的剪切力，可最大限度地將污泥中的水分壓榨出來，同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，根據(jù)污泥可脫水的程度，除了可以調(diào)整鋼帶張力大小外，還可以調(diào)整設(shè)備運(yùn)行的速度來調(diào)整出泥含固率(車速調(diào)整范圍一般為0.5～3 m/min)，但是無論采用何種脫水方式，無論壓力梯度有多大，濾餅層中總會有一時(shí)刻毛細(xì)力與排液力達(dá)到平衡。

與其他脫水設(shè)備相比，鋼帶能提供強(qiáng)大的張力和剪切力 (與鋼帶相比，濾網(wǎng)提供的張力幾乎可以忽略)并能連續(xù)生產(chǎn)，而且在生產(chǎn)過程中能靈活調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，這就是鋼帶式壓榨過濾機(jī)區(qū)別于一般脫水設(shè)備能夠經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水的原因。

實(shí)際生產(chǎn)中，污泥深度脫水通常是機(jī)械作用和化學(xué)作用綜合作用的結(jié)果，除了配備機(jī)械設(shè)備外，往往會選擇加入藥劑來改善污泥脫水性能，污泥脫水的難易程度可以用比阻值來衡量，比阻值越大越難脫水，相反則越容易脫水。一般經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行機(jī)械脫水的污泥，其比阻值在 (0.1～0.4)×109s2/g之間較為經(jīng)濟(jì)，造紙廠各種污泥的比阻值一般均大于此值。為改善污泥的過濾脫水性能，提高污泥脫水設(shè)備的效率，通常會對污泥進(jìn)行適當(dāng)調(diào)質(zhì)改性，化學(xué)調(diào)質(zhì)是最為常用的辦法，通過添加藥劑，降低Zeta電位，污泥顆粒表面的雙電層得到壓縮，使處于穩(wěn)定狀態(tài)的污泥膠體顆粒脫穩(wěn)，顆粒物之間通過藥劑絮凝作用而聚集，有些藥劑有降低表面張力和破壞細(xì)胞膜的作用，通過添加化學(xué)藥劑，不僅可以加快設(shè)備對污泥脫水的速度，而且能提高泥餅最終脫水的程度，使脫水后的泥餅含固率更高［7-15］。

2 污泥深度脫水工藝與工程實(shí)踐

2.1 污泥深度脫水工藝介紹

鋼帶式壓榨過濾機(jī)作為二次深度脫水設(shè)備，可以與板框壓濾機(jī)、廂式隔膜壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、離心機(jī)等設(shè)備配合使用，具體介紹如下。

2.1.1 板框/廂式隔膜壓濾機(jī)與鋼帶式壓榨過濾機(jī)聯(lián)合深度脫水

板框/廂式隔膜壓濾機(jī)與鋼帶式壓榨過濾機(jī)聯(lián)合深度脫水工藝如圖3所示。其脫水過程為:當(dāng)含固率3%～5%的污泥添加藥劑后進(jìn)入板框/廂式隔膜壓濾機(jī)，污泥在板框/廂式隔膜壓濾機(jī)實(shí)現(xiàn)第一次過濾和壓榨脫水，脫水后泥餅含固率一般為30%～45%，卸料時(shí)泥餅經(jīng)輸送皮帶輸送至破碎機(jī)，破碎后泥餅落入移動料斗中，移動料斗通過進(jìn)料和出料實(shí)現(xiàn)泥餅的儲存和輸出，其作用主要是將板框/廂式隔膜壓濾機(jī)生產(chǎn)的泥餅暫時(shí)儲存起來，每次進(jìn)料能儲存板框/廂式隔膜壓濾機(jī)一個(gè)周期所產(chǎn)生的泥餅，移動料斗出料時(shí)，泥餅經(jīng)過渡皮帶落入鋼帶式壓榨過濾機(jī)的布料器料斗，通過鋼帶式壓榨過濾機(jī)進(jìn)行第二次壓榨脫水，經(jīng)鋼帶式壓榨過濾機(jī)壓榨后含固率一般可達(dá)到50%～55%。在移動料斗出料供鋼帶式壓榨過濾機(jī)生產(chǎn)的同時(shí)，板框/廂式隔膜壓濾機(jī)可以開始第二個(gè)生產(chǎn)周期的生產(chǎn)，當(dāng)?shù)诙€(gè)生產(chǎn)周期準(zhǔn)備卸料時(shí)，移動料斗中的泥餅已經(jīng)被鋼帶式壓榨過濾機(jī)處理完，可以進(jìn)料儲存板框/廂式隔膜壓濾機(jī)的泥餅，如此反復(fù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。脫水后的泥餅輸送至污泥堆場準(zhǔn)備處置，脫水設(shè)備壓榨出來的壓濾液經(jīng)廢水處理系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放。

