錢覺時,岳燕飛,謝從波,陳 偉

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045)

污泥處理與處置是城市生活污水處理一個非常重要的環(huán)節(jié),通常其運(yùn)行成本占整個污水處理廠總運(yùn)行成本的 20%～50%,甚至高達(dá) 70%左右[1]。2007年末已產(chǎn)生含水率80%的污泥1 500萬t[1-2],并以每年5%～10%的速度增長[3]。污泥處理主要包括濃縮、消化、脫水等工藝,其目的是降低污泥含水率,減小污泥體積,以減輕后續(xù)處理的壓力[4]。污泥濃縮方法以重力濃縮應(yīng)用最為廣泛,其是污泥在重力場作用下通過自然沉降而分離的方式。污泥重力濃縮后含水率為95%～97%,還需要進(jìn)一步降低含水率,可采取壓濾、離心等方式將其含水率控制在80%左右。經(jīng)過濃縮和脫水后的污泥呈“膠狀”,含水率80%的污泥總體質(zhì)量比實際固含量多4倍,其體積也是干態(tài)污泥的4～5倍[5]。

降低含水率只是污泥減容減量的一個環(huán)節(jié),最終目標(biāo)則應(yīng)是污泥的處理與資源化。污泥建材資源化是污泥利用的重要甚至是根本方向[6-7],因為污泥的建材資源化不僅利用污泥量大,而且污泥建材生產(chǎn)和使用的環(huán)境影響最小[8]。已有研究者采用經(jīng)過干燥的污泥或煅燒污泥,與粘土或者頁巖混合燒制陶?；驘Y(jié)磚[9-12],還有研究者則提出了一些其他設(shè)想[13-14]。前期研究結(jié)果[7]顯示,直接采用含水率80%左右的污泥與頁巖混合燒制建材制品將是污泥資源化有效途徑之一,因為頁巖在通常使用過程中必須加入足夠水分才能獲得所需塑性,而與污泥混合就不需要外加水分,污泥中的有機(jī)物還能補(bǔ)充頁巖燒結(jié)制品生產(chǎn)過程中的能耗。然而,污泥加入頁巖或粘土中需要充分混合,燒制后的制品性能才能有所保證,但混合工藝通常比較復(fù)雜,特別是與含水率較高的“膠狀”污泥混合比較困難。因此,本文結(jié)合污泥頁巖建材制品的配料等要求,在污泥沉降濃縮階段加入頁巖,研究頁巖對污泥沉降濃縮性能的影響以及污泥頁巖混合物燒制陶粒的可行性,認(rèn)識頁巖在污泥處理和資源化方面的作用。

1 原材料及試驗方法

1.1 原料

污泥為重慶市某污水處理廠沉淀池污泥,其化學(xué)組成與主要性質(zhì)見表1。頁巖為取自重慶市涪陵區(qū)硬質(zhì)頁巖,含水率3%,磨細(xì)后分別篩出850～425 μm、425～ 250μm 、250～150μm、150～80μm 及小于80μm的頁巖粉備用,化學(xué)成分見表2。

表1 污泥的性質(zhì)及主要化學(xué)組成

表2 頁巖的主要化學(xué)組成/%

1.2 試驗方法

1)沉降試驗 將污泥與一定細(xì)度的頁巖混合攪拌3min后倒入標(biāo)有刻度的玻璃量筒至一定高度,用秒表開始計時,記錄不同時刻泥水界面的刻度。

2)脫水試驗沉降穩(wěn)定后,記錄上層清液與下層污泥的體積讀數(shù),然后分離清液與污泥。污泥離心脫水采用 TDL80-2B式離心機(jī),轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,脫水時間15min,測量污泥脫水前后的含水率、體積、質(zhì)量等。

3)燒制陶粒 將脫水污泥與頁巖混合均勻或采用污泥頁巖混合物,再經(jīng)過成球、干燥、預(yù)熱然后在高溫電爐中進(jìn)行燒制。污泥頁巖混合物含水率較高,預(yù)熱時間適當(dāng)延長[7]。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 頁巖摻量對污泥沉降性能的影響

