周吉奎， 劉牡丹， 劉勇， 馬致遠(yuǎn)

（廣東省科學(xué)院資源綜合利用研究所 廣東省礦產(chǎn)資源開發(fā)與綜合利用重點實驗室 稀有金屬分離與綜合利用國家重點實驗室， 廣州 510651）

市政污泥是污水處理過程的副產(chǎn)物［1］， 具有雙重特性： 一方面污泥中含有氮、 磷、 鉀等營養(yǎng)物質(zhì)和大量有機(jī)質(zhì)， 具備制造肥料和作為燃料的基本條件［2-5］； 另一方面污泥中又含有大量病原菌、 寄生蟲以及生物難降解物質(zhì)和重金屬離子等有毒有害物質(zhì)， 對環(huán)境有危害作用［6-8］。

污泥減量化、 穩(wěn)定化、 無害化處理的關(guān)鍵是減少污泥體積， 對于已產(chǎn)生的污泥， 水分是構(gòu)成其體積的主要因素［9］。 通過脫水實現(xiàn)減量化， 然后進(jìn)一步經(jīng)過無害化、 穩(wěn)定化處理， 污泥就具有很好的資源化利用價值［10］。 研究表明， 市政污泥脫水困難的主要原因是由微生物體及其胞外物組成的膠團(tuán)中所禁錮的水分難以通過熱運動脫除［11］。 水熱法技術(shù)是在一定溫度和壓力下使污泥微生物細(xì)胞破碎， 膠體結(jié)構(gòu)破壞， 粘度降低， 胞內(nèi)水、 毛細(xì)吸附水和表面吸附水大量析出， 從而提高污泥的脫水性能［12］。 另外， 水熱法處理過程中大分子有機(jī)物發(fā)生水解， 污泥的生物降解性能得到改善， 能與厭氧消化、 焚燒及堆肥等工藝直接對接， 提高了污泥后續(xù)處置的可行性及經(jīng)濟(jì)性， 能大幅度降低污泥運輸、 處理及處置的成本， 減少二次污染及溫室氣體排放［13-14］。

本研究采用自控水熱反應(yīng)釜進(jìn)行污泥脫水試驗， 考察了反應(yīng)溫度、 保溫時間、 泥漿濃度、 pH值、 泥漿過濾溫度等工藝條件對污泥脫水效果的影響， 在優(yōu)化條件下取得了良好的脫水效果， 對實現(xiàn)市政污泥的減量化、 穩(wěn)定化、 無害化和資源化處理處置具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗污泥

試驗污泥取自廣州大坦沙污水處理廠， 呈半固態(tài)、 黏稠狀、 灰褐色， 污泥含水率為75.81%， 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.70%。 無機(jī)營養(yǎng)元素氮、 磷、 鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.90%、 3.01%、 1.01%， 鎘、 鉛、 鉻、銅、 鋅、 鎳等6 種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.2、573、 112、 227、 555、 40 mg／kg， 其中鋅和鉛的含量稍高于酸性土壤的最高容許含量， 其他指標(biāo)符合GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》［15］。

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為AC500 型的微型自控水熱反應(yīng)釜，內(nèi)罐為C276 材質(zhì)， 耐受300 ℃高溫， 可實現(xiàn)溫度、 時間的自動控制， 磁力攪拌， 以保證反應(yīng)體系的充分混合傳質(zhì)。

1.3 試驗方法

每次稱取200 g 生污泥裝入反應(yīng)釜內(nèi)罐中， 在不同的反應(yīng)溫度、 pH 值、 泥漿濃度、 保溫時間等條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)， 反應(yīng)結(jié)束后用自來水冷卻反應(yīng)釜至一定溫度， 趁熱取出水熱泥漿并置于裝有定量濾紙的布氏漏斗中， 真空抽濾， 無濾液流出時表明達(dá)到脫水終點。 水熱濾渣稱重后， 置于105 ℃恒溫烘箱中烘干至恒重， 計算含水量及脫水率。

1.4 分析方法

測定真空抽濾后的水熱濾渣含水率， 可以計算污泥的脫水率和降解失重率。 污泥含水率采用恒重法測定， 將經(jīng)過真空抽濾脫水后的泥餅稱重， 再將其放入烘箱中在105 ℃溫度下烘干至恒重。 生污泥含水率C、 水熱濾渣含水率S、 污泥脫水率D、污泥降解失重率L 的計算公式如下：

