吳 淼,馬星民

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息學(xué)院，北京 100083；2. 北京中礦環(huán)保科技股份有限公司，北京 100038)

隨著我國(guó)污水處理工程的快速發(fā)展，污泥作為最終產(chǎn)品，產(chǎn)量不斷加大.“十二五”期間，年產(chǎn)量約2 500萬(wàn)噸[1].污泥富集了污水中有機(jī)物、磷、氮及病毒、寄生蟲(chóng)、細(xì)菌等有毒物質(zhì)，具有相當(dāng)大的環(huán)境危害.污泥處置的方式主要有土地利用、填埋、焚燒、建材利用等.

資料顯示[1-5]顯示，污水處理廠出廠的污泥含水率都在80%以上.其含水率對(duì)于污泥的土地利用、填埋、焚燒等極為不利，尤其達(dá)不到焚燒要求的67.7%以下[4].如果要對(duì)其進(jìn)行利用，就必須進(jìn)行深度脫水.深度脫水是指對(duì)含水率較高的污泥進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，再進(jìn)行脫水處理，使其含水率達(dá)到55%～65%，特殊條件下污泥含水率還可以更低[6].

污泥深度脫水技術(shù)包括污泥調(diào)質(zhì)處理和調(diào)質(zhì)后污脫水處理.目前，污泥調(diào)質(zhì)處理普遍采用在污泥中加三價(jià)鐵鹽、鋁鹽的方法[2-3]，改變污泥中水(間隙水和毛細(xì)水)的存在方式和結(jié)構(gòu)；然后加入石灰作為滅活劑，殺菌除臭，同時(shí)也在污泥中形在多孔網(wǎng)格狀骨架，改變其壓縮性.采用隔膜壓榨機(jī)進(jìn)行脫水處理，將污泥含水率控制在65%～55%之間.

污泥深度脫水作為一種新型工藝路線，同時(shí)作為污泥處置的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，正逐步得到污泥處置領(lǐng)域的認(rèn)可[1].采用采污泥深度脫水技術(shù)不僅為后續(xù)處置帶來(lái)方便，也通兼顧污泥處置的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境平衡，是適合我國(guó)污泥處置技術(shù)的新途徑.上述脫水工藝雖然名義上將污泥水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理在65%以下，但污泥自身的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒(méi)有降低，具體分析如下：

1) 污泥中水分子存在的方式主要由污泥中有機(jī)分子結(jié)構(gòu)所決定，其調(diào)質(zhì)方式并不能改變污泥中有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)，尤其是不能改變其中微生物及其胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)等有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)，即不能從本質(zhì)上改水的存在狀態(tài)，只是通過(guò)滲透作用淅出部分水分，水分降低效果不明顯.

2) 污泥水分降低的原因主要是通過(guò)控制加入石灰來(lái)實(shí)現(xiàn).原理是通過(guò)兩種不同密度的物料混合，當(dāng)密度大的物質(zhì)增加時(shí)，密度小的物質(zhì)在混合物中所占比例自然減小.石灰的密度要比水大，當(dāng)增加石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)自然減小.

3) 采用隔膜壓濾機(jī)對(duì)調(diào)質(zhì)后污泥進(jìn)行過(guò)濾，特點(diǎn)是間隙工作，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，運(yùn)行效率低；設(shè)備價(jià)格高，維護(hù)成本高[7].

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)污泥深度脫水問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，從調(diào)質(zhì)處理到脫水設(shè)備都進(jìn)行了開(kāi)拓性研究，取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)，為污泥的深度脫水技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)新的方向.

1 污泥連續(xù)深度脫水工藝

1.1 調(diào)質(zhì)原理

污泥的調(diào)質(zhì)處理是對(duì)其深度脫水的關(guān)鍵技術(shù).污泥中含有大量的微生物及其胞外聚合物是細(xì)菌和其他微生物產(chǎn)生的用于自我保護(hù)和相互粘附的天然有機(jī)物[8]，是污泥中重要組成部分.EPS與泥中的水分結(jié)合形成氫鍵，進(jìn)而影響泥中從分子的存在形式.污泥中大部分的水結(jié)合在EPS中，是影響脫水性能的重要因素之一[9].因此，破壞EPS結(jié)構(gòu)、改變水分子的存在形式是調(diào)質(zhì)的關(guān)鍵所在.結(jié)合文獻(xiàn)[10-11]對(duì)污水中的污染物去除研究，本次研究采用氧化方法進(jìn)行去除.

在含水率80%以上的污泥中，依次分別加入硫酸亞鐵和雙氧水.經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)后，污泥中有機(jī)物可分解為二氧化碳、水、無(wú)機(jī)鹽.泥中通過(guò)氫鍵結(jié)合的水分子變?yōu)橛坞x態(tài)，可過(guò)濾性增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)濾后可進(jìn)一步降低污泥中水分.其具體氧化過(guò)程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

如果在反應(yīng)深度和時(shí)間上沒(méi)有限制，有機(jī)物可以完全被降解為二氧化碳、水、無(wú)機(jī)鹽.