頁巖顆粒有一定的吸附作用,對污泥顆粒也有絮凝作用,因此頁巖摻入污泥會使得污泥頁巖很容易團(tuán)聚,加速污泥顆粒沉降,還能減少沉降過程中的上浮、膨脹等現(xiàn)象。從減容角度來看,污泥中的頁巖加入量越低越好,但考慮到燒制建材制品的性能要求,頁巖摻量還應(yīng)達(dá)到一定比例。通常含水率80%的污泥在污泥頁巖混合物中的質(zhì)量百分比不宜超過50%,最低摻量不少于15%,即干基污泥最佳摻量在4%～17%之間。

試驗用粒徑大于150μm的頁巖顆粒,這是頁巖通常比較容易粉磨至的細(xì)度。圖1是加入頁巖后的污泥自然沉降特性曲線測試結(jié)果,為比較沉降后污泥體積變化,沉降曲線均以泥水界面刻度讀數(shù)作圖。頁巖按含水率99.43%污泥的質(zhì)量百分比外摻,分別為1%、3%、5%、10%、20%、30%,頁巖與干基污泥百分比為 1.75∶1、5.26∶1、8.77∶1、17.5∶1、35∶1、52.6∶1。圖1試驗結(jié)果顯示,頁巖摻量1%時污泥頁巖混合物沉降速度比純污泥更快,且各時刻的體積比純污泥的要小;頁巖摻量5%時,沉降10min后體積就與純污泥比較接近,相對3%的頁巖摻量,污泥頁巖混合物體積反而減小,甚至100min后體積還小于純污泥的體積;頁巖摻量10%時,沉降20min后也基本穩(wěn)定,體積相比純污泥有較大增加;頁巖摻量20%和30%時,污泥頁巖混合物沉降穩(wěn)定后的體積則要高出純污泥體積的1倍以上。圖2是不同頁巖摻量時污泥頁巖混合物的沉降析水率的測試結(jié)果。從圖2可以看出,頁巖摻量小于10%時,混合物絕對析水率是增加的,說明摻加頁巖有利于污泥中水分的析出。

圖1 頁巖改性對污泥沉降特性的影響

2.2 頁巖細(xì)度對污泥沉降性能的影響

頁巖細(xì)度也可能影響污泥的沉降性能。圖3是頁巖摻量均為30%而細(xì)度不同時的污泥頁巖混合物沉降曲線。為了較大范圍內(nèi)比較細(xì)度的影響,試驗采用頁巖細(xì)度分別為850～425μm,425～250μm,250～150μm,150～80μm和＜80μm的5種情況。

圖2 污泥頁巖混合物沉降析水率隨頁巖摻量的變化

圖3 頁巖細(xì)度對污泥頁巖混合物沉降的影響

從圖3可以看出,當(dāng)頁巖細(xì)度為250～150μm和150～80μm時,沉降速度最快,當(dāng)頁巖細(xì)度小于80μm時,沉降速度反而較慢。通常頁巖越細(xì),分散程度越高,與污泥顆粒形成團(tuán)聚體也就越多,因此沉降速度越快。但頁巖過細(xì),分散程度更高時,表面積過大的頁巖也同時易于吸附水分并將其包裹其中,因此沉降速度反而降低。

2.3 沉降高度對污泥頁巖混合物沉降性能的影響

圖4為不同沉降高度時污泥頁巖混合物沉降性能的試驗結(jié)果。試驗采用粒徑＞150μm的頁巖,摻量為5%,將頁巖與污泥攪拌后分別取100mL、150mL、200mL的混合物進(jìn)行沉降試驗,以比較頁巖在不同沉降高度時對污泥沉降性能的影響。同時還測試了不同高度純污泥的沉降曲線,見圖5。為了比較不同沉降高度的影響,沉降性能以固液界面高度相對初始高度的百分比來表示,初始高度百分比均為100%。