式中： m1為生污泥樣品的質(zhì)量， g； m2為生污泥樣品烘干后的質(zhì)量， g； m3為水熱濾渣樣品的質(zhì)量， g； m4為水熱濾渣樣品烘干后的質(zhì)量， g。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對污泥脫水效果的影響

在200 g 生污泥中加入100 mL 水， 調(diào)節(jié)泥漿pH 值為6.85， 分別在150、 160、 170、 180、 190、200 ℃條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)， 保溫時間為45 min，反應(yīng)完成后， 泥漿冷卻至80 ℃抽濾脫水， 考察反應(yīng)溫度對污泥脫水的影響， 結(jié)果見圖1。

圖1 反應(yīng)溫度對污泥脫水效果的影響Fig. 1 Effect of reaction temperature on sludge dewatering

由圖1 可知， 隨著反應(yīng)溫度升高， 污泥含水率逐漸降低， 其中最合適的污泥水熱反應(yīng)溫度為180℃， 脫水效果非常明顯。 同時， 在水熱反應(yīng)過程中污泥微生物細(xì)胞破碎， 膠體結(jié)構(gòu)破壞， 大分子有機(jī)物發(fā)生水解， 產(chǎn)生的小分子物質(zhì)溶于水中而被過濾脫除， 使得污泥干物質(zhì)量減少， 污泥降解失重率分別為19.85%、 22.58%、 22.91%、 24.67%、 24.98%、24.72%， 當(dāng)水熱反應(yīng)溫度達(dá)到180 ℃時， 失重率趨于穩(wěn)定， 因此選擇180 ℃為污泥脫水反應(yīng)溫度。

2.2 保溫時間對污泥脫水效果的影響

在200 g 生污泥中加入100 mL 水， 調(diào)節(jié)泥漿pH 值為6.85， 在180 ℃條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)， 保溫時間分別為15、 30、 45、 60、 75 min， 反應(yīng)完成后， 冷卻至80 ℃抽濾脫水， 考察保溫時間對污泥脫水的影響， 結(jié)果見圖2。

圖2 保溫時間對污泥脫水效果的影響Fig. 2 Effect of holding time on sludge dewatering

由圖2 可知， 在保溫時間為30 min 時脫水效果最好， 延長保溫時間， 水熱濾渣含水率不會繼續(xù)下降， 甚至稍有上升。 這說明在180 ℃下保溫30 min， 污泥中微生物細(xì)胞破解完全， 胞內(nèi)有機(jī)物質(zhì)以及細(xì)胞內(nèi)部緊密結(jié)合的內(nèi)部水完全釋放， 另外，難溶于水的長鏈有機(jī)大分子物質(zhì)逐漸降解為短鏈小分子親水性物質(zhì)， 使其粘度降低， 改善了水熱污泥的脫水能力［16］。 試驗中污泥降解失重率分別為20.53%、 24.33%、 24.67%、 25.98%、 26.84%， 表明污泥降解失重率隨著保溫時間延長而不斷增大，因此應(yīng)嚴(yán)格控制水熱反應(yīng)時間。 考慮到脫水效果，選擇保溫時間為30 min。

2.3 泥漿濃度對水熱法脫水效果的影響

在200 g 生污泥中分別添加50、 100、 150、 200 mL 水， 調(diào)節(jié)泥漿含水率分別為80.65%、 83.87%、86.18%、 87.91%， 控制pH 值為6.85， 在180 ℃條件下保溫30 min， 冷卻至80 ℃抽濾脫水， 考察泥漿濃度對污泥脫水的影響， 結(jié)果見圖3。

圖3 泥漿濃度對脫水效果的影響Fig. 3 Effect of slurry concentration on dewatering

由圖3 可知， 4 種泥漿濃度下水熱濾渣含水率分別為49.89%、 49.63%、 49.71%、 50.26%， 污泥脫水率分別為76.07%、 76.64%、 76.42%、 76.25%，脫水效果良好。 水的添加量越多， 反應(yīng)物體積越大，能耗越高， 因此成本越高。 本試驗條件下污泥降解失重率分別為24.67%、 24.91%、 25.24%、 26.35%，表明污泥中添加水量過多， 會造成污泥降解失重率增大， 對污泥燃料利用和土地利用不利， 因此需要控制泥漿的含水量不能過高。 綜合考慮脫水效果及運行成本， 選擇200 g 生污泥中添加100 mL 水的比例進(jìn)行水熱反應(yīng)， 兩者的質(zhì)量比約為2 ∶1。

