以顆粒煤為助濾劑對城市污泥進行二段過濾脫水的研究

胡筱敏 孫承智 陳朝中 葉舒帆 董 俊 劉 怡

(東北大學資源與土木工程學院)

以顆粒煤為助濾劑對城市污泥進行二段過濾脫水的研究

胡筱敏*孫承智 陳朝中 葉舒帆 董 俊 劉 怡

(東北大學資源與土木工程學院)

以顆粒煤為助濾劑，采用二段過濾方式來強化城市污泥的脫水，并對濾餅進行熱值分析，探討城市污泥資源化利用前景。在研究中，具體分析探討了煤的類型、煤的添加比、煤的粒徑、攪拌強度、過濾壓力以及煤的添加方式對過濾過程中相關參數的影響。得到以下結論：在污泥和煤的添加比為1∶2，顆粒煤粒度為0.15～0.18 mm，低強度攪拌，常溫下，一段過濾濾餅含水率為57.06%，二段過濾濾餅含水率為38.40%，濾餅熱值達14 276 kJ/kg。關鍵詞 二段過濾 污泥脫水 助濾劑 顆粒煤 熱值 含水率

0 引言

根據 《中國環境統計年報·2007》， 2007年，全國共統計1 258座城市污水處理廠，全年共處理廢水190.4億t。城市污水處理廠的污泥產量大，按80%水分計約占處理水量的0.1%，我國年排放污泥量 （濕重）已高達約1 900萬t，占全國年總固體廢棄物排放量的3%以上。

污泥處理的投資和運行費用相當大，約占污水處理廠總投資及運行費用的20%～60%。污泥的資源化技術已逐漸成為研究的熱點，國內外所采用的污泥資源化技術主要有：污泥堆肥、消化制沼氣、污泥燃料化、用于建材等[1-2]。無論是何種污泥處理技術，污泥的脫水預處理必不可少。目前，國內外關于強化污泥脫水的研究主要有：改進污泥脫水機，以達到更好的污泥脫水效果[3]；添加絮凝劑、助濾劑，改變污泥的過濾性能，從而強化污泥脫水效果[4-5]；附加電場 （電絮凝、高滲透、高壓靜電等）、高溫突躍法、超聲波、磁場強化污泥脫水等[6-8]。

本研究將綜合考慮污泥脫水及其資源利用兩方面，選擇顆粒煤做助濾劑，改變濾餅的可壓縮性和滲透性；同時采用真空、壓榨兩段不同的脫水方式組合，強化脫水過程；最終使污泥與煤混合濾餅達到12 000 kJ/kg以上的熱值，直接作為燃料利用，從而實現污泥徹底的無害化、資源化，為城市污水處理廠的污泥處理處置提供全新的途徑。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

原料：沈陽北部污水處理廠消化污泥，含水率96.41%，pH值7.12；顆粒煤；濾布。

儀器：真空過濾設備 （自制）、加壓過濾設備（自制）、黏度計、熱量計、干燥箱、濁度儀、電子天平、pH計、攪拌器。

1.2 實驗及檢測方法

1.2.1 一段真空過濾實驗

取100 mL消化污泥，按一定配比添加顆粒煤助濾劑，攪拌均勻后倒入真空過濾漏斗內，在漏斗下放置一個干凈量筒，啟動真空抽濾機進行一段式真空過濾作業，開始計時并記錄濾液量。

1.2.2 二段壓榨過濾實驗

取200 mL消化污泥，按一定配比添加顆粒煤助濾劑，對其進行一段真空過濾。然后，取一段真空過濾后的污泥濾餅，將其放入壓榨過濾容器罐中，在壓榨容器罐的下部出水口放置一個干凈量筒，開啟空氣壓縮機升壓至所需壓力，打開三通閥，以空氣壓力推動壓芯進行二段式壓榨過濾作業，開始計時并記錄濾液量。

