趙旭遠(yuǎn), 張 露, 冒小丹, 洪國(guó)軍, 江 帥
1.疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心, 上海 200120 2.航道疏浚技術(shù)交行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200120
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)城鎮(zhèn)化速度不斷加快,同時(shí)城市污水量逐年遞增,導(dǎo)致污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的污泥量也不斷增加[1-2]. 2020年,我國(guó)的污泥產(chǎn)量預(yù)計(jì)會(huì)突破 6 000×104t(以含水率80%計(jì))[3]. 隨著全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境衛(wèi)生設(shè)施和污水處理設(shè)施的需求與標(biāo)準(zhǔn)不斷提高,污泥的處理與處置已經(jīng)成為污水處理廠面臨的主要挑戰(zhàn)之一[4]. 污泥填埋處置處理量大、運(yùn)行成本低,處置量占我國(guó)污泥總處置量的60%[5-6]. 污泥填埋場(chǎng)的污泥經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的堆存降解,高含水率堆存污泥產(chǎn)生的滲濾液、填埋氣會(huì)對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響[7-8]. 焚燒是實(shí)現(xiàn)污泥最大量減容的處置方法,同時(shí)可以有效殺滅污泥中的病原菌,是實(shí)現(xiàn)污泥減量化和安全化的有效途徑[9-11]. 在沒(méi)有多余區(qū)域可供污泥填埋時(shí),將堆存污泥進(jìn)行焚燒處置是實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場(chǎng)污泥減容的可選途徑. 由于堆存污泥含水率高,會(huì)制約污泥焚燒的效率,因此堆存污泥的深度脫水干化是污泥焚燒處置的首要步驟.
國(guó)內(nèi)外科研工作者開(kāi)發(fā)了眾多污泥脫水的方法,如物理化學(xué)處理法[12-14]、熱處理法[15-16]、超聲處理法[17-20]及生物酶處理法[21-23]. 其中大多數(shù)的污泥調(diào)質(zhì)方法主要是通過(guò)破壞污泥胞外聚合酶的結(jié)構(gòu)和釋放胞內(nèi)多聚物以達(dá)到污泥吸附水、結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化. 然而由于方法的可操作性、經(jīng)濟(jì)可行性、設(shè)備的局限性等原因,一些在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有較好效果的方法在工程上卻難以適用. 目前,工程應(yīng)用較廣的仍然是“化學(xué)調(diào)理+機(jī)械脫水”的物化聯(lián)合法.
傳統(tǒng)的活性污泥脫水通過(guò)石灰、FeCl3、PAM等藥劑壓縮污泥雙電子層、脫穩(wěn)聚集、增大污泥絮體,從而增強(qiáng)脫水性能[1,24-26]. 堆存污泥通過(guò)了初步的調(diào)質(zhì)脫水后,在填埋場(chǎng)內(nèi)通過(guò)厭氧降解等過(guò)程,其容重、密度、含水率和有機(jī)物含量發(fā)生了較大的變化[27],進(jìn)一步深度脫水難度增加. 因此,探索適合城市堆存污泥特性的組合調(diào)理劑是深度脫水的必要條件. 此外,在機(jī)械壓濾過(guò)程中,污泥濾餅的可壓縮性是影響深度脫水的關(guān)鍵,濾餅的堵塞與變形致使疏水通道閉合,故構(gòu)建濾餅的骨架結(jié)構(gòu)有利于后續(xù)的機(jī)械脫水過(guò)程[28-31].