1.2 工藝流程

本試驗(yàn)研究采用污泥氧化調(diào)質(zhì)、連續(xù)脫水工作的原理.工藝環(huán)節(jié)主要包括污泥調(diào)質(zhì)、泵送系統(tǒng)、初級(jí)壓濾、二級(jí)壓濾、皮帶輸送等5部分(其工藝流程見(jiàn)圖1，設(shè)備布置見(jiàn)圖2).其中初壓濾設(shè)備采用普通帶式過(guò)濾機(jī)，深度過(guò)濾設(shè)備選用鋼帶過(guò)濾機(jī).工作原理是：首先將調(diào)質(zhì)后的污泥經(jīng)初級(jí)脫水后由流態(tài)變成塑態(tài)，然后經(jīng)深度脫水變成固態(tài).使其水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65%以下，為污泥的進(jìn)一步處置焚燒、干化或填埋創(chuàng)造條件.

圖1 污泥深度脫水工藝流程圖

圖2 污泥深度脫水設(shè)備布置圖

含水率85%的污泥通過(guò)黏稠物料輸送裝置輸送至攪拌器，依次將調(diào)質(zhì)藥劑硫酸亞鐵與雙氧水加入污泥，充分?jǐn)嚢瑁趸蟮奈勰嘤伤軕B(tài)變成流態(tài)，然后經(jīng)泵送系統(tǒng)將其輸送至帶式壓濾機(jī)進(jìn)行初級(jí)壓濾.初級(jí)壓后的污泥為塑態(tài)，由皮帶機(jī)輸送到鋼帶壓濾機(jī)，經(jīng)鋼帶壓濾機(jī)深度壓濾后，污泥變成固態(tài).最后通過(guò)卸料皮帶機(jī)輸送至焚燒爐或干化機(jī)內(nèi)進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行處置.壓濾后的污水，回到污水處理廠統(tǒng)一處理.

1.3 關(guān)鍵設(shè)備

1.3.1 普通帶式壓濾機(jī)

普通帶式壓濾機(jī)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、張緊裝置、糾偏裝置、壓榨輥、糾偏輥、清洗裝置、接水裝置、擋泥板、機(jī)架等組成(圖3)，利用雙層濾帶夾持著漿料在脫水輥上進(jìn)行壓榨脫水.其脫水過(guò)程一般分為重力脫水區(qū)、楔形脫水區(qū)、壓榨脫水區(qū)及高壓壓榨區(qū).其作用是將調(diào)質(zhì)好的污泥進(jìn)行初級(jí)進(jìn)濾，使污泥由流態(tài)變?yōu)樗軕B(tài)，以便進(jìn)行下一步深度壓榨.

圖3 普通帶式壓濾機(jī)示意圖

帶式壓濾機(jī)脫水原理，是依靠濾帶產(chǎn)生的機(jī)械力對(duì)物料進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾介質(zhì)的壓力差是由濾帶拉力產(chǎn)生.圖4為其受力示意圖.

帶式壓濾機(jī)壓榨區(qū)模型可用平帶理論近似描述，壓榨力P與帶的張緊力T的關(guān)系式：

(5)

式中:B為濾帶的帶寬，D為壓榨棍的直徑，P為壓榨力，T為帶的張緊力.

圖4 濾帶與壓榨棍的受力圖

圖5 鋼帶壓榨原理示意圖

1.3.2 鋼帶壓濾機(jī)

與普通帶式壓濾機(jī)相比，鋼帶機(jī)除了由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、張緊裝置、糾偏裝置、壓榨輥、糾偏輥、清洗裝置、接水裝置、擋泥板、機(jī)架等結(jié)構(gòu)外，還有鋼帶壓濾結(jié)構(gòu)(如圖5所示).鋼帶壓濾結(jié)構(gòu)由張力帶、加壓帶、過(guò)濾帶平行重疊繞在壓榨輥外而成，張力帶由鋼履帶構(gòu)成.張力帶能夠使濾餅同時(shí)受到濾餅運(yùn)行方向(縱向)、與濾餅運(yùn)行垂直方向(橫向)、濾餅厚度方向(垂直方向)的三維剪切力，使濾餅在壓榨過(guò)程中受到全方位的充分?jǐn)D壓，尤其是大幅度增加了在垂直方向的擠壓力.提高了物料的壓縮比，有利于濾餅壓榨脫水、保持濾帶清潔，減少過(guò)濾帶損傷等特點(diǎn).

