2004年,全國廢水排放總量為482.4億t,其中工業廢水221.1億t,城鎮生活污水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廢水產生2.7 t(干質量)污泥計算,則全國將產生污泥847萬t(干質量),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內傳輸費用、場外運輸費用和填埋費用,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輸費用,大大降低管理成本,所以污泥脫水技術有著重大的應用價值。
1 污泥減量化的途徑
污泥的主要成分是水分(99%左右)和有機物,還有少量的氮化物、磷化物、多環芳烴、農藥殘留、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,污泥減量有兩個途徑,一是減少有機物的量(消化、焚燒),二是降低污泥的含水率(濃縮、脫水、干燥、焚燒)。第二個途徑較第一個簡單易行,所以主要介紹污泥的脫水技術。圖1一般污泥處理流程。
2 干化脫水技術
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的處理工藝,根據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、對撞流干燥等。中國目前還沒有污泥干化廠建成運行,現在國外常見的干化工藝有流化床干化、盤式干化、轉鼓干化。
(1)流化床干化工藝中污泥不需要預處理,直接送入流化床干燥器,以蒸汽為熱能,由熱轉換器將熱能傳遞給污泥。整個系統為封閉循環系統,氣體中的含氧量極低,基本惰性化。污泥的水分以氣態形式進入空氣,氣體經冷凝除水后才能再進入循環,否則污泥易粘結。污泥在流化床內通過激烈的流態化運動形成均勻的污泥顆粒,細顆粒被旋風除塵器收集,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。干化顆粒經冷卻送入充滿惰性化氣體的干顆粒儲存料倉,產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存料倉。氣體冷凝除水后經高溫焚燒,徹底去除氣味后高空排放。盤式干化工藝流程如圖3。
(3)轉鼓干化工藝以天然氣或沼氣為能源,以空氣為傳熱介質。濕污泥和部分干化顆粒在混合器中混合,由氣流把它帶入轉鼓干燥器,污泥在轉鼓干燥器中隨氣流以穩定的速度旋轉前進,由內筒向外筒轉移,污泥逐漸被干化成顆粒。被干燥的污泥顆粒與氣體分離,經分級篩,粒徑合格顆粒進入儲料倉,粒徑不合格的顆粒返回與濕污泥混合。氣體處在一個循環系統中,通過轉鼓干燥器的氣體與污泥顆粒分離,再經冷凝器冷凝再次進入循環,少量廢氣經生物過濾器除臭后排出。轉鼓干化工藝流程見圖4。
2. 2 干化脫水技術的應用分析
干化脫水技術從20世紀40年代出現以來,經不斷改進,干化過程中污泥性狀穩定、不易產生沼氣、不易粘結,產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,穩定。其缺點是投資和運行費用較高,對管理和操作技術的要求也較高,適用于土地緊張的大型污水處理廠或較集中的多個中小型污水處理廠污泥的集中處理。
3 流化床焚燒技術
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,經配氣板均勻送入爐堂,爐膛的最下端為一次燃燒區,在穩定的氣流吹動下,污泥在配氣板上方呈懸浮態,狀似液體沸騰,故稱之為“流化態”。污泥干化后質量減輕,開始上浮進入二次燃燒區,此區溫度為850 ℃左右,二口惡英可被分解。煙塵從爐頂排出,進入余熱鍋爐,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,汞只有用HOK(膛式爐焦炭)氣流吸附法和經堿洗池(添加藥劑TMT 15)處理才能去除。
3. 2 流化床焚燒脫水技術的應用分析
污泥經一次燃燒區的干燥處理后,含水率達50% ,可自行燃燒,焚燒后水分去除率能達100%。流化床焚燒脫水技術耗能少、節省運輸成本、水分去除率高、殺滅病原體、處理能力強、速度快、危險性小等,但造價高、燃燒產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、對環境的影響更小。