該研究通過(guò)聚合氯化鋁(PAC)聯(lián)合秸稈粉末,在基礎(chǔ)常規(guī)添加物生石灰的作用下,探究組合調(diào)理劑對(duì)堆存污泥深度脫水的效果,分析壓濾泥餅燃燒特性. 通過(guò)正交試驗(yàn)分析不同添加劑對(duì)污泥脫穩(wěn)、電性中和以及構(gòu)建骨架結(jié)構(gòu)所起到的作用,并探究其影響大小關(guān)系;同時(shí)通過(guò)單因素試驗(yàn)優(yōu)化組合調(diào)理劑中各成分的添加量,設(shè)計(jì)小型壓濾機(jī)模擬工程應(yīng)用中機(jī)械壓濾效果,驗(yàn)證優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)的深度脫水效果;通過(guò)熱重試驗(yàn)對(duì)比分析脫水干化前后污泥與泥餅的燃燒特性,并系統(tǒng)分析PAC-生石灰-秸稈粉末組合調(diào)理劑的經(jīng)濟(jì)成本,以期為堆存污泥深度脫水及后續(xù)的焚燒處置提供參考.
試驗(yàn)所用生石灰有效鈣含量為65%,堆存污泥取自某污泥填埋場(chǎng),含水率為84.38%~85.25%,黏度大,流動(dòng)性極弱,考慮到工程泵的輸送難度[32]以及前期預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果,將污泥稀釋至92%用于調(diào)理〔毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)為1 500 s〕.
正交試驗(yàn):以PAC、生石灰、秸稈粉末作為3個(gè)參考因素,每個(gè)因素設(shè)置3個(gè)水平,以CST作為參考目標(biāo),以CST值最小為最優(yōu)方案,選用L9(34)正交表安排試驗(yàn),對(duì)比3種調(diào)理劑對(duì)污泥脫水的影響大小,因素水平設(shè)置見(jiàn)表1. 分別量取50 mL污泥樣品,按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)依次加入不同量的生石灰、PAC、秸稈粉末,置于磁力攪拌器上以250 r/min的速率攪拌5 min,混合均勻后靜置5 min,取適量的調(diào)理污泥測(cè)定CST.
表1 正交設(shè)計(jì)因素及水平Table 1 The factors and lever of the orthogonal design
優(yōu)化試驗(yàn)與模擬試驗(yàn):?jiǎn)我蛩貎?yōu)化試驗(yàn)中,每次試驗(yàn)選取50 mL污泥加入燒杯中,并分別加入已確定量的生石灰,然后加入不同預(yù)設(shè)含量的PAC(干基比為20%~40%,下同)和秸稈粉末(干基比為20%~40%). 將燒杯置于磁力攪拌器上以250 r/min的速率攪拌5 min,混合均勻后靜置5 min,真空抽濾,壓力為-0.1 MPa,記錄量筒內(nèi)滴落水的體積,以抽濾30 s內(nèi)無(wú)液滴滴落或者泥餅出現(xiàn)龜裂為終點(diǎn),并繪制抽濾效率曲線. 模擬試驗(yàn)中,每次試驗(yàn)選取200 mL污泥加入燒杯中,按照單因素試驗(yàn)中配比與攪拌參數(shù)調(diào)理,之后將調(diào)理污泥倒入小型模擬壓濾機(jī)壓濾,壓力控制在0.4 MPa,壓濾時(shí)間為25 min. 收集壓濾泥餅,檢測(cè)含水率.
CST指標(biāo):取10 mL待測(cè)污泥,采用毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀(DFC-10A,北京同德創(chuàng)業(yè)科技有限公司)測(cè)定CST.
泥餅含水率:稱取15~20 g壓濾后的泥餅,置于含水率檢測(cè)儀(JT-K8,泰州市精泰儀器儀表有限公司),溫度設(shè)定為105 ℃,測(cè)定脫水后泥餅的含水率.
熱重檢測(cè):將樣品約10.00 mg放入熱重分析儀(TGA/DSC1/1600HT,Mettler Toledo,美國(guó)),設(shè)置升溫區(qū)間為30~900 ℃、升溫速率為20 ℃/min、空氣流量為30 mL/min.
