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同济大学环境科学与工程学院污泥脱水技术工艺详解!

2021-07-16 13:41:31 · 稿源:同济大学环境科学与工程学院 · 浏览量:42

剩余污泥是污水处理过程中不可避免的副产物,其含有大量含有重金属和难降解有机物。近几十年来由于工业化发展、人口快速增长以及更严格的污水排放标准,剩余污泥的数量快速增长。据统计2016年我国的污泥产量已达4000万吨左右(以含水率80%计),预计2020年剩余污泥产量将达到6000万吨左右。目前城市污水厂的剩余污泥的含水率在99%以上,经过浓缩或机械脱水工艺处理后,其含水率仍在80%以上,高含水率导致污泥体积庞大,统计数据表明我国处理剩余污泥所需的基建与运行成本占城市污水处理厂总基建与总运行成本的30%~40%与20%~50%,因此导致城市污水处理厂运行中易产生经济和环境问题。如何改善剩余污泥脱水性能、提高污泥脱水效率已成为剩余污泥处理领域的重要课题。因此本综述归纳总结近年来传统、常用、新型的污泥脱水技术工艺的研究现状及进展,为剩余污泥高效脱水提供参考。

  1、剩余污泥的水分类型

  根据剩余污泥中水分子与污泥固体颗粒的相互作用可将剩余污泥中的水分分为两种类型,分别为自由水分与束缚水分,而束缚水分又可细分为间隙水分、表面吸附水分与化学结合水分,如表1。目前限制剩余污泥脱水性能的主要原因是由于污泥中的表面吸附水分与化学结合水分不能通过机械脱水工艺去除。

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  2、污泥脱水技术研究进展

  污泥脱水流程主要分为四个部分(图2)。

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  2.1 传统污泥脱水工艺

  2.1.1 自然干化工艺

  有污泥池法、沙层干燥床、楔水干燥床与冷冻脱水等。且该工艺只适用于气候干燥地区。中小型污水处理厂主要采用的传统污泥脱水工艺为砂床脱水工艺,其优点为成本低,操作简单,但具有脱水不彻底、周期长与二次污染等缺点。近年来丹麦科学家研究采用传统砂床脱水工艺与垂直流人工湿地相结合的污泥干燥芦苇床系统(SludgeDryingReedBedSystems,SDRB)比单独采用砂床脱水工艺用于污泥脱水的效果好很多,并且SDRB系统比机械脱水工艺成本更低,能耗也更少,因为污泥脱水的能量来源来自自身重力、太阳辐射以及生物过程。SDRB系统通过在沙床中种植芦苇等植物,改善传统沙层干燥床的性能,延长干燥床的工作寿命(5~10年)。芦苇等植物在其根部区域形成一个丰富的微生物系统,给污泥的有机物质提供养分,同时植物具有较强的蒸发蒸腾能力,对不同含水率的污泥具有较强的耐受性。污泥脱水过程中,污泥的干物质含量增加,污泥体积减小,有机物被分解,最后剩余污泥可用作有机肥料。

  2.1.2 机械脱水

  机械脱水工艺是最常用的剩余污泥脱水工艺,其按脱水工作原理可分真空过滤脱水工艺、离心脱水工艺与压滤脱水工艺。早期污水处理厂常采用真空过滤脱水工艺,污泥脱水后泥饼含水率一般高于85%。目前污水处理厂常采用压滤脱水工艺,压滤脱水又分为带式和板框压滤脱水,带式压滤脱水工艺的进料污泥应为不易流淌且含固率高于50%的污泥,若污泥含固率低于50%,则必须采用更换滤布、添加木屑的料头等措施,出泥含水率一般为82%左右,镇安污水处理厂采用带式压滤脱水工艺,出泥的含水率约为82%。板框压滤脱水工艺通常能将污泥含水率降低至65%~75%,但存在压滤压力低于1.0MPa,滤布上的水膜会阻碍污泥中水分的脱除而降低脱水效率、滤布更换较麻烦、运维成本高等缺点。竹园第二污水处理厂采用板框压滤脱水工艺,用氧化钙和聚合氯化铝等调理剂后泥饼含水率约为75%。上海市白龙港污水处理厂目前采用化学调理法协同隔膜压滤脱水工艺,脱水后污泥体积缩减35%以上,泥饼含水率低于60%。离心脱水广泛应用于很多行业,出泥含水率一般为75%~80%。环境保护部于2010年11月26日发布《关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知》中规定污水处理厂以储存为目的将污泥运出厂界的,必须将污泥脱水至含水率50%以下,因此单纯靠污水处理厂现有常规机械脱水技术显然不能满足含水率的要求。

