摻加頁(yè)巖后污泥沉降濃縮效果與利用

錢覺(jué)時(shí),岳燕飛,謝從波,陳 偉

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045)

污泥處理與處置是城市生活污水處理一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),通常其運(yùn)行成本占整個(gè)污水處理廠總運(yùn)行成本的 20%～50%,甚至高達(dá) 70%左右[1]。2007年末已產(chǎn)生含水率80%的污泥1 500萬(wàn)t[1-2],并以每年5%～10%的速度增長(zhǎng)[3]。污泥處理主要包括濃縮、消化、脫水等工藝,其目的是降低污泥含水率,減小污泥體積,以減輕后續(xù)處理的壓力[4]。污泥濃縮方法以重力濃縮應(yīng)用最為廣泛,其是污泥在重力場(chǎng)作用下通過(guò)自然沉降而分離的方式。污泥重力濃縮后含水率為95%～97%,還需要進(jìn)一步降低含水率,可采取壓濾、離心等方式將其含水率控制在80%左右。經(jīng)過(guò)濃縮和脫水后的污泥呈“膠狀”,含水率80%的污泥總體質(zhì)量比實(shí)際固含量多4倍,其體積也是干態(tài)污泥的4～5倍[5]。

降低含水率只是污泥減容減量的一個(gè)環(huán)節(jié),最終目標(biāo)則應(yīng)是污泥的處理與資源化。污泥建材資源化是污泥利用的重要甚至是根本方向[6-7],因?yàn)槲勰嗟慕ú馁Y源化不僅利用污泥量大,而且污泥建材生產(chǎn)和使用的環(huán)境影響最小[8]。已有研究者采用經(jīng)過(guò)干燥的污泥或煅燒污泥,與粘土或者頁(yè)巖混合燒制陶粒或燒結(jié)磚[9-12],還有研究者則提出了一些其他設(shè)想[13-14]。前期研究結(jié)果[7]顯示,直接采用含水率80%左右的污泥與頁(yè)巖混合燒制建材制品將是污泥資源化有效途徑之一,因?yàn)轫?yè)巖在通常使用過(guò)程中必須加入足夠水分才能獲得所需塑性,而與污泥混合就不需要外加水分,污泥中的有機(jī)物還能補(bǔ)充頁(yè)巖燒結(jié)制品生產(chǎn)過(guò)程中的能耗。然而,污泥加入頁(yè)巖或粘土中需要充分混合,燒制后的制品性能才能有所保證,但混合工藝通常比較復(fù)雜,特別是與含水率較高的“膠狀”污泥混合比較困難。因此,本文結(jié)合污泥頁(yè)巖建材制品的配料等要求,在污泥沉降濃縮階段加入頁(yè)巖,研究頁(yè)巖對(duì)污泥沉降濃縮性能的影響以及污泥頁(yè)巖混合物燒制陶粒的可行性,認(rèn)識(shí)頁(yè)巖在污泥處理和資源化方面的作用。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原料

污泥為重慶市某污水處理廠沉淀池污泥,其化學(xué)組成與主要性質(zhì)見表1。頁(yè)巖為取自重慶市涪陵區(qū)硬質(zhì)頁(yè)巖,含水率3%,磨細(xì)后分別篩出850～425 μm、425～ 250μm 、250～150μm、150～80μm 及小于80μm的頁(yè)巖粉備用,化學(xué)成分見表2。

表1 污泥的性質(zhì)及主要化學(xué)組成

表2 頁(yè)巖的主要化學(xué)組成/%

1.2 試驗(yàn)方法

1)沉降試驗(yàn) 將污泥與一定細(xì)度的頁(yè)巖混合攪拌3min后倒入標(biāo)有刻度的玻璃量筒至一定高度,用秒表開始計(jì)時(shí),記錄不同時(shí)刻泥水界面的刻度。

2)脫水試驗(yàn)沉降穩(wěn)定后,記錄上層清液與下層污泥的體積讀數(shù),然后分離清液與污泥。污泥離心脫水采用 TDL80-2B式離心機(jī),轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,脫水時(shí)間15min,測(cè)量污泥脫水前后的含水率、體積、質(zhì)量等。

3)燒制陶粒 將脫水污泥與頁(yè)巖混合均勻或采用污泥頁(yè)巖混合物,再經(jīng)過(guò)成球、干燥、預(yù)熱然后在高溫電爐中進(jìn)行燒制。污泥頁(yè)巖混合物含水率較高,預(yù)熱時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 頁(yè)巖摻量對(duì)污泥沉降性能的影響

