2004年,全國(guó)廢水排放總量為482.4億t,其中工業(yè)廢水221.1億t,城鎮(zhèn)生活污水261.3億t,廢水中COD排放量1 339.2萬t。如果65%的污水用生物法處理,按萬t廢水產(chǎn)生2.7 t(干質(zhì)量)污泥計(jì)算,則全國(guó)將產(chǎn)生污泥847萬t(干質(zhì)量),若折合含水80%,則污泥為4 233萬t,由此可看出,污泥的處理成為污水處理廠面臨的又一難題。污泥處理處置的成本主要包括場(chǎng)內(nèi)傳輸費(fèi)用、場(chǎng)外運(yùn)輸費(fèi)用和填埋費(fèi)用,而影響成本的最主要因素是污泥的量,如果污泥的含水率減少一半,則全國(guó)可以減少污泥2 116萬t,至少可以減少一半的填埋用地和運(yùn)輸費(fèi)用,大大降低管理成本,所以污泥脫水技術(shù)有著重大的應(yīng)用價(jià)值。
1 污泥減量化的途徑
污泥的主要成分是水分(99%左右)和有機(jī)物,還有少量的氮化物、磷化物、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥殘留、病原體和重金屬離子等。常見污泥處理工藝流程如圖1。從污泥的組成成分和處理流程看,污泥減量有兩個(gè)途徑,一是減少有機(jī)物的量(消化、焚燒),二是降低污泥的含水率(濃縮、脫水、干燥、焚燒)。第二個(gè)途徑較第一個(gè)簡(jiǎn)單易行,所以主要介紹污泥的脫水技術(shù)。圖1一般污泥處理流程。
2 干化脫水技術(shù)
2.1干化脫水工藝流程
干化是一種利用熱能將污泥中水分快速蒸發(fā)的處理工藝,根據(jù)熱能的來源和加熱方式的不同,可分為流化干燥、間壁干燥、過熱蒸汽干燥、紅外輻射干燥、對(duì)撞流干燥等。中國(guó)目前還沒有污泥干化廠建成運(yùn)行,現(xiàn)在國(guó)外常見的干化工藝有流化床干化、盤式干化、轉(zhuǎn)鼓干化。
(1)流化床干化工藝中污泥不需要預(yù)處理,直接送入流化床干燥器,以蒸汽為熱能,由熱轉(zhuǎn)換器將熱能傳遞給污泥。整個(gè)系統(tǒng)為封閉循環(huán)系統(tǒng),氣體中的含氧量極低,基本惰性化。污泥的水分以氣態(tài)形式進(jìn)入空氣,氣體經(jīng)冷凝除水后才能再進(jìn)入循環(huán),否則污泥易粘結(jié)。污泥在流化床內(nèi)通過激烈的流態(tài)化運(yùn)動(dòng)形成均勻的污泥顆粒,細(xì)顆粒被旋風(fēng)除塵器收集,又與少量濕污泥混合重新回污泥干燥器,這樣可提高干燥效率。干化顆粒經(jīng)冷卻送入充滿惰性化氣體的干顆粒儲(chǔ)存料倉(cāng),產(chǎn)生的少量廢氣被送入生物過濾器除臭后排入大氣。流化床干化工藝流程示圖2。
(2)盤式干化工藝先用外部熱源加熱一個(gè)油爐,再通過油體將熱能傳送到干燥盤。干燥盤有5～7層圓盤,污泥首先被均勻攤在頂層的圓盤上,主軸上的耙子將污泥顆粒從內(nèi)推向外沿,送到下一層圓盤上,如此依次下滑。為了充分利用污泥顆粒本身的熱量,在每層都有新污泥涂在污泥顆粒表面,顆粒不斷增大,干燥后的顆粒一部分再返回盤式干燥器,另一部分粒徑合格顆粒冷卻后送入顆粒儲(chǔ)存料倉(cāng)。氣體冷凝除水后經(jīng)高溫焚燒,徹底去除氣味后高空排放。盤式干化工藝流程如圖3。
(3)轉(zhuǎn)鼓干化工藝以天然氣或沼氣為能源,以空氣為傳熱介質(zhì)。濕污泥和部分干化顆粒在混合器中混合,由氣流把它帶入轉(zhuǎn)鼓干燥器,污泥在轉(zhuǎn)鼓干燥器中隨氣流以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)前進(jìn),由內(nèi)筒向外筒轉(zhuǎn)移,污泥逐漸被干化成顆粒。被干燥的污泥顆粒與氣體分離,經(jīng)分級(jí)篩,粒徑合格顆粒進(jìn)入儲(chǔ)料倉(cāng),粒徑不合格的顆粒返回與濕污泥混合。氣體處在一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中,通過轉(zhuǎn)鼓干燥器的氣體與污泥顆粒分離,再經(jīng)冷凝器冷凝再次進(jìn)入循環(huán),少量廢氣經(jīng)生物過濾器除臭后排出。轉(zhuǎn)鼓干化工藝流程見圖4。
