污泥加钙二级处理的工艺基础与应用
来源： 阅读：3909 更新时间：2011-07-26 10:22介绍了脱水污泥加钙二级处理的基本原理、工艺组成、国外有关研究与工程经验，归纳了工艺主要影响因素，设计原则及注意事项。
关键词：污泥加钙；污泥干化；污泥固化；污泥杀菌
1 脱水污泥加钙在污泥处理中的应用
污泥加钙处理是脱水污泥进一步处理中最早得到应用的方法之一，由于工艺简单，能耗低等原因，至今仍是污泥处理处置中的一个常用的手段。较为经典的应用分别是利用加入氧化钙后PH和温度的升高来实现污泥的杀菌；或利用添加氧化钙及其他物质（如飞灰、水泥、碳酸钙等）后污泥的固化效果来满足污泥的填埋的工艺要求。另外，处理过程中选择适宜的混合条件可有效改变污泥的性质，由致密、粘稠变成疏松、流动性能好、便于储存和运输的物料。
随着污泥处理与利用的多样性化，污泥加钙二级处理的应用也相应拓宽，图1根据污泥加钙处理后物料性能的变化来汇总处理后各种可能的处理和利用途径。
 |
2 污泥加钙处理的基本原理
将污泥与氧化钙均匀混合，氧化钙与污泥中所含的水分发生如下反应：
1kgCaO+0.32kgH2O->1.32 kgCa(OH)2+1177kJ （1）
根据这一反应，每投加1公斤的氧化钙有0.32的水被结合成为氢氧化钙，反应所生成的热约相当于蒸发约0.5公斤的水所需要的热。所以处理后污泥中的一部分水被结合成固体物质氢氧化钙，还有一部分得到蒸发。氧化钙以及与水反应所生成的氢氧化钙，会与污泥中的其他物质发生进一步的反应，如氢氧化钙与空气中CO2的反应：
1.32 kg Ca(OH)2 +0.78kg CO2 -> 1.78kg CaCO3 + 0.32 kg H2O + 2212 kJ （2）
这一反应会进一步增加固体物的总量、所产生的热量也可以进一步蒸发一定的水分，进而增加处理后污泥的含固量。
脱水污泥成分复杂，除此上述主要反应外，氧化钙、氢氧化钙还可以与污泥中所含的SiO2、Al2O3、磷酸根等发生一系列反应，如
1.32 kg Ca(OH)2 +1.45 kg AlPO4 -> 1.84 Ca3(PO4)2 + 0.93 Al(OH)3 （3）
这些反应的最终结果会对脱水污泥产生以下效果:
(1)由于碱性物质的作用致使的PH植增高
(2)由于反应反热导致污泥温度升高
(3)反应生成物中结合了游离水,同时由于放热反应,一部分游离的水被蒸发.
通过这些反应,污泥处理后可以达到以下目的:
（1）杀菌：温度的提高和pH的升高可以起到杀菌的作用，从而保证在利用或处置过程中的卫生安全性；
（2）脱水：由含水率80%-85%脱水到20%-80%（依氧化钙投加量而定），实现半干化、固化的效果，便于后续处理处置；
（3）钝化重金属离子：投加一定量的氧化钙使污泥成碱性，可以结合污泥中的部分金属离子形成无害的化合物达到钝化重金属离子的效果；
（4）改性、颗粒化：从而改善储存和运输条件，避免二次飞灰、渗滤液泄漏；
3 温度、含固量和硬度等参数的变化
3.1 温度
根据氧化钙与水的反应放热（1）并考虑污泥中固体物和水的比热，可以通过理论计算来推测反应后污泥的温度增加（Meyer等， Gehrke2）
 |
（4）
其中
ΔT： 温度增加值oC
X: 1000kg脱水污泥中所加入的有效氧化钙的量kg
TS： 原始脱水污泥固体物含量%
如上述，由于污泥成分复杂，除了主反应外，还有其他反应同时进行，会在一定程度上影响体系的温度。另外式（3）并没有考虑系统散热和水分蒸发吸热而带来的温度降低。所以特别是当氧化钙加量大（此时反应放热量较高）时实际温度会明显低于计算温度。
3.2 含固率
根据氧化钙与水的反应，可以计算污泥由反应（1）而产生的物体物质变化理论值。
 （5） |
其中：
TSo：原始污泥含固率%
TS：处理后污泥含固率%
X:一吨脱水污泥中所加入的氧化钙的量kg
η：氧化钙中有效成分含量%
式（5）没有考虑反应放热导致的水分蒸发。实际中，由于水分的蒸发以及其他的反应，含固率会不同程度地略高于计算值。
3.3 强度
处理后污泥的强度随着加钙量的增加而增加。由于污泥成分复杂，难于用计算公式对强度的增加进行推测。通常处理后满足填埋承压要求的含固率在35-40%。
原始污泥的pH值以及所含的磷酸根除了对处理后的固体物含量的影响外，对强度的增加也有明显影响（参见式（3）），实际当中通常有化学除磷的污水处理厂的污泥，在同样的加钙量下处理后的强度高于其他污泥。
3.4 关于总量的变化及含固率、有机分的测定
处理中，当加钙量较高时，污泥中干物质总量会显著增加。如根据式（1），含水80%的污泥，加入15%的氧化钙时，干物质的总量增加约一倍。但与此同时，污泥中的水被结合以及还有一部分水被蒸发，所以污泥中水的总量被减少，最终，处理后污泥的总量的增加低于固体物质总量的增加。
实际中特别值得注意的是，污泥加入氧化钙后的固体物含量（含水率）测定中常常会出现误差，测量得到的数值高于真实的实际值。这是因为试样的烘干过程中，样品中所含有的氢氧化钙与空气中的CO2反应生成造成碳酸钙（参见反应式（2））。采用真空干燥会避免这一影响。