浸出液重金屬檢測(cè):浸出液重金屬含量檢測(cè)方法參照HJ/T 300—2007《固體廢物 浸出毒性浸出方法 醋酸緩沖溶液法》,采用浸提劑1#(即加5.7 mL冰醋酸至500 mL試劑水中,加64.3 mL 1 mol/L的氫氧化鈉溶液稀釋至1 L),按照固液比10∶1加入浸提劑振蕩18 h,將浸出液消解處理后送入ICP-OES(iCAP7600,Thermal,美國(guó))測(cè)定重金屬含量.
正交試驗(yàn)結(jié)果分析可采用直觀分析法或SPSS軟件計(jì)算得到極差(R);通過(guò)Origin 9.0軟件對(duì)不同時(shí)間與不同添加劑下濾液體積進(jìn)行繪圖得到抽濾效率曲線;泥餅含水率與CST直接由分析檢測(cè)儀讀數(shù)得到,同樣由Origin 9.0軟件繪圖得到,并根據(jù)數(shù)據(jù)添加誤差棒.
熱重?cái)?shù)據(jù)分析根據(jù)熱重檢測(cè)得到不同溫度下樣品的失重量,通過(guò)Origin 9.0軟件繪圖得到TG失重曲線,在軟件內(nèi)求一階導(dǎo)數(shù)得到微商熱重分析(DTG)曲線,在燃燒過(guò)程中DTG曲線頂點(diǎn)即為最大失重速率點(diǎn)(Tm),過(guò)Tm做垂線與TG曲線相交,然后做交點(diǎn)切線,切線與熱重試驗(yàn)起始位置水平線相交于Ti點(diǎn),Ti點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為燃點(diǎn)溫度.
以CST作為參考目標(biāo),分析3個(gè)因素(生石灰、秸稈粉末和PAC)在3種水平條件下的極差(見(jiàn)表1、2). 極差分析可以判定因素重要性的主次順序,極差越大的因素對(duì)參考目標(biāo)的影響越顯著[33]. 因此可根據(jù)表3中極差(R)的大小判定3個(gè)因素(生石灰、秸稈粉末和PAC)對(duì)CST削減的影響順序.
由表2可知,PAC-生石灰-秸稈粉末的聯(lián)合調(diào)理方法可有效削減堆存污泥的CST,9種組合配比下CST的削減率在60.04%~95.43%之間,PAC-生石灰-秸稈粉末組合調(diào)理劑組合干基比添加量分別為20%-20%-25%和15%-25%-30%時(shí),CST分別降至68.5和74.3 s,削減率分別增至95.43%和95.05%,展現(xiàn)了很好的削減效果.
表2 堆存污泥脫水性能正交試驗(yàn)方案Table 2 Orthogonal test table for dehydration performance of stocked sludge
表3 堆存污泥脫水性能結(jié)果分析Table 3 Result analysis for dehydration performance of stocked sludge
不同影響因子的極差(R)大小表現(xiàn)為PAC(R=227.04)>生石灰(R=189.87)>秸稈粉末(R=177.83),因此3種因子對(duì)于CST削減的影響順序也依次是PAC、生石灰和秸稈粉末. 根據(jù)壓縮雙子層模型和DLVO理論,PAC通過(guò)電中和作用結(jié)合污泥中帶負(fù)電的膠體物質(zhì),并通過(guò)吸附架橋使污泥顆粒脫穩(wěn)促進(jìn)吸附水向自由水的轉(zhuǎn)變[36-37]. 生石灰中CaO與污泥中的水發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2,游離的Ca2+亦可以結(jié)合負(fù)電基團(tuán),同時(shí)反應(yīng)放出大量的熱破壞污泥顆粒結(jié)構(gòu)分離出結(jié)合水[38]. CST表征在無(wú)外加壓力作用下,污泥中的結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)變能力及自由水分離的難易程度. 因此,PAC和生石灰的化學(xué)調(diào)理作用強(qiáng)化了結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)變,加大了自由水的滲出量,對(duì)CST的削減起到較大作用. 而秸稈粉末的主要作用是構(gòu)建骨架體和疏水通道,增強(qiáng)污泥強(qiáng)度,降低可壓縮性,從而促進(jìn)自由水的分離,這種作用在外加壓力下才能得到更好的發(fā)揮.