2.4 pH 值對污泥脫水效果的影響

在200 g 生污泥中加入100 mL 水， 采用硫酸、氫氧化鈉調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH 值為1.50、 3.50、 6.85、11.00、 13.00， 在180 ℃條件下保溫30 min， 冷卻至80 ℃時抽濾脫水， 在不同pH 值條件下進(jìn)行污泥脫水試驗， 結(jié)果見圖4。

圖4 反應(yīng)體系pH 值對污泥脫水效果的影響Fig. 4 Effect of pH value of reaction system on sludge dewatering

由圖4 可知， 在pH 值為6.85 的中性條件下，污泥脫水效果最好， 水熱濾渣含水率為49.89%， 污泥脫水率為76.07%； 在pH 值為1.50 和3.50 的酸性條件下， 水熱濾渣含水率分別為52.76%和51.61%，污泥脫水率分別為73.68%和74.43%； 在堿性條件下， 經(jīng)過水熱反應(yīng)后的污泥變得非常粘稠， 無法過濾脫水， 分析其原因可能是在高溫條件下氫氧化鈉與污泥中硅質(zhì)礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了硅酸鈉， 使得泥漿粘度增大［17］。 因此， 選擇pH 值為6.85 的中性條件進(jìn)行污泥水熱反應(yīng)。

2.5 過濾溫度對脫水效果的影響

在200 g 生污泥中加入100 mL 水， 調(diào)節(jié)泥漿的pH 值為6.85， 在180 ℃條件下保溫30 min， 反應(yīng)結(jié)束后， 冷卻至不同溫度進(jìn)行泥漿抽濾脫水， 考察過濾溫度對污泥脫水效果的影響， 結(jié)果見圖5。

圖5 過濾溫度對污泥脫水效果的影響Fig. 5 Effect of filtration temperature on sludge dewatering

由圖5 可知， 泥漿分別冷卻到50、 60、 70、 80、90 ℃時過濾， 水熱濾渣含水率分別為63.84%、55.63%、 52.68%、 48.86%、 48.75%， 脫水率分別為58.22%、 70.21%、 73.40%、 77.10%、 77.19%。分析表明， 在80、 90 ℃較高溫條件下過濾脫水效果好， 濾渣含水率低于50%， 而在較低溫條件下濾渣的含水率則高于50%， 其原因可能是高溫條件下溶解的高分子有機(jī)物在較低溫度下重新析出變成凝膠絮體物質(zhì)， 吸附大量水分， 造成濾渣含水量升高， 具體原因有待進(jìn)一步探究。 因此， 選擇在80 ℃條件下進(jìn)行泥漿固液分離， 可獲得較好脫水效果。

2.6 優(yōu)化條件下污泥脫水效果

向200 g 生污泥中加入100 mL 水， 調(diào)節(jié)泥漿pH 值為6.85， 反應(yīng)溫度為180 ℃， 保溫時間為30 min， 反應(yīng)結(jié)束后， 將泥漿冷卻到80 ℃進(jìn)行真空抽濾脫水。 3 次平行試驗的水熱濾渣含水率分別為48.65%、 48.51%、 48.91%， 平均含水率為48.69%；污泥脫水率分別為77.58%、 77.61%、 77.13%， 平均脫水率為77.44%。 試驗結(jié)果表明， 在優(yōu)化條件下水熱法工藝對污泥的脫水效果良好。

3 結(jié)論

（1） 市政污泥具有水分含量高、 脫水困難的特點， 水熱法工藝可改善其脫水性能， 降低污泥含水率， 有利于實現(xiàn)污泥的無害化、 穩(wěn)定化及資源化利用。 市政污泥水熱法的最佳工藝條件為： 反應(yīng)溫度為180 ℃， pH 值為6.85， 生污泥與水的質(zhì)量比約為2 ∶1， 保溫時間為30 min， 水熱泥漿冷卻至80 ℃。

（2） 在上述最佳反應(yīng)條件下， 3 次平行試驗結(jié)果表明， 污泥濾渣平均含水率為48.69%， 污泥平均脫水率為77.44%， 脫水污泥可滿足燃料化利用、土地利用的要求。