水熱處理耦合機(jī)械壓濾對(duì)剩余污泥的深度脫水性能研究.pdf

1、脫水對(duì)剩余污泥的處理與處置具有非常重要的意義，而深度脫水是剩余污泥處置與資源化利用的必經(jīng)之路。然而如何在較低的脫水能耗下實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余污泥的深度脫水已成為污泥處置與利用技術(shù)發(fā)展所面臨的難題。為了擺脫剩余污泥深度脫水處理的這種困境，本研究提出了在高溫的狀態(tài)下利用水熱處理耦合機(jī)械壓濾的深度脫水方法。
　　高溫下水熱處理耦合機(jī)械壓濾是將傳統(tǒng)的機(jī)械壓濾脫水和水熱炭化處理在高溫高壓的狀態(tài)下有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而在較低的脫水能耗下實(shí)現(xiàn)對(duì)固/液的高效

2、分離。在本研究中，市政脫水剩余污泥首先在獨(dú)立的水熱反應(yīng)單元中進(jìn)行充分的水熱炭化處理，隨后使產(chǎn)生的水熱污泥在高溫高壓的狀態(tài)下被轉(zhuǎn)移至機(jī)械壓濾脫水單元，并立即在高溫下進(jìn)行機(jī)械壓濾脫水，從而促使剩余污泥中的水分主要以液態(tài)的形式被大量脫除。
　　本研究首先在證實(shí)了水熱污泥于高溫狀態(tài)和冷卻至室溫狀態(tài)進(jìn)行機(jī)械壓濾脫水時(shí)存在不同的基礎(chǔ)之上，分析了高溫狀態(tài)下的耦合脫水過(guò)程的操作條件（水熱溫度、水熱停留時(shí)間和機(jī)械壓力）對(duì)剩余污泥深度脫水特性的影響，

3、并基于Terzaghi-Voigt流變學(xué)模型，探討了水熱污泥在高溫壓濾固化脫水過(guò)程中的脫水特性。結(jié)果表明:水熱污泥在高溫狀態(tài)下立即進(jìn)行機(jī)械壓濾脫水與冷卻至室溫后再進(jìn)行機(jī)械壓濾脫水相比，可使濾餅的最終含水率進(jìn)一步降低19-47％。水熱處理耦合冷卻后的機(jī)械壓濾對(duì)剩余污泥的脫水主要取決于機(jī)械效應(yīng)，而在高溫耦合深度脫水過(guò)程中，水熱效應(yīng)則成為了水分脫除的主要貢獻(xiàn)者。加強(qiáng)水熱處理?xiàng)l件（水熱溫度和水熱停留時(shí)間）能夠以液態(tài)形式脫除剩余污泥中更多的水分，

4、但單位機(jī)械效應(yīng)對(duì)脫水的貢獻(xiàn)隨著機(jī)械壓力的提高而逐漸減弱。當(dāng)水熱溫度高于臨界溫度(120-150℃)時(shí)，高溫耦合脫水過(guò)程開(kāi)始對(duì)剩余污泥的深度脫水表現(xiàn)出了積極的效應(yīng)。在180℃下水熱停留30min時(shí)，剩余污泥的深度脫水性能即得到了顯著改善。在180-210℃的水熱溫度下，濾餅的最終含水率由52％降低到了20％，相應(yīng)地，液態(tài)水分脫除百分率則達(dá)到了81-93％。在考慮深度脫水程度和脫水效率的條件下，最適宜的耦合脫水條件為:180℃下停留30-6

5、0min耦合2-6MPa下壓濾20min。三階段Terzaghi-Voigt流變學(xué)模型擬合結(jié)果表明:水熱污泥中的結(jié)合水分含量隨著水熱處理?xiàng)l件的強(qiáng)化而逐漸降低。
　　同時(shí)，對(duì)高溫耦合脫水過(guò)程中產(chǎn)物（水熱污泥、污泥炭和濾液）的組成及物化特性進(jìn)行了分析，揭示了高溫耦合脫水過(guò)程對(duì)實(shí)現(xiàn)剩余污泥深度脫水的基本原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:剩余污泥的水熱處理過(guò)程主要是一個(gè)脫揮發(fā)分的過(guò)程，聚合脫水反應(yīng)是主要的水熱反應(yīng)機(jī)制，脫羧反應(yīng)只有在更高的水熱溫度(21