綜上,正交試驗(yàn)的最優(yōu)組合為PAC(20%)-生石灰(20%)-秸稈粉末(25%)組合,在最優(yōu)組合下,泥餅含水率仍然大于60%,因此需要按照影響因素來(lái)優(yōu)化添加量,但過(guò)多的生石灰添加會(huì)導(dǎo)致泥餅的堿性過(guò)高,不利于后續(xù)處理,故該研究選擇20%作為生石灰添加量,進(jìn)而優(yōu)化其他影響因素的添加量.
2.2.1PAC添加量對(duì)堆存污泥脫水影響
生石灰添加量為20%、秸稈粉末添加量為25%條件下,不同PAC添加量對(duì)污泥抽濾效率的影響如圖1所示. 由圖1可知,抽濾開(kāi)始后,濾液體積迅速增加,隨著時(shí)間推移,濾液體積增加速度變緩直至濾餅龜裂,該現(xiàn)象主要是由于濾紙的堵塞以及泥餅中自由水的減少所致. 對(duì)比5條抽濾效率曲線,發(fā)現(xiàn)PAC添加量由20%增至35%時(shí),抽濾效率明顯提高,且抽濾結(jié)束時(shí)間逐步縮短;當(dāng)繼續(xù)增加PAC添加量至40%時(shí),盡管泥餅龜裂時(shí)間與35%的添加量下持平,但抽濾效率明顯降低.
PAC添加量/%:1—20;2—25;3—30;4—35;5—40. 圖1 不同PAC添加量對(duì)堆存污泥脫水 抽濾效率的影響Fig.1 The effect of different PAC content on dewatering filtration efficiency of stocked sludge
圖2 不同PAC添加量對(duì)污泥CST和 壓濾泥餅含水率的影響Fig.2 The effect of different PAC content on CST and moisture content of sludge cake
同時(shí),調(diào)理后污泥CST與模擬壓濾后的泥餅含水率的變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖2)顯示,增加PAC添加量過(guò)程中,CST在PAC添加量為35%時(shí)取得最低值,為56.9 s,相比原狀污泥削減了96.2%. 在PAC添加量為20%~35%時(shí),壓濾后泥餅含水率在59%~64%之間,表明該組合藥劑脫水效果較好,壓濾效果與抽濾效率結(jié)果相一致. PAC添加量為35%時(shí)脫水效果最好,壓濾后泥餅含水率為59%. PAC水解生成帶正電的多核絡(luò)合物產(chǎn)物電中和污泥負(fù)電顆粒,且PAC的高分子鏈通過(guò)吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃作用使顆粒沉降[39-40]. 進(jìn)一步增加PAC添加量時(shí),泥餅含水率呈上升趨勢(shì),可能是由于產(chǎn)生了膠體保護(hù)作用所致[41].
2.2.2秸稈粉末添加量對(duì)堆存污泥脫水影響
調(diào)節(jié)生石灰添加量為20%、PAC添加量為35%,以2%的梯度分析秸稈粉末添加量對(duì)污泥抽濾效率的影響,結(jié)果如圖3所示.
秸稈粉末添加量/%:1—25;2—27;3—29;4—31;5—33. 圖3 不同秸稈粉末添加量對(duì)堆存 污泥脫水抽濾效率的影響Fig.3 The effect of different powder straw content on dewatering filtration efficiency of stocked sludge
由圖3可知,秸稈粉末添加量為31%時(shí),抽濾終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濾液體積為17.5 mL,明顯低于其他組次抽濾終點(diǎn)濾液體積. 當(dāng)秸稈粉末添加量為29%時(shí),抽濾結(jié)束時(shí)間終點(diǎn)相比于秸稈粉末添加量為25%、27%和33%時(shí)提前,且泥餅龜裂時(shí)濾液體積與之基本持平,說(shuō)明秸稈粉末添加量為29%時(shí),調(diào)理泥漿抽濾效率最高.