頁(yè)巖顆粒有一定的吸附作用,對(duì)污泥顆粒也有絮凝作用,因此頁(yè)巖摻入污泥會(huì)使得污泥頁(yè)巖很容易團(tuán)聚,加速污泥顆粒沉降,還能減少沉降過(guò)程中的上浮、膨脹等現(xiàn)象。從減容角度來(lái)看,污泥中的頁(yè)巖加入量越低越好,但考慮到燒制建材制品的性能要求,頁(yè)巖摻量還應(yīng)達(dá)到一定比例。通常含水率80%的污泥在污泥頁(yè)巖混合物中的質(zhì)量百分比不宜超過(guò)50%,最低摻量不少于15%,即干基污泥最佳摻量在4%～17%之間。

試驗(yàn)用粒徑大于150μm的頁(yè)巖顆粒,這是頁(yè)巖通常比較容易粉磨至的細(xì)度。圖1是加入頁(yè)巖后的污泥自然沉降特性曲線測(cè)試結(jié)果,為比較沉降后污泥體積變化,沉降曲線均以泥水界面刻度讀數(shù)作圖。頁(yè)巖按含水率99.43%污泥的質(zhì)量百分比外摻,分別為1%、3%、5%、10%、20%、30%,頁(yè)巖與干基污泥百分比為 1.75∶1、5.26∶1、8.77∶1、17.5∶1、35∶1、52.6∶1。圖1試驗(yàn)結(jié)果顯示,頁(yè)巖摻量1%時(shí)污泥頁(yè)巖混合物沉降速度比純污泥更快,且各時(shí)刻的體積比純污泥的要小;頁(yè)巖摻量5%時(shí),沉降10min后體積就與純污泥比較接近,相對(duì)3%的頁(yè)巖摻量,污泥頁(yè)巖混合物體積反而減小,甚至100min后體積還小于純污泥的體積;頁(yè)巖摻量10%時(shí),沉降20min后也基本穩(wěn)定,體積相比純污泥有較大增加;頁(yè)巖摻量20%和30%時(shí),污泥頁(yè)巖混合物沉降穩(wěn)定后的體積則要高出純污泥體積的1倍以上。圖2是不同頁(yè)巖摻量時(shí)污泥頁(yè)巖混合物的沉降析水率的測(cè)試結(jié)果。從圖2可以看出,頁(yè)巖摻量小于10%時(shí),混合物絕對(duì)析水率是增加的,說(shuō)明摻加頁(yè)巖有利于污泥中水分的析出。

圖1 頁(yè)巖改性對(duì)污泥沉降特性的影響

2.2 頁(yè)巖細(xì)度對(duì)污泥沉降性能的影響

頁(yè)巖細(xì)度也可能影響污泥的沉降性能。圖3是頁(yè)巖摻量均為30%而細(xì)度不同時(shí)的污泥頁(yè)巖混合物沉降曲線。為了較大范圍內(nèi)比較細(xì)度的影響,試驗(yàn)采用頁(yè)巖細(xì)度分別為850～425μm,425～250μm,250～150μm,150～80μm和＜80μm的5種情況。

圖2 污泥頁(yè)巖混合物沉降析水率隨頁(yè)巖摻量的變化

圖3 頁(yè)巖細(xì)度對(duì)污泥頁(yè)巖混合物沉降的影響

從圖3可以看出,當(dāng)頁(yè)巖細(xì)度為250～150μm和150～80μm時(shí),沉降速度最快,當(dāng)頁(yè)巖細(xì)度小于80μm時(shí),沉降速度反而較慢。通常頁(yè)巖越細(xì),分散程度越高,與污泥顆粒形成團(tuán)聚體也就越多,因此沉降速度越快。但頁(yè)巖過(guò)細(xì),分散程度更高時(shí),表面積過(guò)大的頁(yè)巖也同時(shí)易于吸附水分并將其包裹其中,因此沉降速度反而降低。

2.3 沉降高度對(duì)污泥頁(yè)巖混合物沉降性能的影響

圖4為不同沉降高度時(shí)污泥頁(yè)巖混合物沉降性能的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)采用粒徑＞150μm的頁(yè)巖,摻量為5%,將頁(yè)巖與污泥攪拌后分別取100mL、150mL、200mL的混合物進(jìn)行沉降試驗(yàn),以比較頁(yè)巖在不同沉降高度時(shí)對(duì)污泥沉降性能的影響。同時(shí)還測(cè)試了不同高度純污泥的沉降曲線,見圖5。為了比較不同沉降高度的影響,沉降性能以固液界面高度相對(duì)初始高度的百分比來(lái)表示,初始高度百分比均為100%。

