底部渗流污泥脱水效应及机理分析

齐永正,李振雄

(1.江苏科技大学 土木工程与建筑学院,镇江 212100)

(2.江苏省地质环境灾害防治及修复工程研究中心,镇江 212100)

城镇污水处理过程中会产生大量的剩余污泥,这些污泥呈胶状液态,含水率可达98%以上[1],如果不及时进行处理,会对环境产生二次污染.污泥处理的方式主要有农用、填埋、焚烧、建材利用等.然而,制约污泥处理的主要因素是污泥的高含水率.污泥脱水是污泥处理最关键的环节.常用的污泥脱水机械有真空过滤机、板框压滤机、辊轧式脱水机、带式压滤机、离心式脱水机、叠螺脱水机等[2-7].污泥经过机械脱水,含水率仍然在80%以上[8].为了进一步降低污泥含水率,新的污泥脱水技术如超声波脱水技术[9]、微波脱水技术[10]、电渗析脱水技术[11]和热水解脱水技术[12]等不断涌现.时至今日,虽然污泥脱水技术和理论都取得了长足发展[13],但污泥难脱水仍然是困扰污泥处理的“瓶颈”[14-15].污泥淤堵是污泥难脱水的重要原因,进而影响污泥的脱水效应.文中拟通过底部渗流自然下渗、无密封底部真空负压、密封底部真空负压3种工况污泥脱水模型试验,研究污泥的脱水效应,分析污泥颗粒沉积与淤堵机理,为改善污泥脱水工艺提供参考依据.

1 试验材料

1.1 污泥

试验污泥选用镇江本地城镇污水处理厂污泥,为保证各组试验初始条件的一致性,采用同一批污泥,测试初始含水率为98%,容重为1.04 g/cm3.

1.2 滤膜

试验滤膜采土工织物无纺透水土工布,该土工布基本参数如表1.

表1 透水土工布基本参数

2 试验过程

如图1,试验模型箱采用透明亚克力材质,内壁80 cm×80 cm方形箱,模型箱侧壁外壁设置刻度尺,用于监测液面变化.模型箱底部架空层通过密封管道与气水分离装置连接,气水分离装置连接真空泵;真空泵抽真空通过气水分离装置抽吸模型箱底部架空层中的气水混合液对模型箱底部施加全断面真空负压.

图1 模型试验系统

自然下渗试验在架空层隔板上部铺设透水土工布并用密封胶布密封土工布边缘,往模型箱中注入污泥浆液至高度30 cm,即开始试验,记录试验数据至试验结束.

底部真空负压试验,在架空层隔板上部铺设透水土工布并用密封胶布密封土工布边缘于模型箱内壁上,在水箱中注入污泥浆液至高度30 cm,覆盖密封膜并确保密封(无密封试验忽略此步骤),开启真空泵,开始试验.记录数据,前30 min内每隔5 min记录一次数据,30 min至1 h内每隔10 min记录一次数据,1 h至7 h内每隔30 min记录一次数据,7 h至12 h内每隔1 h记录一次数据,12 h至24 h内每隔2 h记录一次数据,试验至24 h,停止试验.取污泥试样测量污泥泥饼含水率,做扫描电镜试验.

3 试验结果及分析

3.1 底部真空负压荷载结果及分析

底部真空负压污泥脱水试验分为无密封和密封两种工况,图2为两种工况下底部真空负压荷载变化曲线.

图2 底部真空负压荷载变化曲线

从图2曲线可以看出,在上部无密封和密封两种工况下,加载0～14 h,底部真空负压荷载均可保持在90 kPa以上,表明污泥间隙水具有“水封效应”,能够有效隔绝底部真空.无密封工况下14 h后真空负压荷载急剧降低至20 kPa,表明污泥已出现上下贯通性裂缝,但有一定的淤堵现象.密封工况下16 h后,底部真空负压缓慢降低并维持在75 kPa,可见密封系统存在局部漏气情况,但总体情况尚好.

