齊永正,李振雄

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,鎮(zhèn)江 212100)

(2.江蘇省地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害防治及修復(fù)工程研究中心,鎮(zhèn)江 212100)

城鎮(zhèn)污水處理過程中會產(chǎn)生大量的剩余污泥,這些污泥呈膠狀液態(tài),含水率可達98%以上[1],如果不及時進行處理,會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染.污泥處理的方式主要有農(nóng)用、填埋、焚燒、建材利用等.然而,制約污泥處理的主要因素是污泥的高含水率.污泥脫水是污泥處理最關(guān)鍵的環(huán)節(jié).常用的污泥脫水機械有真空過濾機、板框壓濾機、輥軋式脫水機、帶式壓濾機、離心式脫水機、疊螺脫水機等[2-7].污泥經(jīng)過機械脫水,含水率仍然在80%以上[8].為了進一步降低污泥含水率,新的污泥脫水技術(shù)如超聲波脫水技術(shù)[9]、微波脫水技術(shù)[10]、電滲析脫水技術(shù)[11]和熱水解脫水技術(shù)[12]等不斷涌現(xiàn).時至今日,雖然污泥脫水技術(shù)和理論都取得了長足發(fā)展[13],但污泥難脫水仍然是困擾污泥處理的“瓶頸”[14-15].污泥淤堵是污泥難脫水的重要原因,進而影響污泥的脫水效應(yīng).文中擬通過底部滲流自然下滲、無密封底部真空負壓、密封底部真空負壓3種工況污泥脫水模型試驗,研究污泥的脫水效應(yīng),分析污泥顆粒沉積與淤堵機理,為改善污泥脫水工藝提供參考依據(jù).

1 試驗材料

1.1 污泥

試驗污泥選用鎮(zhèn)江本地城鎮(zhèn)污水處理廠污泥,為保證各組試驗初始條件的一致性,采用同一批污泥,測試初始含水率為98%,容重為1.04 g/cm3.

1.2 濾膜

試驗濾膜采土工織物無紡?fù)杆凉げ?該土工布基本參數(shù)如表1.

表1 透水土工布基本參數(shù)

2 試驗過程

如圖1,試驗?zāi)Ｐ拖洳捎猛该鱽喛肆Σ馁|(zhì),內(nèi)壁80 cm×80 cm方形箱,模型箱側(cè)壁外壁設(shè)置刻度尺,用于監(jiān)測液面變化.模型箱底部架空層通過密封管道與氣水分離裝置連接,氣水分離裝置連接真空泵;真空泵抽真空通過氣水分離裝置抽吸模型箱底部架空層中的氣水混合液對模型箱底部施加全斷面真空負壓.

圖1 模型試驗系統(tǒng)

自然下滲試驗在架空層隔板上部鋪設(shè)透水土工布并用密封膠布密封土工布邊緣,往模型箱中注入污泥漿液至高度30 cm,即開始試驗,記錄試驗數(shù)據(jù)至試驗結(jié)束.

底部真空負壓試驗,在架空層隔板上部鋪設(shè)透水土工布并用密封膠布密封土工布邊緣于模型箱內(nèi)壁上,在水箱中注入污泥漿液至高度30 cm,覆蓋密封膜并確保密封(無密封試驗忽略此步驟),開啟真空泵,開始試驗.記錄數(shù)據(jù),前30 min內(nèi)每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù),30 min至1 h內(nèi)每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù),1 h至7 h內(nèi)每隔30 min記錄一次數(shù)據(jù),7 h至12 h內(nèi)每隔1 h記錄一次數(shù)據(jù),12 h至24 h內(nèi)每隔2 h記錄一次數(shù)據(jù),試驗至24 h,停止試驗.取污泥試樣測量污泥泥餅含水率,做掃描電鏡試驗.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 底部真空負壓荷載結(jié)果及分析

底部真空負壓污泥脫水試驗分為無密封和密封兩種工況,圖2為兩種工況下底部真空負壓荷載變化曲線.

圖2 底部真空負壓荷載變化曲線

從圖2曲線可以看出,在上部無密封和密封兩種工況下,加載0～14 h,底部真空負壓荷載均可保持在90 kPa以上,表明污泥間隙水具有“水封效應(yīng)”,能夠有效隔絕底部真空.無密封工況下14 h后真空負壓荷載急劇降低至20 kPa,表明污泥已出現(xiàn)上下貫通性裂縫,但有一定的淤堵現(xiàn)象.密封工況下16 h后,底部真空負壓緩慢降低并維持在75 kPa,可見密封系統(tǒng)存在局部漏氣情況,但總體情況尚好.

