一種污泥深度脫水工藝試驗研究

吳 淼,馬星民

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息學(xué)院，北京 100083；2. 北京中礦環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆本?100038)

隨著我國污水處理工程的快速發(fā)展，污泥作為最終產(chǎn)品，產(chǎn)量不斷加大.“十二五”期間，年產(chǎn)量約2 500萬噸[1].污泥富集了污水中有機物、磷、氮及病毒、寄生蟲、細菌等有毒物質(zhì)，具有相當(dāng)大的環(huán)境危害.污泥處置的方式主要有土地利用、填埋、焚燒、建材利用等.

資料顯示[1-5]顯示，污水處理廠出廠的污泥含水率都在80%以上.其含水率對于污泥的土地利用、填埋、焚燒等極為不利，尤其達不到焚燒要求的67.7%以下[4].如果要對其進行利用，就必須進行深度脫水.深度脫水是指對含水率較高的污泥進行調(diào)質(zhì)處理后，再進行脫水處理，使其含水率達到55%～65%，特殊條件下污泥含水率還可以更低[6].

污泥深度脫水技術(shù)包括污泥調(diào)質(zhì)處理和調(diào)質(zhì)后污脫水處理.目前，污泥調(diào)質(zhì)處理普遍采用在污泥中加三價鐵鹽、鋁鹽的方法[2-3]，改變污泥中水(間隙水和毛細水)的存在方式和結(jié)構(gòu)；然后加入石灰作為滅活劑，殺菌除臭，同時也在污泥中形在多孔網(wǎng)格狀骨架，改變其壓縮性.采用隔膜壓榨機進行脫水處理，將污泥含水率控制在65%～55%之間.

污泥深度脫水作為一種新型工藝路線，同時作為污泥處置的一個中間環(huán)節(jié)，正逐步得到污泥處置領(lǐng)域的認可[1].采用采污泥深度脫水技術(shù)不僅為后續(xù)處置帶來方便，也通兼顧污泥處置的經(jīng)濟和環(huán)境平衡，是適合我國污泥處置技術(shù)的新途徑.上述脫水工藝雖然名義上將污泥水分質(zhì)量分數(shù)處理在65%以下，但污泥自身的水分質(zhì)量分數(shù)并沒有降低，具體分析如下：

1) 污泥中水分子存在的方式主要由污泥中有機分子結(jié)構(gòu)所決定，其調(diào)質(zhì)方式并不能改變污泥中有機物分子結(jié)構(gòu)，尤其是不能改變其中微生物及其胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)等有機物的分子結(jié)構(gòu)，即不能從本質(zhì)上改水的存在狀態(tài)，只是通過滲透作用淅出部分水分，水分降低效果不明顯.

2) 污泥水分降低的原因主要是通過控制加入石灰來實現(xiàn).原理是通過兩種不同密度的物料混合，當(dāng)密度大的物質(zhì)增加時，密度小的物質(zhì)在混合物中所占比例自然減小.石灰的密度要比水大，當(dāng)增加石灰質(zhì)量分數(shù)時，水的質(zhì)量分數(shù)自然減小.

3) 采用隔膜壓濾機對調(diào)質(zhì)后污泥進行過濾，特點是間隙工作，不易實現(xiàn)自動化控制，運行效率低；設(shè)備價格高，維護成本高[7].

針對上述問題，對污泥深度脫水問題進行了深入的研究，從調(diào)質(zhì)處理到脫水設(shè)備都進行了開拓性研究，取得了一定的成果和經(jīng)驗，為污泥的深度脫水技術(shù)開辟了一個新的方向.

1 污泥連續(xù)深度脫水工藝

1.1 調(diào)質(zhì)原理

污泥的調(diào)質(zhì)處理是對其深度脫水的關(guān)鍵技術(shù).污泥中含有大量的微生物及其胞外聚合物是細菌和其他微生物產(chǎn)生的用于自我保護和相互粘附的天然有機物[8]，是污泥中重要組成部分.EPS與泥中的水分結(jié)合形成氫鍵，進而影響泥中從分子的存在形式.污泥中大部分的水結(jié)合在EPS中，是影響脫水性能的重要因素之一[9].因此，破壞EPS結(jié)構(gòu)、改變水分子的存在形式是調(diào)質(zhì)的關(guān)鍵所在.結(jié)合文獻[10-11]對污水中的污染物去除研究，本次研究采用氧化方法進行去除.

