劉 銳，徐 強(qiáng)，郭松杰，金 飛，郁志杰

(杭州余杭水務(wù)控股集團(tuán)有限公司，浙江杭州 311100)

污泥是污水處理過(guò)程中不可避免的副產(chǎn)物[1]，板框壓濾機(jī)采用隔膜壓榨技術(shù)，濾餅含水率為50%～60%，泥餅較硬，呈塊狀，無(wú)需干化可直接焚燒[2]。傳統(tǒng)板框脫水采用“石灰+FeCl3”作為污泥調(diào)理劑，存在干基增量較大無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效減量化、泥餅熱值較低不利于焚燒處置、易引起游離氨揮發(fā)、散發(fā)粉塵、作業(yè)環(huán)境惡劣、需人工卸料、自動(dòng)化程度較低等不足[3-4]。

杭州某地區(qū)擬建設(shè)污泥焚燒處置廠，將接納的含水率為80%的離心污泥采用板框深度脫水后焚燒。為提高污泥焚燒經(jīng)濟(jì)價(jià)值，預(yù)處理過(guò)程中，減小調(diào)理劑引起的干基增量和不降低污泥熱值非常重要，因此，尋找新藥劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石灰調(diào)理劑勢(shì)在必行。此次試驗(yàn)采用水處理常用藥劑PAC代替石灰，具有干基增量較少、不降低脫水泥餅熱值、提高板框處理效率、經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于污泥焚燒處置廠的建設(shè)具有積極的意義，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)污泥

試驗(yàn)在杭州某污水廠內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)所用污泥為污水廠離心脫水泥餅，基本性質(zhì)如表1所示。

表1 污泥基本性質(zhì)Tab.1 Basic Characteristics of Sludge

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用全自動(dòng)板框壓濾機(jī)試驗(yàn)裝置對(duì)污水廠離心脫水泥餅進(jìn)行試驗(yàn)，過(guò)濾面積為0.208 m2，濾室厚度為30 mm，濾室數(shù)為2室，進(jìn)料泵選用氣動(dòng)隔膜泵，流量為2 m3/h，揚(yáng)程為0.5 MPa。隔膜擠壓裝置空壓機(jī)壓力為0.8 MPa，氣量為200 L/min，調(diào)節(jié)空氣增壓器壓力為1.5 MPa。壓濾機(jī)啟動(dòng)后，在油壓頂?shù)耐苿?dòng)下濾板緊閉，形成濾室，污泥從濾板上部的供液口被壓入濾室開(kāi)始過(guò)濾擠壓脫水過(guò)程，擠壓脫水工序結(jié)束后，在油壓頂?shù)尿?qū)動(dòng)下同時(shí)打開(kāi)所有濾板，脫水泥餅從濾布上卸落后，將濾布進(jìn)行清洗，減輕濾布的堵塞，試驗(yàn)工藝流程如圖1所示。根據(jù)物料的特性對(duì)進(jìn)料時(shí)間進(jìn)行調(diào)整：污泥濃度在2%左右時(shí)，進(jìn)料時(shí)間為20 min；污泥濃度在4%左右時(shí)，進(jìn)料時(shí)間為15 min；污泥濃度在6%以上時(shí)，進(jìn)料時(shí)間為10 min。原泥中有機(jī)質(zhì)含量較少，最后出濾液的量為5 g/min以下時(shí)結(jié)束隔膜擠壓。為保證試驗(yàn)結(jié)果對(duì)污泥處置廠預(yù)處理具備實(shí)際參考意義，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照全自動(dòng)板框壓濾機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行，模擬污泥處置廠預(yù)處理實(shí)際工況。

圖1 試驗(yàn)工藝流程Fig.1 Process of Experimental Study

1.3 試驗(yàn)藥劑

本次試驗(yàn)采用調(diào)理劑取自中試污水廠PAC儲(chǔ)藥罐，入廠檢測(cè)依據(jù)《水處理劑 聚氯化鋁》(GB 15892—2009)，試驗(yàn)用PAC基本性質(zhì)如表2所示。