3.2 污泥面與上清液面結(jié)果及分析

試驗進行了自然下滲、無密封底部真空負壓、密封底部真空負壓3種工況下的污泥面與上清液面變化監(jiān)測,3種工況下污泥面與上清液面變化時程曲線如圖3.

圖3 污泥面與上清液面變化時程曲線

由液面試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,自然下滲工況污泥上清液與下沉污泥分層出現(xiàn)最早(3 min)消失最遲(22 h),無密封底部真空負壓荷載工況次之(5 min分層出現(xiàn),14 h分層消失),密封底部真空負壓荷載工況污泥分層出現(xiàn)最遲(15 min)消失最早(12 h).3種工況下,自然下滲工況污泥顆粒沉降最快,無密封底部真空負壓工況次之,密封底部真空負壓工況污泥顆粒沉降最慢.可見底部真空負壓及密封均對污泥脫水具有重要影響.

3.3 污泥含水率結(jié)果及分析

污泥含水率是指污泥中水的質(zhì)量與污泥固體顆粒及污泥中水的總質(zhì)量的比值.圖4為3種工況下污泥含水率變化時程曲線.

圖4 污泥含水率變化時程曲線

從圖4曲線可以看出,自然下滲污泥含水率近似于線性下降,脫水24 h污泥含水率為88.45%;無密封與密封底部真空負壓工況污泥含水率試驗前期和后期污泥含水率降低較慢,中期降低較快,含水率時程曲線在試驗中期出現(xiàn)拐點.無密封工況污泥試驗最終含水率為85.14%,密封工況污泥最終含水率為76%.試驗結(jié)果表明,密封底部真空負壓工況可迅速降低污泥含水率,脫水效率高,脫水效果好.總體效果而言,密封底部真空負壓工況污泥脫水效果最好,無密封底部真空負壓工況效果次之,自然下滲工況污泥脫水效果最差.

3.4 污泥脫水率結(jié)果及分析

污泥脫水率等于污泥脫出水的質(zhì)量與初始污泥中水的總質(zhì)量的比值,反映污泥脫水量的程度.圖5為3種工況下污泥脫水率時程曲線.

圖5 污泥脫水率時程曲線

對比圖5曲線可以發(fā)現(xiàn),自然沉降工況污泥脫水率前半程脫水效率最高,后半程脫水效率最低,試驗最終脫水率84.37%,該工況污泥脫水效果最差;無密封底部真空負壓工況前半程污泥脫水效率最低,中期超過自然下滲工況,試驗最終脫水率88.3%,該工況脫水效果好于自然沉降工況;密封底部真空負壓荷載工況前半程污泥脫水效率居中,中期超過前兩種工況,試驗最終脫水率89.94%,該工況脫水效果最好.

3.5 污泥體積濃縮率結(jié)果及分析

污泥體積濃縮率指污泥脫水減少的體積與污泥初始總體積的比值,反映污泥體積濃縮的程度.圖6為3種工況下試驗最終污泥體積濃縮率對比圖.由圖6可見,自然下滲工況污泥體積濃縮率最小,達84.33%;密封底部真空負壓工況污泥體積濃縮率最大,達91.67%;無密封底部真空負壓工況污泥體積濃縮率居中,達90.00%.可知,密封底部真空負壓工況污泥脫水效果最好,污泥所余體積僅為原始總體積的8.33%.

圖6 污泥體積最終濃縮率對比圖

3.6 污泥脫水速率結(jié)果及分析

污泥脫水速率是指單位時間內(nèi)污泥脫出水的質(zhì)量,反映污泥瞬時脫水的快慢程度,圖7為3種工況下污泥脫水速率變化時程曲線.

圖7 污泥脫水速率變化時程曲線

由圖7可以看出,3種工況污泥脫水速率在試驗前期1～2 h內(nèi)非常大,達45～55 g/s,而后急速下降,在試驗后期泥脫水速率逐漸趨近于0.自然下滲工況,試驗前半段污泥脫水速率較高,后半段很小;無密封與密封底部真空負壓工況污泥脫水速率時程曲線變化總體趨勢一致,兩者在試驗中期脫水速率均有所加大;試驗前期和后期密封工況污泥脫水速率大于無密封工況,中期無密封工況污泥脫水速率略大于密封工況.