6、0℃)下才會(huì)顯著發(fā)生。水熱污泥表面特性分析表明:濾餅的最終含水率與水熱污泥的表面電荷(Rp=-0.93，p＜0.05)和相對(duì)疏水性（Rp=-0.99，p＜0.05）之間具有顯著的線性負(fù)相關(guān)性。因此，水熱污泥表面電荷，尤其是表面疏水性的改善是實(shí)現(xiàn)剩余污泥深度脫水性能被顯著提高的重要原因。蛋白質(zhì)、多糖和DNA等生物聚合物的溶解和降解取決于水熱溫度和水熱停留時(shí)間，而剩余污泥深度脫水性能的改善與這些生物聚合物（尤其是蛋白質(zhì)）的演變密切相關(guān)。污泥

7、及污泥炭的干基高位熱值與其所含C元素含量之間存在顯著的線性關(guān)系。剩余污泥經(jīng)210℃水熱處理60min后，其干基高位熱值略有增加，增幅約為4.8％，而相應(yīng)水熱污泥經(jīng)6MPa機(jī)械壓濾20min后，與剩余污泥相比，其干基高位熱值卻顯著降低，降幅高達(dá)15.4％。當(dāng)水熱溫度高于150℃時(shí)，收集到的濾液呈弱酸性，顏色呈茶褐色，這可能是由于濾液中腐殖質(zhì)含量的增加、多糖的焦糖化以及Maillard反應(yīng)的發(fā)生所導(dǎo)致的。
　　此外，基于高溫耦合脫水過(guò)

8、程中的能量輸入和潛在的能量回收，評(píng)估了剩余污泥在高溫耦合深度脫水過(guò)程中的能耗水平。計(jì)算結(jié)果表明:加熱能耗是剩余污泥高溫耦合深度脫水過(guò)程的主要能量輸入。當(dāng)水熱溫度高于120℃時(shí)，由于水熱反應(yīng)熱的釋放，使得潛在回收的能量顯著高于輸入的能量，且提高水熱處理?xiàng)l件并不會(huì)導(dǎo)致高溫耦合脫水過(guò)程脫水能耗的增加。即使不考慮潛在的能量回收，高溫下水熱處理耦合機(jī)械壓濾對(duì)剩余污泥的深度脫水過(guò)程也可在相對(duì)較低的脫水能耗（180℃時(shí)僅為732.94kJ·kg-1（

9、水分））下獲得更高含固率(73％)的濾餅。
　　最后，探索了污泥炭和濾液的后續(xù)處置與資源化利用。結(jié)果表明:本研究中所采用的市政機(jī)械脫水剩余污泥經(jīng)高溫耦合深度脫水處理后，所得污泥炭中雖然含有大量的營(yíng)養(yǎng)元素（富P），但由于重金屬含量（除Pb）均超過(guò)了國(guó)家《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB4284-1984)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中規(guī)定的污泥土地利用時(shí)的重金屬含量的極限值，因而不宜作為生物肥料直接

10、進(jìn)行農(nóng)田土地利用。然而，污泥炭的燃燒活化能卻明顯降低，導(dǎo)致了對(duì)燃燒溫度的降低，表現(xiàn)出了良好的燃燒特性，因而可以作為固體燃料進(jìn)行焚燒處理。在180℃下產(chǎn)生的濾液在厭氧消化過(guò)程中表現(xiàn)出了最優(yōu)的產(chǎn)CH4特性，累積CH4產(chǎn)量為234ml·g-1 COD，對(duì)濾液COD的去除率達(dá)到了64％，但厭氧消化處理并不能夠有效地改善濾液的顏色。
　　綜上，本研究結(jié)果表明，在水熱溫度狀態(tài)下利用水熱處理耦合機(jī)械壓濾的深度脫水方法，不但能夠顯著地實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余污