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以颗粒煤为助滤剂对城市污泥进行二段过滤脱水的研究

             以颗粒煤为助滤剂对城市污泥进行二段过滤脱水的研究
                            胡筱敏 孙承智 陈朝中 叶舒帆 董俊 刘怡
                                (东北大学资源与土木工程学院)
    摘要:以颗粒煤为助滤剂,采用二段过滤方式来强化城市污泥的脱水,并对滤饼进行热值分析,探讨城市污泥资源化利用前景。在研究中,具体分析探讨了煤的类型、煤的添加比、煤的粒径、搅拌强度、过滤压力以及煤的添加方式对过滤过程中相关参数的影响。得到以下结论:在污泥和煤的添加比为1∶2,颗粒煤粒度为0.15~0.18 mm,低强度搅拌,常温下,一段过滤滤饼含水率为57.06%,二段过滤滤饼含水率为38.40%,滤饼热值达14 276 kJ/kg。
    关键词:二段过滤 污泥脱水 助滤剂 颗粒煤 热值 含水率
    中图分类号:TQ 051.8
    0·引言
    根据《中国环境统计年报·2007》,2007年,全国共统计1 258座城市污水处理厂,全年共处理废水190.4亿t。城市污水处理厂的污泥产量大,按80%水分计约占处理水量的0.1%,我国年排放污泥量(湿重)已高达约1 900万t,占全国年总固体废弃物排放量的3%以上。
    污泥处理的投资和运行费用相当大,约占污水处理厂总投资及运行费用的20%~60%。污泥的资源化技术已逐渐成为研究的热点,国内外所采用的污泥资源化技术主要有:污泥堆肥、消化制沼气、污泥燃料化、用于建材等[1-2]。无论是何种污泥处理技术,污泥的脱水预处理必不可少。目前,国内外关于强化污泥脱水的研究主要有:改进污泥脱水机,以达到更好的污泥脱水效果[3];添加絮凝剂、助滤剂,改变污泥的过滤性能,从而强化污泥脱水效果[4-5];附加电场(电絮凝、高渗透、高压静电等)、高温突跃法、超声波、磁场强化污泥脱水等[6-8]。
    本研究将综合考虑污泥脱水及其资源利用两方面,选择颗粒煤做助滤剂,改变滤饼的可压缩性和渗透性;同时采用真空、压榨两段不同的脱水方式组合,强化脱水过程;最终使污泥与煤混合滤饼达到12 000 kJ/kg以上的热值,直接作为燃料利用,从而实现污泥彻底的无害化、资源化,为城市污水处理厂的污泥处理处置提供全新的途径。
    1·实验部分
    1.1原料与仪器
    原料:沈阳北部污水处理厂消化污泥,含水率96.41%,pH值7.12;颗粒煤;滤布。
    仪器:真空过滤设备(自制)、加压过滤设备(自制)、黏度计、热量计、干燥箱、浊度仪、电子天平、pH计、搅拌器。
    1.2实验及检测方法
    1.2.1一段真空过滤实验
    取100 mL消化污泥,按一定配比添加颗粒煤助滤剂,搅拌均匀后倒入真空过滤漏斗内,在漏斗下放置一个干净量筒,启动真空抽滤机进行一段式真空过滤作业,开始计时并记录滤液量。
    1.2.2二段压榨过滤实验
    取200 mL消化污泥,按一定配比添加颗粒煤助滤剂,对其进行一段真空过滤。然后,取一段真空过滤后的污泥滤饼,将其放入压榨过滤容器罐中,在压榨容器罐的下部出水口放置一个干净量筒,开启空气压缩机升压至所需压力,打开三通阀,以空气压力推动压芯进行二段式压榨过滤作业,开始计时并记录滤液量。
    1.2.3滤饼含水率测定
    在105℃温度下,用电热鼓风干燥箱将污泥样烘干24 h,称重,计算滤饼含水率。
    1.2.4浊度、黏度及热值的测定
    使用HANNA HI 93703-11浊度仪测量滤液浊度;使用NDJ-1旋转黏度计测量污泥浆黏度;使用XRY-1A数显氧弹热量计测量热值。
    2·结果与讨论
    2.1颗粒煤类型对过滤效果的影响
    取两种不同类型的颗粒煤,经热量计测定其热值分别为22 972、16 522 kJ/kg,将其分别标记为1#煤和2#煤。对每一种颗粒煤进行一组实验,每组取5份100 mL消化污泥样品,各加入0、1.80 g、3.59 g、7.18 g、10.77 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤,使其泥煤比(污泥按干重计,下同)分别为1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3,搅拌均匀,进行真空过滤实验,测定滤饼含水率。实验结果如图1所示。
              