調(diào)理后污泥CST與模擬壓濾后的泥餅含水率變化趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)顯示,CST隨著秸稈粉末添加量的增加呈現(xiàn)鋸齒狀的波動(dòng),在添加量為29%時(shí)取得最低值,為47.9 s,較原狀污泥削減了96.80%;壓濾泥餅含水率呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì),同樣在秸稈粉末添加量為29%時(shí)取得最低值,為56.3%. 對(duì)比圖4和圖2發(fā)現(xiàn),秸稈粉末添加量在25%~33%之間時(shí),其調(diào)理后污泥CST值為47.9~85.2 s;PAC添加量在20%~40%之間時(shí),其調(diào)理后污泥CST值處于56.9~149.5 s之間;PAC變化引起的CST值變化范圍遠(yuǎn)大于秸稈粉末引起的變化,這也驗(yàn)證了正交試驗(yàn)中PAC和秸稈粉末對(duì)CST影響原因的分析結(jié)果. 圖2顯示,在秸稈粉末添加量為25%時(shí),PAC加入使得原狀堆存污泥的CST值大幅降低,但壓濾后泥餅含水率依然維持在60%左右無(wú)法進(jìn)一步降低,主要是由于自由水無(wú)法通過(guò)更多的疏水通道流出. 圖4顯示,添加秸稈粉末后,壓濾泥餅含水率可降至56.3%,這是由于調(diào)整秸稈粉末添加量改變了污泥可壓縮性強(qiáng)的狀態(tài),利于自由水的排出. 但過(guò)多秸稈粉末的添加導(dǎo)致顆粒物不均勻性層疊堵塞疏水通道,同時(shí)較大的添加量也會(huì)影響壓濾效率和運(yùn)輸成本.
圖4 不同秸稈添加量對(duì)污泥CST和 壓濾泥餅含水量的影響Fig.4 The effect of different straw powder content on CST and moisture content of sludge cake
綜上,在組合調(diào)理劑作用下,堆存污泥深度脫水性能顯著提升,主要得益于以下兩個(gè)過(guò)程的優(yōu)化:①添加劑PAC和生石灰促進(jìn)吸附水向自由水轉(zhuǎn)變、促進(jìn)污泥顆粒絮凝沉淀;②秸稈粉末改善了污泥可壓縮性,構(gòu)建骨架結(jié)構(gòu),使壓濾過(guò)程中自由水快速排出. 只有以上兩個(gè)過(guò)程在最優(yōu)條件下,污泥脫水性能才能達(dá)到最優(yōu). 通過(guò)以上試驗(yàn)分析,確定了組合調(diào)理劑最優(yōu)添加參數(shù)(干基比):生石灰添加量為20%、PAC添加量為35%、秸稈粉末添加量為29%. 在最優(yōu)參數(shù)配比情況下,核算此種市政堆存污泥處理成本約為 60元/t,而目前針對(duì)市政堆存污泥應(yīng)用較廣泛的增壓式真空預(yù)壓法的處理成本約為 130元/t,對(duì)比可知組合調(diào)理劑處理法市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著.
2.2.3深度脫水泥餅焚燒性能研究
脫水干化泥餅在焚燒處置時(shí),浸出液重金屬含量需要滿足GB/T 24602—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨(dú)焚燒用泥質(zhì)》的要求. 通過(guò)對(duì)比調(diào)理劑添加量為最優(yōu)參數(shù)下的干化泥餅浸出液重金屬含量及最高允許濃度限值(見(jiàn)表4)發(fā)現(xiàn),各項(xiàng)重金屬指標(biāo)含量均滿足焚燒要求.