2. 2 干化脫水技術(shù)的應(yīng)用分析
干化脫水技術(shù)從20世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來,經(jīng)不斷改進(jìn),干化過程中污泥性狀穩(wěn)定、不易產(chǎn)生沼氣、不易粘結(jié),產(chǎn)生的氣體難燃不易爆,干化后污泥含水率低于10% ,減量率很高,占地少,易控制,安全,穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是投資和運(yùn)行費(fèi)用較高,對(duì)管理和操作技術(shù)的要求也較高,適用于土地緊張的大型污水處理廠或較集中的多個(gè)中小型污水處理廠污泥的集中處理。
3 流化床焚燒技術(shù)
3. 1 流化床焚燒脫水工藝流程流化床焚燒爐為圓筒形,氣體由底部通入,經(jīng)配氣板均勻送入爐堂,爐膛的最下端為一次燃燒區(qū),在穩(wěn)定的氣流吹動(dòng)下,污泥在配氣板上方呈懸浮態(tài),狀似液體沸騰,故稱之為“流化態(tài)”。污泥干化后質(zhì)量減輕,開始上浮進(jìn)入二次燃燒區(qū),此區(qū)溫度為850 ℃左右,二口惡英可被分解。煙塵從爐頂排出,進(jìn)入余熱鍋爐,二口惡英易在300 ℃左右生成,故爐溫須保持在210 ℃以下。然后再進(jìn)入煙氣洗滌塔,去除重金屬、灰塵和硫、氯、氟、氮氧化物等有害物質(zhì),汞只有用HOK(膛式爐焦炭)氣流吸附法和經(jīng)堿洗池(添加藥劑TMT 15)處理才能去除。
3. 2 流化床焚燒脫水技術(shù)的應(yīng)用分析
污泥經(jīng)一次燃燒區(qū)的干燥處理后,含水率達(dá)50% ,可自行燃燒,焚燒后水分去除率能達(dá)100%。流化床焚燒脫水技術(shù)耗能少、節(jié)省運(yùn)輸成本、水分去除率高、殺滅病原體、處理能力強(qiáng)、速度快、危險(xiǎn)性小等,但造價(jià)高、燃燒產(chǎn)生的二口惡英和煙氣中的重金屬處理困難。與填埋和堆肥相比,成本更低、對(duì)環(huán)境的影響更小。
20世紀(jì)60年代,美國(guó)開始污泥的焚燒研究,1962年,美國(guó)Lynnwo Washington建成了世界上第一臺(tái)焚燒污泥的流化床鍋爐,目前污泥焚燒在德國(guó)、日本、奧地利、丹麥、比利時(shí)、法國(guó)、荷蘭、瑞士等國(guó)已成為污泥處理的主要手段。中國(guó)僅浙江大學(xué)、清華大學(xué)等開展了污泥焚燒處理研究。中國(guó)的污水處理廠的污泥大部分都是作填埋和堆肥處理,污泥焚燒在北京和深圳的污水處理廠有小規(guī)模應(yīng)用。
隨著土地資源的緊缺和人們用堆肥對(duì)土地污染認(rèn)識(shí)的深化,污泥的焚燒處理將逐漸被重視。
4 超聲波脫水技術(shù)
4. 1 超聲波脫水原理
污泥中所含的水可以分為自由水( 70% ) 、菌膠團(tuán)包含水( 27% ) 、毛細(xì)管水( 2% ) 和結(jié)合水(1% ) 。自由水的去除較為容易,毛細(xì)管水和結(jié)合水雖然較難去除,但含量很少,可以忽略。菌膠團(tuán)中心為固體顆粒,周圍吸附了大量的微生物極其代謝的產(chǎn)物(糖類、脂類、有機(jī)酸和蛋白質(zhì)等) ,這些吸附物在菌膠團(tuán)的外層形成疏水膜,包裹在有機(jī)質(zhì)疏水膜中的水分稱為菌膠團(tuán)包含水,這部分水分很難去除,且量較大。
超聲波(頻率在16 kHz以上的聲波) 具有較高的能量,能在水中急劇放電,產(chǎn)生高溫和高壓等極端條件,能改變構(gòu)成疏水膜物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì),破壞菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu),提高污泥的脫水性能,同時(shí)釋放到水體中的有機(jī)質(zhì)還可作為厭氧發(fā)酵的營(yíng)養(yǎng)源。