圖4 不同高度污泥頁巖混合物的沉降曲線

圖5 不同高度純污泥的沉降曲線

從圖4和圖5的試驗結(jié)果可以看出,沉降高度越高時,污泥或污泥頁巖混合物初始的沉降速度較慢,但超過20min后沉降速度增加,而且沉降高度越高時,頁巖的加入還有利于最終污泥體積降低。實際污泥的沉降高度高達(dá)數(shù)米,因此頁巖的加入可能將更加有利于污泥沉降和最終污泥體積的減小。

2.4 頁巖改性后污泥濃縮脫水后的體積變化

在污泥中摻加頁巖可以一定程度改善污泥沉降性能,同時能抑制污泥刺激性氣味的揮發(fā),而且能使污泥頁巖混合充分,有利于污泥建材資源化利用,但頁巖加入不能顯著增加污泥頁巖混合物的體積,不然會大幅度增加后續(xù)的運(yùn)輸或儲存費(fèi)用。

圖6是不同頁巖摻入量的污泥頁巖混合物沉降和離心脫水后的密度測試結(jié)果。從圖6可以看出,頁巖的加入將使得沉降和脫水后混合物密度明顯增加;頁巖摻量在一定范圍內(nèi)時污泥頁巖混合物體積增加不明顯;頁巖摻量超過一定范圍時,雖然沉降和脫水后污泥頁巖混合物密度還將增加,但增加幅度較小,因此體積增加就比較明顯了。從改性和資源化利用角度,頁巖摻加量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。圖7是不同頁巖摻量的污泥頁巖混合物的沉降和脫水后的含水率測試結(jié)果。

圖6 污泥頁巖混合物密度隨頁巖摻量的變化

圖7 污泥頁巖混合物含水率隨頁巖摻量的變化

從圖7試驗結(jié)果可以看出,污泥頁巖混合物的含水率無論是自然沉降還是離心脫水后都有非常明顯的降低。頁巖摻量為5%時,沉降穩(wěn)定后的混合物含水率就接近80%,與純污泥經(jīng)過壓濾脫水等處理后的含水率相當(dāng),已經(jīng)達(dá)到可以不需要進(jìn)一步脫水就能進(jìn)行后續(xù)處置或利用的狀態(tài),而再經(jīng)過離心脫水后混合物的含水率已經(jīng)降低到60%以下。當(dāng)頁巖摻量為10%,沉降后混合物含水率接近70%,而離心脫水后含水率低于50%。圖8是不同頁巖摻量時污泥頁巖混合物的質(zhì)量和體積變化情況。

圖8 頁巖摻量對污泥頁巖混合物的質(zhì)量與體積變化的影響

從圖8可以看出,在頁巖摻量為10%以下時,沉降后混合物的質(zhì)量和體積變化都不太明顯,這說明頁巖的加入量在一定范圍內(nèi),并不會增加污泥沉降后的質(zhì)量和體積,即使頁巖摻量達(dá)到30%時,沉降后污泥頁巖混合物的體積才增加1.2倍;頁巖摻量為5%時,混合物脫水后體積增加70%左右;當(dāng)頁巖摻量達(dá)到10%時,混合物脫水后體積已增加了1.5倍。由于頁巖加入污泥頁巖混合物脫水后的密度顯著增加,因此隨頁巖摻量增加,污泥頁巖混合物質(zhì)量的增加幅度更大。從減容角度來看,頁巖摻量在5%以下是完全可以接受的,頁巖摻量超過5%后雖然體積和質(zhì)量都明顯增加,但考慮到污泥刺激性氣味去除效果,這種體積增加仍是可以接受的。表3為純污泥和頁巖摻量為5%時的上層液體性質(zhì)比較?？梢钥闯?頁巖改性后上層液體的pH有所增加,COD濃度有一定降低,部分重金屬離子有所降低。

表3 上層液體性質(zhì)

