污水处理中的污泥脱水技术研究进展
摘 要:主要介绍了污泥脱水技术(干化、焚烧、超声波、热水解、电渗析、混凝沉淀和其它常用技术)的基本原理和影响因素,分析了它们的优缺点和适用条件,并结合应用情况对它们的发展趋势作了展望。
关键词:污泥, 减量化, 污泥脱水
引 言
2004年,全国废水排放总量为482.4 亿t,其中工业废水221.1亿t,城镇生活污水261. 3亿t,废水中COD排放量1 339. 2万t。[ 1 ]如果65%的污水用生物法处理,按万t废水产生2. 7 t (干质量)污泥计算,则全国将产生污泥847万t (干质量) ,若折合含水80% ,则污泥为4 233 万t,由此可看出,污泥的处理成为污水处理厂面临的又一难题。污泥处理处置的成本主要包括场内传输费用、场外运输费用和填埋费用,而影响成本的最主要因素是污泥的量,如果污泥的含水率减少一半,则全国可以减少污泥2 116万t,至少可以减少一半的填埋用地和运输费用,大大降低管理。
1 污泥减量化的途径
污泥的主要成分是水分( 99%左右)和有机物,还有少量的氮化物、磷化物、多环芳烃、农药残留、病原体和重金属离子等。常见污泥处理工艺流程如图1。从污泥的组成成分和处理流程看,污泥减量有两个途径,一是减少有机物的量(消化、焚烧) ,二是降低污泥的含水率(浓缩、脱水、干燥、焚烧) 。第二个途径较第一个简单易行,所以主要介绍污泥的脱水技术。
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2 干化脱水技术
2. 1 干化脱水工艺流程
干化是一种利用热能将污泥中水分快速蒸发的处理工艺,根据热能的来源和加热方式的不同,可分为流化干燥、间壁干燥、过热蒸汽干燥、红外辐射干燥、对撞流干燥等。中国目前还没有污泥干化厂建成运行,现在国外常见的干化工艺有流化床干化、盘式干化、转鼓干化。
(1)流化床干化工艺中污泥不需要预处理,直接送入流化床干燥器,以蒸汽为热能,由热转换器将热能传递给污泥。整个系统为封闭循环系统,气体中的含氧量极低,基本惰性化。污泥的水分以气态形式进入空气,气体经冷凝除水后才能再进入循环,否则污泥易粘结。污泥在流化床内通过激烈的流态化运动形成均匀的污泥颗粒,细颗粒被旋风除尘器收集,又与少量湿污泥混合重新回污泥干燥器,这样可提高干燥效率。干化颗粒经冷却送入充满惰性化气体的干颗粒储存料仓,产生的少量废气被送入生物过滤器除臭后排入大气。流化床干化工艺流程示图2。
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(2)盘式干化工艺先用外部热源加热一个油炉,再通过油体将热能传送到干燥盘。干燥盘有5～7层圆盘,污泥首先被均匀摊在顶层的圆盘上,主轴上的耙子将污泥颗粒从内推向外沿,送到下一层圆盘上,如此依次下滑。为了充分利用污泥颗粒本身的热量,在每层都有新污泥涂在污泥颗粒表面,颗粒不断增大,干燥后的颗粒一部分再返回盘式干燥器,另一部分粒径合格颗粒冷却后送入颗粒储存料仓。气体冷凝除水后经高温焚烧,彻底去除气味后高空排放。盘式干化工艺流程如图3。
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(3)转鼓干化工艺以天然气或沼气为能源,以空气为传热介质。湿污泥和部分干化颗粒在混合器中混合,由气流把它带入转鼓干燥器,污泥在转鼓干燥器中随气流以稳定的速度旋转前进,由内筒向外筒转移,污泥逐渐被干化成颗粒。被干燥的污泥颗粒与气体分离,经分级筛,粒径合格颗粒进入储料仓,粒径不合格的颗粒返回与湿污泥混合。气体处在一个循环系统中,通过转鼓干燥器的气体与污泥颗粒分离,再经冷凝器冷凝再次进入循环,少量废气经生物过滤器除臭后排出。转鼓干化工艺流程见图4[ 2 ]