1.2.3 濾餅含水率測定

在105℃溫度下，用電熱鼓風干燥箱將污泥樣烘干24 h，稱重，計算濾餅含水率。

1.2.4 濁度、黏度及熱值的測定

使用HANNA HI 93703-11濁度儀測量濾液濁度；使用NDJ-1旋轉黏度計測量污泥漿黏度；使用XRY-1A數顯氧彈熱量計測量熱值。

2 結果與討論

2.1 顆粒煤類型對過濾效果的影響

取兩種不同類型的顆粒煤，經熱量計測定其熱值分別為22 972、16 522 kJ/kg，將其分別標記為1#煤和2#煤。對每一種顆粒煤進行一組實驗，每組取5份100 mL消化污泥樣品，各加入0、1.80 g、3.59 g、 7.18 g、 10.77 g粒徑為 0.15～0.18 mm 顆粒煤，使其泥煤比（污泥按干重計，下同）分別為1∶0、1∶0.5、 1∶1、 1∶2、 1∶3， 攪拌均勻， 進行真空過濾實驗，測定濾餅含水率。實驗結果如圖1所示。

圖1 顆粒煤類型對過濾效果影響對比

從圖1中可以看出，不同類型、熱值的顆粒煤，作為助濾劑對過濾效果的影響很大，但是其之間的差別卻不是很大，基本處于相同水平。

2.2 泥煤比對過濾效果的影響

取5份100 mL消化污泥樣品，各加入0、1.80 g、 3.59 g、 7.18 g、 10.77 g 粒徑為 0.15～0.18 mm 顆粒煤，使其泥煤比分別為 1∶0、 1∶0.5、 1∶1、 1∶2、1∶3，攪拌均勻，進行真空過濾實驗，記錄過濾時間、濾液量并測量濾液濁度。結果如圖2所示。

圖2 泥煤比對真空過濾濾餅含水率的影響曲線

從圖2中可以看出，以顆粒煤作為助濾劑對污泥的過濾效果有著重要影響。一方面，在污泥中摻煤本身就可以使污泥的含水率有所下降，下降的幅度不大，這從圖2中添加煤之后的換算出來的理論含水率曲線就可以看出來。另一方面，以顆粒煤為助濾劑，污泥過濾的效果得到了提升，這從圖2中也可以看出。隨著泥煤比的增大，這種提升也越大，由不摻煤時88%左右的含水率，下降到泥煤比1∶3時58%左右的含水率，下降的幅度很大。同時，在對濾液濁度的測量中也發現，添加顆粒煤為助濾劑后，濾液的濁度也有顯著的下降，并且隨著顆粒煤添加量的增加，濾液的濁度也隨之明顯下降，如圖3所示。另外，在對濾液量的記錄中還發現，添加顆粒煤為助濾劑后，污泥的過濾速度也有顯著的提升，并且隨著顆粒煤添量的增加，過濾速度的提升也更為顯著。

圖3 泥煤比對真空過濾濾液濁度的影響曲線

2.3 顆粒煤粒度對過濾效果的影響

取6份100 mL消化污泥樣品，按1∶2比例分別加入粒徑為 0 （空白）、 0.43～0.88 mm、 0.25～0.43 mm、 0.18～0.25 mm、 0.15～0.18 mm、 0.11～0.15 mm的顆粒煤，攪拌均勻，進行真空過濾實驗，記錄過濾時間、濾液量并測量濾液濁度。

從圖4中可以看出，顆粒煤的粒度對污泥餅含水率有較大影響，隨著顆粒煤粒度的減小，污泥餅的含水率也隨之降低，最大幅度達10%多；同時還可以發現，濾液的濁度也隨粒度的減小而減小。須特別注意的是，粒度的變化對過濾速度的影響最為明顯。從圖5中可以看到，隨著粒度的減小，污泥過濾速度呈明顯加快趨勢，最快的過濾時間只用了不到空白樣的一半時間。另外，在含水率和過濾時間圖中，在0.15～0.18 mm處都出現了一個拐點，這說明，顆粒煤的目數不是越小越好，太細小的助濾劑反而會影響濾餅骨架之間的空隙建立，進而影響濾餅的含水率和過濾速度。