2.5 污泥頁巖混合物的資源化利用

從圖7可以看出,頁巖改性并經(jīng)沉降或脫水后的混合物含水率大幅度降低,相比于純污泥沉降后高達(dá)95%和離心脫水后接近90%的含水率,污泥頁巖混合物的性態(tài)發(fā)生了非常大的變化。同時,污泥頁巖混合物外觀顏色也與頁巖比較類似,沉降后比較密實,因此惡臭氣味得到明顯緩解。污泥頁巖混合物性態(tài)的改變不僅有利于運(yùn)輸和處置,也有利于資源化利用,如用作為肥料時不需要預(yù)處理就可以直接使用。

頁巖是一類含水率比較低的巖石,在自然界中儲量豐富,采用頁巖生產(chǎn)燒結(jié)磚和陶粒等建材制品已得到非常廣泛的應(yīng)用,特別是在國家出臺保護(hù)耕地禁止粘土磚生產(chǎn)的政策前提下,頁巖燒結(jié)制品已經(jīng)成為非常重要的建材制品。從表1和表2來看,頁巖與污泥的無機(jī)成分非常相近,主要為 SiO2、Al2O3、Fe2 O3等,即使頁巖摻量比較小時,污泥頁巖混合物中的干態(tài)污泥總量比較低,無機(jī)組分更低,因此對頁巖組成影響比較小,不會明顯影響頁巖作為建筑材料生產(chǎn)的原材料的組成要求。而污泥頁巖混合物的混合過程因為在流質(zhì)中進(jìn)行已非常均勻,因此污泥中的有機(jī)物不僅可以作為內(nèi)摻燃料而且能均勻分散。一般頁巖都可以用于生產(chǎn)燒結(jié)磚制品,但很多頁巖燒脹性能較差難以用于燒制輕質(zhì)陶粒,而頁巖與污泥混合后因為含有一定量的有機(jī)物,如果頁巖有一定量的Fe2O3組分,則可以改善頁巖的燒脹性能[15]。

污泥頁巖混合物可作為燒制輕質(zhì)陶粒的重要原材料。表4給出的是采用污泥頁巖混合物燒制的輕質(zhì)陶粒性能的試驗結(jié)果。試驗選擇頁巖摻量5%(頁巖:干基污泥=8.77:1)的污泥頁巖混合物,經(jīng)過自然沉降、離心脫水,再按照成球、烘干、預(yù)熱、焙燒等過程在高溫電爐中進(jìn)行燒制,預(yù)熱溫度400℃,預(yù)熱15min,然后 1 150℃下焙燒10min。同時,以來源相同的含水率為82%的脫水污泥與相同細(xì)度頁巖粉混合,污泥頁巖比為3∶7,按同樣工藝條件燒制陶粒,陶粒性能也列于表4。從表4可知,在污泥沉降階段加入頁巖改性的污泥頁巖混合物可以燒制性能優(yōu)良的輕質(zhì)陶粒,而且相比脫水污泥與頁巖粉混合后的混合物燒制的陶粒具有更高的顆粒強(qiáng)度,這主要是因為在污泥沉降階段加入頁巖使得污泥頁巖混合非常充分。

表4 陶粒性能指標(biāo)

3 結(jié)論

1)在污泥重力濃縮階段摻加磨細(xì)頁巖可以改善污泥的沉降性能。頁巖摻量5%時,沉降穩(wěn)定后含水率為81%,與純污泥壓濾脫水后的含水率相近,同時刺激性氣味已明顯緩和。

2)采用粒徑大于150μm的頁巖和增加沉降高度,更有利于污泥頁巖混合物的沉降。

3)污泥頁巖混合物沉降后密度明顯增加,頁巖摻量不超過5%時,混合物體積和質(zhì)量與純污泥相比沒有明顯變化,離心脫水后體積增加量小于60%。

4)在污泥濃縮階段摻加頁巖得到的污泥頁巖混合物,可以燒制顆粒密度為740 kg/m3的輕質(zhì)陶粒。

[1]尹軍,譚學(xué)軍.污水污泥處理處置與資源化利用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.2007年城市、縣城和村鎮(zhèn)建設(shè)統(tǒng)計公報[EB/OL].http://www.china001.com/show _ hdr.php? xnamE=PPDDM V0&dname=292DK41&xpos=8,2009-02-21.

