摘要:主要介紹了污泥脫水技術(shù)(干化、焚燒、超聲波、熱水解、電滲析、混凝沉淀和其它常用技術(shù))的基本原理和影響因素,分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件,并結合應用情況對它們的發(fā)展趨勢作了展望。
關(guān)鍵詞:污泥,減量化,污泥脫水
引言
2004年,全國廢水排放總量為482.4億t,其中工業(yè)廢水221.1億t,城鎮生活污水261.3億t,廢水中COD排放量1 339.2萬(wàn)t[。1]如果65%的污水用生物法處理,按萬(wàn)t廢水產(chǎn)生2.7 t(干質(zhì)量)污泥計算,則全國將產(chǎn)生污泥847萬(wàn)t(干質(zhì)量),若折合含水80%,則污泥為4 233萬(wàn)t,由此可看出,污泥的處理成為污水處理廠(chǎng)面臨的又一難題。污泥處理處置的成本主要包括場(chǎng)內傳輸費用、場(chǎng)外運輸費用和填埋費用,而影響成本的最主要因素是污泥的量,如果污泥的含水率減少一半,則全國可以減少污泥2 116萬(wàn)t,至少可以減少一半的填埋用地和運輸費用,大大降低管理成本,所以污泥脫水技術(shù)有著(zhù)重大的應用價(jià)值。
1污泥減量化的途徑
污泥的主要成分是水分(99%左右)和有機物,還有少量的氮化物、磷化物、多環(huán)芳烴、農藥殘留、病原體和重金屬離子等。常見(jiàn)污泥處理工藝流程如圖1。從污泥的組成成分和處理流程看,污泥減量有兩個(gè)途徑,一是減少有機物的量(消化、焚燒),二是降低污泥的含水率(濃縮、脫水、干燥、焚燒)。第二個(gè)途徑較第一個(gè)簡(jiǎn)單易行,所以主要介紹污泥的脫水技術(shù)。圖1一般污泥處理流程。
2干化脫水技術(shù)
2.1干化脫水工藝流程
干化是一種利用熱能將污泥中水分快速蒸發(fā)的處理工藝,根據熱能的來(lái)源和加熱方式的不同,可分為流化干燥、間壁干燥、過(guò)熱蒸汽干燥、紅外輻射干燥、對撞流干燥等。中國目前還沒(méi)有污泥干化廠(chǎng)建成運行,現在國外常見(jiàn)的干化工藝有流化床干化、盤(pán)式干化、轉鼓干化。
(1)流化床干化工藝中污泥不需要預處理,直接送入流化床干燥器,以蒸汽為熱能,由熱轉換器將熱能傳遞給污泥。整個(gè)系統為封閉循環(huán)系統,氣體中的含氧量極低,基本惰性化。污泥的水分以氣態(tài)形式進(jìn)入空氣,氣體經(jīng)冷凝除水后才能再進(jìn)入循環(huán),否則污泥易粘結。污泥在流化床內通過(guò)激烈的流態(tài)化運動(dòng)形成均勻的污泥顆粒,細顆粒被旋風(fēng)除塵器收集,又與少量濕污泥混合重新回污泥干燥器,這樣可提高干燥效率。干化顆粒經(jīng)冷卻送入充滿(mǎn)惰性化氣體的干顆粒儲存料倉,產(chǎn)生的少量廢氣被送入生物過(guò)濾器除臭后排入大氣。流化床干化工藝流程示圖2。
(2)盤(pán)式干化工藝先用外部熱源加熱一個(gè)油爐,再通過(guò)油體將熱能傳送到干燥盤(pán)。干燥盤(pán)有5～7層圓盤(pán),污泥首先被均勻攤在頂層的圓盤(pán)上,主軸上的耙子將污泥顆粒從內推向外沿,送到下一層圓盤(pán)上,如此依次下滑。為了充分利用污泥顆粒本身的熱量,在每層都有新污泥涂在污泥顆粒表面,顆粒不斷增大,干燥后的顆粒一部分再返回盤(pán)式干燥器,另一部分粒徑合格顆粒冷卻后送入顆粒儲存料倉。氣體冷凝除水后經(jīng)高溫焚燒,徹底去除氣味后高空排放。盤(pán)式干化工藝流程如圖3。