4. 2 超聲波脫水的影響因素與應(yīng)用分析
超聲波對(duì)污泥的作用受超聲波強(qiáng)度、作用時(shí)間和頻率的影響。高強(qiáng)度、短時(shí)間(幾十秒～幾分鐘)的處理效果較好, 處理后污泥顆粒粒徑約80μm左右,污泥的脫水性能提高,沉淀性好;經(jīng)高強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間(幾個(gè)小時(shí))處理,污泥顆粒粒徑約5μm左右,表面積大大增加,但周圍吸附大量的自由水,使污泥的脫水性降低,污泥顆粒相互粘聯(lián)成松散的絮狀,難沉降;高頻( > 1 000 kHz)超聲波的化學(xué)效應(yīng)較強(qiáng),低頻( < 100 kHz)超聲波的物理效應(yīng)較強(qiáng)。利用超聲波處理污泥主要是要破壞菌膠團(tuán)的物理結(jié)構(gòu),所以低頻的處理效果較好。
還有人研究發(fā)現(xiàn),在污泥的厭氧發(fā)酵過程中,用適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波對(duì)污泥進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的處理,能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng),提高有機(jī)物的去除能力。超聲波的作用機(jī)理和效應(yīng)非常復(fù)雜,其作用條件如聲波強(qiáng)度、作用時(shí)間、頻率均影響到處理的效果,且它們之間還相互影響,目前對(duì)操作條件的優(yōu)化還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
5 熱水解技術(shù)
5. 1 熱水解脫水原理
熱水解技術(shù)與超聲波技術(shù)的機(jī)理有相似之處。在高溫條件下,菌膠團(tuán)表面的微生物和其代謝產(chǎn)物等有機(jī)質(zhì)溶解,包裹在其中的固體顆粒與有機(jī)質(zhì)相脫離,揮發(fā)性固體揮發(fā),易分解的有機(jī)物分解成二氧化碳、甲烷等氣體和揮發(fā)性的醇或酸逸出,使污泥的間隙水和毛細(xì)管水釋放出來,污泥的脫水性能得以改善。
熱水解也會(huì)改善污泥的厭氧消化性能。脂肪類、蛋白質(zhì)、糖類等有機(jī)物被分解為脂肪酸、氨基酸、寡糖、單糖等,有的甚至被分解為甲烷、二氧化碳、氨氣等,這些小分子有機(jī)物更容易被微生物利用和分解,提高了厭氧消化的效率, COD的去除率可達(dá)60%,大大減少了污泥的體積。有機(jī)物分解產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸可作為反硝化的碳源,硝化和反硝化同時(shí)進(jìn)行,且用揮發(fā)性有機(jī)酸作為碳源時(shí)反硝化速率比單純用甲醇作碳源時(shí)更快,N的去除率更高。
5. 2 影響熱水解脫水的因素
溫度、處理時(shí)間、壓力和添加化學(xué)藥劑都能影響熱水解處理效果,可以用固體顆粒的濃度、固體顆粒的溶解速度常數(shù)、揮發(fā)性有機(jī)酸的產(chǎn)量來反映處理效果。溫度應(yīng)控制在幾十度到二百度之間,一__般溫度越高處理效果越好,VDS(揮發(fā)性溶解固體)的濃度隨溫度的升高而變大, VSS (揮發(fā)性懸浮固體)的濃度隨溫度的升高而降低,這是由于VSS不斷溶解成VDS造成的。在100 ℃以上時(shí),有機(jī)物分解基本完全, VFA (揮發(fā)性脂肪酸)產(chǎn)量基本穩(wěn)定。