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城市污水污泥的深度脱水技术的分析

2022/01/04 阅读:

摘要:污水处理过程中伴随着大量副产物剩余污泥的产生,随着中国城市污水污泥量不断增加,污泥处理处置设施不够完善,致使污泥大量积压。因此,实行污泥减量化是污泥处理过程中必不可少的环节。对污泥来源、组成和性质进行总结分析,以无锡市为例,对污泥脱水处理路线等方面进行调研,结合多年工作经验,对污泥深度脱水技术进行研究。

关键词:城市污水污泥;污泥脱水;焚烧

中国污水处理厂建设初期存在严重的“重水轻泥”现象,随着城市污水污泥的不断增加,污水污泥处置已成为广大环境科研工作中亟需研究的重要课题。当前,污泥焚烧是一种符合中国国情的污泥处置方式,首先对污泥进行减量化,通过污泥深度脱水技术,使处理后的污泥含水率达到60%以下,通过减量化,可以提高污泥焚烧的经济效益和焚烧处理效率。当前,国内外学者已经对深度脱水过程和机理开展了相关研究。本文在总结这些研究成果的基础上,通过调研无锡市10座污水处理厂污泥脱水处理的现状和深度脱水技术,对污泥脱水技术进行了探讨。通过污泥深度脱水技术来降低污泥含水率,使其成为污泥焚烧前的重要工序,这种方法在污泥处理处置领域也得到了认可。

1城市污水污泥的来源

污水污泥是城市污水处理厂处理污水过程中产生的有机和无机沉淀物、悬浮物和胶体的统称。按照污泥的定义和产生来源可将污泥分为初沉污泥、二沉污泥和化学污泥。初沉污泥主要来自污水处理的初沉池,以无机物为主,包括进水中所含有的所有可沉降性物质;二沉污泥来自污水生物处理系统的二沉池或生物反应池,以有机物为主,产生于BOD(生化需氧量)的生物去除过程,曝气池活性污泥的沉降产物,常用浓缩法将其浓缩;化学污泥是指用化学除磷药剂等化学方法处理污水时所产生的污泥,主要以无机物为主,为化学除磷或混凝沉淀去除SS(悬浮物)过程中形成的污泥。大多数研究定义城市污水污泥为三者的混合物。

2城市污水污泥的组成和性质

2.1城市污泥组成

污泥是城市污水处理的副产物,主要由固相和液相两部分构成。固相主要包括有机物和无机物两种,有机物是指微生物形成的菌胶团及其吸附的水相中部分有机成分,无机物指混入污水处理系统的泥砂、重金属、盐类等固体物质;液相主要指水。固相与液相相互混合形成了成分复杂、结构松散、形状不规则的絮体物质,而水与结构复杂的絮体物质由于力的作用分布在污泥絮体的各个空隙中,使污泥脱水难度较大。

2.2污泥指标

污泥泥质主要与污水处理厂进水水质相关,泥质指标主要分为基本控制指标(含水率、密度、有机物含量、pH值等)、脱水性能指标(毛细吸水时间、比阻等)、卫生学指标(粪大肠菌群等)、养分指标(N,P,K等)、重金属指标、有机成分指标及其他指标。相对于其他泥质指标,污泥含水率高对其处理处置造成的困扰最大,因此,如何提高污泥的脱水性能成为污泥处理处置研究的重点。

2.3污泥中水分

污泥含水率较高,污泥经浓缩池浓缩后含水率为95%~97%。污泥的胶体特性及EPS(胞外聚合物)的存在,使污泥易捕获水分子,水分子存在于污泥絮表面及絮体、细胞内部,水分子与固体颗粒之间存在一种能量或者结构的束缚作用。为了更加深入地研究城市污泥脱水性能与所含水分种类之间的关系,很多研究者将污泥中水分分为以下4种形式:自由水、间隙水、表面水、结合水,其中,自由水约占总水量的70%,间隙水约占20%,而占比仅有3%的结合水,需要在105℃经热化学破坏才能被释放。

3深度脱水过程和机理研究

3.1污泥脱水

污泥脱水,即脱出污泥中的水分使其含水率降低到一定程度。可根据污泥中液相与固相的结合形式及不同污泥处理处置的含水率要求,采用适宜的脱水技术。污泥脱水的方式为通过外加能量或药剂以改变污泥絮体结构,使污泥中水更易分离,达到最终脱水的目的。自由水与污泥颗粒依附关系较小,束缚水与污泥颗粒结合紧密,不同形态水分所需的能量不同。自由水在脱水过程中较容易去除,束缚水是限制污泥脱水效率的重要因素之一,去除该部分水分需要较大的能量,去除各种水时污泥含水率的变化趋势与之相关,表1为污泥中不同形态水分的去除方法。国内外学者对深度脱水药剂的性质、絮凝机理、投药量、温度、pH值及各种化学药剂的复配对污泥脱水效果的影响有广泛且深入的研究,但大多数集中于调理药剂对污泥絮体结构及性质的改变,而对脱水液的组分及其产生机理研究甚少,且实际污泥深度脱水过程中存在投药量大、有机物含量降低、压滤液水质恶化从而增加污水处理负荷等问题。同时化学药剂的投加存在危害人类和生态环境的风险,采用物理或者生物调理或许将是污泥脱水的方向。现阶段,中国污泥深度脱水普遍采用化学调理方式,板框压滤使污泥达到减量、减容的脱水效果,满足后续焚烧、填埋等处置方式的要求,成为中国污泥减量化的主流技术[1]。

