聚合氯化鋁在高脫水率造紙污泥處理中的應用研究

晏永祥 李幫漢 宋福升 陳啟杰 王慶峰

摘要：簡述造紙污泥含水率和體積的變化關(guān)系，分析其基本性質(zhì)，實驗加入04 g氧化鋁含量為10%的聚合氯化鋁（PAC）和5 g濃度為02%的陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）可有效處理200 g固含量為20%的造紙污泥，中試結(jié)論與實驗結(jié)果一致。結(jié)果表明，新工藝采用DCS控制的二級脫水方式，先利用濃縮塔將污泥固含量提高到4%～6%之間，再通過柱塞泵送入800 m2板框壓濾機進行二級脫水，脫水污泥干度可達50%以上；單臺設(shè)備每個周期4 h可處理45 t絕干污泥，破碎后摻煤焚燒每噸絕干污泥可產(chǎn)生余熱29256 MJ，能直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益61元；與傳統(tǒng)工藝相比可節(jié)約139%的運行費用。

關(guān)鍵詞：聚合氯化鋁；理化性質(zhì)；高脫水率；焚燒

中圖分類號：X793文獻標識碼：ADOI：1011980/jissn0254508X201803002

收稿日期：20171116（修改稿）

*通信作者：李幫漢，在讀碩士研究生；研究方向：造紙廢水處理。Application of PAC in Papermaking Sludge Treatment YAN Yongxiang1，2LI Banghan1，2，*SONG Fusheng3CHEN Qijie1 WANG Qingfeng2

（1 Changsha University of Science and Technology，Changsha， Hunan Province，410114；

2 BaiLin Biotechnology Co， Ltd， Changsha，Hunan Province，410205；

3 YueyangFengli Paper Co， Ltd， Yueyang， Hunan Province， 414100）

（*Email： 657100530@qqcom）

Abstract：The relationship between the change of water content and volume change of papermaking sludge was briefly described and analyzed From engineering point of view， adding 04 g PAC with 10% alumina content and 5 g CPAM with 02% solid content could effectively treat 200 g paper sludge with concentration of 2% The new process used concentration conditioning pool， the sludge concentration could be increased to 4%～6% Then the sludge was pumped to frame filter press by using a plunger pump， the dryness of dehydrated sludge could be up to 50% or even higher A single device could handle 45 tons of oven dry sludge per working cycle（4 hours）The dried sludge could be used as fuel after being crushed and mixed with coal， per ton of dried sludge could produce heat 29256 MJ through incineration， which could directly produce economic benefits of RBM 61 yuan； It could save 139% operating costs compared to the traditional process

Key words：polyaluminum chloride； physicochemical properties； high dehydration rate； incineration

造紙工業(yè)是國民經(jīng)濟六大支柱產(chǎn)業(yè)之一，與國民經(jīng)濟發(fā)展和社會文明建設(shè)息息相關(guān)。伴隨著紙張的生產(chǎn)，會產(chǎn)生大量的造紙污泥，其含水率高，成分復雜，處理難度大。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1 t紙，就會產(chǎn)生含水率65%左右的污泥約700 kg[1]。目前造紙污泥主要的處理方式有填埋、厭氧消化穩(wěn)定、好氧堆肥、生物瀝浸、污泥石灰穩(wěn)定和污泥干熱化及污泥焚燒等，還包括制造造紙?zhí)盍?、制造活性炭、生產(chǎn)乙酸乙醇等其他利用技術(shù)[2]。受工藝、設(shè)備、場地大小，經(jīng)費投入以及近年來的發(fā)展趨勢和客戶選擇等因素的影響，選用化學調(diào)理[3]是目前國內(nèi)較為主流的處理工藝。在湖南岳陽豐利紙業(yè)（以下簡稱豐利紙業(yè)）污泥脫水干化工程中，選擇聚合氯化鋁（PAC）和陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）配合使用，采用濃縮調(diào)理池，經(jīng)板框壓濾機壓榨（污泥干度可達到50%），破碎機破碎處理后送鍋爐燃燒處理的方法，大幅降低了造紙污泥的處理成本。

