王 迪，杜 松，朱 維，崔寶山，趙瑞江，楊 旭

(1.北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100084;2.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100084)

1 引言

隨著我國(guó)城市污水處理廠的普及，污泥產(chǎn)量持續(xù)快速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，目前我國(guó)污泥(按含水率80%計(jì))的產(chǎn)生量約1400萬(wàn)t/年，預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)到3560萬(wàn)t/年。我國(guó)污水廠普遍對(duì)污泥進(jìn)行機(jī)械脫水，脫水污泥含水率平均為80%左右，而常見的后續(xù)處理處置手段如堆肥、焚燒、填埋等均要求含水率在60%以下，這導(dǎo)致高達(dá)83%的脫水污泥直接外運(yùn)堆置，沒有得到有效處置［2］。

可見，進(jìn)一步降低脫水泥餅含水率，是污泥減容減量和無(wú)害化處置的基礎(chǔ)。為了滿足后續(xù)處置對(duì)含水率的要求(＜60%)，目前國(guó)內(nèi)主要采用的技術(shù)手段是蒸發(fā)干燥和石灰干化。但是蒸發(fā)干燥的能耗高，石灰干化又會(huì)造成污泥處置量增加等問題［3］。因此，充分發(fā)揮機(jī)械脫水低能耗的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的污泥“深度脫水”技術(shù)，替代干化工藝，實(shí)現(xiàn)污泥脫水與處置的直接對(duì)接，將為污泥處理處置系統(tǒng)節(jié)能增效開辟新的技術(shù)途徑。

污泥脫水困難根本上是由污泥細(xì)胞質(zhì)膠體結(jié)構(gòu)特征所決定的，要實(shí)現(xiàn)污泥的深度脫水，必須通過預(yù)處理手段改變污泥的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，最受關(guān)注的是基于細(xì)胞破碎原理的預(yù)處理技術(shù)，如水熱技術(shù)、機(jī)械破碎、化學(xué)溶胞、超聲波、微波和電滲透等［4］。水熱技術(shù)通過在密閉的容器中將污泥加熱，在一定溫度和壓力下污泥微生物細(xì)胞破碎，膠體結(jié)構(gòu)破壞，粘度降低，細(xì)胞水、毛細(xì)吸附水和表面吸附水大量析出，從而提高了污泥的脫水性能。同時(shí)，在水熱過程中大分子有機(jī)物發(fā)生水解，由固相轉(zhuǎn)移至液相，從而大幅度提高了污泥的生物降解性能。

水熱技術(shù)的雛形是20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的熱處理技術(shù)［5］，早在1939年就開始面向應(yīng)用開展研究。50年代開發(fā)的Zimpro工藝、70年代的低壓氧化工藝，降低了操作條件，80年代開發(fā)的Protox工藝提高了污泥水解效率，90年代中期又開發(fā)了快速熱調(diào)節(jié)技術(shù)。挪威Cambi工藝進(jìn)一步緩和了水熱工藝條件，將水熱技術(shù)成功地應(yīng)用于提高污泥的厭氧消化性能。

清華大學(xué)從20世紀(jì)80年代初開始水熱技術(shù)的基礎(chǔ)研究，90年代承擔(dān)了國(guó)家“八五”科技攻關(guān)的相關(guān)課題，2002年開展了污泥水熱處理的中試研究，2004年開發(fā)了“水熱處理－ASBR厭氧消化”組合技術(shù)，并于“十五”期間承擔(dān)了863計(jì)劃和國(guó)家重大水專項(xiàng)的相關(guān)課題任務(wù)。在工程應(yīng)用方面，2008年北京健坤偉華新能源科技有限公司在東莞市區(qū)污水廠建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)污泥水熱處理示范工程。

將自由水從懸浮液中分離需要進(jìn)行某些不可逆過程，例如克服污泥層(濾餅)和過濾介質(zhì)的摩擦力等，這些過程都需要消耗有效的能量。在污泥脫水過程中，機(jī)械力做功傳遞給污泥，作用于污泥中可以被分離去除的水分，使之通過污泥層和過濾介質(zhì)排出系統(tǒng)。隨著過濾層干度的提高，需要的能量輸入也會(huì)逐步提高，當(dāng)脫水設(shè)備能夠提供(或者能夠經(jīng)濟(jì)提供)的機(jī)械功低于克服水脫離污泥固體所需要的能量時(shí)，難以進(jìn)一步降低含水率［6～8］。宏觀上表現(xiàn)為污泥脫水只能達(dá)到一定含水率，圖1給出了壓力做功下的污泥脫水原理。