3.2 污泥面与上清液面结果及分析

试验进行了自然下渗、无密封底部真空负压、密封底部真空负压3种工况下的污泥面与上清液面变化监测,3种工况下污泥面与上清液面变化时程曲线如图3.

图3 污泥面与上清液面变化时程曲线

由液面试验监测数据可知,自然下渗工况污泥上清液与下沉污泥分层出现最早(3 min)消失最迟(22 h),无密封底部真空负压荷载工况次之(5 min分层出现,14 h分层消失),密封底部真空负压荷载工况污泥分层出现最迟(15 min)消失最早(12 h).3种工况下,自然下渗工况污泥颗粒沉降最快,无密封底部真空负压工况次之,密封底部真空负压工况污泥颗粒沉降最慢.可见底部真空负压及密封均对污泥脱水具有重要影响.

3.3 污泥含水率结果及分析

污泥含水率是指污泥中水的质量与污泥固体颗粒及污泥中水的总质量的比值.图4为3种工况下污泥含水率变化时程曲线.

图4 污泥含水率变化时程曲线

从图4曲线可以看出,自然下渗污泥含水率近似于线性下降,脱水24 h污泥含水率为88.45%;无密封与密封底部真空负压工况污泥含水率试验前期和后期污泥含水率降低较慢,中期降低较快,含水率时程曲线在试验中期出现拐点.无密封工况污泥试验最终含水率为85.14%,密封工况污泥最终含水率为76%.试验结果表明,密封底部真空负压工况可迅速降低污泥含水率,脱水效率高,脱水效果好.总体效果而言,密封底部真空负压工况污泥脱水效果最好,无密封底部真空负压工况效果次之,自然下渗工况污泥脱水效果最差.

3.4 污泥脱水率结果及分析

污泥脱水率等于污泥脱出水的质量与初始污泥中水的总质量的比值,反映污泥脱水量的程度.图5为3种工况下污泥脱水率时程曲线.

图5 污泥脱水率时程曲线

对比图5曲线可以发现,自然沉降工况污泥脱水率前半程脱水效率最高,后半程脱水效率最低,试验最终脱水率84.37%,该工况污泥脱水效果最差;无密封底部真空负压工况前半程污泥脱水效率最低,中期超过自然下渗工况,试验最终脱水率88.3%,该工况脱水效果好于自然沉降工况;密封底部真空负压荷载工况前半程污泥脱水效率居中,中期超过前两种工况,试验最终脱水率89.94%,该工况脱水效果最好.

3.5 污泥体积浓缩率结果及分析

污泥体积浓缩率指污泥脱水减少的体积与污泥初始总体积的比值,反映污泥体积浓缩的程度.图6为3种工况下试验最终污泥体积浓缩率对比图.由图6可见,自然下渗工况污泥体积浓缩率最小,达84.33%;密封底部真空负压工况污泥体积浓缩率最大,达91.67%;无密封底部真空负压工况污泥体积浓缩率居中,达90.00%.可知,密封底部真空负压工况污泥脱水效果最好,污泥所余体积仅为原始总体积的8.33%.

图6 污泥体积最终浓缩率对比图

3.6 污泥脱水速率结果及分析

污泥脱水速率是指单位时间内污泥脱出水的质量,反映污泥瞬时脱水的快慢程度,图7为3种工况下污泥脱水速率变化时程曲线.

图7 污泥脱水速率变化时程曲线

由图7可以看出,3种工况污泥脱水速率在试验前期1～2 h内非常大,达45～55 g/s,而后急速下降,在试验后期泥脱水速率逐渐趋近于0.自然下渗工况,试验前半段污泥脱水速率较高,后半段很小;无密封与密封底部真空负压工况污泥脱水速率时程曲线变化总体趋势一致,两者在试验中期脱水速率均有所加大;试验前期和后期密封工况污泥脱水速率大于无密封工况,中期无密封工况污泥脱水速率略大于密封工况.