圖3 板框/廂式隔膜壓濾機(jī)與鋼帶式壓榨過濾機(jī)聯(lián)合深度脫水工藝示意圖

板框/廂式隔膜壓濾機(jī)的優(yōu)勢是化學(xué)藥劑用量低，以及對不同性質(zhì)污泥適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)在于板框機(jī)/廂式隔膜壓濾機(jī)是間歇生產(chǎn)，自動化程度低，并且在壓榨脫水階段，效率低而能耗高;鋼帶式壓榨過濾機(jī)為連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)量大，自動化程度高，能對已經(jīng)脫水污泥實(shí)現(xiàn)低能耗二次深度脫水。板框/廂式隔膜壓濾機(jī)和鋼帶式壓榨過濾機(jī)聯(lián)合深度脫水工藝可充分發(fā)揮兩種設(shè)備的優(yōu)勢，污泥在低濃過濾脫水階段采用化學(xué)藥劑用量低，對污泥適應(yīng)性強(qiáng)的板框/廂式隔膜壓濾機(jī)，在高濃壓榨階段采用效率高能耗低的鋼帶式壓榨過濾機(jī)，根據(jù)污泥在不同狀態(tài)下脫水難度的差異以及對設(shè)備與過濾介質(zhì)的差異化要求，采取不同的設(shè)備分段處理，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本達(dá)到最低，不足之處在于板框/廂式隔膜壓濾機(jī)為間歇生產(chǎn)，鋼帶式壓榨過濾機(jī)為連續(xù)生產(chǎn)，兩個(gè)設(shè)備中間需要的過渡設(shè)備較多，系統(tǒng)配置相對復(fù)雜，前期投資成本也相對較高。

2.1.2 帶式壓濾機(jī)/離心機(jī)與鋼帶式壓榨過濾機(jī)聯(lián)合深度脫水

圖4 帶式壓濾機(jī)/離心機(jī)與鋼帶式壓榨過濾機(jī)聯(lián)合深度脫水工藝示意圖

帶式壓濾機(jī)/離心機(jī)與鋼帶式壓榨過濾機(jī)聯(lián)合深度脫水工藝如圖4所示。其脫水過程為:當(dāng)含固率3%～5%的污泥添加藥劑后經(jīng)帶式壓濾機(jī)/離心機(jī)處理至含固率20%～30%，脫水后泥餅在螺旋輸送機(jī)中與藥劑充分?jǐn)嚢杌旌希?jīng)螺旋輸送機(jī)輸送至鋼帶式壓榨過濾機(jī)布料器料斗，經(jīng)鋼帶式壓榨過濾機(jī)脫水至45%～55%左右的含固率，脫水后泥餅至污泥堆場準(zhǔn)備處置，脫水設(shè)備壓榨出來的壓濾液經(jīng)廢水處理系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放。

表1 鋼帶式壓榨過濾機(jī)在制漿造紙污泥深度脫水中的應(yīng)用

該工藝中所有設(shè)備均為連續(xù)生產(chǎn)，優(yōu)點(diǎn)是中間過渡設(shè)備少，工藝流程相對簡單，自動化程度高，可直接在客戶現(xiàn)有的帶式壓濾機(jī)/離心機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行改造，占地和投資相對較省，不足之處在于前段普通帶式壓濾機(jī)藥劑用量相對偏高，而且當(dāng)帶式壓濾機(jī)和離心機(jī)出來泥餅偏濕時(shí)，有時(shí)需要加入干粉藥劑以改善污泥脫水性能和抗剪切性能。

2.2 工程實(shí)踐

表1總結(jié)了近年來鋼帶式壓榨過濾機(jī)在制漿造紙污泥深度脫水中的應(yīng)用狀況。從表1中可以看出，經(jīng)過鋼帶式壓榨過濾機(jī)處理后，污泥含固率基本可以達(dá)到50%～55%。鋼帶式壓榨過濾機(jī)投入市場以來，以其優(yōu)異的性能及靈活的搭配方式，為眾多造紙廠解決了污泥處理的難題，得到用戶的普遍認(rèn)可。

3 結(jié)論與展望

3.1 鋼帶式壓榨過濾機(jī)能將制漿造紙污泥脫水至50%～55%含固率，為后續(xù)污泥資源化利用奠定了基礎(chǔ)，為制漿造紙工業(yè)污泥處理處置的難題提供了一條新的解決方案。

3.2 鋼帶式壓榨過濾機(jī)通過與板框機(jī)、廂式隔膜壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、離心機(jī)聯(lián)合深度脫水，根據(jù)污泥在不同狀態(tài)下脫水難度的差異以及對設(shè)備及過濾介質(zhì)的差異化要求，采取不同的設(shè)備分段處理，既可經(jīng)濟(jì)合理地實(shí)現(xiàn)污泥深度脫水，又保證了設(shè)備廣泛的適應(yīng)性。