同样的现象会出现在固体物中的有机分（或灰分）的测定中，虽然在600oC时有机物会被分解，但分解过程中所放出的CO2会与氢氧化钙反应生成碳酸钙，从而增加了所测到的灰分含量。
4 反应速度及过程影响因素
通过检测加钙后系统温度升高的速度，可以间接观察不同品质的氧化钙的消化速度。
Gehrke将定量的高活性氧化钙分别加入蒸馏水和污泥滤液中（图2），同样搅拌条件下发现，溶液上升到最高温度分别需要12和18分钟2。溶液从20 oC升温到 60 oC的时间相差约10分钟。这表明污泥水中的浊度明显延缓了反应速度。
 |
图2：氧化钙在蒸馏水和污泥滤液中的消化速度
Fries5对脱水污泥进行实验，将高活性氧化钙（纯度88%）与脱水污泥混合。图3显示添加量分别为10%和15%后温度增加值的变化。污泥脱水污泥温度不断上升，持续80分钟后才开始变缓或下降。对照图2，由于污泥的存在，污泥中的水与氧化钙粉末或粉末团之间的传质速度远低于搅拌条件下氧化钙粉末与污泥滤液的反应速度。
 |
脱水污泥是一个粘稠、致密及具有触变性的物料，在既定的污泥和氧化钙原料下，氧化钙粉料如何在工程上均匀的与污泥混合，是污泥加钙处理中的一个最重要的环节。North等[i]对同样的污泥来源（华盛顿污水处理厂）用两种不同的工艺条件处理并对处理后的污泥进行微观形态学分析，发现氧化钙与污泥的结合程度有明显的差别。氧化钙在污泥中的分散度越低，越不利于反应。华盛顿污水处理厂通过改进混合技术与条件，氧化钙添加量从25%降至15%[ii]。
 |
上面列举的一些研究结果显示，污泥加钙处理反应过程的影响因素有以下几个方面：
（1）氧化钙本身的活性受纯度、粒度、比表面积等影响，通过选择高活性的氢氧化钙，可以加速反应。
（2）由于污泥的特殊性，反应是一个缓慢的过程，远低于与纯水的反应速度。
（3）混合后氧化钙在微观上与污泥的混合程度及分散度对反应很重要，加入的氧化钙在污泥中的分散度越高，对提高反应速度和节省氧化钙用量越有利。
5 基本工艺
5.1 工艺原则
虽然氧化钙与污泥的反应时间较长，但从微观上看，氧化钙一旦与污泥接触反应就开始进行。所以工程实施中的基本原则为：
（1）对污泥-水-氧化钙这样一个体系，应在尽量短的时间内使氧化钙粉末尽量均匀地与污泥混合，尽快实现接触表面的最大化；
（2）由于污泥的触变性以及污泥-水-氧化钙体系的传质是反应速度的控制步骤，过程中应尽量避免“挤压”，尽量在“柔和”的条件下进行，以便保护污泥自有的较松散结构并有利于粉料与污泥的混合与扩散（参见德国废水协会ATV污泥手册4）。
（3）由于整个反应进行较慢，混合后反应仍将持续一段时间，污泥在后续的输送过程及堆积过程中仍在进一步反应，设计中应优化工艺条件有利于污泥的后续反应及水蒸汽的蒸发。
North等介绍了华盛顿污水处理厂污泥加钙处理工艺优化的实施[i]，其中的基本思路是（1）改善混合条件 （2）利用混合物料在后续输送过程中的停留时间为进一步的反应提供有利条件。
5.2 工艺组成
污泥加钙处理的工艺主要有以下几个部分组成（参见图5）：
（1） 脱水污泥给料
（2） 氧化钙计量投加系统，
（3） 混合反应系统
（4） 处理后污泥出料输送系统
（5） 蒸发气体净化（主要是针对加钙量较高的应用场合）
机械脱水设备出来的污泥最好直接进入混合反应设备，因为一般脱水设备出来的污泥在量上较为稳定，通常不再进行在线计量，直接进入混合反应器。
氧化钙经过计量输送设备后，进入混合反应设备。
 |
在加钙量较高时，会有明显的氨气蒸发，需要实施废气净化单元。
值得说明的是，在很多情况下也可以向污泥中混入多种物料，如当处理污泥后进行填埋时，可以污泥中添加飞灰和少量水泥，达到节省氧化钙和增加强度的效果。
6 工程实施案例
下面介绍一个德国的污水处理厂加钙二级处理[i]，系统设计和实施中为了适应污泥处理处置的灵活性，考虑了不同利用和处置的需求，分别为：
（1） 污泥加钙处理作为杀菌，然后农用
（2） 作为半干化用于异地焚烧
（3） 作为固化以便填埋
基本工艺
（1） 向机械作用的流化床混合反应器中加入石灰
（2） 混合设备：机械驱动流化床混合器
（3） 石灰：细生石灰，CaO含量>90％
（4） 污泥含固率：约23％
（5） 设计的处理后污泥含固率：可在23－80％之间自由选择
污泥从脱水机出来后经螺杆输送至混合反应器的污泥入口。存放在料仓中的石灰由螺杆输送至中间储料罐，该储料罐与石灰计量加料装置配套，将氧化钙粉末加入混合反应器的粉料入口。
密闭的混合反应器中安装有特殊的混合元件，通过机械力将污泥抛起并使其分散，形成一个流化床的效果，在疏松的状态下与氧化钙相混合[ii]。为了避免部分物料短路行进到物料出口，搅拌元件始终将向反应器出口移动的物料的三分之二抛向进口方向，形成走三步退两步的效果，以保证体系的均匀混合。混合反应器上方配置有气体出口，可将反应中产生的水蒸气引出。物料在混合反应器的停留时间约1分钟。处理后的物料被输送至卡车或就地堆积。
污泥经不同加钙量的处理后的外观变化参见图6。部分分析数据参见表1.