圖4 顆粒煤粒度對真空過濾濾餅含水率的影響曲線

圖5 顆粒煤粒度對真空過濾濾速的影響曲線

圖6 攪拌強度對真空過濾和壓榨過濾的影響曲線

2.4 攪拌強度對過濾效果的影響

取5份200 mL消化污泥樣品，按污泥干重1∶2比例加入粒徑為0.15～0.18 mm的煤粉，用攪拌器分別以0、100、200、300、400 r/min的轉速攪拌20 min，然后用旋轉黏度計測量其黏度。接著進行真空過濾30 min，記錄濾液量，然后取出1/4濾餅測量其含水率，剩余3/4濾餅再進行壓榨過濾，記錄過濾時間、濾液量并測量濾液濁度。

從圖6中可以看出，對于真空過濾而言，攪拌強度對過濾效果有正反兩方面的影響，但影響都不大。適當的低速低強度攪拌能夠促進污泥和顆粒煤的混合，改善污泥過濾效果，促進濾餅含水率降低和過濾速度的提高；而高速高強度的攪拌則不利于污泥過濾效果的改善，反而會使濾餅含水率偏高，過濾速度降低。在對濾液濁度的測量中也發現，攪拌會增高濾液的濁度，并且攪拌強度越大影響越明顯。對壓榨過濾而言，攪拌強度對其過濾效果的影響不大。

2.5 過濾壓力對過濾效果的影響

取5份200 mL消化污泥樣品，第1份為空白樣，其余4份按污泥干重1∶2的比例加入7.18 g粒徑為0.15～0.18 mm的煤粉，攪拌均勻，對第1份樣品用壓榨過濾設備以0.1 MPa壓力進行直接過濾，其余4份樣品分別以0.1 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa壓力進行過濾，記錄過濾時間及濾液量。

從圖7中可以看出：按1∶2比例加入顆粒煤的樣品，最終的含水率在40%左右，而沒有加入煤粉的樣品最終含水率為79.40%，表明加入顆粒煤作為助濾劑之后，濾餅的含水率有顯著下降。同時，可以看出：加入顆粒煤的樣品過濾速度明顯加快。取濾液量達到總濾液量80%的時刻為比較點，在同一過濾壓力下，我們發現不加煤粉的樣品需要的時間為75 min，而加入煤粉的樣品只需要30 min；對于加入煤粉的樣品，壓力越大，過濾時間就越短，由30 min縮減到了19 min，而且含水率也呈現下降趨勢，不過變化不太顯著。

圖7 過濾壓力對濾餅含水率、過濾時間的影響曲線

2.6 泥煤混合方式對過濾效果的影響

取4份200 mL消化污泥樣品，第1、3份按1∶2比例加入7.18 g粒徑為0.15～0.18 mm顆粒煤，第2、4份按1∶1比例加入3.59 g粒徑為 0.15～0.18 mm顆粒煤，攪拌均勻，對4份樣品先進行真空過濾30 min，然后取出1/4濾餅測量其含水率，剩余3/4濾餅再分別混合0、2.69 g、2.69 g、5.39 g粒徑為0.15～0.18 mm顆粒煤，使其最終泥煤比分別為1∶2、 1∶2 （記為 1∶1+1）、 1∶3 （記為 1∶2+1）、 1∶3（記為1∶1+2），然后對其進行壓榨過濾，記錄過濾時間及濾液量。

從圖8可以看出，在真空過濾階段，泥煤比越大，則真空過濾后泥餅的含水率就越小，例如第1、3兩份的真空過濾泥餅含水率就比第2、4兩份下降了11%左右；同時其過濾時間也有所縮短，1、3兩份的污泥結餅時間比2、4兩份提前了約4 min，為15 min，而2、4兩份的污泥結餅時間為19 min。對真空過濾后的濾餅摻不同比例的煤，也能使濾餅的含水率有所下降，但摻煤所帶來的效果，比不上將這些煤在真空階段用來作為助濾劑的效果。例如，對于第1、2兩份樣品，其摻煤后最終泥煤比都是1∶2，但第1份樣品的含水率要小于第2份樣品；第3、4兩份樣品也是這樣，但隨著所摻煤的比重增大，這樣的差異隨之減小。在加壓過濾階段，總體上來說，泥煤比越大，最終泥餅的含水率也就越??；同時，分別對比1、2樣品和3、4樣品可以發現，對于相同泥煤比的樣品，在加壓過濾之前摻煤的樣品，其過濾效果要優于沒有摻煤或是摻煤比小的樣品，不過差異不顯著。