表2 PAC基本性質(zhì)Tab.2 Basic Characteristics of PAC

1.4 試驗(yàn)方法

利用快速水分測(cè)定儀檢測(cè)原始污泥含水率，根據(jù)稀釋濃度計(jì)算需要添加的稀釋水量，將原始污泥與水混合后，攪拌機(jī)攪拌10 min，保證攪拌均勻。稱取一定量的稀釋污泥，按照藥劑投加量計(jì)算10%的PAC溶液投加量，加入藥劑后攪拌10 min備用。

開(kāi)啟試驗(yàn)裝置，油壓泵開(kāi)始動(dòng)作，在油壓頂?shù)耐苿?dòng)下使濾板緊閉，形成濾室。壓濾機(jī)試驗(yàn)裝置的運(yùn)行工序主要是由濾板閉合、過(guò)濾、擠壓、濾板開(kāi)啟、泥餅卸落、濾布清洗這6個(gè)工序組成。

濾板打開(kāi)后取出泥餅，對(duì)泥餅進(jìn)行稱重，用快速水分測(cè)定儀檢測(cè)脫水泥餅含水率，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。多余的泥餅用密封袋取樣密封檢測(cè)泥餅熱值。壓濾過(guò)程中，濾液的流出量通過(guò)電子秤自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同藥劑投加量對(duì)泥餅含水率的影響

取污水廠離心機(jī)脫水后的污泥加水稀釋，在壓濾機(jī)進(jìn)料壓力和擠壓壓力分別為0.5 MPa和1.50 MPa，進(jìn)料時(shí)間和擠壓時(shí)間分別為10 min和30 min的條件下，PAC藥劑投加量(投加總PAC量/脫水前干基質(zhì)量)為1.5%～5.0%，檢測(cè)脫水泥餅含水率，考察不同PAC投加量對(duì)脫水泥餅含水率的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，相同的壓濾脫水操作條件，PAC投加量為1.5%～5.0%時(shí)，脫水泥餅含水率為53%～60%，當(dāng)藥劑投加量增加到4%以上時(shí)，脫水泥餅含水率降低至55%以下。在相同條件下，隨著絮凝劑投加量增高，脫水泥餅含水率降低，當(dāng)絮凝劑投加量增加到4.0%以上后再增加絮凝劑投加量，脫水泥餅含水率下降不明顯。市政污泥顆粒表面一般呈負(fù)電性[5]，向污泥中加入適量PAC水解出Al3+，通過(guò)電中和降低污泥顆粒間的斥力，壓縮表面雙電層從而使污泥顆粒聚合，降低污泥顆粒的比表面積，減少表面水的含量，從而提升污泥的脫水性能[6]，降低脫水泥餅含水率。在無(wú)需投加“石灰+FeCl3”調(diào)理劑情況下，PAC投加量在5%內(nèi)可使脫水泥餅含水量降低至60%以下，壓濾機(jī)過(guò)濾性和泥餅剝離效果都較好，因使用污泥調(diào)理劑帶來(lái)的污泥增量較小，更有利于污泥焚燒處置。

2.2 不同隔膜擠壓時(shí)間對(duì)泥餅含水率影響

將污水廠離心脫水后的污泥稀釋至污泥濃度為7.6%，濃度為10%的PAC投加率為2.0%，壓濾機(jī)進(jìn)料壓力和擠壓壓力分別為0.5 MPa和1.50 MPa，進(jìn)料時(shí)間為10 min時(shí)，通過(guò)電腦自動(dòng)記錄的濾液量，計(jì)算濾室中泥餅含水率隨隔膜擠壓時(shí)間的變化曲線(圖3)。

圖3 污泥含水率隨擠壓時(shí)間變化曲線Fig.3 Varying Tendency of Water Content of Sludge with Press Time

