周 穎
(江蘇綠威環(huán)??萍脊煞萦邢薰?,江蘇 蘇州 215000)
隨著生活水平的提高,城市污水的產(chǎn)量日益增多,污泥的產(chǎn)量也隨之增大。污泥焚燒技術具有處理速度快、減量化程度高、能源可再利用等優(yōu)點[1-2],在國內(nèi)外被廣泛應用。該技術相對于機械脫水對污泥的減量率達到了90%以上,且穩(wěn)定了污泥中的有害物質(zhì),是污泥處置最徹底的方式[3-4]。污泥成分復雜,含有大量有機物,水分的含量超過半數(shù),因此將污泥進行脫水是污泥焚燒利用的重要前提步驟。污泥脫水后再進行焚燒一方面減少污泥焚燒所需的輔助燃料,另一方面減少了污泥焚燒的時間,大大降低污泥焚燒處置成本[5]。
污泥焚燒過程中產(chǎn)生的酸性氣體(SO2、HCl、HF)、重金屬、二惡英等,對環(huán)境、人體健康造成一定影響。酸性氣體雖然作為焚燒主要污染物之一,但是人們對其關注度遠遠小于重金屬及二惡英[6]。隨著污泥焚燒單位廢氣排放的要求越來越嚴格,對其接收的脫水污泥要求也越來越嚴格,特別是硫、氯,因此就需對污泥脫水過程進行綜合考慮。硫酸鋁(AS)、聚合氯化鋁(PAC)、氯化鐵(FeCl3)對于污泥壓濾脫水已有研究[7-10],而聚合硅酸鋁鐵(PSAF)的研究較少。本研究針對污泥壓濾脫水+焚燒工藝,從含水率、硫含量、氯含量、脫水成本等指標對四種藥劑進行比較分析,找出較適合的污泥處理藥劑,為污泥脫水處理項目提供指導和依據(jù)。
實驗所用的污泥取自上海市某污水處理廠二沉池污泥,取回后立即放入4℃冰箱中儲存。實驗污泥的基本性質(zhì)如表1所示。
表1 污泥基本性質(zhì)
稱取100g污泥樣品,按表2設計的濃度分別加入藥劑AS、PAC、FeCl3、PSAF,然后測定加藥劑后污泥CST的變化。每種濃度下污泥CST值測定三次后取平均值。
表2 污泥CST試驗藥劑濃度設置
稱取1600 g污泥樣品,按順序加入藥劑(AS、PAC、FeCl3、PSAF)、石灰和絮凝劑。四種藥劑按照表3設置的濃度分別加入,石灰和絮凝劑的濃度保持不變。前兩種藥劑加入后攪拌反應10 min,調(diào)理好的污泥樣品進入實驗室小型壓濾設備進行壓濾實驗。壓濾試驗設計平行試驗,得到泥餅含水率取平均值。
表3 污泥脫水實驗藥劑濃度設置
CST的測定: 取10 mL待測污泥,采用毛細吸水時間測試儀(TYPE 304M 型)測定CST。泥餅含水率的測定:將壓濾得到泥餅中間部分制樣,采用 CJ/T 221-2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》測定含水率。硫含量的測定:壓濾得到的泥餅進行烘干處理,采用GB/T 214-2007《煤中全硫的測定方法》測定硫含量。氯含量的測定:壓濾過程中的出水采用CJ/T 51-2018《城鎮(zhèn)污水水質(zhì)標準檢驗方法》測定pH和氯含量。
通過單獨加入AS、PAC、FeCl3、PSAF四種藥劑,按污泥干基百分比來改變藥劑加量,得到污泥CST變化曲線,如圖1所示,可以看出,四種藥劑加入后污泥CST值發(fā)生明顯降低,由83.1降低到40以下。CST值能測試污泥中自由水分的滲透能力。四種藥劑加入后,通過電中和作用破壞了污泥絮體結構,使得污泥中束縛水轉換為自由水,改善了污泥脫水性能[11-12]。當CST值降低到某一值后,再多加藥劑CST值又會升高。研究表明CST值是污泥脫水性能的重要指標,其值大小主要受含固率的影響[13],因此當CST值降低到某一值后,再增加藥劑并不能對污泥脫水性能產(chǎn)生正的影響,反而會由于污泥含固率的升高而使得CST值增加。
圖1 四種藥劑加量對污泥CST的影響
四種藥劑加入后,污泥CST值都有一個最低值,對應一個最佳藥劑加量。AS最佳藥劑加量為15%污泥干基,此時污泥CST值為27.0;PAC最佳藥劑加量為50%污泥干基,此時污泥CST值為20.0;FeCl3最佳藥劑加量為15%污泥干基,此時污泥CST值為28.9;PSAF最佳藥劑加量為15%污泥干基,此時污泥CST值為20.0。從CST值來看,PAC和PSAF調(diào)理后污泥CST值最低,對污泥的脫水效果最好,后續(xù)污泥脫水實驗參照最佳藥劑加量來進行設計。