3.3 除了制漿造紙污泥的脫水，鋼帶式壓榨過濾機(jī)也適用于漿料脫水洗滌、漿渣脫水、白泥脫水等各種需要固液分離的場合;另外，鋼帶式壓榨過濾機(jī)也可用于其他各行業(yè)需要固液分離的場合。

［1］ GB/T 24602—2009 The DisposalofSludge From Municipal Wastewater Treatment Plant-Sludge Quality for Separate Incineration［S］．GB/T 24602—2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)［S］．

［2］ GB/T 24600—2009 The DisposalofSludge From Municipal Wastewater Treatment Plant-Quality of Sludge Used in Land Improvement［S］．GB/T 24600－2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質(zhì)［S］．

［3］ GB/T 23486—2009 The DisposalofSludge From Municipal Wastewater Treatment Plant-Quality of Sludge Used in Gardens or Parks［S］．GB/T 23486－2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)［S］．

［4］ GB/T 23485—2009 The DisposalofSludge From Municipal Wastewater Treatment Plant-Quality of Sludge for Co-landfilling［S］．GB/T 23485—2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)［S］．

［5］ LI Yong，ZHU Hai，XU Cui-ying，et al．Techniques of Sludge Treatment，Disposal and Application［J］．China Pulp ＆ Paper，2008，27(11):59．李 永，朱 海，許翠英，等．造紙污泥處理及資源化應(yīng)用技術(shù)［J］．中國造紙，2008，27(11):59．

［6］ WANG Chuan-gui，JIANG Ze-hui，Liu Xian-miao，et al．Research Advance of Utilization of Paper Sludge［J］．China Pulp ＆ Paper，2009，28(1):64．王傳貴，江澤慧，劉賢淼，等．造紙污泥資源化利用研究進(jìn)展［J］．中國造紙，2009，28(1):64．

［7］ LV Wen-bin．Application Study on Conditioning and Dewatering of Mixed Sludge in Paper Mill［D］．Guangzhou:South China University of Technology．2011．呂文彬．造紙廠混合污泥調(diào)質(zhì)與脫水應(yīng)用研究［D］．廣州:華南理工大學(xué)，2011．

［8］ LV Wen-bin，ZHU Xiao-lin，LI Ji-geng，et al．Dual Polymer Conditioning of Sludge from Wastewater Treatment in Paper Mills Using Waste Paper as Raw Materials［J］．China Water ＆ Wastewater，2013，29(1):64．呂文彬，朱小林，李繼庚，等．廢紙?jiān)旒垙U水處理污泥的有機(jī)-有機(jī)復(fù)合調(diào)質(zhì)研究［J］．中國給水排水，2013，29(1):64．

［9］ LV Wen-bin，ZHU Xiao-lin，LI Ji-geng，et al．A Study on Sludge Conditioning in Effluent Treatment with Waste Paper as Raw Materials［J］．China Pulp ＆ Paper Industry，2011，32(2):26．呂文彬，朱小林，李繼庚，等．廢紙?jiān)旒垙U水處理中污泥調(diào)質(zhì)的研究［J］．中華紙業(yè)，2011，32(2):26．

［10］ LI Yuan-hua，LIU Huan-bin，LI Ji-geng，et al．The Comparison between Two Methods of Chemical Conditioning in Sewage Sludge Dewataring［J］．Paper Science ＆ Technology，2012，31(4):93．李遠(yuǎn)華，劉煥彬，李繼庚，等．兩種化學(xué)調(diào)質(zhì)方法在造紙污泥脫水的效果比較［J］．造紙科學(xué)與技術(shù)，2012，31(4):93．

［11］ LV Wen-bin，ZHU Xiao-lin，LI Ji-geng，et al．Study on Paper Mill Sludge Conditioning and Dewatering with Aluminium Polysilicate［J］．Paper Science＆ Technology，2011，30(3):86．呂文彬，朱小林，李繼庚，等．聚硅酸鋁用于造紙混合污泥調(diào)質(zhì)脫水的研究［J］．造紙科學(xué)與技術(shù)，2011，30(3):86．

［12］ JIANG Jian-guo．Disposal and Resource Recovery of Solid Waste［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2008．蔣建國．固體廢物處置與資源化［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［13］ CAO Wei-hua，SUN Xiao-jie，ZHAO You-cai．Application Examples of Sludge Treatment and Resource Utilization［M］．Beijing:Metallurgical Industry Press，2010．曹偉華，孫曉杰，趙由才．污泥處理與資源化利用實(shí)例［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2010．

［14］ ZHU Jian-bo．Research on Optimization Design of Belt Filter Press Dewatering Performance［D］．Beijing:China Academy of Machinery Science of Technology，2002．朱劍波．帶式壓濾機(jī)脫水性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］．北京:機(jī)械科學(xué)研究院，2002．

［15］ LIU Heng．Research and Development of Belt Filter Press［D］．Guangzhou:Guangdong University of Technology，2008．劉 恒．帶式壓濾機(jī)的研究與開發(fā)［D］．廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2008． CPP