鋼帶張力通過(guò)張緊油缸來(lái)調(diào)節(jié)，從而調(diào)整對(duì)物料的過(guò)濾的壓力，油壓最高可達(dá)25 MPa.鋼帶機(jī)適合過(guò)濾有一定抗壓強(qiáng)度的物料，對(duì)于非流態(tài)物料尤為合適.

1.3.3 濾布選型

濾帶透氣量選擇的大小對(duì)處理能力起著至關(guān)重要的作用.透氣量過(guò)大容易造成壓榨段濾液渾濁，去除率降低.透氣量過(guò)小，重力區(qū)的排水效率低，處理能力直接受到影響.當(dāng)進(jìn)料量控制不好時(shí)，還有可能在壓榨段出現(xiàn)擠壓“跑泥”現(xiàn)象.

對(duì)于普通壓濾機(jī)的濾布以過(guò)濾作用為主，即要保證一定強(qiáng)度，又要確保其通透性；鋼帶式壓濾機(jī)的濾布以強(qiáng)度為主，其過(guò)濾方式是過(guò)濾物料自身作為過(guò)濾介質(zhì).

2 脫水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

1) 將一定量的污泥倒入通過(guò)污泥輸送系統(tǒng)泵送至攪拌器中.進(jìn)入攪拌器中的物料計(jì)量通過(guò)輸送系統(tǒng)自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn).通過(guò)均勻攪抖，污泥均勻地?cái)傇跀嚢杵髦校捎诩羟邢”∽饔?，原吸附于污泥分子間水會(huì)有一定淅出.

2) 根據(jù)加入污泥質(zhì)量，按一定比例將一定質(zhì)量的FeSO4藥劑通過(guò)加藥裝置加入攪拌器中.將FeSO4調(diào)整為濃度為33%的液態(tài)形式加入，充分?jǐn)嚢?，使之與污泥充分混合均勻；攪拌時(shí)間一般在5～10 min.

3) 再根據(jù)污泥質(zhì)量，按一定比例將一定質(zhì)量的H2O2藥劑通過(guò)加藥裝置加攪拌器中，H2O2濃度控制在30%左右.同時(shí)進(jìn)行攪拌，調(diào)質(zhì)藥劑會(huì)與污泥中的有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，并伴有大量氣體溢出，大量熱量釋放，同時(shí)產(chǎn)生體積膨脹現(xiàn)象.調(diào)質(zhì)后的污泥這時(shí)會(huì)呈現(xiàn)流態(tài).

4) 將充分調(diào)質(zhì)后的污泥通過(guò)泵送系統(tǒng)輸送至普通帶式過(guò)濾機(jī)，經(jīng)過(guò)普通帶式過(guò)濾機(jī)初步壓濾后，污泥過(guò)濾出一定的水分，由流態(tài)壓濾成塑性狀態(tài)(圖6)，有一定抗剪切強(qiáng)度，可成受一定的壓力；含水率一般在71%左右.

5) 污泥經(jīng)過(guò)普通帶式過(guò)濾機(jī)壓濾后，由過(guò)渡溜槽輸送至鋼帶壓濾機(jī)進(jìn)行深度壓榨，進(jìn)一步進(jìn)行脫水.脫水后污泥由塑態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)(圖7)；含水率一般在60%左右.

圖6 含水72%壓濾后污泥

圖7 含水58%壓濾后污泥

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為使試驗(yàn)研究不失一般性.污泥選用了多家污水處理廠的污泥，有昌平污水處理廠、威立雅污水處理廠、清河污水處理廠和九仙橋污水處理廠.對(duì)于每批次污泥都進(jìn)行含水率化驗(yàn)，對(duì)于關(guān)鍵工序結(jié)點(diǎn)的污泥含水率也進(jìn)行了化驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1至表5.表1至表4為每一種污泥的重復(fù)試驗(yàn)，含水率取其多次試驗(yàn)后的平均值.表5為各種污泥的原泥含水率、調(diào)質(zhì)過(guò)程含水率及壓濾后最終含水率，以便于直觀的數(shù)據(jù)比對(duì)，同時(shí)用于壓濾出水量分析.

表1 昌平污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,昌平(原泥含水率84.56%);藥劑標(biāo)識(shí),FeSO4+H2O2.

表2 威立雅污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,威立雅(原泥含水率84.61%);藥劑標(biāo)識(shí),FeSO4+H2O2.

表3 清河污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,清河(原泥含水率85.60%);藥劑標(biāo)識(shí)：FeSO4+H2O2.

表4 九仙橋污泥壓濾數(shù)據(jù)表

注：泥樣,九仙橋(原泥含水率85.60%);藥劑標(biāo)識(shí),FeSO4+H2O2.