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2. 2 干化脱水技术的应用分析
干化脱水技术从20世纪40年代出现以来,经不断改进,干化过程中污泥性状稳定、不易产生沼气、不易粘结,产生的气体难燃不易爆,干化后污泥含水率低于10% ,减量率很高,占地少,易控制,安全,稳定。其缺点是投资和运行费用较高,对管理和操作技术的要求也较高,适用于土地紧张的大型污水处理厂或较集中的多个中小型污水处理厂污泥的集中处理。
3 流化床焚烧技术
3. 1 流化床焚烧脱水工艺流程
流化床焚烧炉为圆筒形,气体由底部通入,经配气板均匀送入炉堂,炉膛的最下端为一次燃烧区,在稳定的气流吹动下,污泥在配气板上方呈悬浮态,状似液体沸腾,故称之为“流化态”。污泥干化后质量减轻,开始上浮进入二次燃烧区,此区温度为850 ℃左右,二口恶英可被分解。烟尘从炉顶排出,进入余热锅炉,二口恶英易在300 ℃左右生成,故炉温须保持在210 ℃以下。然后再进入烟气洗涤塔,去除重金属、灰尘和硫、氯、氟、氮氧化物等有害物质,汞只有用HOK(膛式炉焦炭)气流吸附法和经碱洗池(添加药剂TMT 15)处理才能去除。
3. 2 流化床焚烧脱水技术的应用分析
污泥经一次燃烧区的干燥处理后,含水率50% ,可自行燃烧,焚烧后水分去除率能达100%。流化床焚烧脱水技术耗能少、节省运输成本、水分去除率高、杀灭病原体、处理能力强、速度快、危险性小等,但造价高、燃烧产生的二口恶英和烟气中的重金属处理困难。与填埋和堆肥相比,成本更低、对环境的影响更小。
20世纪60年代,美国开始污泥的焚烧研究,1962年,美国Lynnwo Washington建成了世界上第
一台焚烧污泥的流化床锅炉,目前污泥焚烧在德国、日本、奥地利、丹麦、比利时、法国、荷兰、瑞士等国已成为污泥处理的主要手段。中国仅浙江大学、清华大学等开展了污泥焚烧处理研究。中国的污水处理厂的污泥大部分都是作填埋和堆肥处理,污泥焚烧在北京和深圳的污水处理厂有小规模应用。
随着土地资源的紧缺和人们用堆肥对土地污染认识的深化,污泥的焚烧处理将逐渐被重视。[ 3 ]
4 超声波脱水技术
4. 1 超声波脱水原理
污泥中所含的水可以分为自由水( 70% ) 、菌胶团包含水( 27% ) 、毛细管水( 2% ) 和结合水(1% ) 。自由水的去除较为容易,毛细管水和结合水虽然较难去除,但含量很少,可以忽略。菌胶团中心为固体颗粒,周围吸附了大量的微生物极其代谢的产物(糖类、脂类、有机酸和蛋白质等) ,这些吸附物在菌胶团的外层形成疏水膜,包裹在有机质疏水膜中的水分称为菌胶团包含水,这部分水分很难去除,且量较大。超声波(频率在16 kHz以上的声波) 具有较高的能量,能在水中急剧放电,产生高温和高压等极端条件,能改变构成疏水膜物质的物理和化学性质,破坏菌胶团结构,提高污泥的脱水性能,同时释放到水体中的有机质还可作为厌氧发酵的营养源。
4. 2 超声波脱水的影响因素与应用分析
超声波对污泥的作用受超声波强度、作用时间和频率的影响。高强度、短时间(几十秒～几分钟)的处理效果较好, 处理后污泥颗粒粒径约80μm左右,污泥的脱水性能提高,沉淀性好;经高强度、长时间(几个小时)处理,污泥颗粒粒径约5μm左右,表面积大大增加,但周围吸附大量的自由水,使污泥的脱水性降低,污泥颗粒相互粘联成松散的絮状,难沉降;高频( > 1 000 kHz)超声波的化学效应较强,低频( < 100 kHz)超声波的物理效应较强。利用超声波处理污泥主要是要破坏菌胶团的物理结构,所以低频的处理效果较好。
还有人研究发现,在污泥的厌氧发酵过程中,用适当强度的超声波对污泥进行适当时间的处理,能促进微生物的生长,提高有机物的去除能力。超声波的作用机理和效应非常复杂,其作用条件如声波强度、作用时间、频率均影响到处理的效果,且它们之间还相互影响,目前对操作条件的优化还没有进行系统的研究。[ 4 ]