1造紙污泥含水率

造紙污泥的含水率很高，其中的水分主要分為自由水、毛細結(jié)合水、表面吸附水和內(nèi)部水，主要存在形式如圖1所示[4]。其中，自由水和表面吸附水（占77%）可以通過污泥濃縮處理去除；毛細結(jié)合水（占20%）必須借助機械作用力才能去除；內(nèi)部結(jié)合水（占3%）必須通過破壞細胞膜，使細胞液滲出才能去除，常規(guī)的機械脫水方法無法將其去除[5]。

圖1污泥中水分的存在形式經(jīng)過處理后，不同含水率污泥體積變化差異很大，各階段含水率示意圖如圖2所示（干固體含量為64 t）[4]。由圖2可看出，污泥固含量06%時，其體積為10667 m3；污泥濃縮后，固含量達到3%，體積變?yōu)?133 m3，縮小到原來的20%；用管道輸送壓榨后，干度達到30%，體積變?yōu)?13 m3，縮小為原來的2%；壓榨干度到90%后，體積變?yōu)?1 m3，縮小到原來的067%。所以將污泥進行壓榨處理，降低其含水率，是污泥減量化、資源化處理的有效方式[6]。統(tǒng)籌考慮污泥性質(zhì)、調(diào)理方法、脫水設(shè)備、干化方式和處置措施，可以最大化的產(chǎn)生環(huán)保效益、社會效益和經(jīng)濟效益，走資源化道路，減少環(huán)境的影響，盡量避免二次污染[7]。

21污泥基礎(chǔ)性質(zhì)

研究使用的造紙污泥取自豐利紙業(yè)混合池，豐利紙業(yè)主要以蘆葦和部分木材為原材料，采用間歇蒸煮方式制漿，經(jīng)漂白后送車間抄紙，各工段產(chǎn)生的廢水全部送中段水系統(tǒng)。中段廢水系統(tǒng)分為初沉池污泥、二沉池污泥、三沉池污泥和混合池污泥。初沉池污泥主要來源包括洗葦水10000 m3、堿回收水2000 m3、特種纖維水2000 m3、壓濾車間水2000 m3、提漂水2000 m3和抄紙車間水2000 m3等6種廢水（總計20000 m3），含大量的無機填料和篩渣，篩渣的主要成分是蘆葦渣、葦漿和少量木漿。

取混合池污泥進行分析，參考行業(yè)標準CJ/T 221—2005《城市廢水處理廠污泥檢驗方法》，測濃度、pH值、灰分和板框壓濾機壓榨后干度[8]。檢測污泥固含量為18%，干污泥有機物含量為6848%，灰分含量為3152%，pH值為702，壓榨后污泥干度為51%。由此得出，污泥濃度較低，灰分含量較小，為中性，壓榨后干度較高。

22元素分析

1824173828440532注每個樣品均給出3個平行數(shù)據(jù)，第一組數(shù)據(jù)為樣品轉(zhuǎn)換做其他元素分析時的數(shù)據(jù)，有可能受上一個樣品的影響。3造紙污泥處理技術(shù)方案的選擇

造紙污泥處理一直是造紙行業(yè)的煩惱，尋找合適的處理工藝和配套設(shè)備是許多造紙廠所急需的。以豐利紙業(yè)為例，詳細分析其工藝選擇和設(shè)備選型。

31污泥脫水藥劑

造紙污泥脫水工藝常采用化學調(diào)理、冷凍調(diào)理和熱調(diào)理來改善污泥濃縮和脫水的性能，減小脫水時的阻力，以提高脫水設(shè)備的處理能力和處理效率[8]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，使用化學調(diào)理是目前國內(nèi)較為主流的處理工藝，部分造紙廠采用以無機絮凝劑作為混凝劑，天然高分子有機絮凝劑作為助凝劑的方法。該方法使水體中的膠體物質(zhì)以大分子有機物的形式絮聚，再通過沉淀、氣浮和過濾等手段處理水中的固體物質(zhì)，其處理成本低，投入設(shè)備少，處理水量大，COD去除率高。