各種熱水解脫水方法的處理時(shí)間不等,幾十秒或一個(gè)小時(shí)都可, VDS的濃度隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而變大,VSS的濃度隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)變化不很明顯,VFA在SCOD (沉降性COD)中的比率并不隨溫度處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,在15 min時(shí)有機(jī)物完全分解,VFA /SCOD達(dá)最大值,以后有部分VFA揮發(fā), VFA /SCOD 反而降低,最后基本穩(wěn)定,一般隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),處理效果趨優(yōu),。
由于高壓會(huì)使設(shè)備成本增加,且有安全隱患,現(xiàn)在多采用常壓條件。投加酸或者堿等化學(xué)藥劑能加速水解,降低反應(yīng)溫度,但強(qiáng)烈腐蝕設(shè)備,成本也較高,所以現(xiàn)在也多不使用藥劑。
5．3 熱水解脫水的優(yōu)劣分析20世紀(jì)40年代,人們就開始嘗試用熱水解法工業(yè)化處理污泥,但基本上都未獲得成功,原因有多個(gè)方面,如污泥比熱容較大、熱傳導(dǎo)性差,污泥的產(chǎn)量大,給污泥均勻快速加熱的技術(shù)不成熟,水解產(chǎn)生的氣體處理困難等。如果熱水解技術(shù)與厭氧消化技術(shù)相結(jié)合,既能脫水,又能減少有機(jī)質(zhì),可實(shí)現(xiàn)兩次減量化,應(yīng)用前景廣闊。
6 電滲析脫水技術(shù)
6. 1 電滲析脫水原理
固體顆粒和液體在電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng),在通過多孔固體濾膜時(shí),固體顆粒粒徑較大不能通過,而水分子能夠通過,從而使固液相分離。固液分離的基本原理依據(jù)的是膠粒的雙電層理論,在電場(chǎng)中由于膠粒和擴(kuò)散層所帶電荷不同,滑動(dòng)面產(chǎn)生滑動(dòng),膠粒和擴(kuò)散層相分離,擴(kuò)散層將液體帶走。污泥經(jīng)電滲析脫水處理后, 含水率能降到35%～45%。
6. 2 電滲析脫水的影響因素與應(yīng)用分析
電滲析脫水過程受電場(chǎng)強(qiáng)度、溶液pH、絮凝劑、電極材料和形狀、濾布等因素的影響。兩個(gè)電極端脫水速率不同致使兩極端電阻率不同和電壓不均,導(dǎo)致電滲析無法徹底進(jìn)行。但電滲析耗能低,脫水效率高,有很強(qiáng)的實(shí)用性。目前對(duì)此技術(shù)原理的研究尚沒有一致結(jié)論,對(duì)電滲析影響因素進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化的研究還未開展。
7 絮凝脫水技術(shù)
7. 1 絮凝脫水原理
污泥帶負(fù)電,加入帶正電基團(tuán)的高分子聚合物,通過壓縮污泥膠粒雙電層、電荷中和、吸附架橋和網(wǎng)掃卷捕作用使污泥膠體脫穩(wěn),固液相相互分離,同時(shí)重力沉降又能進(jìn)一步降低污泥含水量。表征污泥脫水性能的指標(biāo)主要有比阻( SRF)和毛細(xì)管吸附時(shí)間(CST) ,常用CST, CST越短表示污泥脫水性能越好。
7. 2 影響絮凝脫水處理的因素
絮凝劑的結(jié)構(gòu)、投加量、投加方式和污泥成分都影響到污泥的沉淀效果。絮凝劑一般分為人工合成絮凝劑和天然絮凝劑。人工合成絮凝劑有聚合鋁類、聚合鐵類和聚丙烯酰胺類,天然絮凝劑有淀粉、殼聚糖等,但不常用。絮凝劑的脫水性能主要與碳鏈長(zhǎng)度和所帶電荷有關(guān),絮凝劑投加過量時(shí),污泥吸附絮凝劑上的正電荷,由于靜電斥力,污泥沉淀性能反而會(huì)降低,所以投加時(shí)要注意劑量。
絮凝脫水適用于脫水性能比較差、一般方法難以處理的污泥,但成本比較高,一些絮凝劑還可能存在生態(tài)安全隱患。絮凝沉淀在水處理中的應(yīng)用較為廣泛,特別是給水處理,在污泥處理中的應(yīng)用還較少。
8 污泥脫水的其它方法