圖4 不同高度污泥頁(yè)巖混合物的沉降曲線

圖5 不同高度純污泥的沉降曲線

從圖4和圖5的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,沉降高度越高時(shí),污泥或污泥頁(yè)巖混合物初始的沉降速度較慢,但超過(guò)20min后沉降速度增加,而且沉降高度越高時(shí),頁(yè)巖的加入還有利于最終污泥體積降低。實(shí)際污泥的沉降高度高達(dá)數(shù)米,因此頁(yè)巖的加入可能將更加有利于污泥沉降和最終污泥體積的減小。

2.4 頁(yè)巖改性后污泥濃縮脫水后的體積變化

在污泥中摻加頁(yè)巖可以一定程度改善污泥沉降性能,同時(shí)能抑制污泥刺激性氣味的揮發(fā),而且能使污泥頁(yè)巖混合充分,有利于污泥建材資源化利用,但頁(yè)巖加入不能顯著增加污泥頁(yè)巖混合物的體積,不然會(huì)大幅度增加后續(xù)的運(yùn)輸或儲(chǔ)存費(fèi)用。

圖6是不同頁(yè)巖摻入量的污泥頁(yè)巖混合物沉降和離心脫水后的密度測(cè)試結(jié)果。從圖6可以看出,頁(yè)巖的加入將使得沉降和脫水后混合物密度明顯增加;頁(yè)巖摻量在一定范圍內(nèi)時(shí)污泥頁(yè)巖混合物體積增加不明顯;頁(yè)巖摻量超過(guò)一定范圍時(shí),雖然沉降和脫水后污泥頁(yè)巖混合物密度還將增加,但增加幅度較小,因此體積增加就比較明顯了。從改性和資源化利用角度,頁(yè)巖摻加量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。圖7是不同頁(yè)巖摻量的污泥頁(yè)巖混合物的沉降和脫水后的含水率測(cè)試結(jié)果。

圖6 污泥頁(yè)巖混合物密度隨頁(yè)巖摻量的變化

圖7 污泥頁(yè)巖混合物含水率隨頁(yè)巖摻量的變化

從圖7試驗(yàn)結(jié)果可以看出,污泥頁(yè)巖混合物的含水率無(wú)論是自然沉降還是離心脫水后都有非常明顯的降低。頁(yè)巖摻量為5%時(shí),沉降穩(wěn)定后的混合物含水率就接近80%,與純污泥經(jīng)過(guò)壓濾脫水等處理后的含水率相當(dāng),已經(jīng)達(dá)到可以不需要進(jìn)一步脫水就能進(jìn)行后續(xù)處置或利用的狀態(tài),而再經(jīng)過(guò)離心脫水后混合物的含水率已經(jīng)降低到60%以下。當(dāng)頁(yè)巖摻量為10%,沉降后混合物含水率接近70%,而離心脫水后含水率低于50%。圖8是不同頁(yè)巖摻量時(shí)污泥頁(yè)巖混合物的質(zhì)量和體積變化情況。

圖8 頁(yè)巖摻量對(duì)污泥頁(yè)巖混合物的質(zhì)量與體積變化的影響

從圖8可以看出,在頁(yè)巖摻量為10%以下時(shí),沉降后混合物的質(zhì)量和體積變化都不太明顯,這說(shuō)明頁(yè)巖的加入量在一定范圍內(nèi),并不會(huì)增加污泥沉降后的質(zhì)量和體積,即使頁(yè)巖摻量達(dá)到30%時(shí),沉降后污泥頁(yè)巖混合物的體積才增加1.2倍;頁(yè)巖摻量為5%時(shí),混合物脫水后體積增加70%左右;當(dāng)頁(yè)巖摻量達(dá)到10%時(shí),混合物脫水后體積已增加了1.5倍。由于頁(yè)巖加入污泥頁(yè)巖混合物脫水后的密度顯著增加,因此隨頁(yè)巖摻量增加,污泥頁(yè)巖混合物質(zhì)量的增加幅度更大。從減容角度來(lái)看,頁(yè)巖摻量在5%以下是完全可以接受的,頁(yè)巖摻量超過(guò)5%后雖然體積和質(zhì)量都明顯增加,但考慮到污泥刺激性氣味去除效果,這種體積增加仍是可以接受的。表3為純污泥和頁(yè)巖摻量為5%時(shí)的上層液體性質(zhì)比較。可以看出,頁(yè)巖改性后上層液體的pH有所增加,COD濃度有一定降低,部分重金屬離子有所降低。

表3 上層液體性質(zhì)

