市政污泥水热耦合机械压滤脱水实验研究

李秀丽,周明远,樊丽,买吾兰·吾吉

(上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209)

市政污泥水热耦合机械压滤脱水实验研究

李秀丽,周明远,樊丽,买吾兰·吾吉

(上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209)

脱水对市政污泥的处理处置具有非常重要的意义,为解决市政污泥深度脱水难题,研究了一种水热耦合机械压滤脱水方法。污泥在同一反应单元中,水热处理的同时进行机械压滤,促使污泥中的水分主要以液态形式被脱除。研究结果表明:水热耦合机械压滤的脱水效果明显优于常温压滤脱水和水热预处理后离心脱水,可使滤饼水分进一步降低至66.87%～55.09%。说明水热作用对于机械压滤脱水有促进作用,且水热处理与机械压滤的耦合作用要大于单纯的水热预处理。

市政污泥;水热处理;机械压滤;耦合作用

0 引言

市政污泥是污水处理过程中的伴生产物,随着城市污水处理量的增长以及污水深度处理的要求,污泥的产量越来越大,城镇污水处理厂污泥处理的问题也越来越受到重视[1]。目前污泥处理处置最大的问题来自其脱水问题,一般污水处理厂产生的污泥含有较高的水分(一般为99.2%),其水分主要有自由水和结合水两种形式[2]。通常采用的机械脱水法只能脱除大部分自由水,而结合水是指在污泥颗粒接触面上由毛细压力结合,充满于污泥与污泥颗粒之间或污泥本身裂隙中的水分以及包含在污泥微生物细胞体内的水分,脱除较为困难[3]。

为脱除污泥中的结合水,国内外做了大量的研究,主要采用化学或物理方法破坏污泥颗粒与水的结合力,再予以脱除。常见的有各种化学、物理、生物调理技术,以及超声、微波、冷融、热水解等处理技术[4-7]。其中,热水解技术能有效破碎污泥细胞,强化污泥水解,是一种具有实用价值的污泥处理技术[8]。水热处理始于上世纪30年代,早期主要用于改善污泥的脱水性能,后来开始用于提高污泥的厌氧消化性能[9-11]。对于改善脱水性能的研究,热水解一般作为一种预处理技术,污泥在高压反应釜等热水解装置中进行水解反应,而后再采用机械过滤方式脱除水分[12-13],在工业应用上有一定的局限性。

本文研究的水热耦合机械压滤脱水是将热水解预处理技术与在传统的机械压滤脱水有机结合起来,污泥在同一反应单元中,水热处理的同时进行机械压滤,促使污泥中的水分主要以液态形式被脱除,提高污泥脱水效率,降低脱水能耗。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验污泥取自上海市东区污水处理厂,该污水处理厂规模40万m3/d,采用二级加强生物除磷脱氮处理工艺,污泥采用浓缩、干化、焚烧工艺。所取污泥样品为板框机械脱水污泥,含水率为84.35%。

实验所用污泥有两种,一为脱水污泥(Dewatered Sludge),即取样所得原污泥,含水率为84.35%;二为含水污泥(Watery Sludge),取原污泥用去离子水1:1稀释得到,含水率为92.78%。

1.2 实验装置

水热耦合机械压滤脱水实验装置为自主设计并加工而成,实验装置示意图如图1所示。料腔缸筒采用耐腐蚀不锈钢加工,直径100 mm,总高度250 mm。料腔外包裹电加热夹套,用于间接加热水解料腔内的污泥样品,可实现程序控温。机械压力由液压机提供,工作压力恒定为(2±0.01)MPa。

图1 水热耦合机械压滤脱水实验装置Fig.1 Experimental facility of the hydrothermal coupled withcompression filtration dewatering

1.3 实验方法

(1)水热预处理脱水实验。采用200 mL高压反应釜进行脱水污泥和含水污泥的水热预处理,每次取污泥样品100 g,加入高压反应釜内,烘箱加热(温度分别为90、120和150°C)反应90 min。预处理后的脱水效果采用离心脱水方式考察,取预处理后样品经离心脱水并测定滤饼水分。

(2)常温压滤实验。按表1参数,加入污泥样品至料腔口平齐,开启液压装置机械压滤并计时,室温(15°C)下压滤,每30 min暂停压滤,取样测定滤饼水分,共压滤90 min。

表1 压滤实验参数设置Tab.1 Parameters of the compression filtration experiment

(3)水热耦合机械压滤脱水实验。按表1参数,加入污泥样品至料腔口平齐。同时开启加热装置和液压装置,加热温度分别设置为90、120和150°C,当加热温度上升至设置温度后开始计时,以30 min为一个加热周期,共加热90 min,每个加热周期结束后取样测定滤饼水分。为对比水热耦合机械压滤脱水与水热预处理后离心脱水两者效果的不同,最终滤饼取样经离心脱水后测定水分。

1.4 分析方法

离心脱水采用飞鸽牌离心机(TGL-16G),转速12000 r/min,离心时间10 min。滤饼水分采用快速水分测定仪(Mettler Toledo HR83)测定。