3.7 扫描电镜结果及分析

取自然下渗工况、无密封及密封底部真空负压工况脱水试验后污泥泥饼试样进行扫描电镜试验.图8～10为放大200倍3种工况污泥SEM图.

图8 自然下渗工况污泥扫描电镜图

从图8可见,自然下渗工况污泥细颗粒较多,污泥颗粒间隙较小,污泥絮状体不明显;从图9可见,无密封底部真空负压工况污泥表面较为粗糙,污泥细颗粒较少,污泥粒间孔隙变大,污泥颗粒絮状体明显;从图10可见,密封底部真空负压工况污泥外表面较为平整、光滑,污泥细颗粒不明显,污泥颗粒间隙较大,污泥颗粒絮状体明显.可见,底部真空负压改变了污泥泥饼的微观结构,表现为3种工况污泥脱水宏观效果的差异.

图9 无密封工况污泥扫描电镜图

图10 密封工况污泥扫描电镜图

4 机理分析

底部渗流,自然下渗工况,污泥颗粒受到4个竖向力的作用,即竖直向下的重力G和渗流力F以及竖直向上的浮力B及粘滞阻力f,如图11(a).

图11 污泥颗粒受力示意

已知浮力B=γwV[16-17],渗流力F=γwJV[18-20],式中γw为水的重度,V为污泥颗粒体积,J为水力坡降,对于本试验竖向渗流,水力坡降J=1,所以,渗透力F=γwV=B,数值上与浮力相互抵消.因此,自然下渗工况污泥颗粒所受的力可认为只受到竖向的重力G和粘滞阻力f.由斯托克斯(Stokes)定律可知,粘滞阻力f= -6πηvr[21],式中η是水的粘度系数,v是污泥颗粒相对于水的运动速度,r是污泥颗粒的半径.污泥颗粒在重力G和粘滞阻力f(初始粘滞阻力为零)作用下做加速运动,随着沉降速度越来越快,污泥颗粒所受的粘滞阻力也越来越大.当达到某一沉降速度时,重力和粘滞阻力大小相等,污泥颗粒匀速沉降.此时,污泥颗粒的速度为收尾速度或沉降速度.设污泥颗粒重度为γ,则污泥颗粒所受重力为G=γV=4γπr3/3.当污泥颗粒达到沉降速度时,根据受力分析可知6πηvr=γV,则污泥颗粒沉降速度v=γV/6πηr=2γr2/9η.从该式可以看出,粒径r越大颗粒沉降速度v越快,因此,污泥粗颗粒沉积在污泥泥饼底部,污泥细颗粒沉积在污泥泥饼上部.于是污泥颗粒在透水土工布上表面与土工布一起形成一个自上而下颗粒粒径逐渐变大的“天然反滤层”.随着污泥细颗粒的沉积,“反滤层”出现淤堵现象.

当底部施加真空负压时,将在污泥浆液中产生负的超静孔压,孔隙水压力监测结果显示[22-23],污泥浆液中负超静孔隙水压力从下部向上部传递.毛昶熙先生认为“静水压力的传递结果产生浮力,致使土粒的有效重量减轻变为潜水浮重”[18],“土体的浮力等于上下表面的静水压力差”[24].由此可知,负超静孔压从下部向上部传递,相当于对污泥颗粒施加了一个向上的竖向浮力B′,如图11(b),该力迟滞了污泥颗粒的沉降.图12(a)为无密封污泥浆液中负超静孔压分布示意,污泥浆液表面负超静孔压为零;图12(b)为密封污泥浆液中负超静孔压分布示意图,污泥浆液表面以上有密封膜,膜与浆液表面之间存有残余空气层,随液面下降,空气间层气体稀释,浆液表层受到负超静孔压影响.由孔压分布图可知,无密封工况孔压分布图斜率小于密封工况,可知,无密封工况污泥颗粒附加浮力B′小于密封工况.因此,试验实测数据(见图3)显示,无密封底部真空负压工况比密封底部真空负压工况污泥颗粒沉降速度快;自然下渗工况不受负超静孔压影响,污泥颗粒沉降速度最快.

