城市污泥调质与压滤机脱水

引言

城市污泥是城市生活污水处理过程中产生的固体废物，其主要特性是有机物含量高，含有相当的热值，其热值为煤炭的1/3~1/2,含水率高且不易脱水“句。同时，污泥中往往还含有一些有毒有害难降解的有机物、寄生虫（卵）、致病微生物及重金属等。若不加以适当处置，这些有害物质将在污泥排放后通过各种途径给生态环境、人类以及动物的健康带来严重危害。我国目前污泥处置方式中，土地填埋占65%,堆肥占15%,污泥自然干化占6%,污泥焚烧占3%,污泥露天堆放和外运等占11%,事实上，土地填埋、污泥露天堆放和外运绝大部分属随意处置，真正实现安全处置的比例不超过25%污泥未能妥善处置引起的污染与二次污染问题突显，对生态环境造成威胁，引起了社会各界的关注，而在发达国家（如美国、日本），污泥填埋的比例不断减少（W15%）,而污泥的资源化利用的比例迅速增加（＞85%）,资源化利用已成为发达国家处理城市污泥最主要的措施。

城市污泥水分高，脱水困难是制约污泥资源化利用的共性技术难题。因此，污泥脱水方法与技术成为目前城市污泥资源化利用领域的研究热点与难点。作者所在研究团队在污泥的能源化利用中发现：用半焦对城市污泥调质能显著改善污泥的脱水性能,真空抽滤脱水泥饼含水率由原污泥的76.02%降低至调质后61.14%”‘J,但其水分依然较高，不能满足污泥资源化利用的要求（W40%）。考虑到机械压滤是实现污泥深度脱水的有效方法，目前有一些污水处理厂采用板框压滤脱水设备对经化学药剂（如PAM、PAC.H2O2,FeCl3等）调质的城市污泥进行压滤脱水，泥饼含水率从现有的80%左右降至60%左右，实现了城市污泥的减量化,为此，作者所在研究团队进行了基于半焦的城市污泥调质与机械压滤脱水研究，发现采用半焦调质城市污泥和机械压滤脱水方法能将半焦调质城市污泥机械压滤脱水泥饼的水分降至35%以下，且脱水后的泥饼可直接燃烧发电。

实验部分

1.1实验材料及仪器

城市污泥取自湖南省株洲市白石港水质净化中心，系生活污水经活性污泥法处理后的剩余污泥，其含水率为95%,污泥的粒径由激光粒度分布仪测定，主要分布在1-174微米,平均粒径为30微米：将内蒙古褐煤在500℃下热解1.5h得到半焦，半焦的粒径由激光粒度分布仪测定，粒径在1~200微米,平均粒径为45微米半焦及城市污泥的工业分析结果。

主要仪器与设备：2XZ-2型片式真空泵；101-1型电热鼓风干燥箱；GZ-12。型搅拌器；BT-2002激光粒度分布仪;WS-G606型自动工业分析仪;WS-C503型量热仪；RFP-03型智能测力仪。

1.2实验方法

1.2.1城市污泥的调质

用量筒量取100mL的城市污泥置于250mL的烧杯中，加入一定量的半焦，用搅拌器对其进行搅拌（转速为240r/min）,污泥与半焦在搅拌条件下相互作用10min,完成半焦对城市污泥的调质。

1.2.2城市污泥真空抽滤脱水

首先将巾9cm的滤纸平铺于布氏漏斗中，然后将一定量的污泥迅速转移到布氏漏斗中，打开真空泵，调节真空度为-0.08MPa进行污泥真空抽滤脱水。待真空度改变、泥饼开裂时关掉真空泵，取出泥饼供污泥压滤脱水实验使用。

1.2.3城市污泥机械压滤脱水实验

城市污泥机械压滤脱水实验装置如图1所示。首先称取经真空抽滤脱水后的泥饼10g放入滤布袋（滤布的平均孔径300目）中，然后将装有污泥泥饼的滤布袋放入卡槽中，并将卡槽置于底座上开始污泥机械压滤脱水实验。通过仪器的程序控制面板设定压滤压力，仪器达到指定压力后恒压10min后卸压，取出污泥滤饼，完成城市污泥压滤脱水实验。

1.2.4压榨污泥滤饼含水率的测定

将蒸发皿预先放置在温度为105t的鼓风干燥箱内干燥30min后取出，并置于干燥器内冷却至室温，称量并记录干燥的蒸发皿的质量砰；取经机械压榨后的污泥滤饼置于干燥的蒸发皿上称量，记录污泥滤饼与蒸发皿的总质量m；并将其放入105Y的鼓风干燥箱内干燥3h；取出蒸发皿放置在干燥器中冷却至室温，称量，并记录蒸发皿和干燥后污泥滤饼的总质量；重复上述干燥、冷却、称量步骤，直至干燥的污泥滤饼质量至恒重，记录此时干燥的污泥滤饼的质量。