[3]趙偉,張林生,王軍.頁巖磚生產(chǎn)過程中用城市污泥為部分原料的試驗研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2005,6(4):40-43.ZHAO WEI,ZHANG LIN-SHENG,WANG JUN.Application ofmunicipal sewagEsludgEin thEprocess of sintering shalEbrick[J].Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control,2005,6(4):40-43.

[4]胡鋒平,朱自偉,李偉民,等.城市污水處理廠污泥濃縮工藝的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2004,26(5):124-127.HU FENG-PING,ZHU ZI-WEI,LI WEI-MIN,et al.Application and trend of development of sludgEthickening technology inmunicipal wastewater treatment plant[J].Journal of Chongqing Jianzhu University,2004,26(5):124-127.

[5]楊小文,杜英豪.國外污泥干化技術(shù)進(jìn)展[J].給水排水,2002,28(2):35-36.YANG XIAO-WEN,DU YING-HAO.ThEdevelopment of foreign sludgEdrying techniques[J].Water&Wastewater Engineering,2002,28(2):35-36.

[6]汪靚,朱南文,張善發(fā),等.污泥建材利用現(xiàn)狀及前景探討[J].給水排水,2005,(3):40-44.WANG LIANG,ZHU NAN-WEN,ZHANG SHANFA,et al.Discussion on thEpresent situation and prospect of using sludgEas buildingmaterials[J].Water&Wastewater Engineering,2005,(03):40–44.

[7]錢覺時,呂劍,范英儒,等.污水污泥頁巖陶粒及其制備方法:中國,CN 101186485A[P].2008-05-28.

[8]黃曉慶,黃少斌,楊順漢.污泥的特性與建筑材料資源化利用[J].粉煤灰,2006(1):45-48.HUANG XIAO-QING,HUANG SHAO-BIN,YANG SHUN-HAN.ThEproperties of slurry and resourclalized utilization of buildingmaterials[J].Coal Ash China,2006(1):45-48.

[9]GUOREN XU,JINLONG ZOU,GUIBAI LI.CeramsitemadEwith water and wastewater sludgEand its characteristics affected by SiO2and Al2O3[J].Environ.Sci.Technol.,2008,42(19):7417-7423.

[10]NAGAHARU OKUNO,SHIRO TAKAHASHI.Full scalEapplication ofmanufacturing bricks from sewage[J].Wat.Sci.Tech,1997,36(11):243-250.

[11]WENG CH,LIN DF,CHIANG PC.Utilizationof sludgeas brickmaterials[J].Advances in Environmental Research,2003,7(3):679-685.

[12]LAURSEN K,WHITET J,CRESSWELL D JF,et al.Recycling of an industrial sludgEandmarinEclay as light-weight aggregates[J].Journal of Environmentalmanagement,2006,80(3):208-213.

[13]虞偉權(quán).污泥焚燒殘渣制備水處理藥劑的應(yīng)用研究[J].給水排水,2009,35(1):68-71.YU WEI-QUAN.Study on application of wastewater treatment addictivemadEby sludgEincineration residue[J].Water&Wastewater Engineering,2009,35(1):68-71.

[14]阮曉峰,胡歡,吳海華,等.利用污水處理廠廢棄污泥種植裂葉喜林芋的可行性初步研究[J].復(fù)旦學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,48(3):406-408.RUAN XIAO-FENG,HU HUAN,WU HAI-HUA,et al.A Preliminary Study on thEGrowth of Philodendron selloumin thEExcess SludgEof SewagETreatment Plants[J].Journal of Fudan University:Natural Science,2009,48(3):406-408.

[15]RILEYcm.Relation of chemical properties to bloating of clays[J].American Ceramic Society,1951,34(4):121-128.