    从图1中可以看出,不同类型、热值的颗粒煤,作为助滤剂对过滤效果的影响很大,但是其之间的差别却不是很大,基本处于相同水平。
    2.2泥煤比对过滤效果的影响
    取5份100 mL消化污泥样品,各加入0、1.80g、3.59 g、7.18 g、10.77 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤,使其泥煤比分别为1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3,搅拌均匀,进行真空过滤实验,记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。结果如图2所示。  
            
   从图2中可以看出,以颗粒煤作为助滤剂对污泥的过滤效果有着重要影响。一方面,在污泥中掺煤本身就可以使污泥的含水率有所下降,下降的幅度不大,这从图2中添加煤之后的换算出来的理论含水率曲线就可以看出来。另一方面,以颗粒煤为助滤剂,污泥过滤的效果得到了提升,这从图2中也可以看出。随着泥煤比的增大,这种提升也越大,由不掺煤时88%左右的含水率,下降到泥煤比1∶3时58%左右的含水率,下降的幅度很大。同时,在对滤液浊度的测量中也发现,添加颗粒煤为助滤剂后,滤液的浊度也有显著的下降,并且随着颗粒煤添加量的增加,滤液的浊度也随之明显下降,如图3所示。另外,在对滤液量的记录中还发现,添加颗粒煤为助滤剂后,污泥的过滤速度也有显著的提升,并且随着颗粒煤添量的增加,过滤速度的提升也更为显著。
             
    2.3颗粒煤粒度对过滤效果的影响
    取6份100 mL消化污泥样品,按1∶2比例分别加入粒径为0(空白)、0.43~0.88 mm、0.25~0.43mm、0.18~0.25 mm、0.15~0.18 mm、0.11~0.15 mm的颗粒煤,搅拌均匀,进行真空过滤实验,记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。
    从图4中可以看出,颗粒煤的粒度对污泥饼含水率有较大影响,随着颗粒煤粒度的减小,污泥饼的含水率也随之降低,最大幅度达10%多;同时还可以发现,滤液的浊度也随粒度的减小而减小。须特别注意的是,粒度的变化对过滤速度的影响最为明显。从图5中可以看到,随着粒度的减小,污泥过滤速度呈明显加快趋势,最快的过滤时间只用了不到空白样的一半时间。另外,在含水率和过滤时间图中,在0.15~0.18 mm处都出现了一个拐点,这说明,颗粒煤的目数不是越小越好,太细小的助滤剂反而会影响滤饼骨架之间的空隙建立,进而影响滤饼的含水率和过滤速度。
             
             
    2.4搅拌强度对过滤效果的影响
    取5份200 mL消化污泥样品,按污泥干重1∶2比例加入粒径为0.15~0.18 mm的煤粉,用搅拌器分别以0、100、200、300、400 r/min的转速搅拌20 min,然后用旋转黏度计测量其黏度。接着进行真空过滤30 min,记录滤液量,然后取出1/4滤饼测量其含水率,剩余3/4滤饼再进行压榨过滤,记录过滤时间、滤液量并测量滤液浊度。
    从图6中可以看出,对于真空过滤而言,搅拌强度对过滤效果有正反两方面的影响,但影响都不大。适当的低速低强度搅拌能够促进污泥和颗粒煤的混合,改善污泥过滤效果,促进滤饼含水率降低和过滤速度的提高;而高速高强度的搅拌则不利于污泥过滤效果的改善,反而会使滤饼含水率偏高,过滤速度降低。在对滤液浊度的测量中也发现,搅拌会增高滤液的浊度,并且搅拌强度越大影响越明显。对压榨过滤而言,搅拌强度对其过滤效果的影响不大。
            