 |
表1：加钙处理后污泥温度、pH值及含固量变化
（原始污泥含固率22.7%）
|
编号
（与图6对应））
|
石灰与污泥的重量比
|
温度
（处理后30分钟测量）
|
在相应时间后的含固率
|
pH值
|
|
|
50小时
|
一周
|
||||
|
1
|
2%
|
28℃
|
30.8%
|
33.1%
|
12.5
|
|
2
|
4.6%
|
30℃
|
35.9%
|
38.0%
|
12.6
|
|
3
|
6.9%
|
43℃
|
39.2%
|
41.4%
|
12.6
|
|
4
|
9%
|
45℃
|
48.1%
|
未测
|
12.6
|
|
5
|
11%
|
58℃
|
51.7%
|
未测
|
12.6
|
|
6
|
14.4%
|
59℃
|
54.8%
|
未测
|
12.6
|
实际运行中，加钙量在5%时，可以满足农用的杀菌要求，在10%时可以满足填埋场填埋工艺要求。
6、小结
随着城市污水处理的发展，污泥的安全处置与利用已经成为一个急待解决的问题。
加钙处理是历史上脱水污泥进一步处理中最早采用的手段之一，至今仍在得到应用。由于工艺较老，所以近十多年来相关的科技文献较少。本文旨在介绍一些典型的研究结果来说明这一技术虽然没有直接实现减量化，但可以用较低的成本和简单的工艺实现半干化、固化和杀菌的作用，并同时改善污泥的特性便于储存与运输。很多情况下该工艺是污泥应用于农业、林业、卫生填埋、水泥、建材利用和异地焚烧的一个较有效的预处理手段。
已有的研究与工程经验表明，污泥-水-氧化钙的传质是该处理方法的速度、质量控制环节。从工艺角度，应该在尽量短的时间内实现氧化钙和污泥的高分散度的混合。由于污泥的触变性，混合搅拌的能量输入强度和时间需要控制。工程上在实现污泥与氧化钙的充分混合后需要优化后续的输送与储运。
参考文献
[1] 张健.污泥处理过程中的物质与能量流分析[J].给水排水，2008，34 增刊：54-58
[1] Gerhke R. Anwendung von Kalk in kommunalen Klaeranlagen[J]. Korrespondenz Abwasser,1978, 25(11):375-389
[1] Meyer H, Zies V. Erfahrung und Probleme der Klaerschlammverwertung in Form von Kalkduenger[J]. Korrespondenz Abwasser,1977, 24(2):46-52
[1] ATV. Klaeschlamm(M), Ernst & Sohn Verlag, 1996, Berlin：386-397
[1] Fries D, Rosenwinkel K.-H, Rueffer H. Einsatz von Kalk bei der weitergehenden Schlammentwaesserung[J] Korrespondenz Abwasser,1979,26(6): 291-295
[1] North JM, Becker JG, Seagren EA等. Methods for Quantifying Lime Incorporration into Dewatered Sludge I: Bench-Scale Evaluation[J], Journal of environmental engineering, 2008, 134(9): 750-761
[1] North JM, Becker JG, Seagren EA等. Methods for Quantifying Lime Incorporration into Dewatered Sludge II: Field Scale Application [J], Journal of environmental engineering, 2008, 134(9): 762-770
[1] Tewes G, Zellerhoff F.-J. A pinpointed subsequent treatment of waste water sludges to secure application as fertilizer in agriculture[J], AWT Abwassertechnik, 1987, 38(2) : 31-34
[1] Merz A, Luecke R. Einfluss der Schaufelgeometrie auf Axiadispersion und konvektiven Transport beim kontinuierlichen Feststoffmischen[J], 1978,8:313-318