豐利紙業(yè)選用化學調(diào)理的方法，選擇的無機絮凝劑和有機絮凝劑分別是PAC和CPAM[10]。與三氯化鐵（PFC）等無機絮凝劑相比，PAC具有以下優(yōu)勢：①PAC鹽基度90以上，產(chǎn)品中游離的氯離子很少，PFC則含有大量的游離狀氯離子，很容易腐蝕管道和設(shè)備；②實驗發(fā)現(xiàn)PAC處理污泥的濾水性高于PFC的處理效果。選用合適的聚丙烯酰胺（PAM）對污泥脫水效果很重要[1112]，湖南佰霖生物技術(shù)股份有限公司針對造紙污泥所開發(fā)的編號為2601的陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM），與普通的藥劑相比，CPAM有以下特點：①使用的藥劑量少，絮凝效果優(yōu)；②濾水性好，能有效提高板框壓濾機的脫水效率；③減少了PAC的加入量，降低處理成本。

脫水藥劑最終選用PAC和CPAM配合使用，藥劑加入量通過實驗確定。將PAC配置成10%的溶液待用，CPAM配置成02%的溶液。向燒杯中倒入200 g固含量為20%的廢水，先加入PAC，攪拌30 s，再加入CPAM，攪拌2 min后，用真空抽濾機進行抽濾直至壓力降為004 MPa，稱量濾餅質(zhì)量，實驗結(jié)果如表2所示。由表2發(fā)現(xiàn)，處理200 g（固含量為20%）污泥，選取加入PAC（氧化鋁含量為10%）04 g和CPAM（濃度為02%）5 g時，污泥脫水效果最好。

綜上所述，處理200 g（固含量為20%）污泥，加入PAC（氧化鋁含量為10%）04 g和CPAM（濃度為02%）5 g處理造紙污泥時脫水效果最好；換算成絕干污泥即處理1 t絕干污泥，需加入100 kg PAC（氧化鋁含量為10%），25 kg固體CPAM。

32污泥脫水工藝

國內(nèi)外運用較多的脫水設(shè)備主要有帶式壓濾機，板框壓濾機和螺旋壓濾脫水機，都有各自的優(yōu)點和缺點，這令很多造紙廠選擇困難。以豐利紙業(yè)為例，現(xiàn)有工藝流程是廢水首先到達初沉池，進行一次沉淀后，下沉污泥經(jīng)刮泥機處理后送往混合池，上清液送往表面曝氣池；再送往二沉池，經(jīng)過二次沉淀后，上清液送往三沉池，下沉活性污泥絕大部分回用到表面曝氣池，部分活性污泥送往混合池；往三沉池中加入聚合硫酸鐵和聚丙烯酰胺，經(jīng)沉淀后，上清液送往洗葦車間作為清水回用，下沉污泥送往混合池；在混合池均勻混合后進行后續(xù)處理。

豐利紙業(yè)起初運行了兩套帶式壓濾機（工藝流程見圖3，以下簡稱傳統(tǒng)帶式壓濾機處理工藝），由于設(shè)備濃縮能力有限，處理效果欠佳，不適用；后自行購買一臺50 m2的板框壓濾機（工藝流程見圖4，以下簡稱傳統(tǒng)板框壓濾機處理工藝），污泥含水率仍高達70%，由于選用工藝不合理，且處理量太小，不僅無法解決問題，處理后污泥仍不符合填埋要求[10]；隨著紙張市場價格的回暖，產(chǎn)能增加，水處理壓力越來越大，面臨被迫關(guān)停的風險。2530/22644壓力14 MPa新型板框壓濾機2530/20052壓力15 MPa注實驗不是同一時間的處理數(shù)據(jù)，由于原料的差別，導致污泥固含量不同（豐利紙業(yè)上半年使用葦漿較多，導致污泥固含量高，下半年由于蘆葦庫存不足，使用木漿較多）。圖5所示的處理工藝經(jīng)高效濃縮塔處理后，污泥固含量可達3%～5%之間。PAC（氧化鋁含量10%），CPAM和PAM濃度均為02%。（以下簡稱新型板框壓濾機處理工藝）。豐利紙業(yè)每天最大污泥量45 t（絕干），可選用2臺800 m2板框壓濾機，單臺設(shè)備每個周期理論處理量是45 t（絕干），使用濃縮調(diào)理池，先將固含量2%的污泥濃縮到固含量4%～6%，通過柱塞泵送往板框壓濾機（進料時間15～2 h），進料結(jié)束后開始壓榨和吹風，壓榨結(jié)束后卸泥，進入循環(huán)等待（從壓榨到循環(huán)約2 h），整個周期脫水時間4 h，污泥干度達到50%以上，完全滿足豐利紙業(yè)的污泥處理需求。