在含水率80%以上的污泥中，依次分別加入硫酸亞鐵和雙氧水.經(jīng)過氧化反應(yīng)后，污泥中有機物可分解為二氧化碳、水、無機鹽.泥中通過氫鍵結(jié)合的水分子變?yōu)橛坞x態(tài)，可過濾性增強，經(jīng)過濾后可進一步降低污泥中水分.其具體氧化過程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

如果在反應(yīng)深度和時間上沒有限制，有機物可以完全被降解為二氧化碳、水、無機鹽.

1.2 工藝流程

本試驗研究采用污泥氧化調(diào)質(zhì)、連續(xù)脫水工作的原理.工藝環(huán)節(jié)主要包括污泥調(diào)質(zhì)、泵送系統(tǒng)、初級壓濾、二級壓濾、皮帶輸送等5部分(其工藝流程見圖1，設(shè)備布置見圖2).其中初壓濾設(shè)備采用普通帶式過濾機，深度過濾設(shè)備選用鋼帶過濾機.工作原理是：首先將調(diào)質(zhì)后的污泥經(jīng)初級脫水后由流態(tài)變成塑態(tài)，然后經(jīng)深度脫水變成固態(tài).使其水分質(zhì)量分數(shù)達到65%以下，為污泥的進一步處置焚燒、干化或填埋創(chuàng)造條件.

圖1 污泥深度脫水工藝流程圖

圖2 污泥深度脫水設(shè)備布置圖

含水率85%的污泥通過黏稠物料輸送裝置輸送至攪拌器，依次將調(diào)質(zhì)藥劑硫酸亞鐵與雙氧水加入污泥，充分攪拌，氧化后的污泥由塑態(tài)變成流態(tài)，然后經(jīng)泵送系統(tǒng)將其輸送至帶式壓濾機進行初級壓濾.初級壓后的污泥為塑態(tài)，由皮帶機輸送到鋼帶壓濾機，經(jīng)鋼帶壓濾機深度壓濾后，污泥變成固態(tài).最后通過卸料皮帶機輸送至焚燒爐或干化機內(nèi)進一步對其進行處置.壓濾后的污水，回到污水處理廠統(tǒng)一處理.

1.3 關(guān)鍵設(shè)備

1.3.1 普通帶式壓濾機

普通帶式壓濾機由驅(qū)動機構(gòu)、張緊裝置、糾偏裝置、壓榨輥、糾偏輥、清洗裝置、接水裝置、擋泥板、機架等組成(圖3)，利用雙層濾帶夾持著漿料在脫水輥上進行壓榨脫水.其脫水過程一般分為重力脫水區(qū)、楔形脫水區(qū)、壓榨脫水區(qū)及高壓壓榨區(qū).其作用是將調(diào)質(zhì)好的污泥進行初級進濾，使污泥由流態(tài)變?yōu)樗軕B(tài)，以便進行下一步深度壓榨.

圖3 普通帶式壓濾機示意圖

帶式壓濾機脫水原理，是依靠濾帶產(chǎn)生的機械力對物料進行過濾，過濾介質(zhì)的壓力差是由濾帶拉力產(chǎn)生.圖4為其受力示意圖.

帶式壓濾機壓榨區(qū)模型可用平帶理論近似描述，壓榨力P與帶的張緊力T的關(guān)系式：

(5)

式中:B為濾帶的帶寬，D為壓榨棍的直徑，P為壓榨力，T為帶的張緊力.

圖4 濾帶與壓榨棍的受力圖

圖5 鋼帶壓榨原理示意圖

1.3.2 鋼帶壓濾機

與普通帶式壓濾機相比，鋼帶機除了由驅(qū)動機構(gòu)、張緊裝置、糾偏裝置、壓榨輥、糾偏輥、清洗裝置、接水裝置、擋泥板、機架等結(jié)構(gòu)外，還有鋼帶壓濾結(jié)構(gòu)(如圖5所示).鋼帶壓濾結(jié)構(gòu)由張力帶、加壓帶、過濾帶平行重疊繞在壓榨輥外而成，張力帶由鋼履帶構(gòu)成.張力帶能夠使濾餅同時受到濾餅運行方向(縱向)、與濾餅運行垂直方向(橫向)、濾餅厚度方向(垂直方向)的三維剪切力，使濾餅在壓榨過程中受到全方位的充分擠壓，尤其是大幅度增加了在垂直方向的擠壓力.提高了物料的壓縮比，有利于濾餅壓榨脫水、保持濾帶清潔，減少過濾帶損傷等特點.