污泥不論是摻燒還是獨立焚燒,污泥占比、含水率、污泥特性等對燃燒系統(tǒng)穩(wěn)定性、鍋爐效率、煙氣處理系統(tǒng)會產(chǎn)生影響。研究表明污泥摻燒含水率要小于60%,污泥加入后隨著摻入比例的增加,SO2、NOx、HCl和HF的排放濃度均有所增加[14]。因此本研究主要從泥餅含水率、泥餅硫含量、壓濾水氯含量三個方面來考慮污泥焚燒,且本研究小型壓濾機泥餅含水率為75%左右時,大型板框壓濾機泥餅含水率可達到60%左右。
3.2.1 對泥餅含水率的影響
改變四種藥劑加量,同時石灰與絮凝劑加量保持定值,壓濾脫水后的泥餅含水率變化如圖2所示。AS、PAC和PSAF在實驗的藥劑加量范圍內(nèi),隨著藥劑加量的增加,泥餅含水率逐漸降低,均能降到75%以下,滿足泥餅含水率的要求;而FeCl3在15%~45%藥劑加量范圍內(nèi),泥餅含水率在20%藥劑加量時最低,為77.71%,達不到泥餅含水率的要求,而減少或增加藥劑加量泥餅含水率都會升高。研究表明,石灰與FeCl3存在互補協(xié)同作用,需要增加石灰用量來降低泥餅含水率[15],石灰含量高也會影響泥餅熱值,不利于焚燒處理。AS、PAC、PSAF泥餅含水率滿足要求時,對應藥劑加量分別為≥20%、>55%、≥10%。
圖2 藥劑加量對泥餅含水率的影響
3.2.2 對泥餅硫含量的影響
對四種藥劑脫水得到泥餅硫含量進行分析,得到的結果如圖3所示。四種藥劑中,PAC、FeCl3、PSAF均未增加泥餅硫含量,而AS調(diào)理壓濾后泥餅硫含量升高,且隨著AS藥劑加量的增加泥餅硫含量也隨之增加。分析是AS藥劑中含有硫,加石灰和PAM調(diào)理壓濾后可能形成不溶物殘留在泥餅當中。泥餅焚燒隨著入爐硫含量的增加,煙氣中二氧化硫濃度和脫硫運行費用也隨之增加[16],產(chǎn)生的飛灰量也增多,因此采用AS脫水后的泥餅會對焚燒產(chǎn)生不利影響,具體的影響程度與藥劑添加量、其他混合調(diào)理藥劑種類、污泥摻燒比例等因素有關。
圖3 藥劑加量對泥餅硫含量的影響
3.2.3 對壓濾水氯含量的影響
為了方便污泥運輸,污泥脫水處置單元通常建在污水廠內(nèi)部,污泥壓濾過程產(chǎn)生的廢水也是不經(jīng)處理直接排入污水廠的。經(jīng)過四種藥劑處理后,污泥壓濾出水的氯含量分析見圖4。AS藥劑相較于其他三種藥劑,壓濾出水中氯離子含量要低很多,因為藥劑中不含氯。氯離子是易溶于水的離子,很容易從泥餅中隨著壓濾出水而跑出,從而增加水中氯離子含量。FeCl3在藥劑加量20%時,氯離子含量為2713 mg/L,但當加量達到45%時,氯離子含量達到5058 mg/L。研究表明,廢水中氯離子濃度大于2000 mg/L時,微生物的活性將受到抑制;大于5000 mg/L時,基本就沒有微生物[17]。AS、PSAF在藥劑加量分別為20%、10%時,壓濾出水氯離子含量分別為430 mg/L、1353 mg/L,對水中微生物的影響不大,因此得到泥餅含水率較低時,對應藥劑加量也不能太高。
圖4 藥劑加量對壓濾水氯含量的影響
在以上研究的基礎上,分別計算噸污泥脫水處置的藥劑成本(以泥餅含水率60%來折算)。AS在藥劑加量20%時的處理成本約為144元/噸,PAC在藥劑加量55%時的處理成本約為167元/噸,F(xiàn)eCl3在藥劑加量20%時的處理成本約為64元/噸,PSAF在藥劑加量10%時的處理成本約為88元/噸。綜合考慮泥餅含水率、泥餅硫含量、處理污泥的噸藥劑成本因素,得出PSAF是較合適的污泥脫水藥劑,得到的泥餅適合焚燒處理。
本研究選用的四種藥劑,對于污泥脫水的影響,F(xiàn)eCl3脫水效果最差,其他三種在實驗的藥劑加量范圍內(nèi)效果差不多。采用AS藥劑的泥餅硫含量升高,藥劑中的硫在調(diào)理壓濾后,形成不溶物殘留在泥餅當中,會對污泥焚燒產(chǎn)生不利影響,具體的影響程度與藥劑添加量、其他混合調(diào)理藥劑種類、污泥摻燒比例等因素有關。本研究選用的四種藥劑,綜合考慮泥餅含水率、泥餅硫含量、處理污泥的噸藥劑成本因素,PSAF是較合適的污泥脫水藥劑,得到的泥餅適合焚燒處理。