2.1半焦添加量对城市污泥调质与机械压滤脱水泥饼含水率的影响

为了探讨半焦添加量对城市污泥调质与机械压滤脱水泥饼含水率的影响，在相同压榨压力（1.6MPa）、相同城市污泥量（100mL,干泥量为5g）下,改变半焦的添加量（分别为1,2,3,4,5g）进行城市污泥经半焦调质后的机械压滤脱水实验，压滤脱水泥饼的含水率与半焦添加量的关系见图2。可知：当半焦添加量为0g/100mL污泥时，压滤泥饼含水率为73.18%,当半焦添加量为Ig/10。mL污泥时，滤饼含水率下降到52.30%,相比未添加半焦的原污泥滤饼的含水率下降了20.88%,表明半焦调质城市污泥对城市污泥深度脱水有显著效果。当半焦添加量由1g/100mL污泥增加到3g/100mL污泥时，滤饼含水率由52.30%下降到45.50%,下降过程较缓慢，泥饼水分下降率为13%,说明半焦添加量对污泥调质与机械压滤脱水有一定效果，但变化趋势平缓；当半焦添加量从3g/100mL污泥增加到4g/100mL污泥时，滤饼含水率从45.50%降低到32.19%,泥饼水分下降率为29%,压滤泥饼含水率下降趋势显著；当半焦添加量为5g/100mL污泥时，压滤泥饼含水率为30.30%,相比添加量为4g/100mL污泥时的压滤泥饼含水率略有下降，二者压滤泥饼含水率仅相差1.89%。

上述实验结果表明：随着半焦添加量的增加，压滤泥饼含水率降低，其变化趋势非线性而呈台阶式。究其原因：

1）半焦能显著改善城市污泥的脱水性能因而，当其添加量由0g/100mL污泥增加到1g/100mL污泥时，压滤泥饼含水率急剧降低（由73.18%降低到52.3%）；

2）半焦添加量为4g/100mL污泥时，半焦对城市污泥调质处于较理想状态，导致滤饼含水率降幅最大。综合考虑半焦的成本和城市污泥直接能源化利用的可行性，适宜的半焦添加量为4g/100mL污泥，故后续实验采用半焦最佳添加量为4g/100mL污泥，即干基污泥：半焦的质量比为1：0.8。

2.2压榨压力对城市污泥调质前后机械压滤泥饼含水率的影响

为揭示压榨压力对城市污泥经半焦调质前后的机械压滤脱水泥饼含水率的影响，在相同城市污泥量（100mL）、半焦添加量（4g）下，改变压榨压力（分别为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0MPa）进行城市污泥机械压滤脱水实验，污泥机械压滤脱水泥饼含水率与压力的关系所示。可知：未经半焦调质的原污泥机械压滤脱水滤饼含水率随着压力的增加而降低。压力从0.2MPa增加到0.6MPa时，原污泥滤饼含水率由82.21%降低到77.98%,表明在机械压滤脱水的实验中，增加压力对降低污泥滤饼的含水率有一定效果，但此时滤饼含水率仍然较高，脱水效果不佳。当压力从0.6MPa增加到1.2MPa时，原污泥滤饼含水率从77.98%降低到75.97%,此下降过程较平缓，原污泥滤饼含水率变化不大。当压力从1.2MPa增加到2.0MPa时，原污泥滤饼含水率由75.97%降低到70.86%,原污泥滤饼的含水率下降趋势变快，但是此时仍不能满足城市污泥直接能源化利用的要求。总体来看，压榨压力对原污泥的深度脱水效果非常有限，与现行的城市污泥脱水生产实际相吻合，这可能是由于原污泥颗粒细密，在经过机械压榨形成泥饼后，易堵塞输水通道，导致原污泥滤饼多孔性不强，阻碍了分子吸附水脱离污泥颗粒，同时导致原污泥滤饼有较大的可压缩性。随着压力的增加泥饼易变形，因此其渗透性低，脱水能力差，因此原污泥泥饼经在2.0MPa压力压滤后，泥饼含水率也仍然较高。但压榨压力对经半焦调质后的城市污泥的深度脱水效果有良好表现：当压力从0.2MPa增加到0.6MPa时，经半焦调质后的城市污泥滤饼含水率呈稳定下降趋势，污泥滤饼含水率由67.14%降低到58.72%O当压力从0.6MPa增加到1.6MPa时，污泥滤饼含水率由58.72%迅速降低到32.19%,趋势显著。当压力＞1.6MPa时，污泥滤饼的含水率随着压力的增加继续降低，但是下降趋势平缓，压力为1.6MPa时污泥滤饼含水率与2.0MPa时污泥滤饼含水率仅相差3.06百分点。