  2.2 常用污泥脱水工艺

  2.2.1 酸处理工艺

  酸处理工艺的机理是研究发现剩余污泥的含水率随pH值的变化而变化,在酸性条件下剩余污泥的胞外聚合物(ExtracellularPolymericSubstances,EPS)水解离开污泥表面,改变剩余污泥的水分分布,从而改善剩余污泥的脱水性能,达到降低剩余污泥含水率的效果。研究发现剩余污泥脱水性能最优化的pH值在2.5左右。何文远等人对比研究发现硫酸(H2SO4)预处理的污泥的脱水性能比阳离子型聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)预处理的要好很多。谢武明等人研究发现用硫酸预处理污泥,其脱水性能最高能提高30.8%。刑奕等人研究表明剩余污泥的脱水性能好坏的先后顺序是在酸性条件下>在中性条件下>在碱性条件下,当pH值调节至3.0左右,表面活性剂投加量为94.0mg/g时,剩余污泥的含水率降低至60.8%。

  2.2.2 高级氧化工艺

  高级氧化工艺的机理是采用强氧化剂破坏剩余污泥中的絮体结构,释放束缚水分,改变污泥中的水分分布,从而改善污泥的脱水性能。Fenton法因其高效、对环境友好等特点,被认为是较有前景的氧化技术。传统Fenton法包括一系列的自由基链式反应,如式1至式8。Fenton法预处理污泥的机理有两种,一是絮凝作用,Fenton法中产生Fe(Ⅲ)与OH-形成Fe(OH)3,Fe(OH)3具有絮凝作用。二是氧化作用,Fenton法中链式反应生成大量羟基(·OH),其高氧化还原电位能快速氧化胞外聚合物,从而改变污泥内部结构,从而提高污泥的脱水性能。

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  李娟等人采用Fenton法预处理污泥,在pH值为2.5,反应时间90min,n(H2O2)∶n(Fe(Ⅱ))=8∶1,反应温度为65~70℃,污泥的含水率显著降低。梁秀娟等人采用Fenton法预处理印染污泥,最佳反应条件为pH值为2.0,反应时间为90min,n(H2O2)∶n(Fe(Ⅱ))=10∶1,反应温度为80℃,总悬浮固体(TSS)去除率为74.2%,毛细水抽吸时间(CST)从98.6s减少至18.9s,比阻(SRF)由6.0×1011s2/g减少至8.4×1010s2/g,剩余污泥的平均粒径从53.8μm减少至20.0μm,减少了62.8%。Liu等采用Fenton法进行污泥调理,在最优条件下脱水后泥饼的含水率为49.5%。

  2.2.3 冷冻冻融工艺

  冷冻冻融工艺的机理是剩余污泥中的自由水在冷冻时会形成不规则的冰针,冰针破坏污泥絮体网状结构,释放污泥中的内部间隙水,从而提高污泥的脱水性能。Chen等人研究表明释放剩余污泥的胞内有机物的最佳冻融温度为-5℃左右,并改善了剩余污泥的生化性。Li等人采用冷冻冻融联合化学调理工艺改善剩余污泥的脱水性能,研究表明在-15℃的反应温度协同表面活性剂CTAC,剩余污泥含水率较常温降低了6.0%左右,约62.8%。Gao等人发现当冷冻时间足以使细胞内水分结晶时,细胞结构与胞外聚合物被破坏,污泥颗粒聚集,粒径增大,有利于污泥脱水性能的改善。

  2.2.4 化学调理工艺

  化学调理工艺的机理是在剩余污泥中加入调理剂改善剩余污泥的物化性质,改善污泥颗粒的沉降性能,其凭借高处理效率、经济性、使用范围广等优点成为目前最常用的工艺。目前常用的调理剂分为无机调理剂、有机高分子调理剂、表面活性剂等,目前在污水处理厂应用广泛的是无机调理剂(表2)与有机高分子调理剂。无机调理剂是一种电解质化合物,主要有铁系和铝系两类。无机调理剂的水解产物带正电荷,中和剩余污泥表面的负电荷,使污泥胶体失去稳定性,从而提高剩余污泥的脱水性能,其优点为成本低,来源广,缺点是用量大,处理效率较差。近年来有机高分子调理剂逐渐成为研究热点,有机高分子调理剂通过吸附架桥作用将剩余污泥中的表面吸附水分转化成自由水分,增大污泥颗粒粒径,从而改善污泥的沉降与脱水性能。有机调理剂可分为天然和人工两种,天然有机调理剂具有经济、环保双重效益,但还在研究阶段。人工有机调理剂絮凝能力强、用量少,但成本较高。