2 结果与讨论

表2列出了2种污泥样品经水热耦合机械压滤脱水后滤饼的含水率和脱水率,其中脱水率可以由公式:

表2 水热耦合机械压滤脱水实验结果Tab.1 Experimental results of the hydrothermal coupled with mechanical compression filtration dewatering

图2、3分别为2种污泥样品水热耦合机械压滤脱水后滤饼含水率随压滤温度和时间的变化情况。结果表明:无论是含水还是脱水污泥,在水热耦合机械压滤作用下其水分均能进一步脱除,并且随加热温度上升、加热时间延长,滤饼的含水率降低。经过90 min的水热耦合机械压滤作用,含水污泥的水分由92.78%,最低降到78.04%(150°C时),脱除水分15.89%;脱水污泥的水分由84.35%,最低降到72.00%(150°C时),脱除水分14.62%。

图2 脱水污泥水热耦合机械压滤脱水实验结果Fig.2 Experimental results of the hydrothermal coupled with mechanical compression filtration dewatering for dewatered sludge

图3 含水污泥水热耦合机械压滤脱水实验结果Fig.3 Experimental results of the hydrothermal coupled with mechanical compression filtration dewatering for watery sludge

水热耦合机械压滤的脱水效果要明显优于常温压滤脱水(见图4),含水污泥90°C压滤水分最终能降到81.74%,脱除水分11.90%,而常温下水分只能降到89.01%,脱除水分4.06%,说明水热作用对于机械压滤脱水具有促进作用。

图5所示对比了水热预处理后离心脱水与水热耦合机械压滤脱水后滤饼的离心脱水结果,含水污泥经水热耦合机械压滤处理90 min后,滤饼含水率随处理温度升高急剧下降,最低达到55.09%,脱水率40.62%。而脱水污泥和含水污泥在150°C水热预处理90 min后离心脱水,滤饼含水率分别高达79.55%和82.65%,脱水率分别为5.69%和10.92%。可见水热耦合压滤的脱水效果要明显优于水热预处理后脱水,说明水热处理与机械压滤的耦合作用要明显大于单纯的水热预处理。

图4 常温压滤与水热耦合机械压滤脱水实验结果对比Fig.4 Compare results of compression dewatering in room temperature and the hydrothermal coupled with mechanicalcompression filtration dewatering

图5 水热预处理后脱水与水热耦合机械压滤脱水实验结果对比Fig.5 Compare results of dewatering after hydrothermal pretreatment and the hydrothermal coupled with mechanicalcompression filtration dewatering

根据表2结果,对比含水污泥和脱水污泥,虽然在相同反应时间和温度下,含水污泥脱水滤饼的水分比脱水污泥要高,但含水污泥的脱水效率却比脱水污泥要高得多。分析原因有两个方面:一是对于不同含水率的实验样品,实验过程中脱除的水分是不一样的。含水污泥在反应初期主要脱除的是更易于脱除的自由水,随着反应时间的增加,才逐渐有部分结合水经由水热反应被释放而脱除;而脱水污泥因前期已经过机械压滤脱水,所含自由水较少,因此所脱除的水分需先经水热反应释放,反应前期脱水率就较低,尤其在反应温度较低时,水热反应效果不明显,脱水效率会更低。第二,由最终滤饼的离心脱水效果可见,含水污泥水热压滤作用后能进一步离心脱除较多的水分,150°C处理90 min后离心脱水,滤饼水分由78.04%降到55.09%,脱水率由15.16%增加到40.62%,而脱水污泥在相同条件处理后,脱水率只由14.62%增加到20.69%,说明水分含量对水热反应有一定的影响。水热处理的主要作用是加速污泥细胞破解,有机质水解溶出,首先是固体有机物的溶解,其次是部分溶解性的大分子有机物进行水解变成小分子物质[14],当污泥中固含量增加,则会导致传热传质效率下降,不利于有机物的水解。有研究表明,综合考虑到水热预处理过程中的能耗及污泥流动性对传质的影响,在处理高含固污泥时其含固率为9%～10%为最佳[15]。

3 结论

采用水热耦合机械压滤脱水方法对2种不同含水量污泥样品进行了实验研究,并对比常温压滤脱水和水热预处理后离心脱水2种方法,得到以下结论。

(1)水热耦合机械压滤脱水能进一步脱除含水污泥和脱水污泥中的水分,脱水效率与加热温度和加热时间正相关。其中含水污泥的脱水效率高于脱水污泥,污泥含水量对水热作用破解污泥细胞,溶出有机质有影响。

(2)水热作用对于机械压滤脱水具有促进作用,水热耦合机械压滤的脱水效果要明显优于常温压滤脱水,含水污泥90°C压滤脱除水分量是常温压滤的2.93倍。

(3)水热处理与机械压滤的耦合作用要明显大于单纯的水热预处理,150°C处理90 min,含水污泥水热耦合机械压滤脱除的水分量是水热预处理后离心脱水的3.72倍。

[1]翁焕新.污泥无害化、减量化、资源化处理新技术[M].北京:科学出版社,2009.