圖8 泥煤混合方式對過濾效果的影響曲線

2.7 濾餅熱值的測定

取上述實驗過程中樣品以1∶2比例混合，顆粒煤的粒度為0.15～0.18 mm，經過一、二段過濾后將其濾餅作為樣品烘干，分別測量煤粉、干污泥、泥煤混合濾餅的熱值。結果表明，煤粉、干污泥、泥煤混合濾餅的熱值分別為 16 521、11 042、14 276 kJ/kg，泥煤混合濾餅完全可以直接作為燃料來使用。

3 結論

（1）對于助濾劑顆粒煤而言，其類型對過濾效果的影響不大，但其熱值對最終濾餅的熱值有決定性影響，直接關系到濾餅的后繼資源化利用。

（2）泥煤比是影響過濾效果的一個關鍵因素，泥煤比越大，過濾效果越好，對含水率、過濾速度和濾液澄清度都有顯著提升。

（3）助濾劑的粒度大小也是影響過濾效果的一個重要因素，粒度在0.15～0.18 mm時，過濾效果較好，對含水率、過濾速度和濾液澄清度都有明顯改善。

（4）攪拌強度對過濾效果影響不大，低強度的攪拌有益于過濾效果的改善，高強度的攪拌則會產生負面影響。

（5）過濾壓力的增大對過濾速度和最終含水率都有一定程度的改善。

（6）煤的添加方式對過濾效果有一定影響，在每段過濾前摻混煤，對該段過濾效果都有一定的改善作用。

（7）在污泥和煤的添加比為1∶2，顆粒煤粒度為0.15～0.18 mm，低強度攪拌，常溫下，一段過濾濾餅含水率為57.06%，二段過濾濾餅含水率為38.40%，濾餅熱值達14 276 kJ/kg。

[1]Borowski S，Szopa J S.Experiences with the dual digestion of municipal sewage sludge[J].Bioresource Technology,2007,98(4):1 199-1 207.

[2]L Yu-qing.Rapid and high-efficiency composting of sewage sludge[J].Journal of Agro-Environment Science,2005,24.

[3]Z Wei-qiang.A research of machinery condense and centrifugl dehydratin on urben mud.2006.

[4]Manea F,etal.Enhancementofthe mechanical dewatering capacity of the municipal sludge by chemical conditioning[J].Revista De Chimie,2007,58(11):1 149-1 153.

[5]Vaxelaire J,Olivier J.Conditioning for municipal sludge dewatering.From filtration compression cell tests to belt press[J].Drying Technology,2006,24:1 225-1 233.

[6]Jian Q.The study on the intensifying ofsludge dewaterability in ultrasonic processing.2004.

[7]Jun L.Study on the municipal sewage sludge disposal by temperatur-jump process[J].Acta Scientiae Circumstantiae，2000,20.

[8]F Ming-zhong.Application of the supercritical water oxidation technique to municipal sludge treatment[J].Water Resources Protection,2008,24.

The Study of the Municipal Sludge Two-stage Filtration and Dewatering with the Particle Coal as a Filter Aid

Hu Xiaomin Sun Chengzhi Chen Chaozhong Ye Shufan Dong Jun Liu Yi

In this study,with the particle coal as a filter aid,use two-stage filtration and dewatering process to enhance the dehydration of the municipal sludge,and then analysis the thermal value of the filter cake to explore the prospect for resource utilization of the municipal sludge.In this study,detailedly analysis the relation between the parameters of filter process and the coal type,coal addition ratio,coal particle size,stirring intensity,filter pressure and addition measure of coal.Get the following conclusions:sludge and coal addition ratio 1∶2,particle size 80～100 mm,low-intensity stirring,room temperature,the first-stage filter cake moisture content 57.06%,second-stage filter moisture content 38.40%,filter cake heat value 14 276 kJ/kg.

Two-stage filtration;Sludge dewatering;Filter aid;Particle coal;Heat value;Moisture content

TQ 051.8

*胡筱敏，男，1958年4月生，教授。沈陽市，110004。

2011-03-01)