331脫水污泥含水率

同時選取豐利紙業(yè)采用傳統(tǒng)帶式壓濾機工藝、傳統(tǒng)板框壓濾機工藝、新型板框壓濾機工藝處理造紙污泥的處理結(jié)果，進行對比分析，主要數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知，新型板框壓濾機處理工藝選用PAC與高效的CPAM處理造紙污泥，添加合適量的藥劑，經(jīng)過濃縮池調(diào)理和配套的板框壓濾機，可以將污泥干度提高到50%以上，圖5所示的新型板框壓濾機處理工藝具有較高的工程參考價值。

332污泥脫水焚燒熱值分析

豐利紙業(yè)污泥灰分3152%，絕干污泥燃燒值（M污泥）為756 MJ/kg，焚燒后排渣溫度120℃，灰渣比熱C渣為091 MJ/kg℃[13]（按SiO2計），入動力鍋爐的污泥、空氣溫度20℃，排煙溫度180℃，空氣中的N2、O2、H2O比例分別為759%、228%、13%。空氣過量系數(shù)α為15，蒸汽比熱容C熱為2001 MJ/t℃，水的比熱容C水為4187 MJ/kg℃，100℃時水的汽化熱γ100為22584 MJ/kg℃。輻射和不完全燃燒損失占總熱量的15%。按1 t污泥在動力鍋爐內(nèi)進行焚燒，按以下方式進行計算（計算基準為20℃）。

（1） 污泥燃燒產(chǎn)生的熱量Q1：

Q1= G污泥·M污泥=1×50%×（1-3152%）×756×103=25885（MJ）

（2） 燃燒后排渣帶出的熱量Q2：

Q2= C渣·G渣·△t=091×1×50%×3152%×（100-20）=1434（MJ）

（3） 煙氣帶出的熱量Q3：

①污泥中的H元素生產(chǎn)H2O的量

HH2O= 絕干污泥量×H元素比例×（16+2×1）/（2×1）=1×50%×2844%×9=0128（t）

所消耗的氧量O1=HH2O×16/18=0114（t）

②污泥中的C元素生產(chǎn)CO2的量CCO2

CCO2= 絕干污泥量×C元素比例×（12+16×2）/12=1×50%×1738%×44÷12=032（t）

所消耗的氧量O2=CCO2×32/44=023（t）

③污泥中的O元素含量O3

O3= 絕干污泥量×C元素比例=1×50%×20%=01（t）

④理論需氧量OL=O1+O2-O3=0114+023-01=0244（t）

⑤理論空氣用量GL=OL÷228%=107（t）

⑥實際空氣用量G=α·GL=107×15=161（t）

⑦剩余空氣用量G剩=G-GL=161-107=054（t），其中含氧量G剩O=0122（t），含N量G剩N=0406，含水量G剩H2O=0007（t）

⑧干煙氣排放帶出的熱量Q干：

Q干=（G剩O+G剩N+CCO2）·C煙氣·（t3-t0）=（0122+0406+032）×1068×（180-20）=14491（MJ）

⑨水排放帶出的熱量Q水

Q水=（G剩H2O+HH2O）·[C熱·（t180-t100）+γ100+C水·（t100-t20）]=（0007+0128）×[2001×80+22584+4187×80]=37172（MJ）

