浅析污泥水热深度脱水滤液的处理

王 迪，杜 松，朱 维，崔宝山，赵瑞江，杨 旭

(1.北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京100084;2.清华大学环境科学与工程学院，北京100084)

1 引言

随着我国城市污水处理厂的普及，污泥产量持续快速增加。据统计［1］，目前我国污泥(按含水率80%计)的产生量约1400万t/年，预计到2015年将达到3560万t/年。我国污水厂普遍对污泥进行机械脱水，脱水污泥含水率平均为80%左右，而常见的后续处理处置手段如堆肥、焚烧、填埋等均要求含水率在60%以下，这导致高达83%的脱水污泥直接外运堆置，没有得到有效处置［2］。

可见，进一步降低脱水泥饼含水率，是污泥减容减量和无害化处置的基础。为了满足后续处置对含水率的要求(＜60%)，目前国内主要采用的技术手段是蒸发干燥和石灰干化。但是蒸发干燥的能耗高，石灰干化又会造成污泥处置量增加等问题［3］。因此，充分发挥机械脱水低能耗的优势，开发高效、经济的污泥“深度脱水”技术，替代干化工艺，实现污泥脱水与处置的直接对接，将为污泥处理处置系统节能增效开辟新的技术途径。

污泥脱水困难根本上是由污泥细胞质胶体结构特征所决定的，要实现污泥的深度脱水，必须通过预处理手段改变污泥的结构。当前，最受关注的是基于细胞破碎原理的预处理技术，如水热技术、机械破碎、化学溶胞、超声波、微波和电渗透等［4］。水热技术通过在密闭的容器中将污泥加热，在一定温度和压力下污泥微生物细胞破碎，胶体结构破坏，粘度降低，细胞水、毛细吸附水和表面吸附水大量析出，从而提高了污泥的脱水性能。同时，在水热过程中大分子有机物发生水解，由固相转移至液相，从而大幅度提高了污泥的生物降解性能。

水热技术的雏形是20世纪30年代出现的热处理技术［5］，早在1939年就开始面向应用开展研究。50年代开发的Zimpro工艺、70年代的低压氧化工艺，降低了操作条件，80年代开发的Protox工艺提高了污泥水解效率，90年代中期又开发了快速热调节技术。挪威Cambi工艺进一步缓和了水热工艺条件，将水热技术成功地应用于提高污泥的厌氧消化性能。

清华大学从20世纪80年代初开始水热技术的基础研究，90年代承担了国家“八五”科技攻关的相关课题，2002年开展了污泥水热处理的中试研究，2004年开发了“水热处理－ASBR厌氧消化”组合技术，并于“十五”期间承担了863计划和国家重大水专项的相关课题任务。在工程应用方面，2008年北京健坤伟华新能源科技有限公司在东莞市区污水厂建设了国内首个污泥水热处理示范工程。

将自由水从悬浮液中分离需要进行某些不可逆过程，例如克服污泥层(滤饼)和过滤介质的摩擦力等，这些过程都需要消耗有效的能量。在污泥脱水过程中，机械力做功传递给污泥，作用于污泥中可以被分离去除的水分，使之通过污泥层和过滤介质排出系统。随着过滤层干度的提高，需要的能量输入也会逐步提高，当脱水设备能够提供(或者能够经济提供)的机械功低于克服水脱离污泥固体所需要的能量时，难以进一步降低含水率［6～8］。宏观上表现为污泥脱水只能达到一定含水率，图1给出了压力做功下的污泥脱水原理。

机械脱水过程中，依靠机械力做功将水从悬浮溶液中去除。利用模型计算改性污泥脱水过程需要的机械力做功，从而得到污泥在脱水过程中能量需求与脱水效果变化的定量关系。

2 材料与方法

2.1 试验装置

在Fenton试验中，使用1L大烧杯盛装脱水滤液，用FeSO4·7H2O提供Fe2+离子作为催化剂，用30%的H2O2作为氧化剂进行反应。

图1 污泥压滤脱水示意图

而UV－Fenton的试验装置选择深圳道汇科技有限公司自主研发的UV－Fenton小试设备。该小试设备是用进口PP材质制成基本反应容器，并且在反应器中增加了紫外照射设备和曝气以及自动进药装置(图2)。

图2 UV－Fenton试验装置图

2.2 脱水滤液水质参数

污泥水热脱水滤液水样取自863城市污泥高效脱水关键设备及工艺研究项目的北京昌平区沙河基地和水屯基地，取样时间为2010年10月至2011年6月，其水质参数见表1。

2.3 试验方法

在普通Fenton试验中设定反应时间为2h。试验前调解滤液pH值到3.5，然后开始试验。其中FeSO4·7H2O的投加量为溶液质量的3‰左右，H2O2每30min的投加量为所处理滤液体积的1%左右。UVFenton试验的预处理以及药剂投加量与普通Fenton试验是一样的。反应停止后，将反应液pH值调到9，过滤去铁泥后，测滤液的参数。参数所涉及到的如CODCr、BOD5、Ca2+、腐殖质、蛋白质等指标全部按照国标检测方法测定。

3 结果与讨论

表2为普通Fenton试验的水质情况。由于水热反应所处理的原料的参数不同，导致其脱水滤液的指数也不相同，其COD浮动区间为7000～12000左右。整个反应中出水的COD的变化主要取决于进水的浓度，以及所使用氧化剂占进水COD的比例。该比例越大则氧化的强度越大，所完成的处理效果越好。

表2 普通Fenton试验的水质情况

表3为UV－Fenton试验的水质变化情况。由数据可见在氧化剂药剂量和催化剂药剂量以及反应时间都相同的情况下，UV－Fenton装置所处理的污泥水热脱水滤液的COD去除率在85%以上，远高于普通Fenton的试验效果。而且BOD5从数据上来看是下降的，但是所被处理的滤液的B/C值却有所升高，但是仍然为达到具有可生化性的界定数值0.3。氨氮在整个试验之后有小幅度升高。可见无论是普通Fenton或者是UV－Fenton处理方法处理污泥水热脱水滤液时都未有明显的效果。所以研究人员还需另寻他径去处理滤液中的氨氮。

表3 UV－Fenton试验的水质变化情况

4 结语

结果表明污泥水热脱水滤液是一种高浓度较难处理的废水。在用Fenton和UV－Fenton的方法分别对其进行处理时发现UV－Fenton的处理效果更好，CODCr去除率达到85%以上。该发现为解决日后的由水热处理污泥所产生的废水提供了一条新的方法与途径。

［1］中国环境年鉴编委会.中国环境年鉴［M］.北京:中国环境科学出版社，2006.

［2］张 辰.污泥处理处置技术研究进展［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［3］汪群慧，刘建丽，艾恒雨，等.提高污泥厌氧消化效率的溶胞预处理技术［J］.黑龙江大学自然科学学报，2005，22(5):614 ～618.

［4］Tiehm A，Nichel K，ZellhormM，et al.Ultrasonic Waste Activated Sludge Disintegration for Improving Anaerobic Stabilization［J］.Water Research，2001，35(8):2003 ～2009.

［5］文 泽.水热干化污泥处理技术的新空间［J］.环保产业，2007(12):12～16.

［6］张光明，张信芳，张盼月.城市污泥资源化技术进展［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［7］Brooks R B.Heat t reatment of sewage sludge［J］.Water Pollut Control，1970，69(2):221 ～231.

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