[2]DENG W,LI X,YAN J,et al.Moisture distribution in sludges based on different testing methods[J].Journal of Environmental Sciences,2011,23(5):875-880.

[3]SHAO L M,HE P P,YU G H,et al.Effect of proteins, polysaccharides,and particle sizes on sludge dewaterability[J].Journal of Environmental Sciences,2009,21(1): 83-88.

[4]周煜,张爱菊,张盼月,等.光-Fenton氧化破解剩余污泥和改善污泥脱水性能[J].环境工程学报,2011,5(11): 2600-2604.

[5]齐建.超生辐射及絮凝剂在污泥脱水中的应用研究[D].上海:东华大学,2005.

[6]王鑫,易龙生,王浩.污泥脱水絮凝剂研究与发展趋势[J].给水排水,2012,38(s1):155-159.

[7]黄玉成,张维佳,金秋冬,等.自然冷融法对污泥沉降及脱水性能研究[J].安全与环境工程,2009,15(4):43-46.

[8]QIAO W,WANG W,XUN R,et al.Sewage sludge hydrothermal treatment by microwave irradiation combined with alkali addition[J].J Mater Sci,2008,43(7):2431-2436.

[9]NEYENS E,BAEYENS J.A review of thermal sludge pretreatment processes to improve dewaterability[J].J Hazard Mater,2003,98(1/2/3):51-67.

[10]王治军,王伟.热水解预处理改善污泥的厌氧消化性能[J].环境科学,2005,26(1):68-71.

[11]卓杨,袁韩芸,袁程,等.高含固污泥水热预处理中碳、氮、磷、硫转化规律[J].环境科学,2015,36(3):1006-1012.

[12]荀锐,王伟,乔玮.水热改性污泥的水分布特征与脱水性能研究[J].环境科学,2009,30(3):851-856.

[13]李孟,章蕾,张倩,等.污泥高温热水解预处理的影响条件及机理研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(10): 115-119.

[14]HAUG R T,STUCKEY D C,GOSSETT J M,et al.Effect of thermal pretreatment on digestibility and dewaterability of organic sludge[J].Water Pollut Control Fed,1978, 50(1):73-85.

[15]马俊伟,曹芮,周刚,等.浓度对高固体污泥热水解特性及流动性的影响[J].环境科学,2010,31(7):1583-1589.

Experimental Research on Hydrothermal Coupled with Mechanical Compression Filtration Dewatering of Municipal Sludge

LI Xiuli,ZHOU Mingyuan,FAN Li,MAIWULAN Wuji
(School of Environmental and Materials Engineering,Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Dewatering is very important for municipal sludge treatment and disposal.A hydrothermal coupled with mechanical compression filtration dewatering method was researched in this paper to solve the deep dewatering problem of municipal sludge.The sludge was treated by hydrothermal and mechanical compression filtration simultaneously in a single reactor.The moisture of the sludge was mainly removed as the form of liquid.The results indicated that the dewatering effect of the hydrothermal coupled with mechanical compression filtration was obviously superior to the compression filtration dewatering in room temperature and the dewatering after hydrothermal pretreatment.The moisture of the filter cake could be reduced to 66.87%—55.09%。It was announced that the hydrothermal treatment had promotion effect on the mechanical compression filtration dewatering.The coupling effect of hydrothermal treatment and mechanical compression filtration was greater than hydrothermal pretreatment only.

municipal sludge;hydrothermal treatment;mechanical compression filtration;coupling effect

X703

A

固体废弃物资源化国家工程研究中心电子废弃物资源化分中心(筹)签约揭牌仪式在上海第二工业大学举行

1001-4543(2016)04-0267-05

2016-07-18

李秀丽(1980–),女,浙江杭州人,讲师,博士,主要研究方向为固体废弃物处理与处置。电子邮箱xlli@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学青年教师培养科研项目(No.B50YC150005-4-6)资助

2016年10月,固体废弃物资源化国家工程研究中心电子废弃物资源化分中心(筹)签约揭牌仪式在上海第二工业大学举行。昆明理工大学校长彭金辉、党委副书记田军、云南省发改委高新技术处副处长贺芹、昆明理工大学校办主任潘金军、固体废弃物资源化国家工程研究中心名誉主任孙可伟、副主任李如燕、产业部主任王守刚、发展部主任钟建、于晓华博士、上海市教委科技处处长许开宇、副处长龚晋、上海市环保局固废管理中心徐洋等参加签约揭牌仪式。上海第二工业大学俞涛校长、徐玉芳副校长出席活动,科研处处长曹建清、技术转移中心主任周志萍、电子废弃物研究中心主任王景伟、校办副主任杨旭辉、中心工作人员及部分研究生参加了此次揭牌活动。此次签约将推动我校电子废弃物资源化协同创新中心突破机制体制,实现成果应用和转化。围绕电子废弃物资源化,上海第二工业大学电子废弃物研究中心也将加快科技创新、成果转化和人才培养的进程。