3.2污泥絮体及沉降性能变化

污泥调理过程是改变污泥胶体结构和絮体表面或细胞内部水分形态,进而使污泥胶体难沉降性及EPS对水亲和力改变的过程。因此,污泥絮体体积和沉降性能的变化与污泥调理效果直接相关。原污泥絮体均匀松散,沉降性能较差,沉降4h后上清液比例仅为3%左右。投加FeCl3后污泥絮体体积和沉降性能均变化较小,仅有部分絮体变得较为密实。但是在投加CaO后,污泥絮体明显增大,沉降性能显著改善,然而污泥絮体仍然较为松散。继续投加CPAM(阳离子聚丙烯酰胺)可以使污泥絮体体积继续增大,形成的团聚结构较为密实,污泥絮凝能力增强,且具有较好的沉降性能。经FeCl3,CaO和CPAM调理后,污泥内部水得到释放,颗粒间相互黏附,使结合态束缚水转换为自由水,强化了污泥脱水效果[2]。

3.3污泥pH值电导率和粒径变化

pH值和电导率的改变都使污泥絮体结构发生变化,当投加NaO和NaC时,所形成的偏碱性环境能够使HlEPS溶解,进而破坏EPS包裹的絮体结构,使小颗粒物和结合水同时释放,增强污泥脱水效果。当投加FeCl3后污泥呈弱酸性,污泥粒径变化较小,但是污泥电导率升高,这主要是因为Fe3+的投加削弱了生物絮凝作用。继续投加CaO后pH值上升,此时污泥的中值粒径及平均粒径降低,絮体变得小而密实,是由于Fe3+具有较高的化合价,能够与更多带负电基团结合所致。碱性环境易破坏EPS结构,导致原污泥由胶体状态分散为小颗粒物,污泥絮体形态的转化使EPS包裹的结合水被释放,同时部分离子也随之溶出,使电导率急剧升高。继续投加CPAM后pH值和电导率变化较小,但污泥粒径明显增大,絮体增大、密实、沉降性能明显升高,使污泥脱水效果进一步得到改善[2]。

3.4污泥比阻和Zeta电位变化

污泥比阻(SRF)是通过测试在相同压力下污泥过滤速率,从而衡量污泥脱水的难易程度。而Zeta电位则用于描述污泥表面电荷与污泥絮体分布状况,进而表征其沉降和压缩性能。污泥深度脱水过程中污泥比阻明显降低;而Zeta电位明显升高,增强污泥絮体的可压缩性及沉降性能。Zeta电位绝对值与比阻SRF的变化趋势相同,随着药剂投加种类的增多,Zeta电位绝对值逐渐减小;在投加FeCl3后污泥比阻SRF变化较为明显,投加CPAM后对其影响较小,表明CPAM仅起到絮凝作用,对污泥絮体的压缩性能影响较小。随着污泥比阻的降低,经深度脱水后污泥含水率总体呈下降趋势,同时污泥粒径均匀度的变化以及污泥有机物含量的降低也与污泥比阻降低的结果吻合,证明污泥具有较好的过滤性能[3]。

4城市污水处理厂污泥处理处置路线

4.1污泥处理现状

通过调研无锡市10座污水处理厂污泥脱水处理的现状,对各个污水处理厂污泥处理设备和含水率等做出总结,无锡市污水处理厂的污泥脱水处理主要包括两种形式,即常规脱水和深度脱水。所调研的10座污水处理厂污泥含水率基本分布在60%及80%左右,主要与各污水处理厂污泥脱水形式相关,以带式压滤为代表的常规脱水形式的脱水泥饼含水率在80%左右,以板框压滤为代表的深度脱水形式的脱水泥饼含水率在60%左右。污水处理厂污泥处置方式主要以焚烧为主,约占总处置量的64%,土地利用和建材利用(制砖)分别占24%和12%。处置方式决定处理方式,处理方式影响处置方式,因此对污泥深度脱水的研究主要依据污泥焚烧的处置路线开展。