5 热水解技术
5. 1 热水解脱水原理
热水解技术与超声波技术的机理有相似之处。在高温条件下,菌胶团表面的微生物和其代谢产物等有机质溶解,包裹在其中的固体颗粒与有机质相脱离,挥发性固体挥发,易分解的有机物分解成二氧化碳、甲烷等气体和挥发性的醇或酸逸出,使污泥的间隙水和毛细管水释放出来,污泥的脱水性能得以改善。
热水解也会改善污泥的厌氧消化性能。脂肪类、蛋白质、糖类等有机物被分解为脂肪酸、氨基酸、寡糖、单糖等,有的甚至被分解为甲烷、二氧化碳、氨气等,这些小分子有机物更容易被微生物利用和分解,提高了厌氧消化的效率, COD的去除率可达60%,大大减少了污泥的体积。有机物分解产生的挥发性有机酸可作为反硝化的碳源,硝化和反硝化同时进行,且用挥发性有机酸作为碳源时反硝化速率比单纯用甲醇作碳源时更快,N的去除率更高。[ 5 ]
5. 2 影响热水解脱水的因素
温度、处理时间、压力和添加化学药剂都能影响热水解处理效果,可以用固体颗粒的浓度、固体颗粒的溶解速度常数、挥发性有机酸的产量来反映处理效果。温度应控制在几十度到二百度之间,一般温度越高处理效果越好,VDS(挥发性溶解固体)的浓度随温度的升高而变大, VSS (挥发性悬浮固体)的浓度随温度的升高而降低,这是由于VSS不断溶解成VDS造成的。在100 ℃以上时,有机物分解基本完全, VFA (挥发性脂肪酸)产量基本稳定。各种热水解脱水方法的处理时间不等,几十秒或一个小时都可, VDS的浓度随处理时间的延长而变大,VSS的浓度随处理时间的延长变化不很明显,VFA在SCOD (沉降性COD)中的比率并不随温度处理时间的延长而增加,在15 min时有机物完全分解,VFA /SCOD达最大值,以后有部分VFA挥发, VFA /SCOD 反而降低,最后基本稳定,一般随着处理时间的延长,处理效果趋优。[ 6 ]
由于高压会使设备成本增加,且有安全隐患,现在多采用常压条件。投加酸或者碱等化学药剂能加速水解,降低反应温度,但强烈腐蚀设备,成本也较高,所以现在也多不使用药剂。
5.3 热水解脱水的优劣分析
20世纪40年代,人们就开始尝试用热水解法工业化处理污泥,但基本上都未获得成功,原因有多个方面,如污泥比热容较大、热传导性差,污泥的产量大,给污泥均匀快速加热的技术不成熟,水解产生的气体处理困难等。如果热水解技术与厌氧消化技术相结合,既能脱水,又能减少有机质,可实现两次减量化,应用前景广阔。
6 电渗析脱水技术
6. 1 电渗析脱水原理
固体颗粒和液体在电场的作用下作定向运动,在通过多孔固体滤膜时,固体颗粒粒径较大不能通过,而水分子能够通过,从而使固液相分离。固液分离的基本原理依据的是胶粒的双电层理论,在电场中由于胶粒和扩散层所带电荷不同,滑动面产生滑动,胶粒和扩散层相分离,扩散层将液体带走。污泥经电渗析脱水处理后, 含水率能降到35%～45%。
6. 2 电渗析脱水的影响因素与应用分析
电渗析脱水过程受电场强度、溶液pH、絮凝剂、电极材料和形状、滤布等因素的影响。两个电极端脱水速率不同致使两极端电阻率不同和电压不均,导致电渗析无法彻底进行。但电渗析耗能低,脱水效率高,有很强的实用性。目前对此技术原理的研究尚没有一致结论,对电渗析影响因素进行系统优化的研究还未开展。[ 7 ]
7 絮凝脱水技术
7. 1 絮凝脱水原理
污泥带负电,加入带正电基团的高分子聚合物,通过压缩污泥胶粒双电层、电荷中和、吸附架桥和网扫 捕作用使污泥胶体脱稳,固液相相互分离,同时重力沉降又能进一步降低污泥含水量。表征污泥脱水性能的指标主要有比阻( SRF)和毛细管吸附时间(CST) ,常用CST, CST越短表示污泥脱水性能越好。
7. 2 影响絮凝脱水处理的因素