2.5 污泥頁(yè)巖混合物的資源化利用

從圖7可以看出,頁(yè)巖改性并經(jīng)沉降或脫水后的混合物含水率大幅度降低,相比于純污泥沉降后高達(dá)95%和離心脫水后接近90%的含水率,污泥頁(yè)巖混合物的性態(tài)發(fā)生了非常大的變化。同時(shí),污泥頁(yè)巖混合物外觀顏色也與頁(yè)巖比較類似,沉降后比較密實(shí),因此惡臭氣味得到明顯緩解。污泥頁(yè)巖混合物性態(tài)的改變不僅有利于運(yùn)輸和處置,也有利于資源化利用,如用作為肥料時(shí)不需要預(yù)處理就可以直接使用。

頁(yè)巖是一類含水率比較低的巖石,在自然界中儲(chǔ)量豐富,采用頁(yè)巖生產(chǎn)燒結(jié)磚和陶粒等建材制品已得到非常廣泛的應(yīng)用,特別是在國(guó)家出臺(tái)保護(hù)耕地禁止粘土磚生產(chǎn)的政策前提下,頁(yè)巖燒結(jié)制品已經(jīng)成為非常重要的建材制品。從表1和表2來(lái)看,頁(yè)巖與污泥的無(wú)機(jī)成分非常相近,主要為 SiO2、Al2O3、Fe2 O3等,即使頁(yè)巖摻量比較小時(shí),污泥頁(yè)巖混合物中的干態(tài)污泥總量比較低,無(wú)機(jī)組分更低,因此對(duì)頁(yè)巖組成影響比較小,不會(huì)明顯影響頁(yè)巖作為建筑材料生產(chǎn)的原材料的組成要求。而污泥頁(yè)巖混合物的混合過(guò)程因?yàn)樵诹髻|(zhì)中進(jìn)行已非常均勻,因此污泥中的有機(jī)物不僅可以作為內(nèi)摻燃料而且能均勻分散。一般頁(yè)巖都可以用于生產(chǎn)燒結(jié)磚制品,但很多頁(yè)巖燒脹性能較差難以用于燒制輕質(zhì)陶粒,而頁(yè)巖與污泥混合后因?yàn)楹幸欢康挠袡C(jī)物,如果頁(yè)巖有一定量的Fe2O3組分,則可以改善頁(yè)巖的燒脹性能[15]。

污泥頁(yè)巖混合物可作為燒制輕質(zhì)陶粒的重要原材料。表4給出的是采用污泥頁(yè)巖混合物燒制的輕質(zhì)陶粒性能的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)選擇頁(yè)巖摻量5%(頁(yè)巖:干基污泥=8.77:1)的污泥頁(yè)巖混合物,經(jīng)過(guò)自然沉降、離心脫水,再按照成球、烘干、預(yù)熱、焙燒等過(guò)程在高溫電爐中進(jìn)行燒制,預(yù)熱溫度400℃,預(yù)熱15min,然后 1 150℃下焙燒10min。同時(shí),以來(lái)源相同的含水率為82%的脫水污泥與相同細(xì)度頁(yè)巖粉混合,污泥頁(yè)巖比為3∶7,按同樣工藝條件燒制陶粒,陶粒性能也列于表4。從表4可知,在污泥沉降階段加入頁(yè)巖改性的污泥頁(yè)巖混合物可以燒制性能優(yōu)良的輕質(zhì)陶粒,而且相比脫水污泥與頁(yè)巖粉混合后的混合物燒制的陶粒具有更高的顆粒強(qiáng)度,這主要是因?yàn)樵谖勰喑两惦A段加入頁(yè)巖使得污泥頁(yè)巖混合非常充分。

表4 陶粒性能指標(biāo)

3 結(jié)論

1)在污泥重力濃縮階段摻加磨細(xì)頁(yè)巖可以改善污泥的沉降性能。頁(yè)巖摻量5%時(shí),沉降穩(wěn)定后含水率為81%,與純污泥壓濾脫水后的含水率相近,同時(shí)刺激性氣味已明顯緩和。

2)采用粒徑大于150μm的頁(yè)巖和增加沉降高度,更有利于污泥頁(yè)巖混合物的沉降。

3)污泥頁(yè)巖混合物沉降后密度明顯增加,頁(yè)巖摻量不超過(guò)5%時(shí),混合物體積和質(zhì)量與純污泥相比沒(méi)有明顯變化,離心脫水后體積增加量小于60%。

4)在污泥濃縮階段摻加頁(yè)巖得到的污泥頁(yè)巖混合物,可以燒制顆粒密度為740 kg/m3的輕質(zhì)陶粒。

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