鋼帶張力通過張緊油缸來調(diào)節(jié)，從而調(diào)整對物料的過濾的壓力，油壓最高可達25 MPa.鋼帶機適合過濾有一定抗壓強度的物料，對于非流態(tài)物料尤為合適.

1.3.3 濾布選型

濾帶透氣量選擇的大小對處理能力起著至關(guān)重要的作用.透氣量過大容易造成壓榨段濾液渾濁，去除率降低.透氣量過小，重力區(qū)的排水效率低，處理能力直接受到影響.當(dāng)進料量控制不好時，還有可能在壓榨段出現(xiàn)擠壓“跑泥”現(xiàn)象.

對于普通壓濾機的濾布以過濾作用為主，即要保證一定強度，又要確保其通透性；鋼帶式壓濾機的濾布以強度為主，其過濾方式是過濾物料自身作為過濾介質(zhì).

2 脫水試驗

2.1 試驗步驟

1) 將一定量的污泥倒入通過污泥輸送系統(tǒng)泵送至攪拌器中.進入攪拌器中的物料計量通過輸送系統(tǒng)自動控制來實現(xiàn).通過均勻攪抖，污泥均勻地攤在攪拌器中，由于剪切稀薄作用，原吸附于污泥分子間水會有一定淅出.

2) 根據(jù)加入污泥質(zhì)量，按一定比例將一定質(zhì)量的FeSO4藥劑通過加藥裝置加入攪拌器中.將FeSO4調(diào)整為濃度為33%的液態(tài)形式加入，充分攪拌，使之與污泥充分混合均勻；攪拌時間一般在5～10 min.

3) 再根據(jù)污泥質(zhì)量，按一定比例將一定質(zhì)量的H2O2藥劑通過加藥裝置加攪拌器中，H2O2濃度控制在30%左右.同時進行攪拌，調(diào)質(zhì)藥劑會與污泥中的有機物發(fā)生氧化反應(yīng)，并伴有大量氣體溢出，大量熱量釋放，同時產(chǎn)生體積膨脹現(xiàn)象.調(diào)質(zhì)后的污泥這時會呈現(xiàn)流態(tài).

4) 將充分調(diào)質(zhì)后的污泥通過泵送系統(tǒng)輸送至普通帶式過濾機，經(jīng)過普通帶式過濾機初步壓濾后，污泥過濾出一定的水分，由流態(tài)壓濾成塑性狀態(tài)(圖6)，有一定抗剪切強度，可成受一定的壓力；含水率一般在71%左右.

5) 污泥經(jīng)過普通帶式過濾機壓濾后，由過渡溜槽輸送至鋼帶壓濾機進行深度壓榨，進一步進行脫水.脫水后污泥由塑態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)(圖7)；含水率一般在60%左右.

圖6 含水72%壓濾后污泥

圖7 含水58%壓濾后污泥

2.2 試驗數(shù)據(jù)

為使試驗研究不失一般性.污泥選用了多家污水處理廠的污泥，有昌平污水處理廠、威立雅污水處理廠、清河污水處理廠和九仙橋污水處理廠.對于每批次污泥都進行含水率化驗，對于關(guān)鍵工序結(jié)點的污泥含水率也進行了化驗，具體數(shù)據(jù)見表1至表5.表1至表4為每一種污泥的重復(fù)試驗，含水率取其多次試驗后的平均值.表5為各種污泥的原泥含水率、調(diào)質(zhì)過程含水率及壓濾后最終含水率，以便于直觀的數(shù)據(jù)比對，同時用于壓濾出水量分析.

表1 昌平污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,昌平(原泥含水率84.56%);藥劑標(biāo)識,FeSO4+H2O2.

表2 威立雅污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,威立雅(原泥含水率84.61%);藥劑標(biāo)識,FeSO4+H2O2.

表3 清河污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,清河(原泥含水率85.60%);藥劑標(biāo)識：FeSO4+H2O2.

表4 九仙橋污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,九仙橋(原泥含水率85.60%);藥劑標(biāo)識,FeSO4+H2O2.