(3)轉鼓干化工藝以天然氣或沼氣為能源,以空氣為傳熱介質(zhì)。濕污泥和部分干化顆粒在混合器中混合,由氣流把它帶入轉鼓干燥器,污泥在轉鼓干燥器中隨氣流以穩定的速度旋轉前進(jìn),由內筒向外筒轉移,污泥逐漸被干化成顆粒。被干燥的污泥顆粒與氣體分離,經(jīng)分級篩,粒徑合格顆粒進(jìn)入儲料倉,粒徑不合格的顆粒返回與濕污泥混合。氣體處在一個(gè)循環(huán)系統中,通過(guò)轉鼓干燥器的氣體與污泥顆粒分離,再經(jīng)冷凝器冷凝再次進(jìn)入循環(huán),少量廢氣經(jīng)生物過(guò)濾器除臭后排出。轉鼓干化工藝流程見(jiàn)圖4。
2. 2 干化脫水技術(shù)的應用分析
干化脫水技術(shù)從20世紀40年代出現以來(lái),經(jīng)不斷改進(jìn),干化過(guò)程中污泥性狀穩定、不易產(chǎn)生沼氣、不易粘結,產(chǎn)生的氣體難燃不易爆,干化后污泥含水率低于10% ,減量率很高,占地少,易控制,安全,穩定。其缺點(diǎn)是投資和運行費用較高,對管理和操作技術(shù)的要求也較高,適用于土地緊張的大型污水處理廠(chǎng)或較集中的多個(gè)中小型污水處理廠(chǎng)污泥的集中處理。
3 流化床焚燒技術(shù)
3. 1 流化床焚燒脫水工藝流程流化床焚燒爐為圓筒形,氣體由底部通入,經(jīng)配氣板均勻送入爐堂,爐膛的最下端為一次燃燒區,在穩定的氣流吹動(dòng)下,污泥在配氣板上方呈懸浮態(tài),狀似液體沸騰,故稱(chēng)之為“流化態(tài)”。污泥干化后質(zhì)量減輕,開(kāi)始上浮進(jìn)入二次燃燒區,此區溫度為850 ℃左右,二口惡英可被分解。煙塵從爐頂排出,進(jìn)入余熱鍋爐,二口惡英易在300 ℃左右生成,故爐溫須保持在210 ℃以下。然后再進(jìn)入煙氣洗滌塔,去除重金屬、灰塵和硫、氯、氟、氮氧化物等有害物質(zhì),汞只有用HOK(膛式爐焦炭)氣流吸附法和經(jīng)堿洗池(添加藥劑TMT 15)處理才能去除。
3. 2 流化床焚燒脫水技術(shù)的應用分析
污泥經(jīng)一次燃燒區的干燥處理后,含水率達50% ,可自行燃燒,焚燒后水分去除率能達100%。流化床焚燒脫水技術(shù)耗能少、節省運輸成本、水分去除率高、殺滅病原體、處理能力強、速度快、危險性小等,但造價(jià)高、燃燒產(chǎn)生的二口惡英和煙氣中的重金屬處理困難。與填埋和堆肥相比,成本更低、對環(huán)境的影響更小。
20世紀60年代,美國開(kāi)始污泥的焚燒研究,1962年,美國Lynnwo Washington建成了世界上第一臺焚燒污泥的流化床鍋爐,目前污泥焚燒在德國、日本、奧地利、丹麥、比利時(shí)、法國、荷蘭、瑞士等國已成為污泥處理的主要手段。中國僅浙江大學(xué)、清華大學(xué)等開(kāi)展了污泥焚燒處理研究。中國的污水處理廠(chǎng)的污泥大部分都是作填埋和堆肥處理,污泥焚燒在北京和深圳的污水處理廠(chǎng)有小規模應用。
隨著(zhù)土地資源的緊缺和人們用堆肥對土地污染認識的深化,污泥的焚燒處理將逐漸被重視。
4 超聲波脫水技術(shù)
4. 1 超聲波脫水原理
污泥中所含的水可以分為自由水( 70% ) 、菌膠團包含水( 27% ) 、毛細管水( 2% ) 和結合水(1% ) 。自由水的去除較為容易,毛細管水和結合水雖然較難去除,但含量很少,可以忽略。菌膠團中心為固體顆粒,周?chē)搅舜罅康奈⑸飿O其代謝的產(chǎn)物(糖類(lèi)、脂類(lèi)、有機酸和蛋白質(zhì)等) ,這些吸附物在菌膠團的外層形成疏水膜,包裹在有機質(zhì)疏水膜中的水分稱(chēng)為菌膠團包含水,這部分水分很難去除,且量較大。