3.7 掃描電鏡結(jié)果及分析

取自然下滲工況、無密封及密封底部真空負壓工況脫水試驗后污泥泥餅試樣進行掃描電鏡試驗.圖8～10為放大200倍3種工況污泥SEM圖.

圖8 自然下滲工況污泥掃描電鏡圖

從圖8可見,自然下滲工況污泥細顆粒較多,污泥顆粒間隙較小,污泥絮狀體不明顯;從圖9可見,無密封底部真空負壓工況污泥表面較為粗糙,污泥細顆粒較少,污泥粒間孔隙變大,污泥顆粒絮狀體明顯;從圖10可見,密封底部真空負壓工況污泥外表面較為平整、光滑,污泥細顆粒不明顯,污泥顆粒間隙較大,污泥顆粒絮狀體明顯.可見,底部真空負壓改變了污泥泥餅的微觀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為3種工況污泥脫水宏觀效果的差異.

圖9 無密封工況污泥掃描電鏡圖

圖10 密封工況污泥掃描電鏡圖

4 機理分析

底部滲流,自然下滲工況,污泥顆粒受到4個豎向力的作用,即豎直向下的重力G和滲流力F以及豎直向上的浮力B及粘滯阻力f,如圖11(a).

圖11 污泥顆粒受力示意

已知浮力B=γwV[16-17],滲流力F=γwJV[18-20],式中γw為水的重度,V為污泥顆粒體積,J為水力坡降,對于本試驗豎向滲流,水力坡降J=1,所以,滲透力F=γwV=B,數(shù)值上與浮力相互抵消.因此,自然下滲工況污泥顆粒所受的力可認為只受到豎向的重力G和粘滯阻力f.由斯托克斯(Stokes)定律可知,粘滯阻力f= -6πηvr[21],式中η是水的粘度系數(shù),v是污泥顆粒相對于水的運動速度,r是污泥顆粒的半徑.污泥顆粒在重力G和粘滯阻力f(初始粘滯阻力為零)作用下做加速運動,隨著沉降速度越來越快,污泥顆粒所受的粘滯阻力也越來越大.當達到某一沉降速度時,重力和粘滯阻力大小相等,污泥顆粒勻速沉降.此時,污泥顆粒的速度為收尾速度或沉降速度.設(shè)污泥顆粒重度為γ,則污泥顆粒所受重力為G=γV=4γπr3/3.當污泥顆粒達到沉降速度時,根據(jù)受力分析可知6πηvr=γV,則污泥顆粒沉降速度v=γV/6πηr=2γr2/9η.從該式可以看出,粒徑r越大顆粒沉降速度v越快,因此,污泥粗顆粒沉積在污泥泥餅底部,污泥細顆粒沉積在污泥泥餅上部.于是污泥顆粒在透水土工布上表面與土工布一起形成一個自上而下顆粒粒徑逐漸變大的“天然反濾層”.隨著污泥細顆粒的沉積,“反濾層”出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象.

當?shù)撞渴┘诱婵肇搲簳r,將在污泥漿液中產(chǎn)生負的超靜孔壓,孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果顯示[22-23],污泥漿液中負超靜孔隙水壓力從下部向上部傳遞.毛昶熙先生認為“靜水壓力的傳遞結(jié)果產(chǎn)生浮力,致使土粒的有效重量減輕變?yōu)闈撍≈亍盵18],“土體的浮力等于上下表面的靜水壓力差”[24].由此可知,負超靜孔壓從下部向上部傳遞,相當于對污泥顆粒施加了一個向上的豎向浮力B′,如圖11(b),該力遲滯了污泥顆粒的沉降.圖12(a)為無密封污泥漿液中負超靜孔壓分布示意,污泥漿液表面負超靜孔壓為零;圖12(b)為密封污泥漿液中負超靜孔壓分布示意圖,污泥漿液表面以上有密封膜,膜與漿液表面之間存有殘余空氣層,隨液面下降,空氣間層氣體稀釋,漿液表層受到負超靜孔壓影響.由孔壓分布圖可知,無密封工況孔壓分布圖斜率小于密封工況,可知,無密封工況污泥顆粒附加浮力B′小于密封工況.因此,試驗實測數(shù)據(jù)(見圖3)顯示,無密封底部真空負壓工況比密封底部真空負壓工況污泥顆粒沉降速度快;自然下滲工況不受負超靜孔壓影響,污泥顆粒沉降速度最快.