从多孔介质学角度,底部真空负压工况污泥脱水过程可划分为两个阶段:第一阶段是污泥颗粒絮凝沉降,污泥出现上清液,如图13(a).箱体中的污泥颗粒沉积到透水土工布表面,并在表面形成污泥泥饼.试验前期,污泥泥饼沉积较薄,污泥孔隙中大量自由水分淅出并透过污泥泥饼从底部排出,污泥迅速脱水,体积急剧浓缩.

第二阶段是上清液面消失,在真空负压作用下真空负压气流驱替污泥孔隙水脱水,如图13(b),即真空负压气流穿过污泥泥饼的孔隙并置换污泥泥饼中赋存的少量间隙水和部分结合水.当无密封时,上清液消失,“水封效应”失效,随着污泥脱水体积收缩,污泥泥饼出现多处不规则贯通裂隙,如图14.

在真空负压作用下,表面污泥细颗粒填充到裂隙内,真空负压荷载迅速下降至很小的真空负压荷载,此后,污泥在自重和残余真空负压下继续缓慢脱水.所以,无密封试验最终污泥含水率小于自然下渗污泥含水率.当污泥表面密封时,由于密封膜的存在,真空负压气流穿透污泥泥饼,传递到密封膜下,污泥泥饼中开始出现真空负压[22-23],密封膜被紧紧吸附在污泥泥饼表面.污泥泥饼在底部真空负压和上表面大气压力作用下像挤压海绵体一样,挤压污泥泥饼加速污泥脱水,污泥由“豆脑状”变成“豆干状”,因而,密封工况污泥脱水效果最好,最终污泥含水率最小.因为自然下渗工况仅经历了第一阶段,所以污泥脱水效果最差,最终污泥含水率最大.无密封工况经历了第二阶段的部分过程,所以污泥脱水效果好于自然下渗工况,但远比密封工况差,最终污泥含水率居中.

污泥颗粒絮体结构如图15,由污泥胞外聚合物(EPS)有机絮体和胞内物质组成,EPS包含紧密结合的胞外聚合物(TB-EPS)、松散结合的胞外聚合物(LB-EPS)及溶解性胞外聚合物(SEPS)[25].自然下渗工况,污泥细颗粒沉积填充先期沉积的粗颗粒间隙形成致密的污泥沉积层,上清液滞水下渗困难,后期污泥脱水缓慢,SEM微观结构显示污泥细颗粒较多,颗粒间隙较小;无密封底部真空负压工况,污泥细颗粒流失到裂隙中,污泥絮凝体在真空负压下失水收缩,胞外聚合物外露,污泥表面粗糙,颗粒间隙较大;密封底部真空负压工况,污泥间隙水连同污泥微细颗粒被真空负压气流驱替,因此,污泥表面光滑,污泥颗粒絮体及粒间孔隙较大.

图15 污泥颗粒絮体结构

5 结论

文中进行了自然下渗、无密封底部真空负压及密封底部真空负压3种工况污泥脱水模型试验,并对相关机理进行了分析,结论如下:

(1) 污泥颗粒沉降速度与颗粒半径的平方成正比,粗颗粒沉降速度快于细颗粒;粗颗粒沉积在污泥泥饼下部,细颗粒沉积在污泥泥饼上部,细颗粒堵塞粗颗粒的孔隙,产生淤堵.

(2) 底部真空负压在污泥浆液中产生的负超静孔隙水压力会影响污泥颗粒的沉降速度,负超静孔压越大,颗粒沉降速度越慢.

(3) 底部真空负压工况,污泥脱水经历出现上清浆与上清浆消失两个阶段.前者,污泥中的自由水具有“水封效应”,阻止了真空度的传递;后者,表面密封状态下,真空负压在污泥泥饼中产生的球应力挤压污泥排水,脱水效应显著.