超聲波(頻率在16 kHz以上的聲波) 具有較高的能量,能在水中急劇放電,產(chǎn)生高溫和高壓等極端條件,能改變構成疏水膜物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì),破壞菌膠團結構,提高污泥的脫水性能,同時(shí)釋放到水體中的有機質(zhì)還可作為厭氧發(fā)酵的營(yíng)養源。
4. 2 超聲波脫水的影響因素與應用分析
超聲波對污泥的作用受超聲波強度、作用時(shí)間和頻率的影響。高強度、短時(shí)間(幾十秒～幾分鐘)的處理效果較好, 處理后污泥顆粒粒徑約80μm左右,污泥的脫水性能提高,沉淀性好;經(jīng)高強度、長(cháng)時(shí)間(幾個(gè)小時(shí))處理,污泥顆粒粒徑約5μm左右,表面積大大增加,但周?chē)酱罅康淖杂伤?使污泥的脫水性降低,污泥顆粒相互粘聯(lián)成松散的絮狀,難沉降;高頻( > 1 000 kHz)超聲波的化學(xué)效應較強,低頻( < 100 kHz)超聲波的物理效應較強。利用超聲波處理污泥主要是要破壞菌膠團的物理結構,所以低頻的處理效果較好。
還有人研究發(fā)現,在污泥的厭氧發(fā)酵過(guò)程中,用適當強度的超聲波對污泥進(jìn)行適當時(shí)間的處理,能促進(jìn)微生物的生長(cháng),提高有機物的去除能力。超聲波的作用機理和效應非常復雜,其作用條件如聲波強度、作用時(shí)間、頻率均影響到處理的效果,且它們之間還相互影響,目前對操作條件的優(yōu)化還沒(méi)有進(jìn)行系統的研究。
5 熱水解技術(shù)
5. 1 熱水解脫水原理
熱水解技術(shù)與超聲波技術(shù)的機理有相似之處。在高溫條件下,菌膠團表面的微生物和其代謝產(chǎn)物等有機質(zhì)溶解,包裹在其中的固體顆粒與有機質(zhì)相脫離,揮發(fā)性固體揮發(fā),易分解的有機物分解成二氧化碳、甲烷等氣體和揮發(fā)性的醇或酸逸出,使污泥的間隙水和毛細管水釋放出來(lái),污泥的脫水性能得以改善。
熱水解也會(huì )改善污泥的厭氧消化性能。脂肪類(lèi)、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)等有機物被分解為脂肪酸、氨基酸、寡糖、單糖等,有的甚至被分解為甲烷、二氧化碳、氨氣等,這些小分子有機物更容易被微生物利用和分解,提高了厭氧消化的效率, COD的去除率可達60%,大大減少了污泥的體積。有機物分解產(chǎn)生的揮發(fā)性有機酸可作為反硝化的碳源,硝化和反硝化同時(shí)進(jìn)行,且用揮發(fā)性有機酸作為碳源時(shí)反硝化速率比單純用甲醇作碳源時(shí)更快,N的去除率更高。
5. 2 影響熱水解脫水的因素
溫度、處理時(shí)間、壓力和添加化學(xué)藥劑都能影響熱水解處理效果,可以用固體顆粒的濃度、固體顆粒的溶解速度常數、揮發(fā)性有機酸的產(chǎn)量來(lái)反映處理效果。溫度應控制在幾十度到二百度之間,一__般溫度越高處理效果越好,VDS(揮發(fā)性溶解固體)的濃度隨溫度的升高而變大, VSS (揮發(fā)性懸浮固體)的濃度隨溫度的升高而降低,這是由于VSS不斷溶解成VDS造成的。在100 ℃以上時(shí),有機物分解基本完全, VFA (揮發(fā)性脂肪酸)產(chǎn)量基本穩定。各種熱水解脫水方法的處理時(shí)間不等,幾十秒或一個(gè)小時(shí)都可, VDS的濃度隨處理時(shí)間的延長(cháng)而變大,VSS的濃度隨處理時(shí)間的延長(cháng)變化不很明顯,VFA在SCOD (沉降性COD)中的比率并不隨溫度處理時(shí)間的延長(cháng)而增加,在15 min時(shí)有機物完全分解,VFA /SCOD達最大值,以后有部分VFA揮發(fā), VFA /SCOD 反而降低,最后基本穩定,一般隨著(zhù)處理時(shí)間的延長(cháng),處理效果趨優(yōu),。