絮凝剂的结构、投加量、投加方式和污泥成分都影响到污泥的沉淀效果。絮凝剂一般分为人工合成絮凝剂和天然絮凝剂。人工合成絮凝剂有聚合铝类、聚合铁类和聚丙烯酰胺类,天然絮凝剂有淀粉、壳聚糖等,但不常用。絮凝剂的脱水性能主要与碳链长度和所带电荷有关,絮凝剂投加过量时,污泥吸附絮凝剂上的正电荷,由于静电斥力,污泥沉淀性能反而会降低,所以投加时要注意剂量。
絮凝脱水适用于脱水性能比较差、一般方法难以处理的污泥,但成本比较高,一些絮凝剂还可能存在生态安全隐患。絮凝沉淀在水处理中的应用较为广泛,特别是给水处理,在污泥处理中的应用还较少。[ 8 ]
8 污泥脱水的其它方法
最常用的是重力浓缩,方法简单,效果好,成本低,污泥的第一步处理大多采用此方法,其不足是只能去除污泥中的自由水和部分间隙水,浓缩程度不很高。离心浓缩和压滤机压缩的应用也较为广泛。
另一种比较简单、低成本的方法是太阳暴晒。将污泥按一定厚度均匀的摊在地上,经过几天的暴晒就能使污泥干化,适用于北方少雨地区的小型污泥处理厂,其不足是占地面积大。天津大学热能研究所的郑宗和等设计了一台小型的混合型太阳能干燥器对污泥进行干化处理,以太阳能作为主要热源,以污水处理过程中产生的沼气作为辅助热源,减少了电能消耗,降低了运行成本,与太阳暴晒法相比,具有占地面积小、受天气影响小、能控制臭味的扩散等优点,开发潜力很大。[ 9 ]
此外,还有一些其它方法用来处理特殊污泥,如冻结熔融法可用于大豆类食品污水污泥脱水, [ 10 ]陶瓷过滤机可用于硫化污泥脱水。[ 11 ]
9 小 结
所介绍的这些污泥脱水方法各有优缺点,污水处理厂应根据不同的条件(处理水质、处理规模、气候等)加以选择。从各种污泥脱水方法的研究进展可以看出,目前的研究主要有三个方向,一是改进加热和传热方式使水蒸发,如干化和焚烧技术;二是改变污泥颗粒的结构,破坏菌胶团表面的有机质疏水膜,如超声波和热水解处理技术;三是改变污泥胶粒表面的双电层结构,如电渗析和混凝技术。相信随着研究的不断深入和技术的不断成熟,这些方法将会为污泥的处理提供更多的选择。
参考文献
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[ 2 ] 王 钊. 北京污水处理厂污泥干化处理工艺选择的探讨[ J ].市政技术, 2004, 22 (6) : 374 - 377.
[ 3 ] 李 军,李 媛, HOHNECKER H G. 流化床焚烧炉污泥焚烧工艺特性研究[ J ]1环境工程, 2004, 22 (3) : 76 - 79.
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[ 5 ] 王治军,王 伟,李芬芳. 污泥热水解技术的发展及应用[ J ]. 中国给水排水, 2003, 19 (10) : 25 - 27.
[ 6 ] 王治军,王 伟. 污泥热水解过程中固体有机物的变化规律[ J ]1中国给水排水, 2004, 20 (7) : 1 - 5.
[ 7 ] 孙路长, 张书廷. 生物污泥的电渗析脱水[ J ] 1中国给水排水, 2004, 20 (5) : 32 - 34 .
[ 8 ] 邹 鹏,宋碧玉,舒丽芬. 高分子絮凝剂对污泥脱水性能的影响[ J ]1化工环保, 2004, 24 (增刊) : 114 - 116.
[ 9 ] 郑宗和, 牛宝联, 雷海燕. 利用太阳能进行污泥脱水干燥的试验[ J ]1中国给水排水, 2003, 19 (13) : 111 - 113.
[ 10 ] 田 禹,王 宁. 冻结熔融法对大豆类食品污水污泥脱水性能的影响及应用研究[ J ]1环境工程, 2004, 22 (2) : 9 - 12.
[ 11 ] 占寿罡,阮胜寿. 陶瓷过滤机在硫化污泥脱水中的应用[ J ]1硫酸工业, 2004 (1) : 28 - 30.
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