由圖3可知，脫水泥餅含水率隨著隔膜擠壓時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。在有限的濾室空間中，隨著進(jìn)入濾室中的污泥量增加，污泥中的自由水分過(guò)濾排出，進(jìn)料結(jié)束時(shí)，壓濾機(jī)中污泥含水率降低至80%以下，加壓隔膜擠壓，污泥含水率進(jìn)一步降低。隨著擠壓時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥含水率曲線斜率逐漸減小，含水率降低速度逐漸減緩。這主要是由于隨著污泥脫水過(guò)程的進(jìn)行，板框?yàn)V布上泥餅厚度逐漸增加，過(guò)濾阻力逐漸增大。板框壓濾脫水是依靠過(guò)濾介質(zhì)兩邊壓力差作為推動(dòng)力，強(qiáng)制泥水分離，在相同的壓力差推動(dòng)下，過(guò)濾阻力增大，過(guò)濾速率減緩，含水率的降低速度逐漸減緩。污泥含水率逐漸降低，污泥中的固體物質(zhì)可能會(huì)吸附在一起，使其中的內(nèi)部結(jié)合水量變多[7]，這也是引起脫水速率逐漸減緩的原因。

2.3 不同稀釋濃度對(duì)泥餅含水率及壓濾機(jī)過(guò)濾速率影響分析

將離心脫水泥餅加水稀釋，使污泥濃度分別為3.3%、6.0%和7.6%，改變污泥調(diào)理劑PAC的投加量，通過(guò)獲得脫水泥餅重量、含水率和批次用時(shí)計(jì)算干泥餅處理速率。不同進(jìn)料濃度和不同投藥量對(duì)壓濾機(jī)脫水速率影響如圖4所示。

圖4 污泥濃度、PAC投加量和泥餅過(guò)濾速度關(guān)系Fig.4 Relationship of Sludge Concentration, PAC Dosage and Sludge Cake Filtration Rate

由圖4可知，板框脫水機(jī)過(guò)濾面積相同，進(jìn)料壓力、壓榨壓力、操作時(shí)間確定的條件下，進(jìn)料污泥濃度越高，泥餅處理速度越大。相同進(jìn)料條件下，進(jìn)料濃度提高，進(jìn)入板框?yàn)V室中污泥干基量增加，濾餅處理速度提高，即泥餅處理速率跟進(jìn)料干基量成正比。初始進(jìn)料濃度相同的情況下，提高PAC投加量，板框壓濾機(jī)泥餅處理速率變化不大。加入PAC調(diào)理可以改變污泥絮體結(jié)構(gòu)，改善污泥的脫水性能，但對(duì)進(jìn)料干基量的影響較小，PAC的投加量對(duì)泥餅處理速率影響不大。進(jìn)料濃度從3.3%提高到7.6%，即進(jìn)料濃度提高130%時(shí)，泥餅處理速度明顯提高了40%左右。提高板框壓濾機(jī)的進(jìn)泥濃度能有效地提高壓濾機(jī)的過(guò)濾速率，增加單臺(tái)壓濾機(jī)的處理量。單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入濾室中污泥干基量越大，濾布上泥餅厚度增加的速度越快，過(guò)濾阻力迅速增大，濾液過(guò)濾速率減小，泥餅處理速率增大比率明顯低于進(jìn)料濃度提高的比率。

2.4 不同加藥量對(duì)泥餅干基熱值影響

全自動(dòng)板框壓濾機(jī)作為污泥焚燒處置的預(yù)處理過(guò)程，添加的污泥調(diào)理劑不可大幅度降低污泥熱值，根據(jù)《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》(GB/T 213—2008)檢測(cè)不同投藥量對(duì)泥餅干基熱值的影響,結(jié)果如表3所示。

表3 污泥熱值檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Data of Sludge Calorific Value

由表3可知，當(dāng)采用“石灰+FeCl3”傳統(tǒng)調(diào)理劑時(shí)，脫水泥餅干燥基低位發(fā)熱量較原泥降低43%，主要原因是傳統(tǒng)調(diào)理過(guò)程中生成的鈣鹽和鐵鹽干基增量較大且皆為不燃物。當(dāng)PAC藥劑(干粉)投加量≤干基的5%時(shí)，獲得的泥餅干燥基低位發(fā)熱量和未經(jīng)處理前污泥相差并不大，為傳統(tǒng)調(diào)理方式的1.67倍，泥餅熱值相較于傳統(tǒng)調(diào)理方式明顯提高。泥餅熱值是污泥作為能源使用價(jià)值高低的體現(xiàn)，是污泥焚燒的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。根據(jù)泥餅熱值可計(jì)算污泥焚燒時(shí)的理論空氣量、理論燃燒溫度、需要摻燒燃料量等，對(duì)于污泥焚燒爐的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2.5 經(jīng)濟(jì)適用性