由于高壓會(huì )使設備成本增加,且有安全隱患,現在多采用常壓條件。投加酸或者堿等化學(xué)藥劑能加速水解,降低反應溫度,但強烈腐蝕設備,成本也較高,所以現在也多不使用藥劑。
5．3 熱水解脫水的優(yōu)劣分析20世紀40年代,人們就開(kāi)始嘗試用熱水解法工業(yè)化處理污泥,但基本上都未獲得成功,原因有多個(gè)方面,如污泥比熱容較大、熱傳導性差,污泥的產(chǎn)量大,給污泥均勻快速加熱的技術(shù)不成熟,水解產(chǎn)生的氣體處理困難等。如果熱水解技術(shù)與厭氧消化技術(shù)相結合,既能脫水,又能減少有機質(zhì),可實(shí)現兩次減量化,應用前景廣闊。
6 電滲析脫水技術(shù)
6. 1 電滲析脫水原理
固體顆粒和液體在電場(chǎng)的作用下作定向運動(dòng),在通過(guò)多孔固體濾膜時(shí),固體顆粒粒徑較大不能通過(guò),而水分子能夠通過(guò),從而使固液相分離。固液分離的基本原理依據的是膠粒的雙電層理論,在電場(chǎng)中由于膠粒和擴散層所帶電荷不同,滑動(dòng)面產(chǎn)生滑動(dòng),膠粒和擴散層相分離,擴散層將液體帶走。污泥經(jīng)電滲析脫水處理后, 含水率能降到35%～45%。
6. 2 電滲析脫水的影響因素與應用分析
電滲析脫水過(guò)程受電場(chǎng)強度、溶液pH、絮凝劑、電極材料和形狀、濾布等因素的影響。兩個(gè)電極端脫水速率不同致使兩極端電阻率不同和電壓不均,導致電滲析無(wú)法徹底進(jìn)行。但電滲析耗能低,脫水效率高,有很強的實(shí)用性。目前對此技術(shù)原理的研究尚沒(méi)有一致結論,對電滲析影響因素進(jìn)行系統優(yōu)化的研究還未開(kāi)展。
7 絮凝脫水技術(shù)
7. 1 絮凝脫水原理
污泥帶負電,加入帶正電基團的高分子聚合物,通過(guò)壓縮污泥膠粒雙電層、電荷中和、吸附架橋和網(wǎng)掃捲捕作用使污泥膠體脫穩,固液相相互分離,同時(shí)重力沉降又能進(jìn)一步降低污泥含水量。表征污泥脫水性能的指標主要有比阻( SRF)和毛細管吸附時(shí)間(CST) ,常用CST, CST越短表示污泥脫水性能越好。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
7. 2 影響絮凝脫水處理的因素
絮凝劑的結構、投加量、投加方式和污泥成分都影響到污泥的沉淀效果。絮凝劑一般分為人工合成絮凝劑和天然絮凝劑。人工合成絮凝劑有聚合鋁類(lèi)、聚合鐵類(lèi)和聚丙烯酰胺類(lèi),天然絮凝劑有淀粉、殼聚糖等,但不常用。絮凝劑的脫水性能主要與碳鏈長(cháng)度和所帶電荷有關(guān),絮凝劑投加過(guò)量時(shí),污泥吸附絮凝劑上的正電荷,由于靜電斥力,污泥沉淀性能反而會(huì )降低,所以投加時(shí)要注意劑量。
絮凝脫水適用于脫水性能比較差、一般方法難以處理的污泥,但成本比較高,一些絮凝劑還可能存在生態(tài)安全隱患。絮凝沉淀在水處理中的應用較為廣泛,特別是給水處理,在污泥處理中的應用還較少。
8 污泥脫水的其它方法
(1)最常用的是重力濃縮,方法簡(jiǎn)單,效果好,成本低,污泥的第一步處理大多采用此方法,其不足是只能去除污泥中的自由水和部分間隙水,濃縮程度不很高。離心濃縮和壓濾機壓縮的應用也較為廣泛。