從多孔介質(zhì)學(xué)角度,底部真空負壓工況污泥脫水過程可劃分為兩個階段:第一階段是污泥顆粒絮凝沉降,污泥出現(xiàn)上清液,如圖13(a).箱體中的污泥顆粒沉積到透水土工布表面,并在表面形成污泥泥餅.試驗前期,污泥泥餅沉積較薄,污泥孔隙中大量自由水分淅出并透過污泥泥餅從底部排出,污泥迅速脫水,體積急劇濃縮.

第二階段是上清液面消失,在真空負壓作用下真空負壓氣流驅(qū)替污泥孔隙水脫水,如圖13(b),即真空負壓氣流穿過污泥泥餅的孔隙并置換污泥泥餅中賦存的少量間隙水和部分結(jié)合水.當無密封時,上清液消失,“水封效應(yīng)”失效,隨著污泥脫水體積收縮,污泥泥餅出現(xiàn)多處不規(guī)則貫通裂隙,如圖14.

在真空負壓作用下,表面污泥細顆粒填充到裂隙內(nèi),真空負壓荷載迅速下降至很小的真空負壓荷載,此后,污泥在自重和殘余真空負壓下繼續(xù)緩慢脫水.所以,無密封試驗最終污泥含水率小于自然下滲污泥含水率.當污泥表面密封時,由于密封膜的存在,真空負壓氣流穿透污泥泥餅,傳遞到密封膜下,污泥泥餅中開始出現(xiàn)真空負壓[22-23],密封膜被緊緊吸附在污泥泥餅表面.污泥泥餅在底部真空負壓和上表面大氣壓力作用下像擠壓海綿體一樣,擠壓污泥泥餅加速污泥脫水,污泥由“豆腦狀”變成“豆干狀”,因而,密封工況污泥脫水效果最好,最終污泥含水率最小.因為自然下滲工況僅經(jīng)歷了第一階段,所以污泥脫水效果最差,最終污泥含水率最大.無密封工況經(jīng)歷了第二階段的部分過程,所以污泥脫水效果好于自然下滲工況,但遠比密封工況差,最終污泥含水率居中.

污泥顆粒絮體結(jié)構(gòu)如圖15,由污泥胞外聚合物(EPS)有機絮體和胞內(nèi)物質(zhì)組成,EPS包含緊密結(jié)合的胞外聚合物(TB-EPS)、松散結(jié)合的胞外聚合物(LB-EPS)及溶解性胞外聚合物(SEPS)[25].自然下滲工況,污泥細顆粒沉積填充先期沉積的粗顆粒間隙形成致密的污泥沉積層,上清液滯水下滲困難,后期污泥脫水緩慢,SEM微觀結(jié)構(gòu)顯示污泥細顆粒較多,顆粒間隙較小;無密封底部真空負壓工況,污泥細顆粒流失到裂隙中,污泥絮凝體在真空負壓下失水收縮,胞外聚合物外露,污泥表面粗糙,顆粒間隙較大;密封底部真空負壓工況,污泥間隙水連同污泥微細顆粒被真空負壓氣流驅(qū)替,因此,污泥表面光滑,污泥顆粒絮體及粒間孔隙較大.

圖15 污泥顆粒絮體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

文中進行了自然下滲、無密封底部真空負壓及密封底部真空負壓3種工況污泥脫水模型試驗,并對相關(guān)機理進行了分析,結(jié)論如下:

(1) 污泥顆粒沉降速度與顆粒半徑的平方成正比,粗顆粒沉降速度快于細顆粒;粗顆粒沉積在污泥泥餅下部,細顆粒沉積在污泥泥餅上部,細顆粒堵塞粗顆粒的孔隙,產(chǎn)生淤堵.

(2) 底部真空負壓在污泥漿液中產(chǎn)生的負超靜孔隙水壓力會影響污泥顆粒的沉降速度,負超靜孔壓越大,顆粒沉降速度越慢.

(3) 底部真空負壓工況,污泥脫水經(jīng)歷出現(xiàn)上清漿與上清漿消失兩個階段.前者,污泥中的自由水具有“水封效應(yīng)”,阻止了真空度的傳遞;后者,表面密封狀態(tài)下,真空負壓在污泥泥餅中產(chǎn)生的球應(yīng)力擠壓污泥排水,脫水效應(yīng)顯著.