表5 幾種污泥調(diào)質(zhì)后含水率與壓濾后含水率對照表

2.3 出水量分析

污泥調(diào)質(zhì)時，加入的藥劑FeSO4與H2O2均為液態(tài).其中FeSO4質(zhì)量為污泥質(zhì)量的5%，H2O2溶液質(zhì)量為污泥質(zhì)量的8%，溶解FeSO4時用水量為污泥質(zhì)量的10%.根據(jù)實測原泥含水率、調(diào)質(zhì)后污泥含水率、最終壓濾后污泥含水率數(shù)據(jù)，可以推算出實際每噸污泥所壓濾出的水量.

現(xiàn)以處理1 t昌平污泥為例進行分析.原泥含水率為84.56%，系統(tǒng)處理后含水率為61.22%.由于壓濾前、后污泥只有水分的變化，固體物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不變.顯然,原泥中含水量為

1×84.56%=0.845 6,

調(diào)質(zhì)后污泥總質(zhì)量為

1+1×5%+1×8%+1×10%=1.23,

調(diào)質(zhì)后污泥實測含水率81.67%，可知，調(diào)質(zhì)后污泥質(zhì)量為

1.28×(1-81.67%)=0.224 3.

由于調(diào)質(zhì)后污泥在壓濾前后其質(zhì)量不變，壓濾后濾餅含水量為W，壓濾后含水率為61.22%，則

W/(W+0.224 3)=61.22%，W=0.353 9.

故壓濾后每噸出水

0.845 6-0.353 9=0.491 7.

同理知，威立牙雅污泥每噸出水量為0.470 7 t,清河污泥每噸出水量為0.583 7 t,九仙橋污泥每噸出水量為0.500 6 t.

該工藝可使每噸污泥實際出水量在0.5 t左右，對污泥的后續(xù)處理帶來極大的便利，尤其當(dāng)進行干化、焚燒時，會節(jié)約大量的能源，降低了成本.

3 系統(tǒng)特點

1) 調(diào)質(zhì)效果好

在污泥中依次分別加入硫酸亞鐵和雙氧水，可將污泥中的EPS及其他有機物徹底氧化.不僅能使污泥的有機物可分解為二氧化碳、水、無機鹽，而且可使原污泥中通過氫鍵結(jié)合的水分子變?yōu)橛坞x態(tài)，污泥可過濾性增強.

2) 脫水效果好

在污泥中無需過濾加額外過濾骨架(如石灰、粉煤灰等)，污泥自身的無機物便可充當(dāng)過濾骨架，經(jīng)壓濾后，脫水效果良好.水分質(zhì)量分數(shù)平均降低約25%.體積為原來1/3.

3) 除菌除臭效果好

由于藥劑的氧化作用，有害細菌及發(fā)臭有機物被分解，故其除菌除臭效果好.

4) 過濾壓力高

該脫水系統(tǒng)與隔膜壓濾機系統(tǒng)相比，擠壓壓力大，膈膜壓濾機在1.5 MPa以下[7]，鋼帶機擠壓壓力可達2.5 MPa.

5) 自動化效果好

該脫水系統(tǒng)與采隔膜壓濾機系統(tǒng)相比，工作連續(xù)，易于實現(xiàn)自動控制，勞動強度小，維護成本小.

6 ) 需水量少

采用隔膜壓濾系統(tǒng)時，需加水將污泥稀適至含水率95%的溶液將態(tài)，方可進行調(diào)質(zhì)；本工藝直接在污泥中加藥調(diào)質(zhì)，節(jié)約了大量用水，減少后續(xù)污水處理費用.

4 結(jié)語

經(jīng)過研究課題組近兩年的深入研究，確定了“FeSO4與H2O2化學(xué)調(diào)質(zhì)+普通帶機初級過濾+鋼帶機二級過濾”的連續(xù)脫水工藝流程，對不同污水處理廠所產(chǎn)生的污泥進行了大量脫水試驗.研究結(jié)果表明，通過對污泥調(diào)質(zhì)處理，可以實現(xiàn)改性處理，脫水性能增強；該脫水系統(tǒng)脫水效果良好，在不加石灰等過濾骨架的情況下，可使污泥含水率達60%左右，降低約25%；系統(tǒng)工作連續(xù)，易于實現(xiàn)自動化.因此，該工藝是深度脫領(lǐng)域的一種技術(shù)創(chuàng)新，具有良好的實用價值和推廣前景.