20世紀60年代,美國開始污泥的焚燒研究,1962年,美國Lynnwo Washington建成了世界上第一臺焚燒污泥的流化床鍋爐,目前污泥焚燒在德國、日本、奧地利、丹麥、比利時、法國、荷蘭、瑞士等國已成為污泥處理的主要手段。中國僅浙江大學、清華大學等開展了污泥焚燒處理研究。中國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模應用。
隨著土地資源的緊缺和人們用堆肥對土地污染認識的深化,污泥的焚燒處理將逐漸被重視。
4 超聲波脫水技術
4. 1 超聲波脫水原理
污泥中所含的水可以分為自由水( 70% ) 、菌膠團包含水( 27% ) 、毛細管水( 2% ) 和結合水(1% ) 。自由水的去除較為容易,毛細管水和結合水雖然較難去除,但含量很少,可以忽略。菌膠團中心為固體顆粒,周圍吸附了大量的微生物極其代謝的產物(糖類、脂類、有機酸和蛋白質等) ,這些吸附物在菌膠團的外層形成疏水膜,包裹在有機質疏水膜中的水分稱為菌膠團包含水,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,產生高溫和高壓等極端條件,能改變構成疏水膜物質的物理和化學性質,破壞菌膠團結構,提高污泥的脫水性能,同時釋放到水體中的有機質還可作為厭氧發酵的營養源。
4. 2 超聲波脫水的影響因素與應用分析
超聲波對污泥的作用受超聲波強度、作用時間和頻率的影響。高強度、短時間(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;經高強度、長時間(幾個小時)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,污泥顆粒相互粘聯成松散的絮狀,難沉降;高頻( > 1 000 kHz)超聲波的化學效應較強,低頻( < 100 kHz)超聲波的物理效應較強。利用超聲波處理污泥主要是要破壞菌膠團的物理結構,所以低頻的處理效果較好。
還有人研究發現,在污泥的厭氧發酵過程中,用適當強度的超聲波對污泥進行適當時間的處理,能促進微生物的生長,提高有機物的去除能力。超聲波的作用機理和效應非常復雜,其作用條件如聲波強度、作用時間、頻率均影響到處理的效果,且它們之間還相互影響,目前對操作條件的優化還沒有進行系統的研究。
5 熱水解技術
5. 1 熱水解脫水原理
熱水解技術與超聲波技術的機理有相似之處。在高溫條件下,菌膠團表面的微生物和其代謝產物等有機質溶解,包裹在其中的固體顆粒與有機質相脫離,揮發性固體揮發,易分解的有機物分解成二氧化碳、甲烷等氣體和揮發性的醇或酸逸出,使污泥的間隙水和毛細管水釋放出來,污泥的脫水性能得以改善。
熱水解也會改善污泥的厭氧消化性能。脂肪類、蛋白質、糖類等有機物被分解為脂肪酸、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60%,大大減少了污泥的體積。有機物分解產生的揮發性有機酸可作為反硝化的碳源,硝化和反硝化同時進行,且用揮發性有機酸作為碳源時反硝化速率比單純用甲醇作碳源時更快,N的去除率更高。
5. 2 影響熱水解脫水的因素
溫度、處理時間、壓力和添加化學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、揮發性有機酸的產量來反映處理效果。溫度應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(揮發性溶解固體)的濃度隨溫度的升高而變大, VSS (揮發性懸浮固體)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,有機物分解基本完全, VFA (揮發性脂肪酸)產量基本穩定。各種熱水解脫水方法的處理時間不等,幾十秒或一個小時都可, VDS的濃度隨處理時間的延長而變大,VSS的濃度隨處理時間的延長變化不很明顯,VFA在SCOD (沉降性COD)中的比率并不隨溫度處理時間的延長而增加,在15 min時有機物完全分解,VFA /SCOD達最大值,以后有部分VFA揮發, VFA /SCOD 反而降低,最后基本穩定,一般隨著處理時間的延長,處理效果趨優,。
由于高壓會使設備成本增加,且有安全隱患,現在多采用常壓條件。投加酸或者堿等化學藥劑能加速水解,降低反應溫度,但強烈腐蝕設備,成本也較高,所以現在也多不使用藥劑。
5．3 熱水解脫水的優劣分析20世紀40年代,人們就開始嘗試用熱水解法工業化處理污泥,但基本上都未獲得成功,原因有多個方面,如污泥比熱容較大、熱傳導性差,污泥的產量大,給污泥均勻快速加熱的技術不成熟,水解產生的氣體處理困難等。如果熱水解技術與厭氧消化技術相結合,既能脫水,又能減少有機質,可實現兩次減量化,應用前景廣闊。
6 電滲析脫水技術
6. 1 電滲析脫水原理