機(jī)械脫水過程中，依靠機(jī)械力做功將水從懸浮溶液中去除。利用模型計(jì)算改性污泥脫水過程需要的機(jī)械力做功，從而得到污泥在脫水過程中能量需求與脫水效果變化的定量關(guān)系。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

在Fenton試驗(yàn)中，使用1L大燒杯盛裝脫水濾液，用FeSO4·7H2O提供Fe2+離子作為催化劑，用30%的H2O2作為氧化劑進(jìn)行反應(yīng)。

圖1 污泥壓濾脫水示意圖

而UV－Fenton的試驗(yàn)裝置選擇深圳道匯科技有限公司自主研發(fā)的UV－Fenton小試設(shè)備。該小試設(shè)備是用進(jìn)口PP材質(zhì)制成基本反應(yīng)容器，并且在反應(yīng)器中增加了紫外照射設(shè)備和曝氣以及自動(dòng)進(jìn)藥裝置(圖2)。

圖2 UV－Fenton試驗(yàn)裝置圖

2.2 脫水濾液水質(zhì)參數(shù)

污泥水熱脫水濾液水樣取自863城市污泥高效脫水關(guān)鍵設(shè)備及工藝研究項(xiàng)目的北京昌平區(qū)沙河基地和水屯基地，取樣時(shí)間為2010年10月至2011年6月，其水質(zhì)參數(shù)見表1。

2.3 試驗(yàn)方法

在普通Fenton試驗(yàn)中設(shè)定反應(yīng)時(shí)間為2h。試驗(yàn)前調(diào)解濾液pH值到3.5，然后開始試驗(yàn)。其中FeSO4·7H2O的投加量為溶液質(zhì)量的3‰左右，H2O2每30min的投加量為所處理濾液體積的1%左右。UVFenton試驗(yàn)的預(yù)處理以及藥劑投加量與普通Fenton試驗(yàn)是一樣的。反應(yīng)停止后，將反應(yīng)液pH值調(diào)到9，過濾去鐵泥后，測(cè)濾液的參數(shù)。參數(shù)所涉及到的如CODCr、BOD5、Ca2+、腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等指標(biāo)全部按照國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

表2為普通Fenton試驗(yàn)的水質(zhì)情況。由于水熱反應(yīng)所處理的原料的參數(shù)不同，導(dǎo)致其脫水濾液的指數(shù)也不相同，其COD浮動(dòng)區(qū)間為7000～12000左右。整個(gè)反應(yīng)中出水的COD的變化主要取決于進(jìn)水的濃度，以及所使用氧化劑占進(jìn)水COD的比例。該比例越大則氧化的強(qiáng)度越大，所完成的處理效果越好。

表2 普通Fenton試驗(yàn)的水質(zhì)情況

表3為UV－Fenton試驗(yàn)的水質(zhì)變化情況。由數(shù)據(jù)可見在氧化劑藥劑量和催化劑藥劑量以及反應(yīng)時(shí)間都相同的情況下，UV－Fenton裝置所處理的污泥水熱脫水濾液的COD去除率在85%以上，遠(yuǎn)高于普通Fenton的試驗(yàn)效果。而且BOD5從數(shù)據(jù)上來(lái)看是下降的，但是所被處理的濾液的B/C值卻有所升高，但是仍然為達(dá)到具有可生化性的界定數(shù)值0.3。氨氮在整個(gè)試驗(yàn)之后有小幅度升高?？梢姛o(wú)論是普通Fenton或者是UV－Fenton處理方法處理污泥水熱脫水濾液時(shí)都未有明顯的效果。所以研究人員還需另尋他徑去處理濾液中的氨氮。

表3 UV－Fenton試驗(yàn)的水質(zhì)變化情況

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明污泥水熱脫水濾液是一種高濃度較難處理的廢水。在用Fenton和UV－Fenton的方法分別對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)UV－Fenton的處理效果更好，CODCr去除率達(dá)到85%以上。該發(fā)現(xiàn)為解決日后的由水熱處理污泥所產(chǎn)生的廢水提供了一條新的方法與途徑。

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