(1)最常用的是重力濃縮,方法簡(jiǎn)單,效果好,成本低,污泥的第一步處理大多采用此方法,其不足是只能去除污泥中的自由水和部分間隙水,濃縮程度不很高。離心濃縮和壓濾機(jī)壓縮的應(yīng)用也較為廣泛。
另一種比較簡(jiǎn)單、低成本的方法是太陽暴曬。將污泥按一定厚度均勻的攤在地上,經(jīng)過幾天的暴曬就能使污泥干化,適用于北方少雨地區(qū)的小型污泥處理廠,其不足是占地面積大。天津大學(xué)熱能研究所的鄭宗和等設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型的混合型太陽能干燥器對(duì)污泥進(jìn)行干化處理,以太陽能作為主要熱源,以污水處理過程中產(chǎn)生的沼氣作為輔助熱源,減少了電能消耗,降低了運(yùn)行成本,與太陽暴曬法相比,具有占地面積小、受天氣影響小、能控制臭味的擴(kuò)散等優(yōu)點(diǎn),開發(fā)潛力很大。
此外,還有一些其它方法用來處理特殊污泥,如凍結(jié)熔融法可用于大豆類食品污水污泥脫水, 陶瓷過濾機(jī)可用于硫化污泥脫水。
應(yīng)用時(shí)應(yīng)區(qū)別不同情況選擇不同的計(jì)算方法,以保證計(jì)算結(jié)果的合理性和可比性。例如,在一般物理處理過程中,都需添加絮凝劑來聚合廢水中的有機(jī)物,此時(shí)添加的量與原水量相比極其微少,故可不考慮由于加藥而引起的稀釋作用,用方法1或者直接用處理前后的濃度計(jì)算就可以了; 在氣浮工藝中,如用清水作溶氣水,雖然清水量一般占原水量的30% ,但由于其污染物濃度很低,可以不考慮溶氣水所帶進(jìn)的污染物量,僅考慮由此引起的稀釋作
用,用方法2計(jì)算就可以;如果像上例所舉的實(shí)例一樣,添加的稀釋水量和污染物濃度都較高,用方法3才比較合理和恰當(dāng)。
(2)評(píng)價(jià)同一處理設(shè)施時(shí)應(yīng)注意計(jì)算口徑的一致性。在評(píng)價(jià)同一處理設(shè)施時(shí),尤其是在計(jì)算分段去除率和全套設(shè)施去除率時(shí),應(yīng)使用同一計(jì)算方法,不能隨意亂用,否則將會(huì)給最終評(píng)價(jià)帶來偏差,甚至得出錯(cuò)誤的結(jié)論。
(3)在以下兩種情況下不宜用污染物去除率和削減量對(duì)處理設(shè)施進(jìn)行評(píng)價(jià):
(A)在某道處理工藝過程中,某項(xiàng)污染指標(biāo)經(jīng)處理后反而上升。例如在絮凝沉淀工藝中,由于添加了絮凝劑而使懸浮物升高,沉淀工藝不僅去除了部分原水中的懸浮物,也去除了部分絮凝物,只有用絮凝后的所有懸浮物來評(píng)價(jià)沉淀的效果才是科學(xué)的,但這是不現(xiàn)實(shí)的,如果僅用原水中懸浮物的去除率來評(píng)價(jià)絮凝沉淀的效果可能會(huì)使結(jié)果偏低,因而是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>
(B)在某些處理工段中,對(duì)某項(xiàng)污染指標(biāo)沒有去除效果。仍以懸浮物為例,在生化處理過程中由于生物菌群的脫落也使懸浮物升高,而生化本身對(duì)懸浮物是沒有去除效果的,故不能因?yàn)樯幚韺?duì)懸浮物沒有去除效果而否定生化處理的效果。
9 小 結(jié)
所介紹的這些污泥脫水方法各有優(yōu)缺點(diǎn),污水處理廠應(yīng)根據(jù)不同的條件(處理水質(zhì)、處理規(guī)模、氣候等)加以選擇。從各種污泥脫水方法的研究進(jìn)展可以看出,目前的研究主要有三個(gè)方向,一是改進(jìn)加熱和傳熱方式使水蒸發(fā),如干化和焚燒技術(shù);二是改變污泥顆粒的結(jié)構(gòu),破壞菌膠團(tuán)表面的有機(jī)質(zhì)疏水膜,如超聲波和熱水解處理技術(shù);三是改變污泥膠粒表面的雙電層結(jié)構(gòu),如電滲析和混凝技術(shù)。相信隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷成熟,這些方法將會(huì)為污泥的處理提供更多的選擇。