固體顆粒和液體在電場的作用下作定向運動,在通過多孔固體濾膜時,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的是膠粒的雙電層理論,在電場中由于膠粒和擴散層所帶電荷不同,滑動面產生滑動,膠粒和擴散層相分離,擴散層將液體帶走。污泥經電滲析脫水處理后, 含水率能降到35%～45%。
6. 2 電滲析脫水的影響因素與應用分析
電滲析脫水過程受電場強度、溶液pH、絮凝劑、電極材料和形狀、濾布等因素的影響。兩個電極端脫水速率不同致使兩極端電阻率不同和電壓不均,導致電滲析無法徹底進行。但電滲析耗能低,脫水效率高,有很強的實用性。目前對此技術原理的研究尚沒有一致結論,對電滲析影響因素進行系統優化的研究還未開展。
7 絮凝脫水技術
7. 1 絮凝脫水原理
污泥帶負電,加入帶正電基團的高分子聚合物,通過壓縮污泥膠粒雙電層、電荷中和、吸附架橋和網掃卷捕作用使污泥膠體脫穩,固液相相互分離,同時重力沉降又能進一步降低污泥含水量。表征污泥脫水性能的指標主要有比阻( SRF)和毛細管吸附時間(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
絮凝劑的結構、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度和所帶電荷有關,絮凝劑投加過量時,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降低,所以投加時要注意劑量。
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安全隱患。絮凝沉淀在水處理中的應用較為廣泛,特別是給水處理,在污泥處理中的應用還較少。
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。離心濃縮和壓濾機壓縮的應用也較為廣泛。
另一種比較簡單、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,經過幾天的暴曬就能使污泥干化,適用于北方少雨地區的小型污泥處理廠,其不足是占地面積大。天津大學熱能研究所的鄭宗和等設計了一臺小型的混合型太陽能干燥器對污泥進行干化處理,以太陽能作為主要熱源,以污水處理過程中產生的沼氣作為輔助熱源,減少了電能消耗,降低了運行成本,與太陽暴曬法相比,具有占地面積小、受天氣影響小、能控制臭味的擴散等優點,開發潛力很大。
此外,還有一些其它方法用來處理特殊污泥,如凍結熔融法可用于大豆類食品污水污泥脫水, 陶瓷過濾機可用于硫化污泥脫水。
應用時應區別不同情況選擇不同的計算方法,以保證計算結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物,此時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的污染物量,僅考慮由此引起的稀釋作
用,用方法2計算就可以;如果像上例所舉的實例一樣,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。
(2)評價同一處理設施時應注意計算口徑的一致性。在評價同一處理設施時,尤其是在計算分段去除率和全套設施去除率時,應使用同一計算方法,不能隨意亂用,否則將會給最終評價帶來偏差,甚至得出錯誤的結論。
(3)在以下兩種情況下不宜用污染物去除率和削減量對處理設施進行評價:
(A)在某道處理工藝過程中,某項污染指標經處理后反而上升。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價沉淀的效果才是科學的,但這是不現實的,如果僅用原水中懸浮物的去除率來評價絮凝沉淀的效果可能會使結果偏低,因而是不恰當的。
(B)在某些處理工段中,對某項污染指標沒有去除效果。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,而生化本身對懸浮物是沒有去除效果的,故不能因為生化處理對懸浮物沒有去除效果而否定生化處理的效果。
9 小 結
所介紹的這些污泥脫水方法各有優缺點,污水處理廠應根據不同的條件(處理水質、處理規模、氣候等)加以選擇。從各種污泥脫水方法的研究進展可以看出,目前的研究主要有三個方向,一是改進加熱和傳熱方式使水蒸發,如干化和焚燒技術;二是改變污泥顆粒的結構,破壞菌膠團表面的有機質疏水膜,如超聲波和熱水解處理技術;三是改變污泥膠粒表面的雙電層結構,如電滲析和混凝技術。相信隨著研究的不斷深入和技術的不斷成熟,這些方法將會為污泥的處理提供更多的選擇。