可知，压榨压力对经半焦调质后的城市污泥深度脱水有显著效果，随着压力的增加，机械压滤泥饼的含水率变化趋势由稳定降低-急剧降低-非常平缓稍有降低，其可能原因如下：

1）半焦调质城市污泥能显著改善污泥的脱水性能，降低污泥颗粒对水分子的束缚力，从而在一定压力条件下能克服污泥颗粒对绝大部分水分子的束缚力而将水释放出来；

2）污泥颗粒的结合水以毛细结合水、分子吸附水和分子结合水3种形态赋存，污泥颗粒对水分子束缚力是上述污泥毛细结合力、分子吸附力和分子键合力的总和,但三者中毛细结合力〈分子吸附力，分子键合力，因此在施加压力脱水时，优先脱除的是毛细结合水，其次是分子吸附水，而分子结合水以分子键键合，基本上不能脱除，导致机械压滤泥饼含水率随着压力增加而呈稳定降低-急剧降低-非常平缓稍有降低趋势。兼顾城市污泥机械脱水泥饼含水率目标及生产能耗，选择1.6MPa作为半焦调质城市污泥机械压滤脱水压力。

总之,采用半焦调质城市污泥和机械压滤脱水的方法，能实现城市污泥深度脱水。当半焦添加量为4g/100mL城市污泥（含水率95%）,压榨压力为1.6MPa时，城市污泥机械压滤脱水泥饼的含水率可由现行80%左右降低到32.19%,大大提升了污泥资源利用的可行性。

3基于半焦的城市污泥调质与机械压滤脱水半工业试验

为验证半焦调质城市污泥和机械压滤脱水一体化技术对城市污泥深度脱水的效果，评价其推广应用前景，在珠海科创环境资源有限公司进行了半工业试验。

3.1试验设备与主要材料

隔膜板框压滤机：隔膜板5块，规格为1.0mx1.0mx0.09m,压滤压力W1.8MPa。污泥给料泵：给料压力W1.0MPa,污泥调理罐：4m³带搅拌装置。滤布：0.8mx0.8m,滤布的平均孔径为300目，污泥：珠海市前山污水处理厂，系污水经活性污泥法处理后的剩余污泥经机械脱水后的污泥，含水率80%。半焦：粒度≤0.01mm,平均粒径45微米。

3.2操作歩骤

首先，将0.5m³的水放入污泥调理罐中，称取150kg污泥投入调理罐中同时搅拌，将80%含水污泥调配成含水率为95.38%的城市污泥，随后向调理罐中投加24kg的半焦，调理搅拌20min,得到浓度为6.51%的半焦调质城市污泥。再启动隔膜板框压滤机开始压滤脱水，设定给料压力为L0MPa,给料时间为60min,压滤压力为1.6MPa,压滤时间为40min,污泥压滤脱水完成后，得到压滤脱水泥饼供后续分析测试使用。

3.3实验结果与应用前景

珠海前山污水处理厂污泥经半焦调质与机械压滤脱水后的泥饼含水率的检测结果为31.89%,与相同压滤实验条件下的实验室实验结果（32.19%）基本吻合，证明半焦调质城市污泥+机械压滤脱水能实现城市污泥深度脱水。由于半焦具有孔隙发达、吸附性能强、疏水性能强、热值高等特点，用半焦对城市污泥调质，不仅能显著改善城市污泥的脱水性能，显著降低污泥机械压滤脱水泥饼的含水率，还能显著提高污泥的热值。由表2可知：珠海前山压滤泥饼的热值由原污泥的7.82MJ/kg提高到15.29MJ/kg,可直接代替煤炭燃烧发电、实现城市污泥的高效能源化利用。因此，基于半焦的城市污泥调质与机械压滤脱水技术可为实现城市污泥能源化利用提供有力的技术支持，具有广阔的应用前景。4结论

1)半焦添加量对基于半焦的城市污泥调质与机械压滤脱水效果有显著影响，在相同压滤条件下，机械压滤泥饼含水率随着半焦添加量的增加而降低，适宜的半焦添加量为4g/100mL污泥(对应含水率为95%)。

2)压榨压力对原污泥的机械压滤脱水泥饼含水率的影响有限。在相同压滤条件下，压滤泥饼含水率随着压榨压力的增加而降低，当压力为2.0MPa时，原污泥压滤泥饼含水率依然高达70.86%；压榨压力对经半焦调质城市污泥的机械压滤脱水泥饼含水率有显著影响，随着压力的增加，机械压滤泥饼的含水率降低，但其变化趋势由稳定降低(0.2~0.6MPa时)一急剧降低(0.6~1.6MPa时)一缓慢降低(1.6-2.0MPa时)，当压力为1.6MPa时，污泥滤饼含水率可降低到32.19%。

3)采用半焦调质城市污泥+机械压滤脱水的方法，能实现城市污泥深度脱水。当半焦添加量为4g/100mL城市污泥(对应含水率95%),压榨压力为16.0MPa时，城市污泥机械压滤脱水泥饼的含水率由现行80%左右降低到32%左右,有利于污泥的后续资源化利用。

4)基于半焦的城市污泥调质与机械压滤脱水的半工业试验结果显示：珠海前山污泥经半焦调质与机械压滤脱水后的泥饼含水率为31.89%,与相同压滤实验条件下的实验室实验结果(32.19%)基本吻合，验证了该技术路线的有效性。同时发现，前山压滤泥饼的热值由原污泥的7.82MJ/kg提高到15.29MJ/kg,可直接代替煤炭燃烧发电，为实现城市污泥的高效能源化利用创造了条件。