表5 幾種污泥調(diào)質(zhì)后含水率與壓濾后含水率對(duì)照表

2.3 出水量分析

污泥調(diào)質(zhì)時(shí)，加入的藥劑FeSO4與H2O2均為液態(tài).其中FeSO4質(zhì)量為污泥質(zhì)量的5%，H2O2溶液質(zhì)量為污泥質(zhì)量的8%，溶解FeSO4時(shí)用水量為污泥質(zhì)量的10%.根據(jù)實(shí)測(cè)原泥含水率、調(diào)質(zhì)后污泥含水率、最終壓濾后污泥含水率數(shù)據(jù)，可以推算出實(shí)際每噸污泥所壓濾出的水量.

現(xiàn)以處理1 t昌平污泥為例進(jìn)行分析.原泥含水率為84.56%，系統(tǒng)處理后含水率為61.22%.由于壓濾前、后污泥只有水分的變化，固體物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變.顯然,原泥中含水量為

1×84.56%=0.845 6,

調(diào)質(zhì)后污泥總質(zhì)量為

1+1×5%+1×8%+1×10%=1.23,

調(diào)質(zhì)后污泥實(shí)測(cè)含水率81.67%，可知，調(diào)質(zhì)后污泥質(zhì)量為

1.28×(1-81.67%)=0.224 3.

由于調(diào)質(zhì)后污泥在壓濾前后其質(zhì)量不變，壓濾后濾餅含水量為W，壓濾后含水率為61.22%，則

W/(W+0.224 3)=61.22%，W=0.353 9.

故壓濾后每噸出水

0.845 6-0.353 9=0.491 7.

同理知，威立牙雅污泥每噸出水量為0.470 7 t,清河污泥每噸出水量為0.583 7 t,九仙橋污泥每噸出水量為0.500 6 t.

該工藝可使每噸污泥實(shí)際出水量在0.5 t左右，對(duì)污泥的后續(xù)處理帶來(lái)極大的便利，尤其當(dāng)進(jìn)行干化、焚燒時(shí)，會(huì)節(jié)約大量的能源，降低了成本.

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1) 調(diào)質(zhì)效果好

在污泥中依次分別加入硫酸亞鐵和雙氧水，可將污泥中的EPS及其他有機(jī)物徹底氧化.不僅能使污泥的有機(jī)物可分解為二氧化碳、水、無(wú)機(jī)鹽，而且可使原污泥中通過(guò)氫鍵結(jié)合的水分子變?yōu)橛坞x態(tài)，污泥可過(guò)濾性增強(qiáng).

2) 脫水效果好

在污泥中無(wú)需過(guò)濾加額外過(guò)濾骨架(如石灰、粉煤灰等)，污泥自身的無(wú)機(jī)物便可充當(dāng)過(guò)濾骨架，經(jīng)壓濾后，脫水效果良好.水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均降低約25%.體積為原來(lái)1/3.

3) 除菌除臭效果好

由于藥劑的氧化作用，有害細(xì)菌及發(fā)臭有機(jī)物被分解，故其除菌除臭效果好.

4) 過(guò)濾壓力高

該脫水系統(tǒng)與隔膜壓濾機(jī)系統(tǒng)相比，擠壓壓力大，膈膜壓濾機(jī)在1.5 MPa以下[7]，鋼帶機(jī)擠壓壓力可達(dá)2.5 MPa.

5) 自動(dòng)化效果好

該脫水系統(tǒng)與采隔膜壓濾機(jī)系統(tǒng)相比，工作連續(xù)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，勞動(dòng)強(qiáng)度小，維護(hù)成本小.

6 ) 需水量少

采用隔膜壓濾系統(tǒng)時(shí)，需加水將污泥稀適至含水率95%的溶液將態(tài)，方可進(jìn)行調(diào)質(zhì)；本工藝直接在污泥中加藥調(diào)質(zhì)，節(jié)約了大量用水，減少后續(xù)污水處理費(fèi)用.

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)研究課題組近兩年的深入研究，確定了“FeSO4與H2O2化學(xué)調(diào)質(zhì)+普通帶機(jī)初級(jí)過(guò)濾+鋼帶機(jī)二級(jí)過(guò)濾”的連續(xù)脫水工藝流程，對(duì)不同污水處理廠所產(chǎn)生的污泥進(jìn)行了大量脫水試驗(yàn).研究結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)污泥調(diào)質(zhì)處理，可以實(shí)現(xiàn)改性處理，脫水性能增強(qiáng)；該脫水系統(tǒng)脫水效果良好，在不加石灰等過(guò)濾骨架的情況下，可使污泥含水率達(dá)60%左右，降低約25%；系統(tǒng)工作連續(xù)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化.因此，該工藝是深度脫領(lǐng)域的一種技術(shù)創(chuàng)新，具有良好的實(shí)用價(jià)值和推廣前景.