另一種比較簡(jiǎn)單、低成本的方法是太陽(yáng)暴曬。將污泥按一定厚度均勻的攤在地上,經(jīng)過(guò)幾天的暴曬就能使污泥干化,適用于北方少雨地區的小型污泥處理廠(chǎng),其不足是占地面積大。天津大學(xué)熱能研究所的鄭宗和等設計了一臺小型的混合型太陽(yáng)能干燥器對污泥進(jìn)行干化處理,以太陽(yáng)能作為主要熱源,以污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣作為輔助熱源,減少了電能消耗,降低了運行成本,與太陽(yáng)暴曬法相比,具有占地面積小、受天氣影響小、能控制臭味的擴散等優(yōu)點(diǎn),開(kāi)發(fā)潛力很大。
此外,還有一些其它方法用來(lái)處理特殊污泥,如凍結熔融法可用于大豆類(lèi)食品污水污泥脫水, 陶瓷過(guò)濾機可用于硫化污泥脫水。
應用時(shí)應區別不同情況選擇不同的計算方法,以保證計算結果的合理性和可比性。例如,在一般物理處理過(guò)程中,都需添加絮凝劑來(lái)聚合廢水中的有機物,此時(shí)添加的量與原水量相比極其微少,故可不考慮由于加藥而引起的稀釋作用,用方法1或者直接用處理前后的濃度計算就可以了; 在氣浮工藝中,如用清水作溶氣水,雖然清水量一般占原水量的30% ,但由于其污染物濃度很低,可以不考慮溶氣水所帶進(jìn)的污染物量,僅考慮由此引起的稀釋作
用,用方法2計算就可以;如果像上例所舉的實(shí)例一樣,添加的稀釋水量和污染物濃度都較高,用方法3才比較合理和恰當。
(2)評價(jià)同一處理設施時(shí)應注意計算口徑的一致性。在評價(jià)同一處理設施時(shí),尤其是在計算分段去除率和全套設施去除率時(shí),應使用同一計算方法,不能隨意亂用,否則將會(huì )給最終評價(jià)帶來(lái)偏差,甚至得出錯誤的結論。
(3)在以下兩種情況下不宜用污染物去除率和削減量對處理設施進(jìn)行評價(jià):
(A)在某道處理工藝過(guò)程中,某項污染指標經(jīng)處理后反而上升。例如在絮凝沉淀工藝中,由于添加了絮凝劑而使懸浮物升高,沉淀工藝不僅去除了部分原水中的懸浮物,也去除了部分絮凝物,只有用絮凝后的所有懸浮物來(lái)評價(jià)沉淀的效果才是科學(xué)的,但這是不現實(shí)的,如果僅用原水中懸浮物的去除率來(lái)評價(jià)絮凝沉淀的效果可能會(huì )使結果偏低,因而是不恰當的。
(B)在某些處理工段中,對某項污染指標沒(méi)有去除效果。仍以懸浮物為例,在生化處理過(guò)程中由于生物菌群的脫落也使懸浮物升高,而生化本身對懸浮物是沒(méi)有去除效果的,故不能因為生化處理對懸浮物沒(méi)有去除效果而否定生化處理的效果。
9 小 結
所介紹的這些污泥脫水方法各有優(yōu)缺點(diǎn),污水處理廠(chǎng)應根據不同的條件(處理水質(zhì)、處理規模、氣候等)加以選擇。從各種污泥脫水方法的研究進(jìn)展可以看出,目前的研究主要有三個(gè)方向,一是改進(jìn)加熱和傳熱方式使水蒸發(fā),如干化和焚燒技術(shù);二是改變污泥顆粒的結構,破壞菌膠團表面的有機質(zhì)疏水膜,如超聲波和熱水解處理技術(shù);三是改變污泥膠粒表面的雙電層結構,如電滲析和混凝技術(shù)。相信隨著(zhù)研究的不斷深入和技術(shù)的不斷成熟,這些方法將會(huì )為污泥的處理提供更多的選擇。（中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院）