    2.5过滤压力对过滤效果的影响
    取5份200 mL消化污泥样品,第1份为空白样,其余4份按污泥干重1∶2的比例加入7.18 g粒径为0.15~0.18 mm的煤粉,搅拌均匀,对第1份样品用压榨过滤设备以0.1 MPa压力进行直接过滤,其余4份样品分别以0.1 MPa、0.2 MPa、0.3MPa、0.4 MPa压力进行过滤,记录过滤时间及滤液量。
    从图7中可以看出:按1∶2比例加入颗粒煤的样品,最终的含水率在40%左右,而没有加入煤粉的样品最终含水率为79.40%,表明加入颗粒煤作为助滤剂之后,滤饼的含水率有显著下降。同时,可以看出:加入颗粒煤的样品过滤速度明显加快。取滤液量达到总滤液量80%的时刻为比较点,在同一过滤压力下,我们发现不加煤粉的样品需要的时间为75 min,而加入煤粉的样品只需要30 min;对于加入煤粉的样品,压力越大,过滤时间就越短,由30 min缩减到了19 min,而且含水率也呈现下降趋势,不过变化不太显著。
            
    2.6泥煤混合方式对过滤效果的影响
    取4份200 mL消化污泥样品,第1、3份按1∶2比例加入7.18 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤,第2、4份按1∶1比例加入3.59 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤,搅拌均匀,对4份样品先进行真空过滤30 min,然后取出1/4滤饼测量其含水率,剩余3/4滤饼再分别混合0、2.69 g、2.69 g、5.39 g粒径为0.15~0.18 mm颗粒煤,使其最终泥煤比分别为1∶2、1∶2(记为1∶1+1)、1∶3(记为1∶2+1)、1∶3(记为1∶1+2),然后对其进行压榨过滤,记录过滤时间及滤液量。
    从图8可以看出,在真空过滤阶段,泥煤比越大,则真空过滤后泥饼的含水率就越小,例如第1、3两份的真空过滤泥饼含水率就比第2、4两份下降了11%左右;同时其过滤时间也有所缩短,1、3两份的污泥结饼时间比2、4两份提前了约4min,为15 min,而2、4两份的污泥结饼时间为19 min。对真空过滤后的滤饼掺不同比例的煤,也能使滤饼的含水率有所下降,但掺煤所带来的效果,比不上将这些煤在真空阶段用来作为助滤剂的效果。例如,对于第1、2两份样品,其掺煤后最终泥煤比都是1∶2,但第1份样品的含水率要小于第2份样品;第3、4两份样品也是这样,但随着所掺煤的比重增大,这样的差异随之减小。在加压过滤阶段,总体上来说,泥煤比越大,最终泥饼的含水率也就越小;同时,分别对比1、2样品和3、4样品可以发现,对于相同泥煤比的样品,在加压过滤之前掺煤的样品,其过滤效果要优于没有掺煤或是掺煤比小的样品,不过差异不显著。
             
    2.7滤饼热值的测定
    取上述实验过程中样品以1∶2比例混合,颗粒煤的粒度为0.15~0.18 mm,经过一、二段过滤后将其滤饼作为样品烘干,分别测量煤粉、干污泥、泥煤混合滤饼的热值。结果表明,煤粉、干污泥、泥煤混合滤饼的热值分别为16 521、11 042、14 276 kJ/kg,泥煤混合滤饼完全可以直接作为燃料来使用。
    3·结论
    (1)对于助滤剂颗粒煤而言,其类型对过滤效果的影响不大,但其热值对最终滤饼的热值有决定性影响,直接关系到滤饼的后继资源化利用。
    (2)泥煤比是影响过滤效果的一个关键因素,泥煤比越大,过滤效果越好,对含水率、过滤速度和滤液澄清度都有显著提升。
    (3)助滤剂的粒度大小也是影响过滤效果的一个重要因素,粒度在0.15~0.18 mm时,过滤效果较好,对含水率、过滤速度和滤液澄清度都有明显改善。
    (4)搅拌强度对过滤效果影响不大,低强度的搅拌有益于过滤效果的改善,高强度的搅拌则会产生负面影响。
    (5)过滤压力的增大对过滤速度和最终含水率都有一定程度的改善。
    (6)煤的添加方式对过滤效果有一定影响,在每段过滤前掺混煤,对该段过滤效果都有一定的改善作用。
    (7)在污泥和煤的添加比为1∶2,颗粒煤粒度为0.15~0.18 mm,低强度搅拌,常温下,一段过滤滤饼含水率为57.06%,二段过滤滤饼含水率为38.40%,滤饼热值达14 276 kJ/kg。
    参考文献:略


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