表4 浸出液重金屬含量及最高允許濃度限值Table 4 Heavy metal content and maximum allowable concentration limit of leaching solution
圖5 深度脫水泥餅和原狀堆存污泥的TG和DTG曲線Fig.5 The TG and DTG curves of dehydrated sludge cake through deep dewatering and original stocked sludge
最優(yōu)參數(shù)下深度脫水泥餅和原狀污泥在空氣氛圍中的熱重曲線如圖5所示,通過(guò)對(duì)比其TG和DTG曲線研究泥餅焚燒性能的變化情況. 該研究采用TG-DTG 作圖方法計(jì)算燃點(diǎn)溫度(Ti)[42],結(jié)果(見(jiàn)圖5)顯示,脫水泥餅的Ti值為213 ℃,比原狀污泥高出56 ℃,這可能是由于生石灰和PAC等不可燃組分的添加,增加了污泥點(diǎn)燃所需的難度. 深度脫水泥餅和原狀堆存污泥兩種樣品的燃燒行為差異較大,TG曲線在達(dá)到失重終點(diǎn)時(shí),深度脫水泥餅總失重量為52.55%,較原狀堆存污泥樣品總失重量(45.94%)上升了6.61個(gè)百分點(diǎn),這是由于秸稈粉末的添加,增加了深度脫水泥餅的可燃物成分,有利于物質(zhì)在焚燒爐中燃燒的可持續(xù)性. 圖5顯示:深度脫水泥餅的DTG曲線出現(xiàn)了3個(gè)明顯的主峰,最高峰出現(xiàn)在335 ℃,其最大失重速率為3.828%/min;原狀堆存污泥的DTG曲線出現(xiàn)了4個(gè)主峰,最高峰為位于50~200 ℃區(qū)間內(nèi),最大失重速率為3.000%/min,對(duì)應(yīng)溫度122 ℃. 對(duì)比深度脫水泥餅和原狀堆存污泥的DTG曲線可以發(fā)現(xiàn),第一個(gè)峰區(qū)間均位于50~200 ℃之間,最大值對(duì)應(yīng)溫度分別為115和122 ℃,該區(qū)間的失重是由于樣品吸熱內(nèi)部失水導(dǎo)致的;在200~600 ℃區(qū)間內(nèi),DTG峰的形成可能是由于揮發(fā)分的損失、固體樣品的氣化、烴類(lèi)和固定碳的燃燒等熱分解/燃燒過(guò)程造成,也是燃燒的第一個(gè)階段,原狀堆存污泥在該階段的最大失重速率(Tm)為2.223%/min,遠(yuǎn)低于脫水泥餅在此階段的最大失重率(3.828%/min);最后一段峰區(qū)間位于600~800 ℃內(nèi),是由于第二階段殘?zhí)嫉娜紵?,二者最大失重速率差別不大.
a) 聯(lián)合調(diào)理劑中各成分對(duì)堆存污泥CST削減影響大小表現(xiàn)為PAC>生石灰>秸稈粉末,PAC和生石灰主要通過(guò)吸附架橋或壓縮雙電子層作用促進(jìn)結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)變,而秸稈粉末對(duì)壓濾過(guò)程中構(gòu)建骨架結(jié)構(gòu)起到重要作用.
b) 通過(guò)抽濾試驗(yàn)和壓濾試驗(yàn)確定聯(lián)合調(diào)理劑最優(yōu)添加參數(shù)(干基比):PAC添加量為35%、生石灰添加量為20%、秸稈粉末添加量為29%,在最優(yōu)添加參數(shù)下堆存污泥的泥餅含水率和CST分別為56.3%、47.9 s. 聯(lián)合調(diào)理劑改善了污泥的化學(xué)性能和壓濾性能,使脫水性能達(dá)到最優(yōu). 聯(lián)合調(diào)理劑的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯,此種市政堆存污泥處理費(fèi)用約為60元/t.
c) 深度脫水后的泥餅點(diǎn)燃溫度相對(duì)原狀污泥有所提高,但由于秸稈粉末的添加保障了泥餅在焚燒過(guò)程中的可持續(xù)性燃燒,泥餅燃燒過(guò)程中最大燃燒失重速率(Tm)達(dá)到3.828%/min,優(yōu)于原狀污泥燃燒最大失重速率(2.223%/min).