故Q3=Q干+Q水=51663（MJ）

（4）蒸發(fā)污泥中水分消耗的熱量Q4：

Q4=m水分·[C熱·（t180-t100）+γ100+C水·（t100-t20）]=1×50%×275344=137672（MJ）

（5）輻射和不完全燃燒熱損失帶出的熱量Q5：

Q5=15%Q1=38828（MJ）

（6）剩余熱量Q6：

Q6=Q1-Q2-Q3-Q4-Q5=25885-1434-5166-137672-38828=29256（MJ）

根據(jù)上述公式及有關(guān)參數(shù)計算，當污泥干度為50%時，焚燒鍋爐的能量衡算及所占的比例如表4所示。從表4中數(shù)據(jù)可以看出，當污泥干度50%時，污泥自身的發(fā)熱量足以蒸發(fā)出自身的水分，不需要加燃煤等作為補充。可以說，直接焚燒干度為50%的污泥，對于工廠來說既產(chǎn)生了環(huán)保效益又產(chǎn)生了經(jīng)濟效益。

以每燃燒1 t干度50%的污泥為例，產(chǎn)生余熱29256 MJ，相當于節(jié)約標煤10 kg（動力煤市場價720元/t），如果用于發(fā)電，則能產(chǎn)生電8135 kWh，按市場價075元/ kWh（生物質(zhì)發(fā)電，政府補貼回購）的價格賣給當?shù)卣?，能直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益61元。如果污泥產(chǎn)量足夠大，摻合燃燒葦渣、木片渣等生物質(zhì)燃料，每年的發(fā)電量將會給公司帶來較大的經(jīng)濟效益。所以將污泥干度提升到50%后，再進行焚燒處理，不僅解決了造紙污泥處理難的問題，還可以為工廠創(chuàng)造效益，符合國家節(jié)能減排的標準，值得推廣應用。

34 成本分析

湖南佰霖生物技術(shù)股份有限公司采用新型板框壓濾機處理工藝于2017年2月11日到4月15日完成豐利紙業(yè)造紙污泥處理項目。經(jīng)過一個多月的調(diào)試，成功將污泥干度提高到50%以上，于2017年6月通過工程項目驗收。

從輸送污泥到將污泥壓榨粉碎，單臺設(shè)備每個周期處理45 t絕干污泥全過程只需4 h，污泥流量120 m3/h，PAC用量025 m3/h，CPAM用量30 m3/h。現(xiàn)場DCS曲線如圖6所示。

圖6豐利紙業(yè)2#板框壓濾機處理污泥DCS圖成本分析：對比豐利紙業(yè)采用圖4工藝和圖5工藝處理造紙污泥的成本，PAC（氧化鋁含量10%）市場價700元/t，2601（CPAM）市場價26元/kg，電費按均價05元/kWh計算，廢水達標后排放。

（1）使用圖5所示的新型板框壓濾機處理工藝每噸絕干污泥所需費用：

污泥：流量Q=120 m3/h，固含量W=2%，密度約為ρ=1000 kg/m3，時間T=1 h

污泥質(zhì)量M=120×1×1000×2%=2400 kg=24 t

①PAC：流量Q=025 m3/h，密度約為ρ=1150 kg/m3，時間T=1 h

PAC質(zhì)量：MPAC=025×1×1150=2875（kg）=02875（t）

每噸絕干污泥PAC費用：S1=02875×700÷24≈8385≈84元

②CPAM：流量Q=30 m3/h，濃度W=02%，密度約為ρ=1000 kg/m3，時間T=1 h

CPAM質(zhì)量：MCPAM=30×1×1000×02%=60 kg

每噸絕干污泥CPAM費用：S2=60×26÷24=65元

③三沉池統(tǒng)計所需聚合硫酸鐵PFC為40 t/d，價格為350元/t，PAM為50 kg/d，價格為15 元/kg，折合每噸絕干污泥成本統(tǒng)計為：