  近年来发现复配调理剂可达到单独调理剂所达不到的处理效果。Li等人研究比较使用有机高分子调理剂与使用复配氯化铁(FeCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)、氯化铝(AlCl3)等无机调理剂调理污泥的处理效果,结果表明投加复合调理剂的剩余污泥的比阻降低了70.0%,比单独投加有机高分子调理剂的降低率高33.0%。Deng等人研究聚丙烯酰胺与硫酸铁(PAM-Fe2(SO4)3)的复配调理剂调理剩余污泥的处理效果,发现聚丙烯酰胺与硫酸铁复合调理剂的处理效果明显好于单独使用聚丙烯酰胺和硫酸铁。Xiong等人研究比较红石膏与阴离子有机聚合物LT25的复合调理剂调理剩余污泥的处理效果,发现剩余污泥絮体的分形维数由1.38增加至1.71,同时泥饼含水率比不加红石膏调理的泥饼含水率降低7.1%。

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  2.3 新型污泥脱水工艺

  2.3.1 超声波处理工艺

  超声波处理工艺的机理主要是利用超声波的特殊性能,一是超声波具有声化学性能,超声波可在水中产生空穴作用,局部产生高温高压与强劲的水剪切力,破坏剩余污泥的细胞结构与菌胶团,释放出内部结合水,改善剩余污泥的脱水性能。二是超声波具有海绵效应,超声波可使水分子更容易借助于超声波的波面的通道而通过,从而增大剩余污泥粒径。三是超声波具有混凝作用,超声波可促使污泥颗粒之间碰撞而粘结,从而增大剩余污泥粒径。影响超声波处理效果的主要技术指标有超声波频率、声能密度与超声时间,中低的超声波频率与较低的超声时间有利于改善剩余污泥的脱水性能。超声波处理工艺的缺点是能耗较大,因此限制其在污泥脱水处理处置中的推广应用。Qiu等人研究超声波频率、声能密度与超声时间等因素对污泥脱水性能的影响,发现当超声波频率为25.0kHz,声能密度为0.08W/mL,超声时间为1min,剩余污泥的比阻降低了67.0%,同时研究发现声能密度过高会导致反作用,恶化剩余污泥的脱水性能。Han等人研究表明单独超声波处理剩余污泥可降低污泥的含水率,而絮凝剂协同超声波处理剩余污泥可进一步提高剩余污泥的脱水性能,污泥脱水性能最佳的超声条件为超声时间为10min,声能密度为0.8W/mL。马守贵等人研究表明低频率的超声波有利于改善剩余污泥的脱水性能。

  2.3.2 生物淋滤工艺

  生物淋滤工艺的机理是经过生物淋滤处理后的剩余污泥,其pH值下降,剩余污泥的胞外聚合物水解离开污泥表面,改变剩余污泥的水分分布,从而改善剩余污泥的脱水性能。生物淋滤工艺的优点是成本低廉、无二次污染、有效去除污泥中的重金属离子与杀灭细菌去除恶臭。2004年周立祥最早将生物淋滤技术引入污泥脱水领域,他利用生物淋滤处理制革污泥,发现生物淋滤具有显著的污泥脱水效果。Xiao等人研究表明当生物淋滤的pH值在2.0~2.5时,较大改善污泥的脱水性能,污泥从难脱水状态转化为易脱水状态。宋永伟等人利用生物淋滤处理剩余污泥,经过生物沥浸2d后剩余污泥的比阻下降至2.4×1012m/kg。孟维举等人利用生物淋滤处理剩余浓缩污泥,泥饼的含水率下降至65.0%以下。之后研究发现将生物淋滤协同其他预处理工艺能取得更好的效果,陈泓等人研究利用生物淋滤协同Fenton法处理印染污泥,剩余污泥的比阻减少至1.3×1011s2/g,改善了剩余污泥的脱水性能。

  3、结语

  目前剩余污泥的减量化和资源化是急需解决的关键问题。现在广泛使用的无机与有机高分子调理剂,大部分会产生二次污染,不利于后续剩余污泥的资源化利用,因此研究方向应转向寻找无二次污染、不造成泥饼增容、有利于污泥资源化利用的调理剂。最后单一污泥脱水工艺的效果很有限,今后需研究多种污水脱水工艺的协同式工艺,既能让各污泥脱水工艺取长补短,又能达到剩余污泥高效脱水的效果。(来源:上海市建筑科学研究院建材和固废利用研究所,同济大学环境科学与工程学院)

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