4.2污泥的预处理

对无锡市污泥脱水现状的调研发现,以化学调理机械压滤为代表的污泥深度脱水技术是无锡市污泥处理的主要形式。传统的化学调理机械脱水技术主要采用FeCl3、生石灰、聚丙烯酰胺等化学药剂作为调理剂,脱水污泥满足后续自持焚烧及填埋的处置需求。为了提高脱水性能,污泥预处理是需要的,化学调理剂是絮凝固体颗粒物,可提高污泥的沉降和过滤性能,添加飞灰、木屑废弃物等物理方法能够起到骨架和助凝剂的作用,提高泥饼的多孔性和可压缩性。但化学药剂有对人类和生态环境造成危害的风险,传统深度脱水机理研究的相关试验表明,化学药剂的投加在破坏污泥结构、增强其脱水性能的同时,也使吸附在絮体表面的难生物降解的有机物释放到液相中,导致压滤液水质恶化,回流至污水处理厂,增加其运行负荷和处理难度。化学药剂多为无机物且投加量大,导致污泥泥饼有机物含量明显下降,不利于后续焚烧等能源化处理处置。可采用具有骨架构建作用且价廉易得的生物质粉末作为物理调理剂对污泥进行预处理,对污泥深度脱水技术进行优化研究。同时碳基材料作为物理添加剂因无机材料具有多孔性而具有更好的效果。此外,碳基材料具有低灰分和高热值,尤其是当污泥最终用于焚烧时,这种材料价廉、环境友好,如果能够带来较好的脱水效果,将极具市场前景。

4.3对污泥深度脱水技术的研究

目前,无锡市常规脱水污泥大部分运往具有污泥深度脱水设施的厂区,进行深度脱水。所谓“污泥深度脱水技术”,是指对脱水污泥进行预处理,通过物理、化学或生物作用破坏污泥絮体结构,尽可能地释放吸附水、结合水和胞内水,提高污泥脱水性能,并进一步借助有效措施使污泥处理后含水率达到60%以下的脱水技术。由前期无锡市10座厂的调研结果可知,污泥处理主要以脱水为主,深度脱水污泥量约占总处理量的64%,常规脱水占44%,无锡市城市污泥处理方式主要以深度脱水为主,深度脱水主要分为两种:化学调理+板框压滤、生物沥浸+板框压滤,主要以前者为主。化学调理+板框压滤过程中,化学调理药剂一般选取低分子无机药剂协同高分子絮凝药剂进行调理,无锡市污泥调理药剂主要为FeCl3、生石灰、聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等药剂。但常规深度脱水技术也产生了一系列的问题,如投药量大、化学药剂易造成二次污染、污泥有机物含量下降、压滤液水质恶化、增加污水处理负荷等问题。目前EPS被认为是影响污泥脱水性能的最主要因素,污泥具有高压缩性,单纯维持高压不能快速实现深度脱水,因此深度脱水主要关注点与重点在于前期的污泥调理,后续高压设施则作为辅助实现深度脱水。针对污泥脱水的限制因素———污泥颗粒的强压缩性,采用生物质粉末作为化学药剂的协同物质对污泥进行调理,在减弱污泥固体强压缩性的同时增加污泥的有机物含量,为后续污泥能源化处理处置提供便利条件。生物质粉末有机物含量较高且颗粒刚性较强,较适宜减弱污泥胶体的强压缩性。如竹粉、稻壳粉等有机质粉末主要成分为纤维素、木质素和SiO,具有一定的韧性和多孔性等特点。其中以网络状2分布的SiO是有机质粉末的主要骨架支撑,木质素和2纤维素填充在其中,且本身含有大量有机物,作为污泥调理剂,增加热值的同时还可以防止其对焚烧设备的腐蚀,同时生物质粉末是一种价廉易得的可再生资源。因此,充分利用有机质粉末,变废为宝,对减少环境污染,提高农民收入,促进经济增长,具有重大意义。

5结语

污泥焚烧已经成为符合中国国情的一种处理处置方式,目前最大程度地降低污泥含水率是基于污泥焚烧处理处置方式的研究重点。由此产生的污泥深度脱水技术作为焚烧前处理技术,正在逐步得到污泥处理处置领域的认可,污泥深度脱水后不加热源自持焚烧或稍加热源进行焚烧处置,可实现污泥的最大化减量和能源回收。

参考文献:

[1]陈晓光,王硕.城市污水处理厂污泥产率计算公式探讨[J].中国给水排水,2015,31(1):68-72.

[2]时亚飞,杨家宽.基于骨架构建的污泥脱水/固化研究进展[J].环境科学与技术,2011,34(11):70-75.

[3]王晶,杨昌柱.市政污泥深度脱水滤液水质特性研究[J].环境工程,2014,32(增刊1):107.

作者:潘旭东 单位:无锡市滨湖生态环境局

城市污水污泥的深度脱水技术的分析

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