S3=（40×350+50×15）÷45=328元/t

④每噸絕干污泥所需電費S4：

4臺曝氣泵功率為160 kW，24 h運行，污泥壓榨車間每噸絕干污泥耗電100 kWh，刮泥機等設(shè)備平均每天耗電1800 kWh。

S4=（160×4×24+45×100+1800）×05÷45≈241元

⑤每噸絕干污泥所需運行總費用S=S1+S2+S3+S4=84+65+328+241=718元（包含整個廢水和污泥處理系統(tǒng)，未考慮生化池所需費用）。

（2）通過市場調(diào)研，選取國內(nèi)幾家大型污泥處理廠均采用板框壓濾機處理情況，匯總結(jié)果如表5所示。

方式東莞某廠—200—23825填埋湖南駿泰30100—20232填埋景津環(huán)保251006～1022448填埋山東恒聯(lián)25100—23138填埋注PAC（氧化鋁含量10%），PAM濃度為02%。由表5可知，國內(nèi)幾家大型處理公司藥劑成本均很高，絮凝劑用量接近，但助凝劑用量相差較大。以駿泰為例（工藝流程大致一樣）進行計算分析，PAC（濃度10%）市場價700元/t，使用的PAM市場價17元/kg，電費按均價056元/kWh計算；廢水總量為30000 m3/d，該公司采用斜網(wǎng)回收廢水中部固形物作生物質(zhì)燃料，平均每天處理絕干污泥296 t左右；三沉池廢水送往工廠附近的廢水處理站（03元/t）達標后排放。

污泥：流量Q=120 m3/h，固含量W=202%，密度約為ρ=1000 kg/m3，時間T=1 h

污泥質(zhì)量M污泥=120×1×1000×202%=2400（kg）=2424（t）

①PAC：用量為30 kg/m3，換算為流量Q=036 m3/h，密度約為ρ=1150 kg/m3，時間T=1 h

PAC質(zhì)量：M=036×1×1150=414（kg）=0414（t）

每噸絕干污泥PAC費用：S5=0414×700÷2424≈1196≈120（元）

②PAM：用量為100 kg/m3，換算為流量Q=120 m3/h，濃度W=02%，密度約為ρ=1000 kg/m3，時間T=1 h

PAM質(zhì)量：M=120×1×1000×02%=240（kg）

每噸絕干污泥PAM費用：S6=240×17÷2424≈1683（元）≈170（元）

③每噸絕干污泥所需電耗：該公司在氣浮未開的情況下，運行電耗約為12650 kWh。

S7=12650×056÷296≈23932（元）≈240（元）

④送往廢水處理站處理費用，折合每噸絕干污泥計算，成本S8

S8=30000×03÷296=304（元/t）

每噸絕干污泥所需運行總費用S=S5+S6+S7+S8=120+170+240+304=834（元）（包含整個廢水和污泥處理系統(tǒng)，未考慮生化池所需費用）

對比分析，選用圖5中新工藝最終總核算處理成本為718元/t，其中污泥處理費用為149元/t，廢水處理費用為328元/t（以絕干污泥計算），運行電費241元/t；駿泰紙廠處理成本為834元/t，其中污泥處理費用為290元/t，廢水處理費用為304元/t（以絕干泥計算），運行電費240元/t。新工藝可節(jié)約139%的運行費用，主要體現(xiàn)在污泥處理的藥劑費用上，這驗證了PAC可以處理造紙污泥，并且配合合適的CPAM和配套設(shè)備，可極大的降低運行費用，值得推廣。

3結(jié)論

31聚合氯化鋁（PAC）能處理高脫水率造紙污泥，可以在造紙行業(yè)大力推廣。

32使用圖5所示新型板框壓濾機處理工藝，污泥干度能達到50%，破碎后摻煤可以直接燃燒，不僅能解決環(huán)保問題，還能產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

33使用圖5所示新型板框壓濾機處理工藝處理造紙污泥，能極大的降低運行成本，作為工程案例，值得業(yè)內(nèi)參考借鑒。

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