污水廠污泥產(chǎn)生量大，土地資源極大限制了污泥填埋處置途徑，目前，我國(guó)污水廠大多采用的處置途徑為離心脫水機(jī)或常規(guī)板框壓濾機(jī)機(jī)械脫水后外運(yùn)焚燒處置。污泥焚燒處置廠將接收的離心脫水泥餅稀釋并深度脫水后焚燒處置。傳統(tǒng)“石灰+FeCl3”調(diào)理和全自動(dòng)板框壓濾機(jī)以PAC作為調(diào)理劑深度脫水方式運(yùn)行費(fèi)用分析如表4所示。

表4 不同調(diào)理劑運(yùn)行費(fèi)用Tab.4 Operation Cost of Different Sludge Conditioner

常規(guī)采用“石灰+FeCl3”調(diào)理污泥，脫水泥餅含水率雖然較低，但干基量增長(zhǎng)較多，引起后續(xù)污泥處置量也較大，板框處理效率較低。以PAC作為調(diào)理劑，藥劑成本、污泥處置成本都較少，整體運(yùn)行費(fèi)用較經(jīng)濟(jì)。兩種調(diào)理方式對(duì)比分析如表5所示。

表5 不同調(diào)理劑對(duì)比分析Tab.5 Comparative Analysis of Different Sludge Conditioner

采用傳統(tǒng)“石灰+FeCl3”調(diào)理污泥，因調(diào)理劑引起的污泥干基增量為30%左右，極大降低了脫水泥餅熱值，不利于污泥焚燒處置。采用PAC作為污泥調(diào)理劑，基本未改變泥餅熱值，焚燒處置需要摻燒燃料量較少，提高了污泥焚燒經(jīng)濟(jì)價(jià)值。傳統(tǒng)調(diào)理方式添加石灰會(huì)導(dǎo)致后續(xù)處理設(shè)施設(shè)備結(jié)垢，有效容積明顯降低，而PAC調(diào)理對(duì)后續(xù)處理設(shè)施危害性較小。全自動(dòng)板框壓濾機(jī)采用PAC作為調(diào)理劑運(yùn)行過(guò)程中不需要人工輔助卸落泥餅，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行管理方便，脫水泥餅熱值較高，是經(jīng)濟(jì)可行的污泥焚燒處置廠預(yù)處理方式。

3 結(jié)論

(1)采用傳統(tǒng)“石灰+FeCl3”調(diào)理劑，干基增量30%左右，泥餅熱值較原泥降低43%，不利于污泥焚燒處置。PAC作為調(diào)理劑時(shí)，投加量在5%內(nèi)可使脫水泥餅含水量降低至60%以下，隨著PAC投加量增高，脫水泥餅含水率進(jìn)一步降低。PAC調(diào)理可改善污泥的脫水性能，對(duì)進(jìn)料干基量影響較小，對(duì)泥餅處理速率影響不大。

(2)當(dāng) PAC 藥劑(干粉)投加量≤干基的5%時(shí)，獲得的泥餅干燥基低位發(fā)熱量和未經(jīng)處理前污泥相差并不大，為石灰調(diào)理方式的1.67倍，泥餅熱值相較于石灰調(diào)理方式明顯提高。使用PAC對(duì)后續(xù)設(shè)備危害性較小，可避免因添加石灰引起設(shè)施設(shè)備結(jié)垢和有效容積降低的問(wèn)題。

(3)相較于傳統(tǒng)“石灰+FeCl3”，以PAC作為調(diào)理劑時(shí)污泥干基增量少，板框脫水機(jī)和后續(xù)處理處置設(shè)備運(yùn)行效率提高，泥餅熱值較高，整體運(yùn)行費(fèi)用較經(jīng)濟(jì)，有利于精細(xì)化管理及職工職業(yè)健康。對(duì)于擬接納離心脫水泥餅的污泥處置廠來(lái)說(shuō)，是經(jīng)濟(jì)可行的預(yù)處理方式。